隨著礦產(chǎn)資源的日益貧、雜、細(xì)化,浮選作為微細(xì)粒難選礦物分選的有效方法,在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。調(diào)漿作業(yè)作為礦物浮選的預(yù)處理環(huán)節(jié),其在強(qiáng)化顆粒及藥劑分散、促進(jìn)顆粒與藥劑間作用、改善顆粒表界面特性等方面起著重要作用。近年來針對(duì)浮選調(diào)漿過程的研究主要集中在調(diào)漿裝置內(nèi)流場特性研究及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,但從流場微觀特征參量角度開展的研究相對(duì)較少。因此,論文以湍流場微觀特征參量為切入點(diǎn),深入探究攪拌槽內(nèi)湍流場的能量耗散尺度分布規(guī)律及其強(qiáng)化調(diào)漿過程的作用機(jī)制,進(jìn)一步豐富流體強(qiáng)化調(diào)漿過程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,為調(diào)漿過程強(qiáng)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),具有重要理論價(jià)值和工程意義�；趩蜗嗔鲾�(shù)值計(jì)算,分析了不同型式湍流場下攪拌槽內(nèi)流體湍流渦耗散微尺度的空間分布特性,結(jié)果表明提高葉輪旋轉(zhuǎn)速度能夠降低槽內(nèi)流體的湍流渦耗散微尺度,同時(shí)隨著r/R的提高槽內(nèi)湍流渦耗散微尺度逐漸增大;槽內(nèi)湍流場型式?jīng)Q定湍流渦耗散微尺度在軸向高度及徑向位置上的演變行為,復(fù)合型湍流場下在r/R=1.07時(shí)槽內(nèi)流體湍流渦耗散微尺度最小值為8.58μm;進(jìn)一步分析了不同湍流場型式下攪拌槽特征區(qū)域內(nèi)湍流渦耗散微尺度的分布規(guī)律,并構(gòu)建了軸向型和徑向型湍流場下特征區(qū)域內(nèi)不同高度位置處湍流渦耗散微尺度沿徑向分布的數(shù)學(xué)模型。依托歐拉兩相流數(shù)值計(jì)算,探究了湍流場作用下不同粒徑固相顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布特性,明晰了不同型式湍流場對(duì)細(xì)粒顆粒懸浮均勻度的強(qiáng)化作用規(guī)律,即軸向型湍流場徑向型湍流場復(fù)合型湍流場;分析了不同型式湍流場作用下固相顆粒對(duì)攪拌槽內(nèi)流體湍流渦耗散微尺度的影響行為,結(jié)果表明軸向型湍流場中隨著葉輪旋轉(zhuǎn)速度的提高,固相顆粒對(duì)湍流渦耗散微尺度在軸向高度上的影響范圍減小,而徑向型及復(fù)合型湍流場中固相顆粒顯著增大了葉輪區(qū)域外流體的湍流渦耗散微尺度;通過試驗(yàn)測試了攪拌槽內(nèi)的礦漿濃度分布,并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別確定了軸向型、徑向型及復(fù)合型湍流場下的2×8×1、2×6×1及2×8×1礦漿濃度預(yù)測模型。以湍流強(qiáng)化調(diào)漿體系內(nèi)顆粒聚團(tuán)的變化規(guī)律為切入點(diǎn),驗(yàn)證了徑向型及復(fù)合型湍流場作用下顆粒間聚團(tuán)行為的三個(gè)階段:聚團(tuán)形成、聚團(tuán)破裂及再次聚團(tuán)階段;探究了不同型式湍流場作用下調(diào)漿體系內(nèi)礦漿的礦化行為,即復(fù)合型湍流場內(nèi)礦漿的礦化程度最高;基于原子力顯微鏡從微觀層面分析了不同型式湍流場調(diào)漿作用后石英顆粒間的相互作用力,結(jié)果表明湍流場型式顯著影響顆粒間的分離距離及粘附力,間接揭示了湍流場特性對(duì)石英顆粒與藥劑間吸附性能的影響規(guī)律。基于湍流場作用下的攪拌槽體系,確定了湍流渦量與湍流能量耗散率間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系;基于攪拌槽內(nèi)顆粒在軸向方向上的受力分析,建立了微元控制體內(nèi)礦漿均質(zhì)性分布的控制方程,探究了攪拌槽內(nèi)固相顆粒懸浮分散性能與湍流渦耗散微尺度及湍流強(qiáng)度間的作用關(guān)系,即湍流渦耗散微尺度對(duì)不同粒徑顆粒離底懸浮的作用程度不同,且高湍流強(qiáng)度是槽內(nèi)固相顆粒均勻分布的必要不充分條件;以湍流場中顆粒跟隨性、顆粒間碰撞概率、顆粒間聚團(tuán)形成及聚團(tuán)破裂機(jī)制為研究切入點(diǎn),推導(dǎo)出湍流場中顆粒間的聚團(tuán)概率方程。選取粉煤灰為試驗(yàn)樣品,研究了不同型式湍流場作用下粉煤灰調(diào)漿的界面效應(yīng);粉煤灰調(diào)漿-浮選試驗(yàn)研究結(jié)果表明,軸向型湍流場作用下的粉煤灰累積未燃炭回收率明顯小于徑向型及復(fù)合型湍流場,且在調(diào)漿速度1500 rpm時(shí)復(fù)合型湍流場作用下的粉煤灰浮選速率常數(shù)值最大為0.0862 s~(-1),同時(shí)尾灰燒失量最低為2.33%,驗(yàn)證了湍流場型式對(duì)浮選粉煤灰浮選動(dòng)力學(xué)及脫炭性能影響的差異性;顯著性分析表明復(fù)合型湍流場下調(diào)漿速度顯著影響粉煤灰浮選的炭脫除率及尾灰燒失量;基于上述研究,提出調(diào)漿體系中流體湍流強(qiáng)度及湍流渦耗散區(qū)間的均衡適配是實(shí)現(xiàn)調(diào)漿過程強(qiáng)化的關(guān)鍵。該論文有圖180幅,表38個(gè),參考文獻(xiàn)185篇。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TD923
【部分圖文】：

博士學(xué)位論文2分離區(qū)、礦化運(yùn)輸區(qū)和混合區(qū)[1]。在混合區(qū)內(nèi)，氣流被旋轉(zhuǎn)的葉輪切割、分散成小氣泡，與懸浮的礦漿顆粒發(fā)生紊流碰撞；而在分離區(qū)和礦化運(yùn)輸區(qū)，氣泡靠自身浮力向上運(yùn)動(dòng)，礦物顆粒則主要依靠自身重力向下運(yùn)動(dòng)，顆粒和氣泡間發(fā)生層流碰撞；礦粒與氣泡發(fā)生碰撞后，表面疏水性強(qiáng)的顆粒粘附在氣泡表面，并隨著氣泡上浮至礦漿液面形成泡沫區(qū)，此區(qū)域收集到的泡沫產(chǎn)品即為精礦，而表面親水性強(qiáng)的顆粒則留在槽中成為尾礦。圖1-1浮選槽內(nèi)分區(qū)意圖Figure1-1Thesubareasinflotationcell常規(guī)使用的攪拌式浮選機(jī)自身帶有一定的攪拌作用，可以保持浮選槽內(nèi)固相顆粒的懸浮和運(yùn)動(dòng)，對(duì)前期調(diào)漿工藝的作用有所忽視。但是，浮選槽內(nèi)較高的湍流運(yùn)動(dòng)有利于微細(xì)顆粒間的聚團(tuán)行為及促進(jìn)顆粒與浮選藥劑間相互作用，而過度的紊流條件對(duì)于浮選槽內(nèi)部礦漿穩(wěn)定性、礦化顆粒與氣泡間的黏附行為具有不利的影響，這兩種相互矛盾的流體條件在浮選機(jī)中不易同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此在利用浮選機(jī)進(jìn)行細(xì)粒礦物分選的浮選工藝流程中，需重視礦漿預(yù)處理的過程強(qiáng)化作用。礦漿的預(yù)調(diào)漿處理有利于降低浮選槽內(nèi)的湍流程度，提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)態(tài)的泡沫分選環(huán)境，對(duì)提高浮選效果、優(yōu)化能量消耗具有一定的意義。1.2.2.2浮選柱浮選柱也是一類細(xì)粒、微細(xì)粒礦物分離設(shè)備。實(shí)際選礦生產(chǎn)中，相比于浮選機(jī)，浮選柱具有工藝流程簡單、分選效率高等特點(diǎn)，在細(xì)粒、微細(xì)粒礦物浮選分離中廣泛應(yīng)用。以我國自主研制的旋流-靜態(tài)微泡浮選柱為例，主要包含浮選段、旋流段、管流礦化段等，如圖1-2所示[2,3]。設(shè)備上部為柱浮選段，依靠逆流碰撞礦化的浮選原理實(shí)現(xiàn)細(xì)粒礦物的分離；與柱浮選段下部相連的是旋流分選段，是分選柱的主體結(jié)構(gòu)，包括按密度的重力分離及在旋流力場背景下的旋流浮選；管流礦化段

1緒論3到重力影響而向下運(yùn)動(dòng)的礦物顆粒在下降過程中與自由上浮的氣泡間發(fā)生碰撞，疏水性礦物粘附在氣泡表面，并隨著氣泡上浮至泡沫層，成為精礦產(chǎn)品。圖1-2旋流-靜態(tài)微泡浮選柱示意圖Figure1-2Theschematicdiagramofcyclonic-staticmicro-bubbleflotationcolumn由于浮選柱自身無攪拌裝置，僅依靠外部充氣作為系統(tǒng)的動(dòng)力源，柱體內(nèi)部流體湍流度較低；且由于柱體長度有限，部分顆粒在重力作用下很快下沉至尾礦區(qū)，顆粒與浮選藥劑間相互作用不充分，顆粒礦化程度低；因此，浮選前礦漿預(yù)處理在柱式分選系統(tǒng)中的作用愈發(fā)必要。1.2.3浮選調(diào)漿必要性由于細(xì)粒礦物表面具有較高的反應(yīng)活性，在浮選過程中易發(fā)生凝聚現(xiàn)象，從而造成脈石礦物目的礦物泡沫產(chǎn)品中的夾帶，降低了礦物顆粒與浮選藥劑間的相互作用，對(duì)目的礦物表面性質(zhì)產(chǎn)生影響，造成浮選效率偏低；而對(duì)細(xì)粒礦物浮選前的調(diào)漿則能夠提供用于克服顆粒間相互作用能壘的強(qiáng)烈湍流場作用力，從而促進(jìn)藥劑與顆粒間的有效作用，提高細(xì)粒礦物的高效浮選回收，因此浮選前的高效調(diào)漿是礦物浮選分離的基礎(chǔ)[4]。調(diào)漿作為礦漿入浮前的預(yù)處理作業(yè)，在浮選工藝流程中具有重要地位，尤其在使用浮選柱的浮選工藝中。浮選調(diào)漿過程是一個(gè)多組分多尺度的復(fù)雜調(diào)漿體系，其實(shí)質(zhì)反映的是攪拌槽內(nèi)的湍流場強(qiáng)化作用，在高剪切條件下提供較高的攪拌能，基于湍流渦效應(yīng)實(shí)現(xiàn)流體剪切、調(diào)漿體系內(nèi)動(dòng)量傳遞及質(zhì)量傳遞，促進(jìn)礦物顆粒和藥劑之間的相互作用，以實(shí)現(xiàn)浮選過程中礦物有效分離。調(diào)漿環(huán)境為復(fù)雜的相間作用環(huán)境，依托流體強(qiáng)化開展攪拌槽內(nèi)多組分混合過程研究，對(duì)含有浮選藥劑的礦物顆粒溶液體系進(jìn)行分析，探究湍流場對(duì)槽內(nèi)流體的強(qiáng)制對(duì)流擴(kuò)散、礦物顆粒懸浮分散性能及均質(zhì)化分布、礦物顆粒表面性能對(duì)湍流場型式的響應(yīng)

1緒論5圖1-3攪拌桶結(jié)構(gòu)示意圖（1-攪拌結(jié)構(gòu),2-循環(huán)套筒,3-桶體,4-攪拌葉輪）Figure1-3Theschematicdiagramofstirredtank(1-stirredstructure,2-circulationsleeve,3-tank,4-impeller)1.3.3專利攪拌設(shè)備由于浮選理論和礦漿預(yù)處理理論的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型專利攪拌設(shè)備[10~13]。中國礦業(yè)大學(xué)研制了一種強(qiáng)制混合調(diào)漿設(shè)備（如圖1-4），槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件由高速剪切組合葉輪和混合攪拌葉輪組成，兩段多層組合葉輪的安裝方式實(shí)現(xiàn)了高剪切和強(qiáng)制攪拌流的協(xié)同作用[14]。西安科技大學(xué)研制了多段強(qiáng)制混合調(diào)漿設(shè)備（如圖1-5），該攪拌槽體內(nèi)部增設(shè)了包含一級(jí)葉輪、二級(jí)葉輪和三級(jí)葉輪的多級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)，由循環(huán)導(dǎo)流筒和靜態(tài)導(dǎo)葉組成的靜態(tài)導(dǎo)葉裝置，及由匯集筒和引流管組成的引流匯集機(jī)構(gòu)[15]。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）研發(fā)了一種雙軸強(qiáng)制剪切調(diào)漿裝置（如圖1-6），該裝置內(nèi)壁設(shè)有擋板的調(diào)漿桶，側(cè)壁裝有出料緩沖箱；兩根攪拌軸上分別配備雙層高剪切組合葉輪，且葉輪安裝高度不同，構(gòu)建了雙層葉輪雙軸攪拌構(gòu)型，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)桶內(nèi)礦漿在水平和垂直兩個(gè)方向上的強(qiáng)剪切對(duì)流碰撞[16]。長沙礦冶研究院研制了一種適用于多相高濃度漿體的攪拌裝置（如圖1-7），其主體部件攪拌輪包括安裝于攪拌軸底部以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生軸向流為主的下層攪拌葉輪，以及安裝于下攪拌葉輪上方的以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生軸向及徑向雙向流的上攪拌葉輪，能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度礦漿的強(qiáng)烈攪拌及均勻彌散[17]。
【參考文獻(xiàn)】

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