某铜矿中线法筑坝旋流器试验研究*

2022-03-09王丽娟赵吉堂马鹏飞张晋禄郑纪民李永峰

云南冶金 2022年1期

王丽娟，赵吉堂，马鹏飞，张晋禄，郑纪民，李永峰

（1.威海市海王旋流器有限公司，山东威海 264200；2.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南香格里拉 674400）

采用旋流器对尾矿进行筑坝具有占地面积小、处理量大、可根据筑坝需要进行移动布置、筑坝成本低等优点，现已成为尾矿筑坝的主要设备[1]。中线法筑坝是以筑坝中线固定，沿坝体垂直方向之间升高的方式，采用旋流器对尾矿进行全尾分级后粗砂筑坝，旋流器的细粒级溢流向尾矿库内沉淀。由于旋流器的沉砂中矿泥或黏土等细粒级物料含量极低，所筑坝体的透水性强、坝体浸润线低、稳固性高，可用于地震烈度8～9、高陡坡地区、用地紧张地区或老尾矿库扩容[2-4]。

某铜矿尾矿库采用旋流器两段分级后的尾矿中线法进行筑坝，根据尾矿筑坝的粒度要求，筑坝沉砂中-0.074 mm含量要求小于20%，-0.020 mm含量要求小于10%。现场一段采用小直径旋流器组脱除细泥，沉砂加水调浆后，自流给入坝体上的二级大直径旋流器进行中线法筑坝。通过两段旋流器分级后，筑坝的粗砂中-0.074 mm含量在18%左右，粗砂产率为总尾矿的18%～21%之间。现场希望对尾矿筑坝工艺和设备进行优化改造，在保证筑坝沉砂粒度的前提下，提高筑坝的沉砂产率。

1 现有工艺中的问题

为确定现有筑坝旋流器的分级指标，对现阶段现场尾矿筑坝旋流器进行取样考察，数据如表1所示：

表1 现有旋流器分级指标Tab.1 Classification indicators of existing cyclone %

通过现场旋流器分级指标考察可以看出，现有旋流器的筑坝粗砂粒度可满足生产要求，但粗砂的产率相对较低，仅有20.15%左右，通过实际生产发现，虽然两级旋流器筑坝工艺的适应性强，筑坝粗砂的细度稳定，但采用两级筑坝的工艺流程复杂，设备数量较多，导致设备维护工作量极大，同时筑坝的粗砂产率较低，还需加入外购碎石、粗砂保证坝体的稳定性。针对上述工艺存在的问题，现场与威海市海王旋流器有限公司相关技术人员一同开展了新型单级旋流器尾矿筑坝的相关试验。

2 旋流器结构特点

传统的筑坝旋流器结构通常采用渐开线进料体结构，同时旋流器的锥体角度相对较小，多在10°～20°之间，在处理粒度较细的尾矿时，虽然可提高粗砂产率，但会导致筑坝粗砂中细粒级物料含量升高，影响坝体稳定性。为解决传统单级筑坝旋流器的弊端，海王旋流器有限公司研发了一款适用于细粒级尾矿的WF020高效单级筑坝旋流器。高效单级筑坝旋流器结构特点如下：

2.1 升级旋流器的进料方式

旋流器的进料方式对料浆的分级效果有着显著影响，传统旋流器一般采用渐开线型进料结构，该结构的进料管与旋流器筒体部分采用渐开线的方式衔接，与原有切线进料方式相比，在一定程度上减少了紊流的产生，提升了旋流器的分级效果，但在实际使用中仍存在管柱衔接段磨损过快、溢流产物粗颗粒含量偏高等问题。为解决以上问题，海王旋流器有限公司开发了新型螺旋线进料体替换传统的渐开线进料体，两种结构的对比如图1所示。

图1 旋流器不同进料方式示意图Fig.1 Schematic diagram of different feed pattern of cyclone

新型螺旋线入料管沿螺旋下旋线方式包围旋流器的圆柱体筒体，最终切向进入旋流器的圆柱体筒体，螺旋旋向与进料方向相同，在入料导流、降低能量及速度损失、减少流场扰动等方面效果较好。旋流器工作时，物料在螺旋下旋结构的引导下进入旋流器，导流行程更长，受螺旋下旋结构的影响，流体湍流强度降低，从而处理相同物料所需的压力降低，使旋流器能量损失变少，同时对旋流器内壁的冲击减小，使旋流器的寿命更长[5]。

2.2 调整旋流器的锥体角度

旋流器的锥体结构对旋流器的溢流细度和底流细度有着显著的影响，这主要是因为旋流器的锥体角度影响着旋流器的分级粒度。根据旋流器的分级粒度经验公式可知，旋流器分级粒度与锥体夹角的一半的正切值（即tanθ/2）呈正比例[6]，在其他结构参数一致的情况下，随之旋流器的锥体角度的增加，锥段的长度随之减小，分级粒度随之变粗。而分级粒度越粗，旋流器的沉砂中的细颗粒含量越少，沉砂产率也降低。因此，旋流器适合的锥体角度可在保证沉砂粒度满足筑坝要求的同时，最大程度的增加粗砂的产率。

图2 不同锥体角度的旋流器示意图Fig.2 Schematic diagram of cyclone with different cone angle

2.3 优化旋流器的柱段高度

旋流器的柱段是一个有益于固相颗粒分离的有效沉降区，柱段区域对颗粒的分离过程有不可忽略的作用[7]。但柱段长度过长，亦有能耗增加、沉砂夹细量增大的负作用。当溢流管插入深度一定，增长旋流器柱段的高度，可有效延长分离时间，减小分离粒度并提高分离效率，但会导致旋流器的处理能力降低，增加旋流器的能耗[8]。

3 旋流器尾矿分级试验

为确定WF020高效旋流器对铜矿尾矿分级筑坝的效果，取现场代表性尾矿在实验室进行了浓缩分级试验，验证相关结构的分级效果。

3.1 旋流器锥体角度试验

在其他试验条件不变的情况下，分别采用10°锥体、20°锥体、30°锥体和60°锥体进行锥体角度的对比试验。试验结果如图3所示。

图3 不同锥体角度的旋流器沉砂产率和-0.074 mm含量Fig.3 Stilling productivity of cyclone with different cone angle and-0.074 mm content

通过试验结果发现，随着锥体角度的增大，旋流器的沉砂产物中-0.074 mm含量逐渐降低，溢流产物中-0.074 mm含量逐渐升高。当锥体角度为30°时，旋流器的沉砂细度和沉砂产率均最佳，旋流器沉砂产率可达到27.82%，沉砂中-0.074 mm含量17.92%；再进一步放大锥体角度，旋流器的沉砂细度进一步降低，但沉砂产率过低，无法满足筑坝要求，因此后续试验将采用30°锥体。

3.2 旋流器柱段高度试验

根据设备制作经验，一般旋流器的柱段长度为筒体直径的（0.5～1.5）倍，即（0.5～1.5） D，根据本试验旋流器的分离特性，分别采用筒体直径的0.75D、1D和1.25D长度的柱段进行试验，其他试验条件不变，试验结果如图4所示：

图4 不同柱段长度的旋流器沉砂产率和-0.074 mm含量Fig.4 Stilling productivity of cyclone with different cylinder length and-0.074 mm content

通过试验数据可以看出，当柱段高度由0.75D延长到1D时，旋流器的沉砂产率和沉砂中-0.074 mm含量均略有提高，但此沉砂中-0.074 mm含量为17.86%，当进一步延长到1.25D时，沉砂产率和沉砂夹细量均有所提高，但沉砂中-0.074 mm含量增加明显，达到了22.19%，超过了沉砂夹细量的要求。综合考虑后续试验将采用1D长度的柱段进行试验。

3.3 结构组合对比试验

为对比WF020高效旋流器与传统旋流器的分级效果，在相同的排口比和入料条件下，进行了实验室试验，试验结果如表2、表3所示。

表2 WF020高效筑坝旋流器试验指标Tab.2 Test indicators of WF020 high efficient damming cyclone %

表3 WF020普通旋流器试验指标Tab.3 Test indicators of WF020 normal cyclone %

与WF020普通旋流器相比，WF020高效分级旋流器采用新型螺旋线进料体结构，优化了进料腔体内部的流场稳定性，可降低旋流器沉砂中合格粒级的含量，提高旋流器分级效率。同时在前期试验的基础上，对旋流器的锥体角度和柱段长度进行了调整，进一步缓解了新型筑坝旋流器的溢流跑粗的情况，提升了筑坝粗砂的产率。

通过试验可以看出，在相同的试验条件下，采用WF020普通旋流器进行尾矿分级后，旋流器的沉砂中-0.074 mm含量和-0.020 mm含量均无法满足筑坝的生产要求，而采用WF020新型高效旋流器进行分级后，旋流器的沉砂-0.074 mm含量和-0.020 mm含量均可满足筑坝要求，沉砂产率仅较普通旋流器降低了2.35%。