自吸氣浮選機設計參數對浮選流體動力學性能的影響

劉承帥 陳 東 陳飛飛 張 明

(1.北京市高效節能礦冶裝備工程技術研究中心，北京 100160；2.礦物加工科學與技術國家重點實驗室，北京 100160；3.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

國內浮選機葉輪的研究主要集中在機械攪拌式浮選機方面[1-4]，而對自吸氣浮選機葉輪的研究則相對較少，并且這方面的研究還主要集中在工業應用方面[5-6]。葉輪作為自吸氣浮選機最關鍵的結構之一，主要存在以下作用：①葉輪旋轉使礦漿充分懸浮，不至于沉槽；②葉輪旋轉在槽內形成特定的流場，為浮選過程提供動力學條件；③葉輪旋轉在豎筒內形成漩渦，利用空氣卷吸原理實現自吸空氣；④葉輪旋轉在循環筒內形成負壓，進而實現礦漿的循環。對于特定的自吸氣浮選機，葉輪的運轉參數(葉輪的轉速、浸沒深度、插入深度、調節間隙等)不同對浮選機特征參數(吸氣量、循環量、功耗)的影響呈現出不同的趨勢。為此，根據浮選機放大原理，設計了0.2 m3實驗室型自吸氣浮選機。利用實驗流體力學方法研究了自吸氣浮選機葉輪的葉輪轉速、浸沒深度、插入深度對自吸氣浮選機流場、功耗、吸氣量、氣體分散效果等的影響。

1 試驗設備

為了便于試驗觀察，整個實驗室型浮選機槽體用有機玻璃制作，試驗平臺及裝置如圖1所示，圖2為試驗系統的實物圖。

圖1 試驗用浮選機二維圖Fig.1 Two-dimensional flotation machine for experiment

圖2 試驗用浮選機Fig.2 Flotation machine for experiment

本研究浮選機葉輪采用的是徑向葉片葉輪，在給定功率條件下，葉輪縱橫比(長徑比)將影響葉輪的吸氣能力和礦漿循環能力。如果縱橫比太小，空氣吸入量將超過循環量，而縱橫比太大，則相反。當葉輪的縱橫比約為1.0時，吸入量和循環量均最佳[7]。自吸氣浮選機葉輪如圖3所示，共10個葉片，直徑140 mm，高155 mm，縱橫比為0.9。

圖3 自吸氣浮選機葉輪Fig.3 Rotor of self-aerated flotation machine

2 試驗方法

本文主要研究葉輪轉速、浸沒深度、插入深度在清水條件下對浮選機吸氣量和功耗的影響。試驗設計了11個轉速、3個不同的浸沒深度及3個不同插入深度。吸氣量通過排水取氣法進行測量，葉輪轉速和功率消耗通過扭矩傳感器來測量。

吸氣量的測量采用排水集氣法進行測量，測試工具如圖4所示。

圖4 吸氣量測試管Fig.4 Inflatable measurement test tube

吸氣量測量取樣的有效長度為200 mm，吸氣量的計算公式為

(1)

式中,Q為測量點吸氣量，m3/(m2·min)；V為從測量工具中排開清水的體積，m3；T為測量時間，min；S為測量工具的橫截面積，m2；L為有效測量段的長度，m；t為測量時間，s。

計算可知，此吸氣量測量管12 s對應的吸氣量為1 m3/(m2·min)。

浮選機關鍵結構參數示意如圖5所示。浸沒深度為葉輪上端面距液面的高度，插入深度為葉輪插入循環筒內的深度，調節間隙為葉輪外延與循環筒徑向方向的距離，本研究設置調節間隙為5 mm。

圖5 浮選機關鍵結構參數示意Fig.5 Crucial structural parameters of flotation machine

吸氣量測試方法：試驗過程中，由于浮選機具有對稱性，為此選取半個圓面作為測試范圍，為使測試的吸氣量有充分的代表性，在浮選機內2個周向方向共布置12個測點，測點布置如圖6所示。每個測點至少測試2次，保證氣量大致相同為止，綜合12個點的測試數據求平均值，算出每個轉速下的吸氣量，并記錄對應的扭矩傳感器的扭矩和功率值。

圖6 吸氣量測點分布Fig.6 Measuring point distribution

3 試驗結果及討論

3.1 葉輪轉速的影響

選取葉輪的浸沒深度為70 mm、插入深度為10 mm，測試浮選機葉輪轉速對吸氣量和功耗的影響，結果見表1。

由表1可知：葉輪轉速小于784 r/min時，隨著葉輪轉速的增加，吸氣量逐漸提高，提高幅度逐漸變小；葉輪轉速大于784 r/min時，隨著葉輪轉速的增加，吸氣量變化不明顯；浮選機功耗隨葉輪轉速的增加逐漸提高。

表1 葉輪轉速影響試驗結果Table 1 Test results on influence of impeller rotating speed

3.2 葉輪浸沒深度的影響

隨著自吸氣浮選機的大型化，槽體容積不斷加大，槽體深度也不斷加深，葉輪處的靜壓力增加，自吸空氣就受到了限制。而通過提高葉輪轉速以產生較大的真空度，這樣雖然能吸入一定量的空氣，但易造成槽內礦漿運動過于激烈，礦漿液面容易產生翻花現象，葉輪與定子磨損加重，功耗增加。而將葉輪安裝在浮選槽的中上部，同時為防止槽內沉砂，使礦漿得到充分攪拌，在槽下部設置供礦漿循環用的假底和導流管裝置，這樣既能夠自吸足夠的空氣，又具有良好的流體動力學特性，浮選機功耗也較低。為此，在插入深度為10 mm條件下考察葉輪浸沒深度對功耗和吸氣量的影響，結果如圖7所示。

由圖7可知：隨著葉輪浸沒深度的增加，吸氣量在各個轉速條件下整體都逐漸減小，高轉速條件下，浸沒深度為100 mm較浸沒深度為40 mm時的吸氣量提高了22%～28%；隨著浸沒深度的降低，浮選機的功耗呈下降趨勢，葉輪浸沒深度100 mm較浸沒深度為40 mm時的功耗低18%左右。這說明，浸沒深度降低，吸氣量增加，浮選機功耗降低。

3.3 插入深度的影響

通常認為，浮選機的功耗在一定程度上表征循環量的大小。自吸氣浮選機的葉片按功能可分為上葉片區和下葉片區：上葉片主要作用在于卷吸空氣，下葉片主要功能在于循環礦漿，因此，葉輪插入循環筒內的深度對循環量有較大影響。在葉輪浸沒深度為70 mm條件下，探究插入深度對吸氣量和功耗的影響，試驗結果如圖8所示。

圖7 浸沒深度影響試驗結果Fig.7 Test results on influence of submergence depth◆—40 mm;●—70 mm;▲—100 mm

圖8 插入深度影響試驗結果Fig.8 Test results on influence of insertion depth◆—10 mm;●—20 mm;▲—30 mm

從圖8可以看出：插入深度對吸氣量的影響不大，未呈現明確的規律；在低轉速條件下，隨著插入深度的增加功耗無明顯差異，轉速達到556 r/min后，隨著插入深度的增加功耗小幅降低。

4 結 論

自吸氣浮選機吸氣量隨葉輪轉速的增加而增加，增加幅度逐漸變小，功耗隨葉輪轉速的增加逐漸增加；隨著葉輪浸沒深度的增加，吸氣量減小，功耗增加；插入深度對吸氣量的影響不大，低轉速條件下，隨著插入深度的增加，功耗變化不明顯，轉速達到556 r/min后，隨著插入深度的增加，功耗小幅降低。

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Shen Zhengchang,Shi Shuaixing,Lu Shijie,et al.Overview of the flotation's development[J].Nonferrous Equipment,2004(S):21-26.

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Shen Zhengchang,Yang Lijun,Chen Dong,et al.Study on amplification method of aerated mechanical flotation machine[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2007(3):32-37.

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Shen Zhengchang.Research of 160 m3flotation machine flotation dynamics[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2005(5):33-35.

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Chen Dong.Research of JJF-130 m3fotation machine flotation dynamics[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2008(11):49-51.

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Shen Zhengchang,Lu Shijie,Chen Dong,et al.Research and design of JJF-130 m3flotation machine[J].Mining and Metallurgy,2008(4):81-84.