魏昌杰 程宏志 石 焕 宋云霞 李志斌

（天地 （唐山）矿业科技股份有限公司，河北省唐山市，063000）

XJM-S型浮选机浮选槽内流场实验研究＊

魏昌杰 程宏志 石 焕 宋云霞 李志斌

（天地 （唐山）矿业科技股份有限公司，河北省唐山市，063000）

浮选槽中内部流场的合理性是保证浮选过程有效进行的前提，本文采用PIV粒子成像测速技术对XJM-S型机械搅拌式浮选机的内部流场进行试验研究，从截面流线和截面速度矢量两个方面对流场进行了分析，并讨论了内部流场对浮选过程的影响。结果表明，浮选槽内流体的多种运动状态可以和浮选过程合理匹配，促进了浮选过程的有效进行。

PIV系统 XJM-S浮选机 流场测试 浮选过程

1 引言

浮选是煤泥分选的主要方法，机械搅拌式浮选机是最主要的煤泥分选设备，目前机械搅拌式浮选机主要以XJM-S型浮选机为代表，现有的XJM-S型机械搅拌式浮选机已形成4 m3、6 m3、8 m3、12 m3、14 m3、16 m3、20 m3、24 m3、28 m3和45 m3这10种规格，约占全国煤泥浮选设备总量的70%。虽然专家在研究XJM-S型浮选机流场这方面做了很多的工作，但是浮选槽内流体运动状态一直停留在宏观认识阶段，尚未形成理论基础。自PIV粒子成像测速系统技术发展以来，借助这一手段对搅拌器内部流场进行了试验研究，研究效果显著，为探索浮选槽内流场提供了方向，为完善浮选理论提供了依据。

2 实验

2.1 试验系统

实验系统主要由PIV粒子成像测速系统，通过相似放大原理制作的XJM-S8L型浮选机，由槽体、叶轮、定子和假底组成。槽体外型尺寸为200 mm×200 mm×200 mm，叶轮直径为54 mm，叶轮形状为伞状叶轮。

PIV的测试原理是将脉冲激光器产生的光束经透镜散射后形成的片光源入射到流场待测区域，CCD摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。利用示踪粒子对光的散射作用，记录下相邻两次脉冲激光曝光时粒子的图像，形成两幅PIV底片 （即相同测量区域相邻时刻的图片），底片上记录的是整个待测区域的粒子图像，对底片进行后处理，可以将粒子图像以速度矢量云图的形式显示出来，利用Tecplot软件对速度矢量云图进一步处理，可得到流体运动参数。

2.2 测试方法

图1为PIV测试系统图，在测试的过程中，打开激光器发射器，其发出的激光照亮浮选机槽体，在槽体上形成一个照亮的截面，调整CCD相机，相机垂直于激光照亮区域。通过同步控制器控制激光器发射器和CCD相机，相机所拍摄激到的光照亮截面上粒子的运动轨迹，将拍摄到的数据以照片的形式传输到电脑主机上。通过PIV系统软件对拍摄的数据进行相关处理，得到流体的矢量云图、流线图和速度矢量图等。通过使用后处理软件Tecplot对矢量云图进行处理，得出流体运动的相关参数。

图2为PIV测试浮选机槽体截面图，分别对图2所示的截面进行流场测试，测试方法见图1。移动激光发射器，激光在图2所示的截面上形成片光，CCD相机垂直照射槽体照亮区域。测试从槽体外壁开始，每隔20 mm为一个测试截面，分别为10-10、30-30、50-50、70-70、90-90、100-100，共6个截面。

调整叶轮转速，当叶轮线速度v=6.30 m／s时，开启PIV系统，对浮选槽各个截面进行实验室测试。对测试的结果运用Tecplot后处理软件进行图片处理，得到流体运动的流线图和矢量图。

3 结果与讨论

本文取截面流线和速度矢量进行理论分析，图3和图4中所示的L为槽体底面尺寸，H为槽体高度方向上的尺寸，单位为mm。

3.1 截面流线分析

图3为槽体不同截面流线图。由图3可知，从（a）～ （f）为槽体不同截面上的流线图，图中显示了不同截面上的流线趋势。对流线的分析从两个区域上展开，一是假底上流线，图中H=60～230 mm之间的流线；二是假底下流线，图中H=30～55 mm之间的流线。

假底上部的流体是以上升流、旋转流和循环流为主。靠近搅拌机叶轮定子区域的90-90和100-100截面，以循环流为主，此时产生循环流的主要原因是由于定子循环孔的抽吸作用，将定子附近的流体吸入循环孔，这就为被浮矿粒与气泡提供了多次碰撞的机会，满足循环浮选的过程要求。叶轮定子附近区域的50-50和70-70截面，以循环流和旋转流为主，循环流产生的原因是由于叶轮定子区域对流体的抽吸作用，旋转流产生的原因是由于流体的跟随性。在假底紊流板的导向作用下，使带有一定速度的流体做绕轴上升运动，受到叶轮定子区对流体的抽吸作用的影响，流体改向循环孔方向运动，形成了绕轴旋转的循环流。远离叶轮区域的流体做绕轴旋转，受到从搅拌区上升流体的冲击，导致流体在槽体上部的运动相当复杂。远离叶轮定子区域 （靠近槽壁）10-10和30-30截面的流体主要做上升流和旋转流。上升流是由于从定子叶片射出的具有一定速度的流体通过紊流板叶片，流体运动方向发生改变，此区域距离叶轮定子区域较远，叶轮抽吸力弱，这部分流体做上升运动，上升速度并非是垂直向上的，就形成了旋转流。

对图3中 （a）～ （f）的分析可知，将浮选机假底上流体分为3个运动区间，即上升流区、循环流区和旋转流区。这3个区域没有明显界限，并不是独立存在的，都是具有相互关联的。模糊划分可以得到叶轮定子区域以循环流为主，叶轮定子区域附近以循环流和旋转流为主，远离叶轮定子区域以上升流和旋转流为主。

H=30～55 mm为假底下部区域，从 （a）～（d）流体都具有水平流线，（e）和 （f）流体向上运动，被叶轮吸入下层叶轮腔内，可以得出，这一区域流体运动主要是旋转流。

图3 槽体不同截面流线图

3.2 截面速度矢量分析

图4为不同截面速度矢量图。由图4中的各图可见，从 （g）～ （l）为槽体不同截面上的速度矢量分布和速度云图。图中箭头大小表示该点的速度大小，箭头的方向表示该点的速度指向，整个矢量箭头与该点处流线相切，该点的速度是水平速度U和垂直速度V的合速度。从上图速度矢量分布，可以对槽体在高度上进行分区域分析。在槽体高度方向上，大致分成3个区域，H=30～55 mm为假底下部区域，H=60～160 mm为槽体中部区域，H=160～225 mm为槽体上部区域。

对流体流线分析可以得出，假底下H=30～55 mm区域主要是以旋转流为主，从速度矢量（g）到 （j）可以看出，以水平速度U 为主，垂直速度v可以忽略，中心区域速度最大，两侧较小，说明假底下矿浆在以槽体中心为圆心以不同半径旋转。从10-10到70-70截面可以看出，假底下速度区域越来越小，这一现象的原因是由于流体的旋转，越靠近中心区，可视旋转半径越小，旋转半径以外的部分速度垂直于截面，在矢量图上显示为零。

H=60～160 mm为搅拌机构所在的区域，该区域搅拌强度最强，循环吸浆能力最强，流体具有的速度最高，矿浆处于强烈的湍流状态。由于叶轮的搅拌和循环抽吸作用，流体处于上升和循环流动状态。上升流和循环流都有助于矿粒对气泡的捕捉，强湍流有助于矿粒与气泡的选择吸附，为矿粒的悬浮提供能量。从 （k）和 （l）可以看出，强搅拌作用使得叶轮抽吸力较强，流体被吸入循环孔。

H=160～225 mm为远离搅拌机构区域，受叶轮吸浆能力限制，少量流体进入循环孔，流体主要做旋转运动，旋转运动的产生是受中部上升流引起的。

3.3 内部流场对浮选过程的影响

槽体下部流体运动的动能主要是由叶轮旋转对矿浆的抽吸引起的，流体主要做旋转运动，旋转运动分布到整个底部槽体断面，槽底不会出现沉槽现象。

槽体中部区域是搅拌机所在区域，矿浆在该区域受到叶轮的强烈搅拌，做强湍流运动，形成足够多、足够稳定的气泡。气、液、固三项在此段得到充分地混合，矿粒具有足够的能量，矿粒和气泡也有足够的碰撞接触机会形成矿化气泡。受到上升流的影响，矿化气泡被及时送到泡沫层，作为精矿排出，没有矿化的气泡受到循环流的作用，进入上层叶轮腔，提供二次矿化机会。

槽体上部矿浆运动相对稳定，为泡沫的富集提供场所。旋转运动可使泡沫层向槽壁运动，被刮泡器刮出，也可以使得高灰细泥物料脱离气泡的吸附，具有精选的作用。

图4 槽体不同截面上的速度矢量分布和速度云图

4 结论

对截面流线分析可知，将槽体内流体运动分为4个区间，叶轮定子区域，以循环流为主；叶轮定子区域附近以循环流和旋转流为主；远离叶轮定子区域，以上升流和旋转流为主。

速度矢量分析结果为在槽体高度上，流体运动状态大致分为3段，即槽体上部为旋转流段、槽体中部为上升流和循环流段、槽体下部为旋流段。

浮选槽中流体运动状态符合浮选工作过程，同浮选机提出的在浮选槽下部需要产生剧烈搅拌和强湍流运动，以保持矿粒悬浮，将空气弥散为细小气泡，为矿粒和气泡提供充分的碰撞机会和碰撞动能。在浮选槽上部，又要建立一个相对稳定的分离区和平稳的泡沫层，减小矿粒的脱落机会，从而提高浮选速度是一致的。

［1］程宏志，张孝钧，石焕等 .我国选煤用机械搅拌式浮选机的新进展 ［J］.选煤技术，2006（5）

［2］李彪，谢广元，张秀峰等 .旋流微泡浮选柱提高精煤回收率的试验研究 ［J］.中国煤炭，2011（10）

［3］谢冬梅，崇立芹 .煤用浮选机的使用现状及技改措施探讨 ［J］.煤炭加工与综合利用，2006（3）

［4］程宏志，路迈西，石焕等 .振荡法提高浮选选择性的作用机理 ［J］.煤炭学报，2007（5）

［5］程宏志 .机械搅拌式浮选机相似转换原理 ［J］.煤炭学报，2000（12）

An experimental study on flow Field of XJM-S flotation machine cells

Wei Changjie，Cheng Hongzhi，Shi Huan，Song Yunxia，Li Zhibin
（TianDi（Tangshan）Mining Science＆Technology Co.，Ltd，HeBei，TangShan 063000，China）

In process of flotation，reasonable internal flow field is the basic requirement，which will influence the flotation efficiency.In this paper，the inner flow field of XJM-S flotation machine was investigated through the analysis of vector of section streamline and section velocity by particle image velocimetry，and also discuss the affection of flotation process by internal flow field.The results showed that variety of motion state of fluid can reasonable collocate with flotation process，which will increase the efficiency of flotation.

PIV system，XJM-S flotation machine，flow field experiment，flotation process

TD943

A

天地 （唐山）矿业科技有限公司工艺技术创新基金 （KJ-JJ-2011-TSKY-02）

魏昌杰 （1984-），男，陕西旬阳人，硕士，助理工程师，就职于天地 （唐山）矿业科技有限公司，主要从事煤泥浮选设备和工艺的研究。

（责任编辑 王雅琴）