喷射式悬浮电选机理研究与应用

论文摘要

高压电选矿是一种很有效的物理选矿方法，无污染，能耗少，在节能减排要求愈来愈高，环境保护压力愈来愈大的今天，电选的优越性日益为人们所重视，具有十分重要的现实意义。本论文以微细粒电选为研究对象，在原有微细粒悬浮电选研究的基础上，对其分选机理做了进一步研究，完善了悬浮微细粒选矿的理论基础，分析了干扰悬浮电选机分选效果的若干关键问题，提出了喷射式悬浮电选的新方案。根据本论文提出的喷射式悬浮电选的原理，设计了相关基础实验，在实验验证的基础上，不断改进设备和优化设计参数，获得了较好的分选效果，为工业化应用打下了基础。本论文的主要研究内容大致可分为八个部分：一、基础理论研究。对有关微细粒悬浮电选的基础理论进行了系统研究，分析了矿粒电性、高压气体放电机理、高压负电晕放电机理、悬浮矿粒荷电机理、荷电微细粒悬浮分选机理等基本原理，探讨了矿物的电选技术及其在微细粒矿物分选中的应用，分析了悬浮电选机的工作原理，针对影响微细粒悬浮电选的若干因素进行了试验研究，最终分析了现有悬浮电选机存在的问题。二、发现流体状态不合理等悬浮电选机的设计缺陷并加以改进。实验发现，悬浮电选机存在诸如微粒的悬浮需要高风速而微粒的分选需要低风速这样的矛盾。试验证明，若要进一步提高悬浮电选机的分选效果，必须解决在分选原理确定、分选流程设计、电源配备、几何设计、干扰因素控制等方面存在的一些问题。通过悬浮电选机存在问题的理论分析和实验研究，作了相应改进，获得了更好的效果，但是仍有一些问题无法在现有的设备上改进，从而提出了喷射式悬浮电选的新方案。三、开展了高压静电场内的粉体运动特性研究。高压静电场内的粉体运动特性是一个影响分选的关键因素。本文对高压静电场内的粉体运动特性进行了认真的观察和研究，提出了高压静电场内的粉体运动机理，对高压静电场内金红石粉体微粒的对流运动、动静循环、堆体跳动和环状放射等现象做出了解释，为在电选过程中充分利用粉体的运动规律并有效规避其不良影响打下了基础。四、提出了喷射式悬浮电选的基本原理。喷射式悬浮电选的基本原理是采用喷嘴将荷电过程和放电过程分隔为两个独立的阶段，以便有针对性地加以区别控制。利用电晕电场使金红石矿粉微粒充分荷电后悬浮混合为气固两相流体，用高速喷射气流喷到表面光滑的放电极板上进行放电。通过调节气流速度和放电极板倾角来控制放电效果以保证导体微粒完全放电而非导体微粒基本不放电。此后，矿石微粒以惯性运动方式进入分选电场在高压静电场的作用下完成分选。五、定量计算出提高金红石粉体的碰撞接触时间。考虑流场和电场共同作用，修正计算得出了在本喷射式悬浮电选实验装置中300目的金红石精矿中导体微粒和非导体微粒与放电极板的实际碰撞接触时间，即微粒获得的放电时间。计算得知，金红石矿粒的实际碰撞接触时间为0．07103微秒，石英微粒的实际碰撞接触时间为0．06273微秒。可见，金红石精矿粉中，尽管导体矿粒和非导体矿粒在微粒质量、介电常数、荷电量以及碰撞速度均有差异，但是通过射流碰撞获得的放电时间十分接近，而且非导体矿粒的实际放电接触时间比导体矿粒的实际放电接触时间更小，这样就可以保证导体矿粒迅速放电而非导体矿粒难以放电，对后期分选十分有利。六、建立了喷射式悬浮电选的数学模型。通过帕努力方程式，建立了流场内的微粒运动模型；通过复合电场荷电方程式建立了电场内的微粒运动模型；再通过球对平板的弹性碰撞，本文推导出其微粒弹性碰撞模型；将这三组方程联立即可建立在完全弹性碰撞状态下，喷射式悬浮电选的数学模型为：这个数学模型反映了喷射式悬浮电选中，分选腔中的矿石微粒由于导电性不同而在水平方向发生的运动差异，表明采用喷射式悬浮电选对导电性能差异大的两种矿粒进行分选是可行的。七、分析并通过实验观察验证了分选电场中导体矿粒和非导体矿粒的运动轨迹。利用喷射式悬浮电选数学模型可以定量计算出金红石精矿粉中导体矿粒和非导体矿粒的放电碰撞接触时间、剩余荷电量、进入分选电场的方向与速度、重力加速作用、电场加速作用以及空气阻力作用，从而能够定量计算出分选电场中导体矿粒和非导体矿粒的运动位置并作出了运动轨迹图，首次直观地展示了悬浮电选中导体矿粒和非导体矿粒在分选电场中的运动轨迹，为今后悬浮电选的理论研究和工程应用提供了一个比较简便的定量分析方法。八、对喷射式悬浮电选理论进行了试验验证。通过反复计算分析，设计出喷射式悬浮电选实验装置，在不同参数组合实验的基础上，开展了分选试验分析比较。在分选实验中获得了金红石精矿品位TiO2为90．56％、回收率达到80．12％的良好效果。实验证明，喷射式悬浮电选实验装置是可行的，说明分选实验的结果与采用数学模型的计算结果是一致的，理论计算结果是可信的。通过对喷射式悬浮电选机理的理论分析和试验验证，找出了喷射式悬浮电选控制参数的基本规律，为工业化应用打下了基础。通过上述的理论分析和实验验证可以证明，采用喷射式悬浮电选对金红石精矿等良导体矿粒中的石英等非导体矿粒进行分选不但是可行的，而且是有效的。采用喷射式悬浮电选，可以明显提高分选精度，改善分选效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电选技术的应用现状和发展趋势
• 1.1.1 电选技术的应用
• 1.1.2 电选设备的类型
• 1.1.3 电选技术的发展趋势
• 1.2 微细粒矿石电选
• 1.2.1 矿粒的电性质
• 1.2.2 矿粒的带电方式
• 1.2.3 微细粒矿物分选
• 1.2.4 微细粒矿物电选
• 1.3 悬浮电选
• 1.3.1 悬浮电选技术的应用
• 1.3.2 悬浮电选的技术、经济评价
• 1.3.3 悬浮电选机存在的主要问题
• 1.4 本论文研究的目的与主要内容
• 1.4.1 本论文研究的目的和意义
• 1.4.2 本论文立题的依据
• 1.4.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 悬浮电选机原理、结构与问题
• 2.1 电晕电场原理
• 2.1.1 气体的导电
• 2.1.2 电晕放电现象
• 2.1.3 带电离子的产生
• 2.2 带电粒子在电场中的运动
• 2.2.1 粒子的迁移率
• 2.2.2 电子的迁移率
• 2.3 悬浮电选机的结构
• 2.3.1 高电压
• 2.3.2 微细粒悬浮
• 2.3.3 环状电晕电场
• 2.3.4 扩大空间收集装置
• 2.4 悬浮电选机的工作原理
• 2.4.1 电晕电场的形成
• 2.4.2 电场的作用
• 2.4.3 矿粒荷电
• 2.4.4 矿粒放电
• 2.4.5 悬浮电选机的荷电放电过程
• 2.5 悬浮电选中的问题分析
• 2.5.1 电源自激
• 2.5.2 流体状态的矛盾
• 2.5.3 荷电强化与保持
• 2.5.4 二次荷电
• 2.5.5 粒度干扰
• 2.6 改进的思路
• 2.7 小结
• 第三章 悬浮电选机的改进与重要基础实验
• 3.1 电源改进与应用
• 3.1.1 电源设计方案比较
• 3.1.2 LC回路原理
• 3.1.3 恒流源供电的优点
• 3.2 风速标定实验
• 3.2.1 实验设备与环境参数
• 3.2.2 运行风速标定
• 3.2.3 结果分析
• 3.2.4 分选腔内的强紊流干扰
• 3.3 高压静电场中的金红石粉体特性实验
• 3.3.1 实验设备和参数计算
• 3.3.2 金红石粉体特性测试
• 3.3.3 运动特性分析
• 3.3.4 金红石粉体的运动参数
• 3.4 金红石粉体垂直分选实验
• 3.4.1 实验原理
• 3.4.2 实验参数及实验结果
• 3.4.3 实验结果分析
• 3.4.4 实验的改进方向
• 3.5 小结
• 第四章 喷射式悬浮电选机理研究
• 4.1 喷射式悬浮电选设计思想
• 4.2 喷射式悬浮电选流体状态分析
• 4.2.1 紊流射流的流体状态分析
• 4.2.2 喷射式悬浮电选的射流特征
• 4.2.3 喷射式悬浮电选的射流运动规律
• 4.2.4 粉体微粒对喷射流场的作用规律
• 4.3 喷射式悬浮电选参数计算
• 4.3.1 粉体微粒与放电极板的碰撞接触时间计算
• 4.3.2 荷电过程分析
• 4.3.3 放电过程分析
• 4.3.4 分选过程分析
• 4.4 小结
• 第五章 喷射式悬浮电选分选实验
• 5.1 金红石矿粒的成分与矿物组成
• 5.1.1 试样的化学成分分析
• 5.1.2 试样矿物组成
• 5.2 原矿工艺矿物学研究
• 5.2.1 矿石类型
• 5.2.2 矿石结构
• 5.2.3 矿石矿物成份及特征
• 5.2.4 矿石嵌布特征
• 5.3 金红石微细矿粒电性研究
• 5.3.1 试样粒度组成及金属分布
• 5.3.2 混合样磁性分析
• 5.3.3 主要矿物特性参数测定
• 5.4 小间距喷射式悬浮电选机分选实验
• 5.4.1 实验设备与参数
• 5.4.2 影响因素研究
• 5.4.3 小间距综合条件实验结果
• 5.4.4 小间距实验改进分析
• 5.5 大间距喷射式悬浮电选机分选实验
• 5.5.1 实验设备与参数
• 5.5.2 影响因素研究
• 5.5.3 大间距综合条件实验结果
• 5.6 小结
• 第六章 研究结论、创新点和建议
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 研究工作的创新点
• 6.3 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的工作成绩
• 学术著作
• 申报国家专利
• 学术论文
• 参加学术团体及任职情况
• 主持和参与科研项目
• 获奖情况
• 附录