（矿物加工工程专业论文）涡流淘金机矿浆分布规律及其分选机理的研究.pdf

摘要 本文在综合了前人关于旋转流场的基础上，分析了分级旋流器与分选旋流器 的不同，特别是分析了分选旋流器一涡流淘金机在速度场方面与普通水力旋流器 的不同，指出了对涡流淘金机进行进一步研究的重要意义。 本文通过实验证明：运用截取流量法测量涡流淘金机内矿浆的分布是可行 的。， 通过对涡流淘金机内矿浆分布的理论分析及实测数据的验证，本文得出如下 结论： 一、由于涡流淘金机独特的速度、浓度、粒度、品位分布，与普通水力旋流 器相比，使得涡流淘金机更适合分选。 二、涡流淘金机上半部内的分布具有区域特征，即上半部可分为预选区、丰 选区、扫选区和精选区，一个充分发育的主选区是非常重要的。 三、通过对不同浓度、密度的给矿矿浆的测试，本文认为浓度对涡流淘金机 分选效果的影响不大，而涡流淘金机虽然比普通水力旋流器更适合分选，但轻重 矿物之间同样需要足够的密度差。 、 全文：图4 5 幅，表1 1 个，参考文献1 0 5 篇 关键词：涡流淘金机，水力旋流器，浓度，品位，粒度，了笋布、区域特征。 t i v a b s t r a c t b a s e do na n a l y s i so nt h ev o r t e xf l u i df i e l d ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h e d i f f e r e n c e o f s e p a r a t i o nh y d r o c y c l o n e a n dc l a s s i f i c a t i o n o n e ，a n d e m p h a t i c a l l yp o i n t o u tt h e i m p o r t a n c eo fr e s e a r c h a b o u tv o r t e xp a n n i n g m a c h i n ew h i c hi s d i f t e r e n tf r o mo t h e r 1 1 y d r o c y c i o n e s i n m a n ya s p e c t s e s p e c i a l l yi nv e l o c i t yf i e l d t nm e a s u r i n gt h ep a r a m e t e ro fv o r t e xp a n n i n gm a c h i n e ，i ti sp r o v e dt o b es u i t a b l eb ye x p e r i m e n lt ob es u i t a b l et ou s i n gt h em e t h o do fc a p t u r i n g t h ef l u i dw h e nt h ep r e c i s i o ni sp e r m i t t e d a n a l y z e d o n t h e o r y a n d p r o v e db y d a t a c o m i n g f r o m e x p e r i m e n t c o n c l u s i o nb e l o wi so b t a i n e d ： 1 1 t ；st h ev e l o c i t yo f v o r t e xp a n n i n gm a c h i n ew h i c hi sd if i e r e n tf r o m o t h e rh y d r o c y c i o n e st h a tm a k et h ev o r t e xp a n n i n gm a c h i n en l o r es u i t a b l et o b eu s e di ns e p a r a t i o n 2 t h eb e h a v i o ro fp a r t i c l e sw i t h i nav o r t e xp a n n i n gm a c h i n eg i v e s c l e a re v i d e n c et h a tt h ei n t e r i o ro ft h ev o r t e x p a n n i n gm a c h i n em a n yb e d i v i d e di n t of o u r r e g i o n s t h a tc o n t a i n d i s t i n c t l y d i f f e r e n ts i z e sa n d c o n c e n t r a t i o n sa n d d e n s i t yd i s t r i b u t i o n ：a ：s e p a r a t i o n r e g i o n b ： c l a s s i f i c a t i o nr e g i o nc ：o v e r f l o wr e g i o n a n dd ：c o n c e n t r a t cr e g i o n s ot h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e dt h r o u g hs h a p i n gt h i ss e p a r a t i o nz o n e t ob eb e s ta d v a n t a g e o u s 3 t h r o u g h t h e t e s t i n g t h ec h i e f o p e r a t i n gp a r a m e t e r s s u c ha s c o n c e n t r a t i o nt h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ed e n s i t yo f p u l pd o e sl e s s i n f l u e n c et ot h e p r o c e s s o f s e p a r a t i o n ，a n d t h a tt h e e n o u g hd e n s i t y d i f f e r e n c eb e t w e e nt w om i n e r a l sw h i c ht a k e p a r t i nt h e p r o c e s s o f s e p a r a t i o na ls o b er e q u i r e dt h o u g hv o r t e xp a n n i n g m a c h i n eh a v eb e e n p r o v e dt ob es u i t a b l et ot h ep r o c e s so fs e p a r a t i o n i n c i u d e s ：4 5f i g u r e s ，11t a b l e s10 5 r e f e r e n c e s ， k e y w o r d s ：v o r t e xp a n n i n g m a c h i n e ，h y r o c y c l o n e ，d e n s i t y ，d e n s i t ys i z e r e g i o nc h a r a c t e r ，g r a d e ，d j s t r i b u t i o n 前言 涡流淘金机是一种新型处理黄会的重选设备，它不仅分选指标高，作业回 收率达到处5 左苞。富集比高达1 0 0 - - 1 5 0 倍以上，而且它的结构简单，不需 要动力，给矿高差小，只需7 0 0m m 的自然高羞就能达到正常的分选目的，且体 积小，重量轻，占地面积小，不仅适用于处理采金船的尾矿，也适用于其它选金 厂的尾矿处理。 涡流淘金机是在曲面旋流选金器的基础上研制而成的，但是目前对它的分选 机理的研究程度较浅尤其是对分选机理缺乏定量的分析研究。因此很有必要对 涡流淘金机的分选机理进行系统研究，强化对分选有利因素，减少甚至消除对 分选不利因素。从而使该设备进步完善，以便扩大该设备的应用范围。 目前的流体力学理论对于旋转流场的研究还不是很成熟，又由于涡流淘金机 内流场比水力旋流器流场更为复杂，所以正如研究水力旋流器那样，对旋转流场 的研究基本上是定性的，而不是定量的，即使对于某些参数来说，从理论上基本 上可从流体的连续性方程及运动学方程解出水力旋流器内这些参数的三维分布， 但是为了求出解，在解这些方程时，人们或多或少地作了一些假设及简化。这就 使得求解的结果与实验结果有差距，不得不靠一些经验参数来修正，使得这些公 式的应用受到限制。 本文通过对涡流淘金机内矿浆粒度、浓度、品位的实际测定，进而得出涡 流淘金机内粒度、浓度、品位的分布规律，并对这些分布规律进行初步的研究， 并在基础上提出一些改进的设想，为后人的研究提供依据。 v 主重王些查兰塑主堂些丝塞 笙二童兰整堡堕一 第一章文献综述 因为涡流淘金机是在水力旋流器的基础上发展而来的，它们都是利用旋转流 场进行分选或分级的，涡流淘余机实质上是一种特殊的水力旋流器。因此有必要 对水力旋流器流场的基本特征进行分析研究。 1 1 水力旋流器流场的基本特征及流场研究的意义 在常规的水力旋流器中，液流的运动可归纳为四种基本形式及两个重要特征限 ，即：内旋流、外旋流、短路流和循环流。其中最主要的运动形式是所谓的外 旋流和内旋流( 如图1 1 ) ： 图1 1 水力旋流器内的液 流的双螺旋模型 影 | 于警 图1 2 水力旋流器径向与轴向 流动的几个重募形态与特征 其中外旋流携带大部分粗颗粒或重矿物相进入底流，而细颗粒或轻矿物相则 主要随内旋流从溢流口排出。在外旋流与内旋流的转折点附近，轴向流动发生了 自下而上的改变，在转折处轴向速度为零。所有这些点构成了锥面形的轴向零速 包络面( 如图1 2 ) 。 零速包络面是水力旋流器轴向流动的重要特征，也是分离界面。一般说来。 零速包络面以内的流体构成溢流，零速包络面以外的流体则成为底流。近年来， 中南t 业人学硕士学位论义 第一章文献综述 罗茜、徐继润i m l 研制的厚壁旋流器以及苏跃华关于涡流淘金机内部流场内存在 零速过渡区的观点，认为零速过渡区的存在将有乖j 于矿粒在旋转流场的停留对 间，从而有利于分选及分级作用的充分进行。 常规水力旋流器的另一特征是中心空气柱【3 8 l ，最近有些学者的研究表明：空 气柱在存在对颗粒的分级与分选是不利的，应该消除，水封式水力旋流器就是在 这种思路下产生的d 5 - - 5 6 j 。图( 1 2 ) 中经旋流器盖顼绕过溢流管处壁薅直接进入溢 流的部分流体是令实际工作者颇为棘手的短路流，这部分不经过分离作用直接成 为溢流，降低了水力旋流器的分离效率。此外，在旋流器园柱体部分以及柱锥连 接处附近存在一个循环流区域，这区域占去了旋流器柱体部分分离空间的相当 一部分。该循环涡流的形成机制及对旋流器工作的影响尚有待于深入考查。 迄今为止已进行了关于水力旋流器流场的大量的研究，从定性的角度来看， 业已比较清晰地勾勒出了流场的大致轮廓。但由于不同的研究者所使用的旋流器 差别较大，因此还没有一个模型能够定量地说明所有旋流器的流动情况。尽管建 立统一的数学模型困难很多。但这方面的研究极具意义。应当成为水力旋流器流 研究的方向之一。对水力旋流器内多相流动的深入探讨，应是流场研究中的有待 进行的又一重要课题，目前对固体颗粒的运动分析一般是理论上的，或仅针对低 浓度的浆体，随着测试技术的进步，实际测出水力旋流器内复杂的多相流动，检 验或修政理论预测的模型，对于加深对旋流器的了解以及改进旋流器的工作进而 提高分离效率都将有重要意义，流场研究目的，不仅是为了查清水力旋流器的工 作原理，更重要的是藉以寻找更合理的的旋流器的结构。例如d a b i r t 删等利用激 光测速的结果进行溢流管结构的最佳化研究等，徐继润“5 1 等通过对强制涡的深 入分析而设计出特殊结构的旋流器，本文的目的之一也是通过对涡流淘金机的流 场浓度、粒度，品位等参数规律的研究来达到改进涡流淘金机结构的目的。 1 2 水力旋流器分离理论 水力旋流器分离理论是关于旋流器分离过程的数学模型或其赖以建立的物理 模型。迄今为止，许多研究者已桐继提出各种各样的分离理论，归纳起来主要有 平衡轨道理论、停留时叫理论、群集理沦以及湍动两相流理论等四类m l 。这些理 论从不同角度考察了水力旋流器内的固液分离过程，为我们从定性上多方位地认 议分离过程的实质，以及从定量上评估旋流器的分离效果提供了非常有蓣的帮 助。 平衡轨道等分离理论，大部分是在提出物理模型的基础上建立了相应的数 学模型，只有群集理论至今仅提出解释旋流器工作的物理模型而没有对分离指标 进行定量表述。在包含数学模型的分离理论中，所关注的对象主要为分离粒度， 中南工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 而对同样体现水力旋流器分离效率、分离精度等指标一般缺乏分析。各种分离理 论由于依据的原理不同，从而所考虑的因素也各不一样，有的甚至在出发点上相 互否定，如停留时问理论不承认平衡轨道理论的平衡条件。此外，大部分分离 理论都针对处理低浓度悬浮液的旋流器虽然有的理论在提出之初或经修改后也 考虑到了高浓度的影响。 l ，2 1 平衡轨道理论 这种理论认为，对于一定粒度的颗粒，在离心力和流体阻力的作用下达到平 衡时，则颗粒在一定轨道作回转运动，不同粒度的颗粒在径向有不同的平衡轨道， 如果假定位于零速包络面以外的颗粒全部进入沉砂，而零速包络面以内的颗粒全 部进入溢流，则分离粒度d 。正是平衡轨道位于零速包络面上的那些颗粒，即粒 度为d 。的颗粒为进入溢流和沉砂产物的概率各5 0 。根据平衡轨道理论预测水 力旋流器的分离指标，除需要确定轴向零速包络面与径向速度的分布外，还需确 定轴向零速包络面的形状和位置。由于0 ：同的学者确定的零速包络面的形状和位 置不同，再加上所使用的旋流器的结构参数不同，故他们提出的公式的形式也不 一致【4 “6 】p 7 。 平衡轨道理论的缺陷也是明显的，首先就是并非每一个颗粒都有足够的时间 到达其平衡轨道，换句话说就是有些颗粒在旋流器内的停留时间是如此短暂，以 至于它们在达到平衡状态之前就已经进入溢流或者底流了。第二，在分析颗粒的 径向运动时，平衡轨道理论没有考虑湍流的扩散作用，而实际上，湍流在径向上 作用是不可忽略的。湍流，尤其是高频湍流对颗粒在径向的平衡位置有相当的影 响，若将湍流因素考虑在内，则按平衡轨道理论所预测的分离粒度可能偏小。第 三r 在平衡轨道理论中，为使分离指标与旋流器结构参数联系起来，采用了在整 个零速包络面上径向速度相同的假定并忽略了短路流的影响，这样做虽然使问题 得到简化但难免带来不容忽视的误差，从而使模型的普适性受到限制。 1 2 2 停留时间理论 这种理论认为旋流器中不存在颗粒的平衡条件，颗粒能否进入底流仅取决于 其能否在可获得的停留时间内到达旋流器边壁。作为停留时间理论的创始人， i u 咖m a i 瑚假定所有尺寸的颗粒在旋流器入口管道的横截面上均匀分布，如果处 于入口管中心的某种颗粒在其停留时间内恰好达到旋流器器壁，则这种颗粒的粒 度就是分离粒度。按照这一假定，直径等于分离粒度的颗粒在旋流器内的运行轨 迹可示于图( 1 3 ) ，在停留时间t 内该颗粒沿径向的沉降距离( 为旋流器入口直 径的一半) 等于沉降速度在时问t 内的积分。而分离粒度则是指从给矿口中心 给入的矿粒运动到沉砂口时也正好与锥壁相遇的颗粒粒度。该理论同样未考虑流 ! 堕王些查兰堡主堂堡垒兰 一篁二兰苎苎堡蕉一 体径向流动的影响，也未考虑湍流在水力旋流器内所起的作用。 图( 1 3 ) 粒度等于分离粒度的颗粒在水力旋 j 褪g 内 的运动轨迹 1 2 3 群集理论 群集理论( c r o w d i n g ) 或称拥挤理论，它是f a h l s t r o m t ”5 1 六十年代初首先提 出来的，该理论的基本思想是：水力旋流器的分离粒度主要是底流口的通过能力 以及被分离的固体颗粒粒度分布的函数。在旋流器底流口附近，颗粒浓度已经相 当高，大量颗粒“拥挤”着从底流口排出，因而从颗粒进入底流的质量分数可 以反映出分离粒度的大小。该理论指出了器壁边界层及底流口附近颗粒运动及浓 度分布的重要性，提出了器壁边界层处颗粒的分离点的重要性。但由于器壁边界 层与底流口附近的颗粒运动相当复杂，理论分析与实际测定都十分困难，因此群 集理论尽管从原理上说无可厚非，但迄今为止仍停留在定性阶段。 1 9 8 0 年， b l o o r 与i a v e m c k 及l n g h a m i 在英国l e e d s 大学进行的关于水力 旋流器边界层的研究对群集理论的量化具有重要意义，他们认为在边界层内的流 体为粘性流体，并将边界层运动方程中的流体粘度与颗粒质量浓度用公式联系起 来，从而能推导出颗粒浓度对流体运动的影响。b l o o r 等进而根据对沿旋流器器 壁方向通过边界层的流体通量q 、流函数、单位体积悬浮液内的颗粒质量、边界 层厚度等之间的关系的数学分析，而将颗粒质量浓度与流函数联系起来，从而与 流动速度联系起来，再从边界层方程用数学方法解出不同给料浓度下器壁边界层 内的颗粒浓度、边界层流量、边界层厚度等的分布态势。b l o o r 等的上述研究， 从理论上证明了在水力旋流器器壁边界层内固体颗粒得到了高度富集，尤其是靠 近底流口处，颗粒浓度具有相当高的数值，这结果对群集理论无疑是有力的证 据。但该理论未导可供应用的分离粒度或分离效率公式，也来考虑流体湍流的影 宣三些查兰塑主堂堡笙塞 墨= 兰一茎竖堕一 响。 1 2 4 湍动两相流理论 流体湍流对水力旋流器分离性能的影响早就引起人们的注意，从早年的 d r i e s s e n 【1 2 1 到6 0 年代的r i e t e m a l l 3 1 等对此就曾进行过探索，不过由于时代的限制， 他们的研究多针对单相流，而且所关注的问题( 例如湍流对切向速度分布式中的指 数n 的影响等) ，并直接与分离指标相联系。r i e t e m 通过对单相流的研究认为湍流 扩散的作用在他指出的停留时间理论中可以忽略不计”，这实际上是否定了湍流 对分离效果的影响，显然与现代大部分研究者的观点不同。8 0 年代初，r i e t e m a t ”1 等从两相流动量方程出发研究了存在颗粒的条件下湍流对液相速度及压力分布的 影响，在假定湍流粘度与旋流器径向位置无关的前提下，得出固体颗粒的存在可降 低流体速度梯度及径向压力梯度的结论，不过他们没有提出相应的分离理论。根 据湍流扩散与离心沉降的平衡关系，系统地提出湍动两相流理论的是两个德国人 s c h u b e r t 与n e e s e e t ”i 。他们用“悬浮泄流”横流”分离模型类比水力旋流器分 离模型，认为湍流扩散与离心沉降的平衡决定分离粒度。并假定旋流器内的湍流 场与力场是均匀的。从而推导出用于旋流器的分离粒度公式： 氐= k 乐磊 其中 t 。，k ，分别为d ，。颗粒的形状系数及干涉沉降系数 反，p分别为固体颗粒与介质的密度 口为扩散系数 d 为旋流器直径 ，五分别为流体的粘度系数与平均加速度 ，分别为中粗粒与细粒产品的体积流量 该理论在给出斯托克斯范围内颗粒的沉降速度公式时没有考虑介质的径向流动， 这将影响到模型的准确性，再者该理论用平均扩散系数、平均加速度刻划整个旋 流器内的湍流场及力场有些粗糙。 综上所述可以年看出：每一种理论都强调水力旋流器分离过程所以发生的某 种主要现象，但同时也遗漏了另外一砦j 次要的问题。其实，各种理论所着重考 主壹三些查堂堡主堂垡笙壅 丝二垦羔堕堡垄一 察的对象的总和才能更全面地反映水力旋流器分离过程的本质。由于研究的出发 点以及所针对的旋流器结构不同，因此各种分离理论无论就推导过程还是就最终 结果来说，一般缺乏本就存在的内部联系，这就使得关于分离粒度的数学模型之 间往往存在较大的差异。 1 3 水力旋流器的分级与分选 1 - 3 1 分选与分级水力旋流器的区别 固液分离与固固分级与分选是水力旋流器两个最主要的应用场合，它们对流 场特性显然有不同的要求，反映在旋流器设计上则为两者各有适宜的结构参数。 目前来说，虽然在选择分离及分级用旋流器时，有特定的结构尺寸范围，但这些 范围的界定仍属于经验性质，与流场特性之间缺少有机联系，或者虽有联系也是 定性的而不是定量的。研究分选用旋流器与分级用旋流器，或者更广义地说，研 究不同用途的旋流器在流场要求上的特殊性，并把这种特殊性定量地转化在结构 设计上，无疑是水力旋流器流场研究中一件很有意义的工作。 中南工业大学曾令移教授在这方面做了详细的工作，他认为分选旋流器与分 级旋流器的区别在于| l 目： 1 、给矿压力不同：为了实现比较细的分离粒度，在分级时常采用较高的给 矿压力。而分选旋流器的给矿压力低于分级旋流器，只要很低的压力就能进行分 选。 2 、旋流器的锥角不同：总的说来，分级旋流器锥角小，分选旋流器锥角大。 因为分级过程中发生在整个旋流器的从上到下的各个部位。锥角越小，分离粒度 就越细。而分选旋流器的分选作用主要发生在底部，故分选旋流器的锥角大，底 部的空间大将有利于分选。 3 、给矿浓度不同：浓度对分级旋流器的影响大。一有说来，给矿浓度高， 处理的千矿量多，而分级效率低；浓度低，分级效率高，因为浓度小，矿浆粘性 小，所以分级效率高，而分选旋流器的给矿浓度可在较大的范围内波动。 4 、尾矿管( 溢流管) 插入深度不同：分级旋流器溢流管插入深度一般是圆 柱部分的2 3 ，太浅太深都会使溢流跑粗，由于分选旋流器由于精矿产率低。尾 矿管插入深度可以超过圆柱部分，甚至更深。 5 、给矿矿物密度不同：因为分级旋流器的目的是按粒度大小分成不同的级 别，故给矿密度对分级效率影响不大：但对分选旋流器，给矿中密度差的大小对 分选有明显影响。 近年来，在用于分选用的水力旋流器中，比较典型的有磁力水力旋流器、水 6 中南工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 介质旋流器、曲面旋流选金器、短锥旋流器【4 7 】，其中短锥旋流器以及曲面涡流选 金器在分选中的应用最为广泛，它们也是涡流淘金帆的前身。 1 3 2 短锥旋流器及其在选矿工艺中的应用 短锥旋流器与普通旋流器的区别在于| 3 7 】：后者锥体角度一般在1 5 - - 3 0 度，试 验表明，当旋流器锥角从6 0 度逐步增大到1 2 0 度，而排砂口直径不变的情况下， 沉砂产率由6 0 左右逐步下降到3 0 左右( 这在选金时表现更加明显) 。随着锥 角的不断增加，入选物料中各种矿物组分之间的比重差对分选所起的作用变得越 来越大。当旋流器的锥角为9 0 度或1 2 0 度时，水力旋流器对矿物的分选主要是 按比重进行的1 4 0 。 七十年代初，前苏联某选矿厂用直径5 0 0 m m ，锥角9 0 度的短锥旋流器回收 细粒金，其中粒度一0 0 1 5 m m 占9 5 9 8 ，固体含量为2 5 一2 7 的螺旋分级 机溢流给入二段旋流器中选别，给矿压力为0 0 8 - 0 0 9 m p a ，溢流管直径为 1 3 0 m m ，沉砂管直径为4 5 r a m ，处理能力为1 2 0 m 3 h ，在此情况下，保证了最佳 的沉砂产率( 1 0 ) ，富集比在四倍左右，金的总回收率为3 0 - - 4 0 | 船】。 我国对短锥旋流器的研究稍晚，1 9 9 7 年在黑河金矿局兴隆金矿对第四系冲 积砂金矿用直径向1 0 0 厘米及3 0 0 厘米短锥旋流器进行半工业试验，在给矿压力 0 1 2 5 m p a 矿浆浓度1 0 1 5 ，处理能力分别为1 8 0 一1 0 0 0 立方米每天的情 况下，获得了回收率8 8 0 9 1 0 0 指标【2 8 】。 圈1 4 曲面旋流选金器结构示意图 中南工业大学硕士学位论且= 第一章文献综述 1 3 3 曲面旋流选金器及其应用 曲面旋流选金器的基本结构形式如图1 4 所示，该形式近似灯泡形，目的 是要延长矿浆旋转过程，曲柱形旋转流转化为曲面旋转流。从而达到由粒度分层 转化为按比重分层的目的，它采用截头圆锥，其目的是促使进来的矿浆产生足够 的离心力，初步实现按比重和粒度分里、外环层，随着锥体的扩大，旋转流趋向 稳定，使里、外环层更加明显，按比重和粒度分层更加精确。在分选底盘刻有渐 开线和螺旋线相连接的沟槽，这些沟槽不是直接通向精矿管，而是在分选底盘的 底部有一个比给矿管稍大的平面，精矿管就设在此平呵的中心，这种沟槽与平面 相结合的结构对分选起着大的作用。这种曲面旋流选金器具有结构简单、操作容 易、工作可靠、不需动力和成本低等优点。它的分选效果好，适应性强，给矿压 力和给矿浓度在较大范围内波动均能得到比较好的分选效果，它的设备小、重量 轻、相对处理能力大。在大小选矿厂均可使用口。 1 4 对涡流淘金机内部流场的研究 多年来，曾令移教授和苏跃华对涡流淘金机( 见图2 一1 ) 内分选机理及其 主要参数进行了比较系统的研究 3 0 l 帛“”，并测定了涡流淘金机上、下部分单相流 体的速度分布，实验表明：由于涡流淘金机内部速度场的分布与普通的水力旋流 器有相似处，也有不同的地方，这主要是由于涡流淘金机特殊的结构造成的。 由于分选旋流器是在普通水力旋流器的基础上演变而来的，它在构造上的最 大特点是锥角变大，分选腔增大( 如短锥旋流器、涡流淘金机、虹吸选矿机等) 各 种因素变化缓慢，这样消弱了按密度分选的目的，液流的速度变化规律是该类设 备按密度分选的主要依据。 1 4 1 涡流淘金机上部的速度变化规律 1 4 1 1 涡流淘金机切向速度的变化规律 普通分级水力旋流器液流的切向速度如图1 - 5 所示，它随水力旋流器半径 的减小而增加，在器壁处的速度最小，越往空气柱附近，由于受到来自空气柱的 阻力，切向速度有所降低，各截面的变化规律基本相似1 3 i i ，而涡流淘金机中切向 速度则大不相同，其变化曲线如图1 - 6 所示，在一定范围内其切向速度是随半径 的增大而稍增加，但在靠近器壁处由于受壁效应的影响，随半径的增大而减小， 在中心1 5 m m 处，切向速度有一个转折点，在转折点以内，随半径的减小而增 加，待增加到一定值后，又急剧减小，在中心尾砂管附近出现转折点，各断面出 现转折点的位置地不同的，上部晟低转折点离中心远，越往下部离中心越近。 中南工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 ： - 占 二 ； 导 图( 1 6 ) 涡流淘金机切向速度分布图 涡流淘金机中心空气拄很小，几乎为零，这是由于涡流淘金机的特殊构造和很低 的给矿压力造成的，切向速度的转折变化，使得密度不同的矿粒在径向有选择性 运动的可能性。切向速度在中心处急剧下降，并不是空气柱的影响，而主要是因 9 中南工业大学硕士学位论文 第一犟文献综述 为尾矿管插入很深，受尾矿管器壁的影响。 按普通水力旋流器的规律，液流自切向进入旋流器后力图保持角动量平衡， 但实际上随着流体向内向下运动，各种能量损失不可避免，从而使压强降低，切 向速度不能维持自由涡运动，而出现所谓半自由涡，即： u 仁常数 u ，一流体的切向速度 r 一回转半径 1 1 一指数( 其最值在0 1 之间) 而涡流淘金机只在转折点以内基本遵循这规律，在转折点以外完全相反。 在涡流淘金机的底盘，由于分选腔的扩大，切向速度越来越低，波峰也降低， 主要原因是除了分选腔扩大外，还有较低的给矿压力，能量已大量消耗是其更重 要的原因，代之而来的将是几种力的联合作用。 1 4 1 2 径向速度的变化规律 普通水力旋流器的径向速度的变化规律如图1 7 所示，因为给矿处的直径 囝( 卜7 ) 水力旋诹器径向速度分布圈 最大，当矿浆切向给入后，其径向速度是向内的，在器壁处为最大，随半径的减 小雨减小，直至降为零，各截面的变化基本相同。 涡流阿金机径向变化规律如图( 1 - 8 ) 所示，曲线的形式与水力旋流器相同，基 本上是呈直线变化的。但实质上与水力旋流器有根本的差别。一是里层径向速度 是向内的，其速度大小是随半径的减小而增大，而在外层径向速度的方向相反， 0 塑三些盔兰堡主堂些堕塞 一星二萋苎堕堡整一 是向外的。其径向速度的大小是随半径的增大而增大；二是径向速度的变化比 较缓慢。这是由于涡流淘金机上部是个截头圆锥，而给矿是在上部直径最小的顶 端给入，从整个空间来说，相当于是从中问给入，液流势必从两边流动，故啦现 外层的径向速度向外；里层的径向速度向内。 应该指出的是第六个截面的径向速度有个转折点且向外的速度很小，这是 因为这个截面是处在尾矿管的下端，几乎所有的矿浆都要往尾矿管端点流动，外 层的矿浆也一下由外转为向内，第七个截面也有相似的情况，它的向内的速度更 大，几乎没有向外的速度。 靠 售 。 ( 3 - 1 4 ) 即自涡流淘金机器壁向内，随半径的减少，粒度为的颗粒浓度呈负指数下降趋势。 两对于随流体向内运动的颗粒，浓度沿径向的分布与向外沉降者恰好相反，即浓 度随半径的减小而以正指数规律增加： 一社叫卜。 ( 3 - 1 5 ) 一般说来，粒度大于分离粒度的颗粒，其浓度分布类似于( 3 1 4 ) 式，而小于 分离粒度的颗粒，其浓度的分布类似于( 3 1 5 ) 式，至于整体浓度分布则显然取决 于涡流淘金机的分离粒度及给料的粒度组成，这样涡流淘金机径向的颗粒浓度分 布可能如图3 - 2 所示的三种模式： 。浓度 。_ _ 一 模式2 、a 梗爿 | ，么j 、 f 7 1 半径 其中模式l 对应于大部分颗粒粒度大于分离粒度的情形，模式2 对应于大 部分颗粒粒度小于分离粒度的情形，而模式3 中的分离粒度大致等于给料的平均 粒度。而涡流淘金机内靠近中心部位的浓度与模式3 相似，说明本次实验的给料 粒度大致与分离粒度相等。但在涡流淘金机内靠近器壁处浓度有增高的特点，这 是由于涡流淘金机内径向速度的分布与普通水力旋流器不同造成的在涡流淘金 机内流体的径向速度分布如图3 - 3 所示：从图( 3 3 ) 中可以看到，涡流淘金机在靠 近器壁处有向外的径向速度，在公式3 一1 1 中体现为( p 。一p ) a 2 “；1 8 “r 与甜。同 中南工业大学硕士学位论文第三章涡流淘金机上半部粒度、浓度、品位的分布及其机理的研究 号，从而使值增大，如果考虑颗粒的径向沉降速度及湍流扩散系数都是半径 的函数，甚至在高浓度下还是浓度c 的函数，则方程的解在结构上会更加复杂， 但不会改变浓度分布的基本模式。 山j 生；一 彩酶 ( m m ) 圈3 - 3 涡流淘金机上半部径向速度分布示意图 3 1 2 2 涡流淘金机上半部浓度沿轴向的分布 根据实验数据( 附表一) 可作出涡流淘金机上半部分浓度等值线图3 - 4 ， 从图上可以看出涡流淘金机上半部浓度沿轴向的变化有两个明显的特点，、浓 沿轴向下逐渐增大，到了低部最高达4 8 ，二、在涡流淘金机上部分的底部， e e g 毛 主 包络 r a d l u s ( m m ) 田( 3 4 ) 涡流淘金机上邮辕艘辞值钱田 3 l 中南工业大学硕上学位论文第三章涡流淘金机卜半部粒度、浓度、品位的分布及其机理的研究 浓度的变化幅度比上部大：而在它的上部深度沿轴向的变化幅度很小。这是由涡 流淘金机特殊的结构所造成的，在涡流淘金机上部随着矿浆的给入，矿浆到了底 部变成了以重力沉降作用为主，矿浆在如此高的浓度下有利于矿浆按密度分层， 根据涡流淘金机轴向的扩散方程，同样可以得出涡流淘金机浓度在，轴向上 的分布规律，此时轴向坐标z 的原点取在涡流淘金机上半部分底部圆球部分底部 中心，其正向指溢流，扩散方程的形式与( 3 3 ) 相类似： c “。一日坐d z = o ( 3 - 1 6 ) 这里“。为颗粒的轴向运动速度。这里由于涡流淘金机特殊的结构导致重力因素 不可忽略，在涡流淘金机上半部的下部，出于给矿压力低，再加上在涡流淘金机 内能量的消耗，此时重力因素起主要作用，对于大部分颗粒其轴向速度是向下 的，而对于那些密度小的在颗粒及密度大的小颗粒在零速包络面的外部与流体的 速度方向一致，即在轴向零速包络面的外部速度向下而在轴向零速包络面的内部 速度上，对0 1 6 ) 积分可得： e x p 潞出 f 3 1 7 ) q 为轴向坐标为零点处的浓度，对于大于分离粒度的颗粒，其轴向速度”。： o ，z ，颗粒浓度自下而上逐渐增加，在 轴向零速包络面以下的旋流区，“。 o ，z z 0 浓度则自下而上逐渐减小，所以在 中南工业太学硕士学位论文第三章涡流淘金机卜半部粒度、浓度，品位的分布及其机理的研究 轴向方向上，颗粒在零速包络面上浓度的分布将取得极小值。 从图( 3 4 ) 可以看出，本次实验中的固体颗粒大部分大于分离粒度，即从下 到上颗粒的浓度是逐渐减小的，但从图中还可以看到，在涡流淘金机的轴向零速 包络面附近，浓度的分布有一个极大值，这一方面可能由于矿浆中固体颗粒的粒 度与分离粒度相似，从而造成矿浆中固体颗粒在零速包络面附近作循环运动，这 将有利于延长矿浆在分选腔内的停留时间，有利于分选。另一方面了证实了苏跃 华例，徐继润 j 0 4 等关于涡流淘金机、厚壁水力旋流器内的流场存在轴向零速过渡 区而不是零速包络面的观点。 3 2 涡流淘金机上半部粒度的分布及其规律的研究 3 2 1 、涡流淘金机上部粒度的分布 在实验中，我们测出了涡流淘金机内一2 0 0 目颗粒的重量百分含量，经过数 据处理绘成图3 5 ： 。” 2 r a d l m ( m m ) ” ” 图a 5 ) 竭缚帮全毋上半部- 2 0 0 目颗粒 百分含量分布图 从图中可以看出，在涡流淘金机内2 0 0 目颗粒在径向上的含量是逐渐减小的， 在轴向上( 从上到下) 一2 0 0 目颗粒含量从上到下也是逐渐减小的。这与实验前的 一舞j|e卜o o言可o器一，差芑警_rg垂 中南工业大学硕士学位论文第三章涡流淘金机j ：半部粒度、浓度、品位的分布及其机理的研究 预测是一致的。 另外在靠近涡流淘金机器壁处，- - 2 0 0 目颗粒百分含量值的变化在不同的平 面的分布规律有所不同，但总的来说，2 0 0 目颗粒百分含量在器壁附近有不同 程度的升高，这可能是在器壁附近的向外方向的流体速度有关，从这一点来看， 涡流淘金机在器壁附近的径向向外流速对分级不利，而有利于分选。这说明涡流 淘金机的结构设计地合理的。 在轴向上，一2 0 0 目颗粒的百分含量是明显减小的，这与水力旋流器的粒度 分布相类似，说明涡流淘金机内还是存在着分级作用，在涡流淘金机上部位的平 面上如第4 、5 、6 、7 平面2 0 0 目颗粒百分含量值的波动范围很大，而在下部的 平面上，- 2 0 0 目颗粒百分含量值的变化就比较小，这一方面说明在涡流淘金机 下部- 2 0 0 目颗粒含量比较少，在另一方面也说明了在涡流淘金机下部主要以分 选作用为主。 3 2 2 涡流淘金机上半部粒度分布的理论分析 从颗粒所受离心力、浮力及斯托克斯阻力的平衡中可得到沿涡流淘金机径向 的粒度分布公式： d = l 焘( p 只 仔， ，一p ) “；j r 。7 其中的为半径处的流体切向速度。“为颗粒与流体在径向的相对运动速度， 该式是在忽略流体径向流动对向心浮力影响的前提下导出的，在流体的径向压力 梯度中，若将径向速度考虑在内，可得 这里，u r 为流体的径向速度。于是粒度为的颗粒所受离心力的向心浮力为： 乃= 譬p 睁蚱警 仍据颗粒的受力平衡，得到颗粒粒度沿径向的分布： d = 再蒜 咒 ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 、 咄i 虬 一 刃一， = 咖一咖 中南工业大学硕士学位论文第三章涡流淘金机卜半部粒度、浓度、品位的分布及其机理的研究 将流体切向及径向速度的经验公式，”= c 。，“，”= 一c 2 ”，( 这里c l 、c 2 为啦! 之间的常数) 代入上式，经整理可得： 拈 # 笔p ) rc 2 p r 以 p z 。， l c l ( n 一 “一 “j 、 该式表明在涡流淘金机半径处回旋的颗粒粒度与半径之间存在比较复杂的正 比关系，这从实验结果可以验证。同时公式表明考虑径向速度的影响后半径处的 回旋颗粒有所增大。 下图为根据实验数据所做的等粒度曲线图3 - 6 。 圈( 3 - 6 ) 祸流淘盘机上部2 0 0 嗣瓤| 疃 百分台量样值线朗 从图中可以更直观地看到涡流淘金机内2 0 0 目颗粒百分含量的分布规律， 而且，在粗选部分的上部粒度分布在径向上的变化程度要比下部大，从而更直观 地说明在粗选部分的上部主要以分级作用为主，而在粗选部分的下部主要以分选 作用为主。 3 3 涡流淘金机上半部品位的分布及其规律的研究 涡流淘金机内品位的分布从某种程度上来讲是涡流淘金机分选效果的体 幻 的 如 o (lcef丘砷$工 中南工业太学硕士学位论文第三章涡流淘金梳二半都粒度浓度、晶位的分布及其梳理的研究 现，品位分布是涡流淘金机的一个重要的参数。 3 ，3 1 涡流淘金机上半部晶位的分布 由根据实验数据( 附表一) 可划出的品位分布曲线图3 - 7 ，从图上可以看 出：一、在涡流淘金机内品位的分布规律很明显的，从涡流淘金机的溢流管到器 壁磁铁矿的品位是逐渐升高的，特别是在靠近器壁处，由于磁铁矿的富集。导致 涡流淘金机在器壁处的品位上丹的比较快。在涡流淘金机轴向上，从上到下品位 逐渐升高，特别是在第一平面即在涡流淘金机上部的最底部，其品位与第二平面 的品位之间，有很大的差值，这说明重力分层作用起了很大的作用：在上部，品 位在径向上变化相对来说较大，而在下部，淘金机上部的最底部是按密度分层的。 二、从上到下，涡流淘金机内品位在径向特别是在第一平面上，品位在径向上几 乎没有多大的变化。这说明在涡流淘金机上半部的底层，重力沉降作用已经起了 主要的作用。 00 0 2 0 0 04 00 do o r a d i u s ( m r a ) 图( 3 - 7 ) 涡流淘金机上郎品位分布图 从图中同样我们可以看到，涡流淘金机内品位沿径向的变化曲线比较平缓， 这说明此次实验的结果并不是十分理想，其原因可能是由于固体颗粒之间的密度 差不够大引起的，涡流淘金机原来主要是用来从石英砂中淘金的，而金与石英砂 间的密度差较大，为此，我们设计了黑钨矿与石英砂的选别实验，最得了较好的 效果。具体的原因将在第五章分析。 根据实验数据可做出涡流淘金机内品位分布等值线图3 8 ，从图3 8 我们可 生塑三些盔堂堡主堂垡丝塞 苎三兰塑迹塑垒垫! ：兰塑垫鏖：整鏖：曼垡箜坌塑墨苎塑里翼! ! ! l 以更直观地看到涡流淘金机内部品位的分布情况，在图3 - 8 的上部，品位的变化 并不是很大，而品位的变化主要集中在在图3 - 8 的下部，这说明分选作用主要以 发生在底部圆盒形区域。 3 4 涡流淘金机上半部分选机理的研究 对于非均匀粒群在上升介质流中的按密度分层，至今尚无定论，；根据涡流 淘金机的特殊的结构，我们从实验所涉及到的几个方面定性地对上部的分选机理 进行一些探讨。 e e f 磐 r j 酬u ，( n l m ) 圈( 3 8 ) 编概向盘机上部品砬蹿值线圈 3 4 1 涡流淘金机上半部的结构参数对分选效果的影响 由于涡流淘金机的结构特点与普通的水力旋流器有很大的不同，这些不同 的结构参数导致涡流淘金机内部的流场与普通水力旋流器流场有很大的区别，首 先涡流淘金机内切向速度的分布与普通水力旋流器有很大的区别( 如图1 5 、1 - 6 ， 目前对涡流淘金机轴向速度的径向分布还没有进行流体力学上的描述，所以在对 涡流淘金机分级粒度等进行推导时，由于没有轴向速度公式而没有进行定量的描 述。其次，在涡流淘金机径向上的速度场的分布也与普通水力旋流器的流场有很 大的不同，如图3 2 、1 - 7 、1 培所示，这些结构上的不同反映在浓度及粒度的在 分布上造成了涡流淘金机在边壁上的独特的效果，如图3 1 、3 s 、3 - ? 的边部 中南工业大学硕士学位论文第三章涡流淘金机上半部粒度、浓度、品位的分布及其机理的研究 所示，这可能主要是由于其径向速度的分布造成的，如苏跃华口1 所做的实验所示， 在涡流淘金机器壁附近存在着向外流，说明在涡流淘金机径向存在一个“径向 零速包络面”这是涡流淘金机所独有的，可能正是这个向外流造成涡流淘金机 器壁附近2 0 0 颗粒百分含量及浓度有所偏高，如图3 1 及图3 2 所示，而且在器 壁附近品位有所提高，所以从实验结果来看，这个向外流对细粒高密度的矿石起 着向边部富集的作用，因而对矿浆的分选起着积极的作用。由于现在还没有推导 出涡流淘金机内径向速度的分布公式，所以对其定量的描述目前还很难进行。 涡流淘金机内等粒度图也与普通水力旋流器有明显的不同，如图3 - 9 1 “1 所 不： e e f 掣 r a d i u 5 1 m m ) 珊o ) 寸娃，十 卉詹诮弗鞋嚏升育田 与涡流淘金机等粒度图3 8 相对比可以看出，分级用水力旋流器内仅存在 按粒度分层的条件，其粒度分布由中心向锥壁方向明显变粗；涡流淘金机内粗选 部分的下部的曲线的分布则明显变缓( 图3 5 、3 - 6 ) ，说明在涡流淘金机粗选部 分的下部物料的粒度在径向上几乎没有什么变化，不能按粒度分层，而主要以分 选作用为主。 另外涡流淘金机由于消除了空气柱的影响，从而降低了能耗，从而能提高 选别效率。 3 4 2 涡流淘金机上部分选作用的作用过程 中南工业大学硕士学位论文第三章涡流淘金机上半部粒度、浓度、品位的分布及其机理的研究 通过以上的分析可以看出，给入的矿浆在离心力的作用下，密度大以及粒 度大的颗粒向器壁沉降，并按比重及粒度在径向形成里、外环层的旋转床层，随 后颗粒在器壁附近在重力的作用下向下沉降，由于涡流淘金机锥体与半球面连接 区的角度比水力旋流器的要小得多，如前图i - 4 所示，旋转床层通过连接区时受 到的阻力较大，迫使床层产生“错动”，这实际上也是一次再松散的过程此时各 颗粒都发生转动或位移，比重大的细颗粒由于