螺旋选矿机是一种重力选矿设备,因其占地面积小、操作简便、绿色节能以及维护成本低等优点,近年来被广泛应用于铁矿、铬矿、钽铌矿以及煤炭等多种矿物的分选作业中。螺旋槽的截面形状是影响螺旋选矿机分选效率的关键因素,然而,螺旋选矿机发展至今,工业生产中主要应用了椭圆和立方抛物线两种螺旋槽截面形状,目前新型螺旋选矿机的开发几乎停滞,亟需对螺旋槽截面形状与分选行为的关系展开研究,并探索新型截面螺旋选矿机的开发新路。据此,本文提出了一种螺旋槽的复合截面曲线结构设计方案,并对螺旋槽截面形状与分选流体流场及矿物分选行为之间的关系展开了研究,搭建实验室试验系统并进行了验证试验,试验证明,开发的“椭圆-立方抛物线”复合截面曲线的螺旋选矿机拥有更高的选矿效率。本文的主要研究内容如下: (1)新型复合截面曲线螺旋选矿机的设计。首先对螺旋选矿机分选流场特征参数进行了理论分析。随后基于流体运动特性的分析,提出以流膜厚度、雷诺数、弗劳德数、切向以及径向速度作为主要的流场特征参数。最后以BL400螺旋选矿机(立方抛物线截面)为参考,提出并设计了直径为φ400mm的“直线-立方抛物线”、“直线-椭圆”、“椭圆-立方抛物线”3种复合截面曲线的螺旋选矿机。 (2)螺旋槽截面形状特征对分选流场的影响研究。首先利用Fluent软件构建了直线、椭圆、立方抛物线单一截面形状及设计的3种复合截面形状的螺旋选矿机分选流场CFD模型并进行了模拟仿真。仿真结果表明:“直线-立方抛物线”形与“立方抛物线”形、“直线-椭圆”形与“椭圆”形截面的螺旋选矿机流场分布特征重合度在90%以上,唯一的区别体现在二次环流区域范围略有扩大。而"椭圆-立方抛物线"形截面的螺旋选矿机拥有最宽的层流区域、最大的切向速度和径向速度峰值以及第二大的环流区域范围,可以有效促进细粒级矿物的沉降和内缘产物品位的提升。 (3)螺旋槽截面形状特征对矿物分选行为的影响研究。针对分选流场模拟的研究结果,选取最优复合形截面以及立方抛物线形、椭圆形截面的螺旋选矿机作为研究对象,分别构建了EDEM模型并进行了仿真模拟研究,结果表明:椭圆形截面的螺旋选矿机在分选粗粒级矿物颗粒时,重矿物收缩趋势更强,分选效果更好;立方抛物线形、“椭圆-立方抛物线”形截面的螺旋选矿机在分选细粒级矿物颗粒时,重矿物收缩趋势更强,分选效果更好,但相比之下,“椭圆-立方抛物线”形截面的螺旋选矿机在分选细粒级赤铁矿时更具优势。 (4)螺旋选矿机实验系统的搭建及试验研究。本文在实验室搭建了不同截面形状的螺旋选矿机试验系统,首先进行了清水流态试验。实验结果表明,实验流态测量结果与仿真结果相对误差率均在5%以内,证明数值模拟方法的准确度完全满足要求。随后进行了螺旋选矿机的矿物分选试验,实验结果表明,本文开发的“椭圆-立方抛物线”形截面的螺旋选矿机对细粒级矿物的分选效果优于传统单一截面形状的螺旋选矿机,选矿效率提高2%左右,结果证明,通过优化螺旋槽截面形状以提高螺旋选矿机的选矿效率是可行的。