一种确定水力旋流器给矿压强的方法与流程

本发明涉及水力旋流器技术领域，具体是一种确定水力旋流器给矿压强的方法。

背景技术：

水力旋流器是当前选矿厂应用最广泛的分级设备，水力旋流器分级效果直接关系到选矿厂选矿指标和经济效益。水力旋流器给矿压强是影响水力旋流器分级效果的重要因素，给矿压强要处于合理范围，既不能过低而影响分级效率，又不能过高而浪费能耗。

目前，选矿厂水力旋流器给矿压强通常依靠经验公式或借鉴相似生产现场来确定，这些确定方法均以水力旋流器分级产品为判别依据，没有考虑旋流器内部流场特性，而水力旋流器分级结果恰恰是由内部流场决定的，因此基于其内部流场特性来确定适宜给矿压强，切实可行且具有更高精确度，从而能保证水力旋流器处于最佳工作状态，充分发挥自身优势。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种确定水力旋流器给矿压强的方法。

本发明的技术方案如下：

一种确定水力旋流器给矿压强的方法，包括如下步骤：

步骤1、确定目标工况下水力旋流器的结构参数、待分级物料的密度、粒度组成和现场给料浓度；

所述水力旋流器的结构参数包括：给矿管直径、柱段直径、柱段高度、锥角、沉砂口直径、溢流口直径、溢流管插入深度、溢流管壁厚；

所述待分级物料的密度指待分级物料的真密度；

所述待分级物料的粒度组成指待分级物料中各粒级的重量百分数；

步骤2、根据步骤1所述水力旋流器的结构参数，采用三维建模软件SolidWorks软件建立水力旋流器的流场域计算模型，并利用ANSYS Meshing软件将其网格离散，所生成网格扭曲度应不高于0.8；

步骤3、将步骤2所生成的网格导入计算流体力学软件Fluent软件中，设定流场域计算模型的边界条件，并设置液相粘度，随后进行数值计算；

所述边界条件包括水力旋流器的压强入口和压强出口，其中压强入口设置为0.05MPa～0.20MPa之间的不同给矿压强，压强出口设置为当地标准大气压；

所述液相粘度其中，μ_w为水的粘度，v_-10μm为-10μm颗粒的体积分数，系数n＝0.5～0.7；

步骤4、从步骤3所得到的数值计算结果提取并分析不同给矿压强时水力旋流器内部流场的空气柱、零速包络面、盖下短路流及湍流强度，确定水力旋流器目标工况下最适宜给矿压强；

所述水力旋流器目标工况下最适宜给矿压强是指所对应水力旋流器内部流场特性同时满足：锥段部分的空气柱直径与水力旋流器沉砂口直径之比小于1；锥段部分零速包络面无倒角，且锥段1/2处零速包络面上的点到水力旋流器中心轴线的垂直距离比值不超过1.25；盖下短路流流速不高于1m/s；湍流强度最高值不高于1。

有益效果：

1、针对具体目标工况，充分考查该工况下水力旋流器的结构参数、待分级物料的密度、粒度组成和现场给料浓度，与以往依靠经验公式或借鉴相似现场的方法相比，所确定的水力旋流器给矿压强更适合现场生产。

2、本发明基于决定水力旋流器分级结果的流场特性来确定适宜的给矿压强，因此结果更精确。

3、本发明利用电子计算机数值模拟取代繁琐的人工取样、分析等作业，更方便快捷，且节省人力物力。

4、水力旋流器分级结果是由内部流场决定的，因此基于其内部流场特性来确定适宜给矿压强，切实可行且具有更高精确度，从而能保证水力旋流器处于最佳工作状态，充分发挥自身优势。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中给矿压强对空气柱的影响示意图，(a)为给矿压强0.05MPa对空气柱的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对空气柱的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对空气柱的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对空气柱的影响；

图2是本发明具体实施方式中给矿压强对零速包络面的影响示意图，(a)为给矿压强0.05MPa对零速包络面的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对零速包络面的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对零速包络面的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对零速包络面的影响；

图3是本发明具体实施方式中给矿压强对盖下短路流的影响示意图，(a)为给矿压强0.05MPa对盖下短路流的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对盖下短路流的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对盖下短路流的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对盖下短路流的影响；

图4是本发明具体实施方式中给矿压强对湍流强度的影响示意图，(a)为给矿压强0.05MPa对湍流强度的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对湍流强度的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对湍流强度的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对湍流强度的影响；

图5是本发明具体实施方式中不同给矿压强下实际分级所得粒度分配曲线图；

图6是本发明具体实施方式中确定水力旋流器给矿压强的方法流程图。

具体实施方式

下面通过Φ50mm水力旋流器分级某贫铁矿石来说明本发明的具体实施方式：

一种确定水力旋流器给矿压强的方法，如图6所示，包括如下步骤：

步骤1、确定目标工况下水力旋流器的结构参数、待分级物料的密度、粒度组成和现场给料浓度；

所述水力旋流器的结构参数包括：给矿管直径、柱段直径、柱段高度、锥角、沉砂口直径、溢流口直径、溢流管插入深度、溢流管壁厚；

所述待分级物料的密度指待分级物料的真密度；

所述待分级物料的粒度组成指待分级物料中各级别粒级的重量百分数；

水力旋流器的结构参数如表1所示。

表1Φ50mm水力旋流器结构参数列表

确定待分级贫铁矿石粒度组成如表2所示。

表2待分级贫铁矿石粒度组成

确定现场给料重量浓度为30％；待分级物料的密度为2763kg/m³；水的密度为998.2kg/m³，动力黏度为1.003×10^-3pa·s；空气的密度为1.225kg/m³，动力黏度为1.7894×10^-5Pa.s。

步骤2、根据步骤1所述水力旋流器的结构参数，采用三维建模软件SolidWorks软件建立水力旋流器的流场域计算模型并利用ANSYS Meshing软件将其网格离散，所生成网格扭曲度应不高于0.8；

根据表1所述参数，利用SolidWorks软件建立水力旋流器内的流场域计算模型并利用ANSYS Meshing将其网格离散，所生成网格扭曲度最高位0.6。

步骤3、将步骤2所生成的网格导入计算流体力学软件Fluent软件中，设定流场域计算模型的边界条件，并设置液相粘度，随后进行数值计算；

在计算流体力学软件Fluent中，设置入口为压强入口，不同给矿压强分别为0.05MPa、0.08MPa、0.11MPa和0.14MPa；设置溢流口和沉砂口为压强出口，压强出口设置为当地标准大气压，即相对压强为0；

设置液相粘度μ_m为：

${\mathrm{\μ}}_m=3.8{\mathrm{\μ}}_w(1-\frac{v_{-10\mathrm{\μ}m}}{0.62})$

其中，水的粘度μ_w＝1.7894×10^-5pa·s，-10μm例颗粒的体积分数v_-10μm为Fluent软件自动计算，系数n＝0.62；

步骤4、从步骤3所得到的数值计算结果提取并分析不同给矿压强时水力旋流器内部流场的空气柱、零速包络面、盖下短路流及湍流强度，确定水力旋流器目标工况下最适宜给矿压强；

所述水力旋流器目标工况下最适宜给矿压强是指所对应水力旋流器内部流场特性同时满足：锥段部分的空气柱直径与水力旋流器沉砂口直径之比小于1；锥段部分零速包络面无倒角，且锥段1/2处零速包络面上的点到水力旋流器中心轴线的垂直距离比值不超过1.25；盖下短路流流速不高于1m/s；湍流强度最高值不高于1。

不同给矿压强所对应的水力旋流器内部流场的空气柱、零速包络面、盖下短路流及湍流强度分别如图1～图4所示。

图1中(a)为给矿压强0.05MPa对空气柱的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对空气柱的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对空气柱的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对空气柱的影响；可以看出，当给矿压强为0.05MPa时，水力旋流器内流场尚未进入稳定状态，锥段部分的空气柱直径明显大于水力旋流器沉砂口直径，即其比值远大于1；当给矿压强高于0.08MPa时，锥段部分的空气柱直径与水力旋流器沉砂口直径之比小于1，因此0.08MPa是目标水力旋流器的最低给矿压强。

从图2中(a)为给矿压强0.05MPa对零速包络面的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对零速包络面的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对零速包络面的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对零速包络面的影响；可以看出，随着给矿压强的增加，零速包络面的对称性升高，流场稳定性增加。当给矿压强为0.05MPa时，锥段1/2处d₂与d₁的比值为1.62，不满足要求；随着给矿压强进一步增大，水力旋流器单位处理量增加，但当流体不能从出口(溢流口和沉砂口)及时排出时，由于流体与流体及流体与器壁间的碰撞，零速包络面的对称性又降低，即如图2(d)所示，零速包络面在靠近沉砂口的位置出现向上的倒角，即此工况下0.14MPa给矿压强过高。

从图3(a)为给矿压强0.05MPa对盖下短路流的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对盖下短路流的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对盖下短路流的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对盖下短路流的影响，可以看出，随着给矿压强的增加，径向速度增大，从而盖下短路流量增加。当给矿压强为0.11MPa时，盖下短路流已达到1m/s。

湍流强度的空间分布对颗粒沿旋流器径向的有序分布至关重要。图4(a)为给矿压强0.05MPa对湍流强度的影响、(b)为给矿压强0.08MPa对湍流强度的影响、(c)为给矿压强0.11MPa对湍流强度的影响、(d)为给矿压强0.14MPa对湍流强度的影响，可以看出，最大湍流强度主要出现在空气柱内部及其附近，当给矿压强小时，由于流场的不稳定，导致最大湍流强度较高。随着给矿压强的增加，流场逐渐稳定，给矿压强0.08MPa时，最大湍流强度值最低，随着给矿压强的进一步增加，水力旋流器的单位处理量增加，最高湍流强度值也增加。当给矿压强为0.08MPa和0.11MPa时，流场湍流强度最高值均不高于1。

因此对于所考察工况下的Φ50mm水力旋流器，为保证水力旋流器空气柱稳定形成、零速包络面的对称性高、盖下短路流不高于1m/s、湍流强度最高值不高于1，即最佳的给矿压强为0.08MPa～0.11MPa。

图5为不同给矿压强下实际分级所得的粒度分配曲线，图中分配率50％处曲线斜率代表分级效率。从图中可以看出，给矿压强为0.08MPa和0.11MPa所得分级结果基本一致，给矿压强为0.14MPa时，分级结果稍差，而当给矿压强为0.05MPa时，分级结果明显变差。