論流體力學在選礦中的應用

摘要：

所謂的流體力學，是一門專門研究像液體、氣體等流體運動形態以及其運動規律和應用的學科。流體在力的作用下，其本身的物理性質會發生一定的變化，比如流體的固體壁面，流體和固體之間的相互作用，流體的壓強、溫度，還有流體的密度等等變量，都會發生變化。在選礦的過程中，有許多地方都會用到流體力學的知識，比如一些設備的設計，就是按照流體力學的原理來設計的，所以流體力學在選礦中起著極其重要的作用。本文就流體力學的特點做了詳細的闡述，以及對流體力學在選礦中所存在的問題進行了深入的探討。

前言

流體力學的發展起源于阿基米德，他是一位古希臘人，建立了液體平衡理論，在這個基礎上，流體力學的運用才得以發展。而如今流體力學的應用范圍越來越廣泛，在空氣動力學、電磁計算流體學、氣液相流體學等方面都有十分重大的突破。

冶金和煤礦的生產都需要進行選礦，在工業生產上，選礦起著非常重要的作用。所謂選礦，就是通過化學或者是物理等方法把有用的礦物和無用的礦物分開，最終獲取能夠被生產中得以利用的礦物的過程。選擇有用物料的方式分為兩種情況。

一種是針對單體解離狀態的，可以采用不同的選礦方法，把我們所需要的有用的礦物篩選出來；

另一種是針對不能達到單體解離狀態的，這就需要將物料用機械破碎和磨碎的方法來取得當中的有用礦物。回看整個世界的選礦發展史，不難看出，流體力學在整個選礦發展過程中起到了不可替代的作用。眾所周知，在工業生產上選礦的方法有很多，比如利用重力來進行篩除選礦，還有利用浮力來選礦等等。隨著科技的發展，應用流體力學的原理來進行選礦，已經越來越普及，現在許多大型選礦機器都有流體力學的應用。也就是說，要進行高質量、高效率的選礦，流體力學的運用是必不可少的環節。

1.選礦中所用的設備

1.1旋流器

所謂的旋流器，在液體的分級分離中經常用到它。它的工作原理是利用離心的方法，使得不同質量不同密度的物質分離沉降。旋流器整體是一個圓錐形，采出來的礦漿通過管道進入旋流器內部，進入的礦漿在旋流器強大的離心力作用下，產生旋轉。礦漿中含有不同質量和大小的礦物質顆粒，在旋流器離心力的作用下，大的礦物質顆粒和密度高的顆粒就被拋向旋流器內壁，在重力的作用下，這些顆粒靠著內壁逐漸的下沉，最后在旋流器的底部流出。而那些比較細小的顆粒和液體則經過溢流管口流出來。所以，礦漿經過旋流器，就把大的礦物顆粒和細小的礦物顆粒分離開來，離心力的篩選是很有效的，相比于重力場，它具有快速、高效、穩定分離的特點。目前的選礦旋流器主要有兩種，

一是用水作為介質的水力旋流器，第二種就是專門配制的重介質液體，密度比水更高，以此作為介質的重介質旋流器。這兩種旋流器的作用各不相同，

第一種是專門用于脫泥以及脫浮選藥劑的水力旋流器，第二種是專門用于最后分選冶煉。旋流器的原理簡單，但是液體在其內部的流動卻是十分復雜的，這要涉及到流體力學中的湍流運動。所謂的湍流運動就是將流體的流動看作是一個三維空間內的運動，在這個三維空間內，任何一點的速度都可以分解成橫向速度、縱向速度和切向速度。就是這樣的運動特征和旋流器內復雜的邊界，使得內部的流體力學并沒有一定的規律可循，自然就沒有具體的方法來研究，只能通過實際的測量來估算和分析。通過實際測量，旋流器內的運動實際是一個組合運動，它是通過自由渦和強制渦組合在一起共同形成的。在旋流器工作的時候，由于切向速度最大，導致了旋流器內壁的壓力小于其中問的壓力而形成一個負壓區，空氣從底部進入，旋流器中間區域就成了真空的空氣柱。那些比較重的礦物質直接由旋流器內壁被分離了下來，從底部排出，那些輕的礦物質就由上面的口排出。

1.2浮選機

浮選礦物質實際就是利用浮力，將礦物質浮到水面來進行篩選。這就要求礦漿中必須要充滿大量的氣泡，必要時，還要在礦漿中添加一種捕收劑，這種藥劑會作用在礦物質顆粒表面，使得礦粒的疏水性增加，利于捕收。有些礦粒是疏水性，而有些是親水性的，疏水性的礦粒和產生的氣泡相結合，由于浮力原因而浮出水面，那些清水性的礦粒則不會與氣泡結合而下沉。產生氣泡的方法有很多，一般采用機械攪拌和電解水來產生氣泡。

1.3浮選柱

浮選柱也是一種專門用來選擇礦物質的設備。浮選柱早在上世紀六十年代就開始應用，只不過由于氣泡發生器設計的并不好，始終無法很好的產生氣泡，就使得浮選柱并沒有廣泛的運用。浮選柱的氣泡產生器位于柱體下端，礦物由上部倒入。其原理和上面介紹的浮選機差不多，也是通過重力和浮力的相互作用來實現礦粒的分離。所以氣泡發生器才是浮選柱工作的關鍵所在，如果氣泡發生器無法正常工作產生氣泡，浮選柱也就無法分離礦物質。

2.流體力學在選礦設備中的應用

浮選機的工作原理是利用氣泡產生的浮力和礦物質本身的重力實現礦粒分離，分離的過程中就需要大量的氣泡，氣泡發生器正是大量產生氣泡的設備。通常我們都把氣泡發生器分為兩類，即外部發生器和內部發生器這兩類。

外部氣泡發生器也有兩種，通常用的是氣水噴射型。它是把壓縮空氣和水一起混合，通過噴頭直接噴入浮選機內，再通過分流孔將水流分開，從而產生氣泡。

顧名思義，內部氣泡發生器是將有孔介質固定在浮選機內部，然后沖入空氣，通過介質的孔向外噴出氣泡。內部氣泡發生器常常出現問題，原因在于有孔介質放在浮選機內部，很容易被礦粒堵塞和結垢，使浮選機無法正常工作，現在已經很少采用這種方法了。

上述兩種氣泡發生器都是以往一直被使用的。但畢竟它的結構太過復雜容易出現問題，而且能量消耗也不小。目前被廣泛采用的是另一種更加先進的設備——微泡發生器。這種氣泡發生器利用了流體力學的原理，首先流體在其內部分散開來，在后半段又重新成為連續相。微泡發生器動力消耗小，產生氣泡效率高，礦化充分，而且使用壽命長，大大節省了維護費用。

目前較為先進的浮選機是德國制造的切向噴射浮選機，其也是利用流體力學的原理進行選料。它有兩個槽室，一個收集精礦，一個用作分離室。礦漿沿著切線方向射入容器，從而產生旋轉，和氣泡結合的礦物質浮力大，向上運動。沒有結合水的礦粒則向下沉降，最后通過底部排出。

3.分析

流體力學在選礦中起著極其重要的作用。隨著采礦業的發展，流體力學也被廣泛應用在選礦設備中，對礦的開采、選礦的發展起著至關重要的推動作用。像浮選機中的氣泡發生器、旋流器這些設備，都是流體力學應用的典型。但是選礦中的流體力學應用還是比較局限的，仍然存在著諸多問題，像旋流器中的湍流運動，就是一個十分復雜的三維立體運動，其內部的運動規律還沒有辦法完全弄清楚。如果可以結合實驗，將湍流運動的數據通過計算，用數值模擬來解決旋流器內部礦漿流動問題，就能大大推動湍流運動在選礦上的應用。