密集矿物粒群絮凝沉降行为与机理的数值试验研究

The sedimentation of mineral particles in the medium is the most essential issue in mineral processing. As the study and application base of high capacity thickener (HCT), the essence of flocculation sedimentation is hindered settling, and there are still some controversies on the issue of particles’ hindered settling because of the short of traditional physical sedimentation test method. Numerical experimental method is widely noted in mineral processing field for the high efficiency and precision, and numerical simulation of dense mineral particles should be urgently resolved to propel the progress of numerical mineral processing. In this study, dynamic test system will be set up firstly in laboratory, and the stable flocculation of mineral particles will be studied directly via the setup. Then, under the correction and validation of physical test results, numerical experimental method, applying to the sedimentation of dense mineral particles, will be confirmed based on relational model of interaction between items of different solid volume fraction. The usage of the previous numerical method to the flocculation sedimentation inside HCT will avoid the limitations of physical method, get the real mechanism of mineral particles’ flocculation sedimentation, and guide the study and application of HCT.

矿物颗粒在介质中的沉降是矿物加工领域最基本问题之一，矿物粒群的絮凝沉降，其本质是矿物颗粒絮团的干涉沉降，是高效浓密机研究和应用的基础。由于传统物理沉降试验方法的局限性，矿物粒群的干涉沉降问题尚有许多争议。数值试验方法以其高效率、高精度已被矿物加工各研究领域广泛关注，而密集矿物粒群的沉降问题，又恰恰是选矿过程数值化亟需解决的难题。本研究首先设计实验室动态沉降测试系统，对矿物颗粒的稳定絮团进行直接测试。其次在物理试验修正和验证基础上，基于沉降过程中颗粒-颗粒、颗粒-介质之间的相互作用与固体体积分数的关系模型，确定适用于密集矿物粒群沉降的数值试验方法，并对高效浓密机内部实时絮凝沉降过程进行准确预测，以克服物理沉降试验的局限性，以及传统针对浓密机的实验室沉降试验对设备结构、流场状态等考虑不足的缺陷，最终准确揭示矿物颗粒絮凝沉降机理，并为高效浓密机的研究和应用提供依据。

微细颗粒的絮凝沉降工艺广泛应用于化工、医药、能源、环保等众多领域。在絮凝剂的作用下，颗粒之间经复杂的物理和化学作用生成絮团。在矿物加工领域，絮凝浓密是处理微细粒矿物的最重要手段。当前，絮凝浓密研究方面，人们关注的重点是设备结构改进、自动控制和絮凝剂的研发等方面，对颗粒絮凝沉降过程较少涉及；在应用方面，人们通常通过单纯的实验室沉降试验确定一些关键参数，但由于与实际沉降过程相差过大，导致确定的工艺参数与实际需求误差较大。本研究首先基于CFD数值模拟搭建了实验室高效动态絮凝装置，并开展了1-3mm球形颗粒的自由、干涉沉降研究和实际矿物的絮凝沉降研究，结果表明所搭建的高速动态显微分析系统可以精确检测颗粒沉降速度，高效动态絮凝装置能够有效增大料浆中微细粒颗粒碰撞概率，实现絮凝剂在矿浆中的有效分散，强化微细颗粒之间的絮凝作用，经实验室镜下检测，絮凝后的絮团尺寸为1000～2000μm，实现了微细矿物颗粒的高效絮凝浓密。在物理试验验证和修正基础上，基于流场协同作用，应用CFD-DEM二次开发及双向耦合，确定适用于微细粒矿物絮团形成的数值试验方法，并针对10 mm×10 mm×10 mm的立方单元体内部絮团形成和识别进行了系统研究，所确定的数值试验方法取代传统物理试验和二维分形成长模拟方法，从而避免了物理试验复杂、空间维数低及忽略颗粒间相互作用等局限性，更能准确描述矿物絮团形成及其特性与流场环境的作用关系。在传统絮凝浓密理论研究的基础上，为实现絮凝浓密过程的数值仿真研究，将絮凝浓密过程中的颗粒碰撞过程、颗粒黏结过程、絮团破碎与再黏结过程简化为颗粒-颗粒、颗粒-絮团、絮团-絮团的接触模型，并在修正模型时综合考虑颗粒作用的法向耗散力、切向弹性力和耗散力，黏附力大小与法向重叠量，颗粒表面吸附能量密度大小等，最终确定的絮凝过程中颗粒-颗粒、颗粒-絮团、絮团-絮团的接触模型对于简化絮凝浓密研究过程并最终实现工业应用有重要意义。