水力旋流器在铁矿选矿中的应用及发展

张鹏飞，谢海云，陈禄政，李圆洪，丁超，童雄

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南昆明 650093）



水力旋流器在铁矿选矿中的应用及发展

张鹏飞1，2，谢海云1，2，陈禄政1，李圆洪1，丁超1，童雄1

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南昆明 650093）

摘要：我国铁矿资源较丰富但品质普遍不高，需要进行高效选矿富集。水力旋流器在铁矿选矿中的应用日益广泛。本文在对我国铁矿石资源特征及分选概况总结的基础上，分析了水力旋流器的分选过程、流场特征及分级过程的粒度特征等；阐述了水力旋流器在铁矿选矿中的分级、脱水等方面的应用情况，并指出了应用中存在的问题，对水力旋流器在铁矿选矿中的发展趋势进行了分析。论文对提高铁矿资源的选矿利用具有重要的指导意义。

关键词：水力旋流器；铁矿；选矿；分级

我国铁矿资源总量丰富，截止2007年底，全国铁矿石资源储量680亿吨。从铁矿石的质量来看，存在“贫杂细”的特点。矿石平均品位33%左右，较世界平均水平低10%以上；多金属共伴生铁矿石比例高，矿石组分复杂；矿石嵌布粒度细，大部分铁矿石中有用矿物的粒度为-0.074mm占70%-90%。

铁矿石的开发和利用在工业上起着至关重要的作用。由于铁矿比重较大，重选法广泛应用于铁矿的选矿过程中。重选设备中，水力旋流器作为一种利用离心力对非均匀相混合物进行有效分离的设备，具有分级、选别、浓缩等多种分离功能，已广泛应用于铁矿的选矿富集中。

本文针对铁矿，在对相关国内外相关文献进行分析的基础上，对主要水力旋流器的分选特性及其在铁矿分选的中的应用进展进行了分析，对提高铁矿资源的利用率具有重要的实际意义。

1　我国铁矿石的特征及分选概况

我国铁矿石在整体分布很散的情况下，局部又相对集中在十大矿区。这种整体很散，局部集中的分布特点，促使我国铁矿石的开发利用形成了以大中型矿石为主，地方中小矿山为辅，民营群采并存的格局［1］。十大矿区的铁矿石储量占总储量的64.8%，具体储量分布如表1.

表1　我国十大矿区铁矿石储量分布Tab. 1 Ten mining iron ore reserves distribution in our country

我国铁矿石的类型复杂，主要类型有磁铁矿石、赤铁矿石、钒钛磁铁矿石、混合铁矿石，其次是菱铁矿石、褐铁矿石和镜铁矿石。其中，褐铁矿石、菱铁矿石、赤铁矿石和镜铁矿石等弱磁性含铁矿石属于较难选矿石。主要铁矿石储量占比及主要分选情况见表2。

表2　我国主要铁矿石的储量占比及分选方法Tab. 2 Chinese major iron ore ratio of reserves and separation methods

2　水力旋流器的分选特性

2.1水力旋流器的分选过程

水力旋流器由圆柱体、锥体、进料口、溢流口和底流口组成。水力旋流器工作主要靠离心沉降作用，待分离的混合物料从旋流器的入料口以一定的压力切向给入水力旋流器，在圆柱体腔内产生高速旋转流场。由于混合物料中各物料比重不同，大比重颗粒受到的离心力大，在水力旋流器内部沿着器壁作轴向向下、径向向外运动，到达锥体段底部后由底流口排出，即沉沙，形成了外旋流；小比重颗粒受到的离心力小，作轴向向上、径向向内的内旋流运动，并由上部的溢流口排出，从而达到了分离不同比重混合物料的目的［2］。水力旋流器的基本结构见1所示。

图1　水力旋流器的基本结构及流场Fig.1 The basic structure and flow field in hydrocyclone

2.2水力旋流器的流场特性

水力旋流器内部流体运动的基本形式分为外旋流和内旋流、短路流和循环流等。短路流由于器壁的摩擦阻力而形成，分为盖下短路流及侧壁短路流。循环流是由于溢流管的直径过小造成的。褚良银等认为循环流的存在使内旋流中的粗颗粒有机会进行再次分选，从而提高了分离精度。庞学诗等则认为消除循环流有利于降低能耗并加速分离过程。

空气柱是开放式水力旋流器中一种独特的现象，流体充满整个水力旋流器空间是形成空气柱的必要条件之一。目前关于空气柱的研究主要集中在空气柱的尺寸及形状、空气柱的形成机理及空气柱的内部流场。目前褚良银等大部分学者认为空气柱的存在对水力旋流器分离效果提高没有好处，只是消耗能量，且空气柱周围的强湍流使分离结果不稳定。

在水力旋流器内，流体呈三维流动。D.F.Kelsall［3］通过测定透明水力旋流器中铝粉的运动速度，得出了三维速度分布模型。在旋流器分离的全过程中，流体运动的切线速度分布见图2（a），切线速度分布遵从组合涡运动规律［4］。流体运动的径向速度分布见图2（b），径向速度分布遵从汇流规律［5］。流体运动的轴向速度分布见图2（c），轴向速度为零的轨迹就是零速包络面。水力旋流器在分离过程中压力分布包括半自由涡域的压力分布，强制涡域的压力分布和组合涡的压力分布。

图2　水力旋流器中流体运动的速度分布Fig.2 Velocity distribution of fluid motion in the hydrocyclone

2.3水力旋流器分级粒度特性

M. G. Driessen［6］的平衡轨道理论认为旋流器中固体颗粒主要受离心力和流体对它拖曳力的作用，当两个力平衡的时候，固体颗粒处于一个平衡轨道的位置。当平衡轨道与轴向速度为零的轨迹面（零轴速包络面，分离面LZVV）相重合的粒子粒径即为分离粒度 d50。不同粒度的固体颗粒具有不同的平衡轨道，其中，平衡轨道处于分离面以外的固体颗粒将进入底流被分离，而处于分离面以内的固体颗粒将随溢流被排出［9］。D.Bradley在平衡轨道理论的基础上推导出分离粒度 d50计算式：

式中：K—常数（当使用 SI制时，K=2.85×108）

Di—进口管内径，m；

De—旋流口直径，m；

μ—液体粘度，Pa·s；

λ—颗粒质量浓度，kg/L；

ρ、ρs—液、固相密度，kg/m3；

Q—生产能力，m3/h.

K.Rietema［7］提出的停留时间理论认为，粒子在短时间内不可能获得平衡轨道，需要考虑粒子能否在有效的停留时间内到达旋流器壁而被分离。把具有分离粒径D50粒子准确地从进料口中心注入，则它在有效停留时间内刚好能到达旋流器锥顶壁［10］。

3　水力旋流器在铁矿选矿中的应用

3.1直接与磨机组合使用

在铁矿选矿领域，作为磨矿分级系统的一部分，水力旋流器直接与磨机构成闭合回路，两者组合使用提高了磨矿浓度和设备的作业率。

金堆城钼业在选铁车间的磨矿分级回路中，采用串联旋流器组球磨机组成磨矿分级系统，达到了磁铁矿磨至-0.043mm的目的，提高了磨矿浓度和效率［11］。

莱州金仓矿业鑫丰铁矿改用湿式自磨机与水力旋流器闭路流程，省去了原来的破碎筛分作业，简化了流程，节省了投资和经营费，提高了劳动生产率［12］。

唐钢棒磨山铁矿选矿厂采用φ350mm水力旋流器与球磨机组合使用，且水力旋流器作为作二段磨矿分级设备，取得了良好的效果，溢流中细度-0.074mm达到70%，最终铁精矿品位达到67%，设备作业率较高［13］。

3.2技术改造中代替螺旋分级机

由于水力旋流器具有体积小、质量轻、易安装、易调节等优点，部分选厂进行技术改造时，用水力旋流器逐渐取代了螺旋分级机，且取得了较好的分级效果。

本钢歪头山铁矿［14］用水力旋流器取代螺旋分级机后，得到了良好的效果。对于较细颗粒矿物，水力旋流器组的分级效率是螺旋分级机1.87倍，且指标稳定。水力旋流器组沉砂中-200目含量比螺旋分级机降低10%以上，极大地减少了“过磨”现象，提高了磨机效率，更有利于减少金属流失，提高金属回收率。

攀钢密地选矿厂［15］一段磨矿作业中，用水力旋流器取代螺旋分级机进行了分级工业试验，结果表明取代后可以生产出稳定合格的铁精矿，TFe品位52.80%，平均台时处理量也达到了其他系统平均台时处理水平。

南芬选矿厂［16］磨选流程中两段分级设备均采用双螺旋分级机，分级效率较低，指标不理想，选矿厂用500mm旋流器代替2FG-2000mm高堰式双螺旋分级机进行闭路磨矿分级作业。分级溢流浓度由38%提高到44%，溢流中-0.074mm含量由60%提高到73.2%，沉沙中-0.074mm含量由25.9%降低到20.9%。

3.3脱除脉石矿物

水力旋流器在对铁矿进行加工时，对脱除脉石矿物也是很高效的。使精矿富集的同时，也有效地降低了脉石矿物的含量。相对于其他脱除脉石矿物的方法，利用水力旋流器脱除脉石矿物更加经济、环保、节省成本。

田娟等［17］采用旋流器对太钢尖山铁矿选矿厂作为反浮选给矿的弱磁选精矿进行精选试验，用旋流器重选工艺部分替代反浮选工艺，得到了作业产率为36.03%，铁品位为 69.03%，SiO2含量为 3.89%、作业铁回收率为38.94%的铁精矿，实现了提铁降硅的目的。

尤罗夫等人用磁力水力旋流器进行磁铁矿脱泥，保证了往溢流中排入全铁和磁性铁较贫的物料［18］。溢流量为给矿的24.6%～33.0%，这有助于提高水力旋流器沉砂中的含铁量，与给矿相比提高7.6%～11.3%，溢流中磁性铁损失为0.4%～1.1%。

3.4尾矿脱水

在铁矿尾矿的脱水方面，水力旋流器应用也很广泛。水力旋流器用于铁矿尾矿脱水不仅流程简单、浓缩效率高、设备投资少，而且运行成本低、占地面积小，是铁矿尾矿脱水性价比较高的设备。

崔学奇［19］采用旋流器一浓密机分级浓缩流程，对北洺河铁矿尾矿进行了脱水试验，结果表明，采用φ125mm旋流器与浓密机组成的分级浓缩系统，可将28%的低浓度尾矿浓缩至60%以上，并可有效回收清水。

烟台鑫海耐磨胶业有限公司［20］研发的浓缩脱水型水力旋流器，用于-0.074mm粒级占80%的铁矿尾矿脱水，产品含水小于16%。海南某铁矿日处理尾矿1000 t，尾矿粒度-0.040 mm粒级含量达85%以上，采用缩脱水型水力旋流器进行尾矿脱水后尾矿含水率15%～17%，达到了预期目的。

承德天宝矿业宝丰选矿厂［21］采用了“旋流器+浓密机”对超贫钒钛磁铁矿尾矿进行脱水。用旋流器提前脱除了大颗粒矿物，避免了粗颗粒矿物对浓密机的不利影响。由于旋流器沉砂浓度高，使尾矿最终浓度提高到了45%。

4　水力旋流器在工业生产应用中存在的问题

虽然水力旋流器在选矿工业中应用很广泛，但同时也伴随着一系列问题存在。诸如底流夹细［22］，跑粗现象［23］，反富集现象，磨损问题，工作状况不稳定等。

底流夹细是水力旋流器在实际工业生产应用过程中存在的普遍问题。降低底流产物质量的同时，也会对整个生产系统造成影响。造成这一现象的主要原因在于，底流口附近流场的扰动容易使分离后的粗细颗粒重新混杂，造成细颗粒在粗颗粒的卷吸作用下排出底流口。在旋流器锥段下端靠近底流口处，由于固体颗粒的高浓度聚集，底流夹细现象尤为明显。

跑粗现象是由于上锥体、中锥体和下锥体的磨损寿命不同所造成，上中下椎体的更换时间不同，当更换下锥体而不更换中锥体时，就会使两锥体连接处产生一个台阶，根据旋流器的工作原理，粗物料向下做螺旋运动时，部分粗颗粒在台阶处就会受阻，并从溢流流管处出。

张福峰［24］针对山东某铁矿在设计投产阶段遇到的产量不达标，铁精粉品位低，磨矿耗能大等问题，研究后发现粗精矿经旋流器分级后，发生了比较严重反富集现象，本来应该富集到旋流器溢流中的-200目以下的合格粒级却出现在了底流中，就导致合格粒度重新返回二段球磨，造成合格产品的过磨。

材质磨损是水力旋流器在选矿工业应用中的一个问题。磨损主要是颗粒对壁面的冲击和滑动摩擦作用造成的［25］。旋流器的磨损不仅影响技术指标，也严重影响水力旋流器的使用寿命，从而使经济效益显著下降。

5　水力旋流器的发展趋势

随着科学技术的发展以及工业生产的要求，水力旋流器在结构、应用、自动控制等相关技术的研发过程中发展迅速。通过对国内外相关方面的研究及应用进展进行分析，水力旋流器的发展方向主要有以下几个方面。

5.1直径向更大或更小发展

水力旋流器的直径通常表征它的技术规格，为适应选矿设备处理能力和所要处理的矿物粒度要求，水力旋流器的直径向两极化发展［26］。德国安伯格高岭土矿公司和我国山东威海海王旋流器有限公司已经生产出最小直径为10mm的水力旋流器，分级粒度可达到1～5μm。直径大型化的发展也比较明显，原苏联的机械出口公司和英国的萨拉公司已经制造出直径超过2000mm的水力旋流器，生产能力超过2000m³/h。

5.2结构形式趋于多样

为了降低能耗、提高分级效率以及满足各种复杂技术条件下的分离作业的要求，专家学者们除了对水力旋流器原有的结构进行改进外，冯静安等人［27］发明了一种圆柱段筒体旋转式水力旋流器，这种新型的水力旋流器通过使圆柱段筒体旋转，使得圆柱段筒体内壁面在入口浆液作用下的固定位置冲击变为整个圆周上的均匀冲击，减轻了筒体内壁面局部位置的磨损，提高了设备的整体使用寿命。还研发出了许多特殊用途的水力旋流器，如磁力旋流器，多产品旋流器圆柱形旋流器等。

5.3设备配置趋于组合使用

为了满足实际应用中生产能力大以及与大型设备配套的技术要求，水力旋流器的组合化配置成为主流趋势。李剡兵等人［28］发明了以并联方式连接的旋流器组，并联的台数视情况而定，可以是数台或数十台，解决了现有旋流器组因串联引起的无法达到最佳工作状态，矿浆分离效果差的问题。

5.4理论研究进一步加强

近年来众多科技工作者在前人研究的基础上进一步对水力旋流器的内部流场的分布，颗粒运动行为及其影响因素进行了研究。

陈佳祁等人［29］对水力旋流器内不同粒径的固体颗粒的运动轨迹进行了数值模拟，形象直观地描述了湍流对固体颗粒运动行为的影响，为水力旋流器对固体颗粒的分级提供了理论支撑。

李亮［30］以山西省繁峙县某铁矿尾矿为例，利用 FLUENT 对尾矿分级旋流器进行了数值模拟，得到了尾矿分级旋流器分级过程中尾矿矿浆的压力、速度和浓度的分布规律对旋流器分级效果的影响。

喻炜［31］采用LAD激光测试仪对所设计的新型旋流器内的流场进行了测试，获得了新型旋流器内的二维时均速度场和湍流场的分布规律，揭示了旋流器分离性能与其流场特性之间的内在联系，为水力旋流器的进一步优化提供了理论基础。

5.5材质更加耐磨

铸铁、铸铝、和钢板是传统意义上水力旋流器外壳的制备材料，内壁通常以天然橡胶、陶瓷和铸石为制备材料。为了改善水力旋流器的抗腐蚀和耐磨损的性能，近年来国内外采用的材料主要有聚氨酯、胶钢、铬钢、硬镍合金、玻璃纤维增强聚氨酯等［26］。新型材质水力旋流器总结为表3。

表3　新型材质的水力旋流器Tab. 3 The new material of hydrocyclone

5.6采用复合作用力场

采用复合力场的目的是增强物料颗粒之间的运动、受力及沉降等方面的差异，从而将不同矿物进行分离，获得较好的分离效果。如磁力水力旋流器是利用离心力场和磁力场的共同作用而实现不同矿物的分离。采用复合力场是水力旋流器今后发展的一个趋势。

6　结语

（1）我国铁矿资源总量丰富，主要分布在辽宁、新疆、河北、四川等地区，但从铁矿石质量来看，存在“贫杂细”的特点。多金属共伴生铁矿石比例高，矿石组分复杂；矿石嵌布粒度细。

（2）建立水力旋流器分离理论的数学模型是近年来研究的热点，代表性的有平衡轨道理论，停留时间理论以及内旋流分离模型等，但各类模型大都为各自简化条件下的结果，未能综合考虑影响分离的各项因素，因此，建立多因素影响条件下的水力旋流器分离过程数学模型是未来的研究趋势。

（3）在铁矿选矿中，水力旋流器已经广泛应用于与磨机配合构成闭路、代替螺旋分级机、脱除脉石矿物及铁矿尾矿脱水等。

（4）通过采用新的制造材质，技术规格两极化，设备配置的组合，理论研究的不断突破，结构形式的多样，作用力场的复合，水力旋流器将迎来其工业应用的又一次飞跃。

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本文引用格式：张鹏飞，谢海云，陈禄政，等.水力旋流器在铁矿选矿中的应用及发展［J］. 新型工业化，2016，6（4）：8-15.

Citation: ZHANG Peng-fei， XIE Hai-yun， CHEN Lu-zheng， et al. Application and Development of Hydrocyclone in Iron Ore Beneficiation［J］. The Journal of New Industrialization，2016，6（4）: 8-15.

Application and Development of Hydrocyclone in Iron Ore Beneficiation

ZHANG Peng-fei1， 2， XIE Hai-yun1， 2， CHEN Lu-zheng1， LI Yuan-hong1， DING Chao1， TONG Xiong1
（1.Faculty of Land Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China； 2. State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resource Clean Utilization， Kunming 650093， China）

Abstract:There are a lot of iron ore resources in China， but the quality of ore is generally poor. It needs to be concentrated efficiently by mineral processing methods. Hydrocyclone has been used increasingly in iron ore beneficiation. Based on the characteristics of iron ore in China and its separation， It analyzes the hydrocyclone separation process， the flow field characteristics and the grain size characteristics of classification process， This paper expounds the application of the hydrocyclone classification in iron ore beneficiation and dehydration etc， points out the problems existing in the application， and analyzes the development trend of hydrocyclone in iron ore beneficiation .This paper has an important guiding significance in improving the concentration of iron ore.

Keywords:Hydrocyclone； Iron ore； Beneficiation； Classification

DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.04.002

基金项目：国家自然科学基金项目（51464030）；云南省应用基础研究项目（2013FZ027）

作者简介：张鹏飞（1991-），男，硕士研究生，主要从事矿物加工研究；谢海云（1973-），女，副教授，博士，主要从事矿物加工、湿法冶金研究；陈禄政（1978-），男，教授，博士，主要从事选矿设备的研究和开发；李圆洪（1992-），男，硕士研究生，主要从事矿物加工研究；丁超（1993-），男，硕士研究生，主要从事矿物加工研究；童雄（1965-），男，教授，博士后，主要从事矿物加工研究