三產(chǎn)品重介旋流器分選錳礦石模擬與試驗(yàn)研究

劉國(guó)慶 張悅刊 劉培坤 王 輝 葛江波

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

重介旋流器是利用離心沉降原理進(jìn)行有效分選的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、處理量大、分選效率高等特點(diǎn)［1-2］，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、煤炭、冶金等領(lǐng)域［3-4］。

錳礦是重要的基礎(chǔ)性原料礦產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域［5-6］，但是隨著對(duì)錳礦石的開采，礦產(chǎn)資源日趨貧、雜、細(xì)。錳回收工藝中Mn回收率低、品位低是目前不得不面對(duì)的難題［7-8］。通常，錳礦石精礦密度在2.6～2.8 g/cm3之間，脈石礦物密度在2.4～2.5 g/cm3之間，精礦和脈石密度差異較小，因此，若在重力場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行分選，需要將懸浮液密度配置在2.4～2.8 g/cm3之間，如此高密度的懸浮液不僅需要大量的重介質(zhì)礦粉，同時(shí)導(dǎo)致重選錳礦石工藝中存在靈活性不強(qiáng)、生產(chǎn)設(shè)備性能較差等問題［9］，故磁選工藝在錳礦石分選中占據(jù)了一定的地位［10-12］。雖然磁選工藝中取得了較高的回收率，但是磁選工藝受其作用環(huán)境及機(jī)理的限制，作用范圍有限。MEHDILO等［13］采用Usinc跳汰工藝分選來(lái)自Charagah礦床中的軟錳礦，得到了合格的精礦品位，但是Mn損失約13%，回收率較低。謝俊等［14］采用強(qiáng)磁選和浮選組合工藝，雖然錳精礦品位超過30%，但是該工藝需要經(jīng)過兩次磨礦、陰陽(yáng)離子正反浮選等環(huán)節(jié)，工藝流程長(zhǎng)，工程上推廣應(yīng)用受到限制。

針對(duì)以上問題，提出一種采用無(wú)壓給料兩段組合式三產(chǎn)品重介旋流器回收錳礦石工藝，通過兩段組合式三產(chǎn)品旋流器，一段低密度懸浮液可以實(shí)現(xiàn)二段高密度分選，分選出精礦與脈石礦物。本研究擬采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究三產(chǎn)品重介旋流器內(nèi)部流場(chǎng)特征及參數(shù)對(duì)分選性能的影響，以期解決錳礦石分選工藝中分選效率及精礦品位低等問題，為錳礦石分選提供借鑒。

1 旋流場(chǎng)數(shù)值模擬

物料分離是在旋流場(chǎng)中完成的，旋流場(chǎng)特征對(duì)分選精度和分選效率起著決定性作用。旋流器中的流體運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的渦旋運(yùn)動(dòng)，為方便闡述旋流器內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)流場(chǎng)的形成過程及流場(chǎng)分布特征進(jìn)行分析，從而為進(jìn)一步優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1.1 數(shù)值模擬方法

為了研究三產(chǎn)品重介旋流器內(nèi)部流場(chǎng)特征和分離性能，對(duì)三產(chǎn)品旋流器進(jìn)行了三維建模，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。利用ICEM-CFD軟件對(duì)旋流器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為102 240個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖1所示，采用Fluent19.0軟件對(duì)旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

本研究湍流模型采用RSM雷諾應(yīng)力模型［15-17］，多相流模型采用Mixture模型［18-20］，主相設(shè)置為水，次相為重介質(zhì)。選擇求解控制參數(shù)采用壓力-速度耦合SIMPLEC算法，壓力離散格式采用PRESTO!，離散格式采用QUICK。入口設(shè)置為velocity-inlet，大小分別設(shè)置為3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s，進(jìn)行不同入口速度的模擬。溢流口和底流口均設(shè)置為pressureoutlet，為無(wú)滑移壁面函數(shù)。選取兩旋流器中心軸所在面為數(shù)據(jù)分析截面，如圖2所示。切向速度和軸向速度的位置截面圖如圖3所示。

1.2 模擬結(jié)果分析

1.2.1 重介質(zhì)懸浮液密度場(chǎng)分布

重介質(zhì)懸浮液是由微細(xì)硅鐵粉和水組成的分散相體系，旋流器內(nèi)密度場(chǎng)分布情況直接影響物料分選結(jié)果，圖4是入口速度為5 m/s時(shí)三產(chǎn)品重介旋流器內(nèi)懸浮液密度分布圖。由圖4可以看出：在徑向上，不論一段旋流器，還是二段旋流器，其內(nèi)部懸浮液密度都呈現(xiàn)沿旋流器中心向壁面逐漸增加的趨勢(shì)。由于旋流器的濃縮作用，二段旋流器內(nèi)懸浮液密度比一段旋流器明顯提高，且越靠近底流口，懸浮液密度提高程度越明顯。圖5為懸浮液不同密度時(shí)的不同分布區(qū)域圖。可以看出，低密度懸浮液主要集中在一段，高密度懸浮液主要集中在二段，通過兩段組合式三產(chǎn)品旋流器，一段低密度懸浮液可以實(shí)現(xiàn)二段高密度分選，從而分選出精礦與脈石產(chǎn)物。此結(jié)果為工程實(shí)踐提供了重要的理論依據(jù)。

1.2.2 靜壓力云圖對(duì)比

旋流器的靜壓力分布規(guī)律對(duì)分級(jí)效果有重要影響。圖6為旋流器不同入口速度的靜壓力分布對(duì)比圖，從圖6可以看出，入口速度不同時(shí)旋流器內(nèi)部壓力分布規(guī)律基本一致，即由器壁向軸心，壓力具有逐漸減小的趨勢(shì)，且隨著入口速度的增大壓力梯度分布越明顯。流場(chǎng)壓力增大，使顆粒徑向受力增大，有利于顆粒分離，從而改善三產(chǎn)品旋流器的分級(jí)效果。

1.2.3 切向速度

離心力場(chǎng)由切向速度場(chǎng)決定，是旋流分離的基礎(chǔ)，在顆粒分離過程中占據(jù)主導(dǎo)作用，在速度分量中也是數(shù)值最大的。選取一段旋流器截面高度Z=500 mm和二段旋流器截面高度Z=680 mm處的切向速度，圖7為不同入口速度時(shí)的切向速度對(duì)比圖，可以觀察到，隨著半徑的減小，切向速度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在接近溢流管壁時(shí)達(dá)到最大值，而后快速變小，在旋流器中心位置處達(dá)到最低值。且隨著入口速度的增大，切向速度也隨之增大，所以入口速度適當(dāng)增大對(duì)錳礦石的分選有利。

1.2.4 軸向速度

軸向速度不但決定顆粒在旋流器內(nèi)部停留時(shí)間的長(zhǎng)短，而且決定著底流和溢流的流量分配情況，進(jìn)而影響分離效果。圖8為不同入口速度時(shí)的軸向速度對(duì)比圖，兩段旋流器中的軸向速度均符合軸對(duì)稱分布規(guī)律。從軸向速度的大小上看，其隨入口速度的增大而增大。在二段旋流器中，軸向速度在旋流器壁面處的速度為0，隨著向軸心的靠近，軸向速度先增大到一定值，然后又減小至0，繼續(xù)減小到某一最小值后，又反向增大至某一最大值，表明軸向速度兩次通過零點(diǎn)，將速度為0的點(diǎn)連起來(lái)的面則為內(nèi)旋流和外旋流的分界面，即零速包絡(luò)面（見圖9）。可以看出在零速包絡(luò)面以內(nèi)，一、二段旋流器的懸浮液從溢流管流出；在零速包絡(luò)面以外，一段旋流器的懸浮液從連接管流出，二段旋流器的懸浮液從底流管流出。這樣低密度產(chǎn)物就從零速包絡(luò)面內(nèi)排出，高密度產(chǎn)物就從零速包絡(luò)面外排出，從而完成精礦和尾礦的分選。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試樣性質(zhì)

試驗(yàn)所用礦樣為海相沉積型軟錳礦，錳礦石密度為2.6～2.8 g/cm3，脈石密度為 2.4～2.5 g/cm3，原礦錳品位28.25%，粒度組成為-8 mm+1 mm。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖10為錳礦回收試驗(yàn)系統(tǒng)圖，主要由無(wú)壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、介質(zhì)桶、渣漿泵、閥門等組成。原礦石由一段旋流器上端入料口無(wú)壓給入，重介懸浮液在一定的壓力條件下從一段旋流器的入料口沿切線進(jìn)入旋流器，在離心力作用下，礦石與受到濃縮的重介質(zhì)懸浮液一起沿切線方向進(jìn)入二段旋流器，高密度產(chǎn)物進(jìn)入底流口排出，即精礦。低密度產(chǎn)物進(jìn)入溢流口排出，即尾礦。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.3.1 入料壓力對(duì)分選效果的影響

入料壓力決定著懸浮液在旋流器中濃縮的程度以及錳礦石在旋流器中停留的時(shí)間長(zhǎng)短。為探索壓力對(duì)錳礦石分選效果的影響，設(shè)置二段旋流器懸浮液密度為2.60 g/cm3。通過調(diào)節(jié)入料壓力分別為：0.06 MPa、0.07 MPa、0.08 MPa、0.09 MPa、0.10 MPa，考察壓力條件對(duì)分選指標(biāo)的影響，結(jié)果見圖11。

由圖11可知，精礦產(chǎn)率和精礦品位均隨入料壓力的增大而升高。但在壓力達(dá)到0.08 MPa后精礦產(chǎn)率上升減緩，此時(shí)，精礦品位達(dá)到最高44.00%，之后呈下降趨勢(shì)。這表明了壓力到達(dá)一定值后再提升壓力，錳礦石的的分選效果反而變差。綜合考慮分選錳礦石指標(biāo)的升降幅度，分選錳礦石最佳壓力設(shè)置為0.08 MPa，此時(shí)獲得的精礦產(chǎn)率為33.95%。

2.3.2 懸浮液密度對(duì)分選效果的影響

懸浮液密度是決定錳礦石在旋流器中分選效果的主要因素，為探索密度對(duì)錳礦石分選效果的影響，設(shè)置入料壓力為0.08 MPa，通過調(diào)節(jié)懸浮液密度分別為：2.50 g/cm3、2.55 g/cm3、2.60 g/cm3、2.65 g/cm3、2.70 g/cm3，考察密度條件對(duì)分選指標(biāo)的影響，結(jié)果見圖12。

由圖12可知，精礦產(chǎn)率隨著二段懸浮液密度的升高而下降，相反，精礦品位隨著二段懸浮液密度的升高而升高。當(dāng)二段懸浮液密度由2.50 g/cm3增加到2.60 g/cm3時(shí)，精礦品位由32.00%迅速提高至44.58%，精礦產(chǎn)率由55.58%下降至36.00%，說明大部分精礦密度在2.5 g/cm3至2.6 g/cm3之間。當(dāng)二段懸浮液密度由2.60 g/cm3增加到2.70 g/cm3時(shí)，精礦品位由44.58%提升至47.02%，變化不明顯，此時(shí)的精礦產(chǎn)率變化也不明顯，都處于較為平穩(wěn)狀態(tài)。綜合考慮錳礦石分選指標(biāo)的增減幅度與使用介質(zhì)成本，分選錳礦石的最佳密度設(shè)置為2.60 g/cm3，此時(shí)獲得的精礦產(chǎn)率為36.00%。

3 結(jié) 論

針對(duì)錳礦石難以分選的問題，提出了無(wú)壓給料三產(chǎn)品重介旋流器分選錳礦石工藝，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）采用無(wú)壓給料重介質(zhì)選礦工藝可以實(shí)現(xiàn)精礦與脈石的有效分選。試驗(yàn)結(jié)果表明，在入料壓力為0.08 MPa、二段懸浮液密度為2.60 g/cm3條件下分選錳礦石，獲得的精礦產(chǎn)率為36.00%，Mn在原礦中的品位為28.25%，試驗(yàn)所得精礦中Mn品位為44.58%，Mn回收率高達(dá)56.81%。

（2）數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了三產(chǎn)品重介旋流器的流場(chǎng)特征，為流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

（3）三產(chǎn)品重介旋流器具有低密度懸浮液，可以實(shí)現(xiàn)高密度分選的優(yōu)點(diǎn)。但需要指出的是分選介質(zhì)的穩(wěn)定性受多種因素的影響，因此分選介質(zhì)的穩(wěn)定性是接下來(lái)需要進(jìn)一步深入研究的重要課題。