水力旋流器结构改进研究现状及展望*

2021-04-01李子凌杨雅婷胡海祥23

现代矿业 2021年11期

李子凌杨雅婷胡海祥，23

（1.赣南科技学院；2.崇义章源钨业股份有限公司）

水力旋流器最早出现于1891年，因其具有结构简单、操作便捷、空间需求小、处理范围广等优点，被广泛运用于选矿、化工、冶金、环境等行业，其工作原理是离心沉降，内部粗细颗粒之间存在着粒度差和密度差，经离心沉降，多数粗颗粒通过沉砂口排出，多数细颗粒向溢流管排出，达到分离分级的目的。进入21世纪后，随着科学技术发展迅速，人们对水力旋流器性能的要求越来越高，诸多学者专注于水力旋流器结构改进的研究。目前，结构改进已成为水力旋流器发展研究中的重要方向之一。

1 水力旋流器概况

1.1 结构组成

水力旋流器构造简单，主要包括溢流管、给矿口、锥角、锥体和沉砂口等，主要影响其工作效率的参数有给矿口直径、溢流管直径、椎体高度和锥角角度、沉砂口直径。

1.2 应用领域

水力旋流器在选矿领域广泛应用于磨矿、脱泥、浓缩、除杂、尾矿分级与回填等作业工序，具体为：①磨矿分级。分级时与磨矿设备连用，进行预先分级或球磨机粗粒和细粒的分级。②脱泥选矿。水力旋流器可对各种矿物中的泥、浮选药剂进行脱除处理，对于非金属矿物可去除粗砂，回收精矿。③浓缩脱水。水力旋流器可以将浓度过低的矿浆进行浓缩，使其达到工艺矿浆浓度要求。④提质除杂。在选矿过程中可对矿物中存在的杂质进行处理，从而达到设计矿物含量要求。⑤分级回填。尾矿筑坝的材料有粒度要求，利用旋流器进行分级，可将不符合粒度要求的颗粒筛出。

1.3 分级原理

水力旋流器是利用离心力场分级颗粒的设备，可从速度分布、压力分布、粒度分布的基本规律来分析其分级原理：①速度分布。水力旋流器切线速度分布符合组合涡运动规律，组合涡是一种复合涡运动，由自由涡（n＝1）和强制涡（n=-1）组成。崔宝玉等［1］研究表明，在流场内部n=-1为强制涡运动，在外部n=0.5～0.58为半自由涡运动。②压力分布。水力旋流器的给矿压力是按照周边到自然分界面间压力降的大小确定。旋流器沿径向（0≤r≤R）的压力降和水头损失是半自由涡域（rm≤r≤R）与强制涡域（0≤r≤rm）的压力降和水头损失两者连续过程的总体。③粒度分布。用水力旋流器的等降比e0计算可得到被分离物料在不同径向位置的粒度分布，不同粒度和不同密度的物料会沿径向位置逐级分布。袁惠新等［2］研究结论表明，不同粒度的颗粒有着不同的分离效率，与等降比e0有密切的关系。

2 结构改进研究

2.1 给矿口直径及入口给矿方式

给矿口的大小对处理能力、分级粒度及分级效率均有一定的影响，给矿方式不适合一般会带来器壁磨损、能量消耗、短路流量偏高等问题。目前，给矿方式均改为渐开线、螺旋线或同心圆给矿等。

秦同文［3］针对常规柱锥式旋流器在工业现场存在磨矿循环负荷过大、沉砂嘴频繁堵塞的问题，提出一种新型蜗壳预分级给料柱式旋流器，其入料特点为物料进入旋流器之前进行预沉降，让物料均匀分布于进料体断面。试验结果表明，溢流细度提高3.02个百分点，沉砂夹细量降低6.14%，分级质效率及量效率分别提高15.78%和13.24%，入料压力降低0.06 MPa，达到了降低旋流器能耗和磨损的目的。

俞良英等［4］针对给料管前端加装阀门使入料管的切线口之间产生涡流和储流，导致固液分离效果变差等问题，发明了一种进料横截面积可调的给料管，即在物料入口处添加1块根据沉砂口排料情况来调整控制出料浓度的滑动调节滑板，从而根据固液比调节出料浓度使分离效果达到最佳。

丛龙斐等［5］为提高磨矿分级效率，将旋流器的进料体由导向螺旋线形式改进为双涡耦合导向形式，改进后给料管中的矿浆被双圆周曲线流道和下旋导向结构引导在旋流柱体外预先分级，矿浆颗粒有序进入旋流柱内。压力单因素试验表明，传统型旋流器在运行压力0.10 Mpa时，分级质效率达到最大值51.71%，而改进型旋流器在0.08 Mpa时，分级质效率达到最大值56.00%。

汪威等［6］针对高压流体混有一定的固体会导致旋流器器壁磨损和维修成本较高的问题，发明了一种法向入口的超高压旋流器，即进料管沿旋流筒法向放置，物料通过筒体法线进入，依托挡板和导流板的引流使物料中颗粒受到的向心力增大，进一步使得旋流器的分离精度和分离效率得到提高。

赵旭龙等［7］针对渐开线入料水力旋流器存在的分级效率低，循环负荷比例高等问题进行研究，发现螺旋线旋流器紊流现象明显较少。试验结果表明，螺旋线旋流器较渐开线旋流器弱磁一段磨矿分级中-0.074 mm分级量效率提高12.18%，质效率提高5.81%，返砂比降低209%，-0.038 mm分级量效率提高8.94%，分级质效率提高1.96%，返砂比降低147%，有利于后续浓缩沉降和脱水作业。

2.2 溢流管直径和形式

水力旋流器溢流管直径和形式的不同将会带来工艺指标的不同。在生产过程中不能无限地增大或减小溢流管直径，因各个结构之间存在一定的限制比例关系，这一限制比例关系维护着其固有的规律。

张玉等［8］针对同时更换溢流管与其相对应的筒体、人工和硬件成本都过高等问题，发明了一种旋流器变径溢流管，其特点为通过调节变径管达到改变溢流管直径的目的，不需要更换相应筒体，可实现溢流管直径在一定范围内自由调节。该种旋流器在实际生产中实用性强，使人工和设备成本都有所降低。

胥聪聪等［9］针对目前多数水力旋流器存在的溢流跑粗问题，提出了弧形溢流管替代传统直线形，数值模拟结果表明，最大切线速度可提高7.80%，且在旋转半径相同的条件下，离心强度增强，分级粒度变细。试验结果表明，排口比相同的情况下，对于-25 μm粒级，溢流浓度提高0.47%、溢流中-25μm含量提高1.51%，溢流跑粗现象和分离效果得到改善。

高福斌［10］针对介耗问题，对重介旋流器溢流端的下料溜槽结构进行改进，在套箱前端增设一下料口，尾端下料口与精煤固定筛入料溜槽之间新增一溜槽，其水平面夹角为30°使得物料进入精煤固定筛的方式由垂直降落变成沿斜坡滑落。工业现场数据表明，选煤的介质消耗从之前的2.70 kg/t变成了改进后的1.60 kg/t，带来了可观的经济效益。

姬跃平［11］针对选煤厂产出煤存在发热量过低等问题，将三产品重介质旋流器溢流管直径由350 mm更换成300 mm［12］。试验结果表明，精煤灰分达到一定标准，分选精度的可能偏差一段小于0.03 g/cm3，二段小于0.06 g/cm3，分选精度、精煤数质量、中煤发热量相比之前均得到提升，末煤系统操作难度降低，介耗水平得到控制。

王驰等［13］为总结溢流管直径的改变对三锥角旋流器分选结果影响的一般性规律，通过对不同溢流管直径下三锥角旋流器内部清水流场进行了CFD数值模拟和试验研究。研究结果表明，随着溢流管直径增大，溢流密度提高，三锥角旋流器的溢流+0.20 mm灰分和产率均升高，底流+0.20 mm灰分升高，产率下降。

2.3 锥角和椎体高度

水力旋流器锥角通常指其锥体部分的夹角，水力旋流器锥角的大小和锥体的长短影响物料在其内部分离的快慢，一般最佳锥角接近20°。

崔广文等［14］针对传统煤泥重介旋流器在分选时存在磁选效率偏低、入料不稳定等问题，发明了一种三锥角煤泥水介分选旋流器，其锥体由3个不同圆台拼接而成，从上到下3个锥角角度依次为100°～150°、50°～90°、15°～40°。试验结果表明，直径100 mm的旋流器，当入料矿浆浓度控制在100～180 g/L，入料压力控制在0.05～0.12 MPa，溢流管插入深度控制在40～80 mm时，有较好的分选效果。

许慧林等［15］针对旋流器存在的溢流跑粗和底流夹细严重、分离精度低等问题，提出一种复合曲锥旋流器，其上锥段向轴心内凹，下锥段由轴心向外凸。数值模拟结果表明，分离粒度增加5.53μm，分离精度提高0.132，其中5μm粒级的底流回收率降低4.58个百分点。

王磊等［16］为提高旋流器分级精度，通过对旋流器柱段高度以及柱锥比例进行优化，优化后一级锥体锥角大、长度短，二级锥体锥角较小、长度长，改进后投入二段磨矿分级中应用。数据表明，返砂比平均降低375%，分级质效率平均提高19.19%，产品粒度指标P80提高5.45μm，精矿品位提高1.96个百分点，为选厂提产提供了依据。

丛龙斐等［17］为探究进料体柱段和锥角等结构对旋流器性能的影响，通过设计三段深度旋流器浓缩工艺进行了单因素（压力）对比试验。试验结果表明，缩小锥角、缩短柱段等措施，使工业现场总细粒尾矿泵输送量达到400 m³/h，输送尾矿浓度9%左右，充填浓度≥68%，回水浓度≤2%，使旋流器的浓缩性能和净化能力得到明显提升。

曾祥龙等［18］针对水力旋流器处理物料存在溢流粒度两极分化和底流夹细等问题，进行数值模拟和结构改进研究。研究结果表明，增大柱段高度、小锥锥角和沉砂口上锥角角度，都会使底流夹细量降低。工业现场数据表明，底流-75μm粒级夹细量下降1.78%，底流-30μm粒级夹细量下降1.60%。

2.4 沉砂口直径及形式

沉砂口是旋流器最易磨损的部件，其大小对分离效果影响十分明显。合理调整沉砂口和溢流口直径之比是改善分离粒度和提高分级效率的有效手段。

高淑玲等［19］为研究沉砂口直径和锥角对水力旋流器性能的影响，对其内部流场进行了数值模拟。模拟结果表明，增大沉砂口直径，旋流器流场内压强降低，沉砂口区域内的压强梯度增大，同时沉砂口直径和锥角的变化对旋流器流场存在交互影响。宫振宇等［20］为研究沉砂口直径在旋流器性能方面的影响，通过使用体积法，在流化催化裂化（FCC）催化剂-水液固体系内，进一步测算出颗粒浓度和分离效率。数据显示，随着沉砂口直径增大，分流比和分离效率都提高，低浓度体系内底流浓度降低，高浓度体系内溢流浓度降低。

刘培坤等［21］针对水力旋流器沉砂口磨损大，导致底流灰分偏高等问题，提出了一种新型可调沉砂口旋流器，其在旋流器沉砂口处加装一个锥形结构，通过调节锥形结构的上下位置可改变沉砂口当量直径。工业现场使用350 mm×14旋流器的试验结果表明，可调底流口型旋流器比准55 mm固定底口旋流器的产率高8.70个百分点，底流浓度和底流灰分比准50 mm固定底流口的分别增高8.30%和降低0.20%～1.03%。

2.5 其他结构

入口形式、溢流管形式、沉砂口、锥角和锥体长度等主要结构的改进，会对旋流器性能参数变化产生影响。此外，通过更换旋流器内衬、筛柱段添加筛网等措施都可起到优化旋流器工艺参数的作用。

张东义［22］针对旋流器存在耐磨内衬寿命短、维护成本高等问题，改进旋流器内衬，开发引进耐磨材料——烧结型碳化硅，其拥有超高的硬度及耐磨性能，又有较好的机械性能和自润滑功能［23］。工业现场对多种旋流器使用寿命进行对比，结果表明，用碳化硅制作的内衬使用寿命是氧化铝陶瓷的3～5倍，是耐磨合金的10倍以上，且改进后精煤回收率提高1个百分点以上。

李倩倩［24］针对底流夹细的问题，提出在圆柱导流筒下端口连接处增设圆柱筒筛网与圆锥筒筛网。研究表明，采用直径0.188 mm钢丝筛网、长度115 mm的柱段筛网时，旋流器的脱泥效率高达95.12%，溢流和筛下产品中95%的颗粒粒度都在0.10 mm以下。孙毅等［25］就固液混合物料在旋流器中产生的空气柱对旋流器的分离精度和分级效率存在影响，设计了一种内置扭带水力旋流器，其特点是在沉砂口上方增设与沉砂口等径的扭带。数值模拟结果表明，扭带消除了空气柱对底流排出的阻碍作用，提高了分离效率、分离精度，使溢流水合物含量提高。200 mm非变径扭带与水力旋流器的配合，使其分离效果实现了最优化。

3 发展现状和未来展望

3.1 发展趋势

水力旋流器是体现旋流分离技术最全面的设备之一，具有结构简单、占地面积小、安装方便、运行费用低、操作方便灵活、处理工艺简单等优点，如今已在煤炭、金属矿、石油、天然气等矿产资源加工领域得到广泛应用。现今许多选矿厂矿物加工过程中，水力旋流器以其最基本的结构形式被广泛应用于脱泥、浓缩、磨矿回路中的分级作业。如今大多数选矿厂中，水力旋流器基本上已代替原来的螺旋分级机，并和球磨机搭配，渐渐形成一套较为完善的磨矿—分级闭路流程。