張鵬飛，謝海云，陳祿政，李圓洪，丁超，童雄

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南昆明 650093）

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水力旋流器在鐵礦選礦中的應(yīng)用及發(fā)展

張鵬飛1，2，謝海云1，2，陳祿政1，李圓洪1，丁超1，童雄1

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南昆明 650093）

摘要：我國鐵礦資源較豐富但品質(zhì)普遍不高，需要進行高效選礦富集。水力旋流器在鐵礦選礦中的應(yīng)用日益廣泛。本文在對我國鐵礦石資源特征及分選概況總結(jié)的基礎(chǔ)上，分析了水力旋流器的分選過程、流場特征及分級過程的粒度特征等；闡述了水力旋流器在鐵礦選礦中的分級、脫水等方面的應(yīng)用情況，并指出了應(yīng)用中存在的問題，對水力旋流器在鐵礦選礦中的發(fā)展趨勢進行了分析。論文對提高鐵礦資源的選礦利用具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水力旋流器；鐵礦；選礦；分級

我國鐵礦資源總量豐富，截止2007年底，全國鐵礦石資源儲量680億噸。從鐵礦石的質(zhì)量來看，存在“貧雜細(xì)”的特點。礦石平均品位33%左右，較世界平均水平低10%以上；多金屬共伴生鐵礦石比例高，礦石組分復(fù)雜；礦石嵌布粒度細(xì)，大部分鐵礦石中有用礦物的粒度為-0.074mm占70%-90%。

鐵礦石的開發(fā)和利用在工業(yè)上起著至關(guān)重要的作用。由于鐵礦比重較大，重選法廣泛應(yīng)用于鐵礦的選礦過程中。重選設(shè)備中，水力旋流器作為一種利用離心力對非均勻相混合物進行有效分離的設(shè)備，具有分級、選別、濃縮等多種分離功能，已廣泛應(yīng)用于鐵礦的選礦富集中。

本文針對鐵礦，在對相關(guān)國內(nèi)外相關(guān)文獻進行分析的基礎(chǔ)上，對主要水力旋流器的分選特性及其在鐵礦分選的中的應(yīng)用進展進行了分析，對提高鐵礦資源的利用率具有重要的實際意義。

1　我國鐵礦石的特征及分選概況

我國鐵礦石在整體分布很散的情況下，局部又相對集中在十大礦區(qū)。這種整體很散，局部集中的分布特點，促使我國鐵礦石的開發(fā)利用形成了以大中型礦石為主，地方中小礦山為輔，民營群采并存的格局［1］。十大礦區(qū)的鐵礦石儲量占總儲量的64.8%，具體儲量分布如表1.

表1　我國十大礦區(qū)鐵礦石儲量分布Tab. 1 Ten mining iron ore reserves distribution in our country

我國鐵礦石的類型復(fù)雜，主要類型有磁鐵礦石、赤鐵礦石、釩鈦磁鐵礦石、混合鐵礦石，其次是菱鐵礦石、褐鐵礦石和鏡鐵礦石。其中，褐鐵礦石、菱鐵礦石、赤鐵礦石和鏡鐵礦石等弱磁性含鐵礦石屬于較難選礦石。主要鐵礦石儲量占比及主要分選情況見表2。

表2　我國主要鐵礦石的儲量占比及分選方法Tab. 2 Chinese major iron ore ratio of reserves and separation methods

2　水力旋流器的分選特性

2.1水力旋流器的分選過程

水力旋流器由圓柱體、錐體、進料口、溢流口和底流口組成。水力旋流器工作主要靠離心沉降作用，待分離的混合物料從旋流器的入料口以一定的壓力切向給入水力旋流器，在圓柱體腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場。由于混合物料中各物料比重不同，大比重顆粒受到的離心力大，在水力旋流器內(nèi)部沿著器壁作軸向向下、徑向向外運動，到達錐體段底部后由底流口排出，即沉沙，形成了外旋流；小比重顆粒受到的離心力小，作軸向向上、徑向向內(nèi)的內(nèi)旋流運動，并由上部的溢流口排出，從而達到了分離不同比重混合物料的目的［2］。水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)見1所示。

圖1　水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)及流場Fig.1 The basic structure and flow field in hydrocyclone

2.2水力旋流器的流場特性

水力旋流器內(nèi)部流體運動的基本形式分為外旋流和內(nèi)旋流、短路流和循環(huán)流等。短路流由于器壁的摩擦阻力而形成，分為蓋下短路流及側(cè)壁短路流。循環(huán)流是由于溢流管的直徑過小造成的。褚良銀等認(rèn)為循環(huán)流的存在使內(nèi)旋流中的粗顆粒有機會進行再次分選，從而提高了分離精度。龐學(xué)詩等則認(rèn)為消除循環(huán)流有利于降低能耗并加速分離過程。

空氣柱是開放式水力旋流器中一種獨特的現(xiàn)象，流體充滿整個水力旋流器空間是形成空氣柱的必要條件之一。目前關(guān)于空氣柱的研究主要集中在空氣柱的尺寸及形狀、空氣柱的形成機理及空氣柱的內(nèi)部流場。目前褚良銀等大部分學(xué)者認(rèn)為空氣柱的存在對水力旋流器分離效果提高沒有好處，只是消耗能量，且空氣柱周圍的強湍流使分離結(jié)果不穩(wěn)定。

在水力旋流器內(nèi)，流體呈三維流動。D.F.Kelsall［3］通過測定透明水力旋流器中鋁粉的運動速度，得出了三維速度分布模型。在旋流器分離的全過程中，流體運動的切線速度分布見圖2（a），切線速度分布遵從組合渦運動規(guī)律［4］。流體運動的徑向速度分布見圖2（b），徑向速度分布遵從匯流規(guī)律［5］。流體運動的軸向速度分布見圖2（c），軸向速度為零的軌跡就是零速包絡(luò)面。水力旋流器在分離過程中壓力分布包括半自由渦域的壓力分布，強制渦域的壓力分布和組合渦的壓力分布。

圖2　水力旋流器中流體運動的速度分布Fig.2 Velocity distribution of fluid motion in the hydrocyclone

2.3水力旋流器分級粒度特性

M. G. Driessen［6］的平衡軌道理論認(rèn)為旋流器中固體顆粒主要受離心力和流體對它拖曳力的作用，當(dāng)兩個力平衡的時候，固體顆粒處于一個平衡軌道的位置。當(dāng)平衡軌道與軸向速度為零的軌跡面（零軸速包絡(luò)面，分離面LZVV）相重合的粒子粒徑即為分離粒度 d50。不同粒度的固體顆粒具有不同的平衡軌道，其中，平衡軌道處于分離面以外的固體顆粒將進入底流被分離，而處于分離面以內(nèi)的固體顆粒將隨溢流被排出［9］。D.Bradley在平衡軌道理論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出分離粒度 d50計算式：

式中：K—常數(shù)（當(dāng)使用 SI制時，K=2.85×108）

Di—進口管內(nèi)徑，m；

De—旋流口直徑，m；

μ—液體粘度，Pa·s；

λ—顆粒質(zhì)量濃度，kg/L；

ρ、ρs—液、固相密度，kg/m3；

Q—生產(chǎn)能力，m3/h.

K.Rietema［7］提出的停留時間理論認(rèn)為，粒子在短時間內(nèi)不可能獲得平衡軌道，需要考慮粒子能否在有效的停留時間內(nèi)到達旋流器壁而被分離。把具有分離粒徑D50粒子準(zhǔn)確地從進料口中心注入，則它在有效停留時間內(nèi)剛好能到達旋流器錐頂壁［10］。

3　水力旋流器在鐵礦選礦中的應(yīng)用

3.1直接與磨機組合使用

在鐵礦選礦領(lǐng)域，作為磨礦分級系統(tǒng)的一部分，水力旋流器直接與磨機構(gòu)成閉合回路，兩者組合使用提高了磨礦濃度和設(shè)備的作業(yè)率。

金堆城鉬業(yè)在選鐵車間的磨礦分級回路中，采用串聯(lián)旋流器組球磨機組成磨礦分級系統(tǒng)，達到了磁鐵礦磨至-0.043mm的目的，提高了磨礦濃度和效率［11］。

萊州金倉礦業(yè)鑫豐鐵礦改用濕式自磨機與水力旋流器閉路流程，省去了原來的破碎篩分作業(yè)，簡化了流程，節(jié)省了投資和經(jīng)營費，提高了勞動生產(chǎn)率［12］。

唐鋼棒磨山鐵礦選礦廠采用φ350mm水力旋流器與球磨機組合使用，且水力旋流器作為作二段磨礦分級設(shè)備，取得了良好的效果，溢流中細(xì)度-0.074mm達到70%，最終鐵精礦品位達到67%，設(shè)備作業(yè)率較高［13］。

3.2技術(shù)改造中代替螺旋分級機

由于水力旋流器具有體積小、質(zhì)量輕、易安裝、易調(diào)節(jié)等優(yōu)點，部分選廠進行技術(shù)改造時，用水力旋流器逐漸取代了螺旋分級機，且取得了較好的分級效果。

本鋼歪頭山鐵礦［14］用水力旋流器取代螺旋分級機后，得到了良好的效果。對于較細(xì)顆粒礦物，水力旋流器組的分級效率是螺旋分級機1.87倍，且指標(biāo)穩(wěn)定。水力旋流器組沉砂中-200目含量比螺旋分級機降低10%以上，極大地減少了“過磨”現(xiàn)象，提高了磨機效率，更有利于減少金屬流失，提高金屬回收率。

攀鋼密地選礦廠［15］一段磨礦作業(yè)中，用水力旋流器取代螺旋分級機進行了分級工業(yè)試驗，結(jié)果表明取代后可以生產(chǎn)出穩(wěn)定合格的鐵精礦，TFe品位52.80%，平均臺時處理量也達到了其他系統(tǒng)平均臺時處理水平。

南芬選礦廠［16］磨選流程中兩段分級設(shè)備均采用雙螺旋分級機，分級效率較低，指標(biāo)不理想，選礦廠用500mm旋流器代替2FG-2000mm高堰式雙螺旋分級機進行閉路磨礦分級作業(yè)。分級溢流濃度由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脫除脈石礦物

水力旋流器在對鐵礦進行加工時，對脫除脈石礦物也是很高效的。使精礦富集的同時，也有效地降低了脈石礦物的含量。相對于其他脫除脈石礦物的方法，利用水力旋流器脫除脈石礦物更加經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)省成本。

田娟等［17］采用旋流器對太鋼尖山鐵礦選礦廠作為反浮選給礦的弱磁選精礦進行精選試驗，用旋流器重選工藝部分替代反浮選工藝，得到了作業(yè)產(chǎn)率為36.03%，鐵品位為 69.03%，SiO2含量為 3.89%、作業(yè)鐵回收率為38.94%的鐵精礦，實現(xiàn)了提鐵降硅的目的。

尤羅夫等人用磁力水力旋流器進行磁鐵礦脫泥，保證了往溢流中排入全鐵和磁性鐵較貧的物料［18］。溢流量為給礦的24.6%～33.0%，這有助于提高水力旋流器沉砂中的含鐵量，與給礦相比提高7.6%～11.3%，溢流中磁性鐵損失為0.4%～1.1%。

3.4尾礦脫水

在鐵礦尾礦的脫水方面，水力旋流器應(yīng)用也很廣泛。水力旋流器用于鐵礦尾礦脫水不僅流程簡單、濃縮效率高、設(shè)備投資少，而且運行成本低、占地面積小，是鐵礦尾礦脫水性價比較高的設(shè)備。

崔學(xué)奇［19］采用旋流器一濃密機分級濃縮流程，對北洺河鐵礦尾礦進行了脫水試驗，結(jié)果表明，采用φ125mm旋流器與濃密機組成的分級濃縮系統(tǒng)，可將28%的低濃度尾礦濃縮至60%以上，并可有效回收清水。

煙臺鑫海耐磨膠業(yè)有限公司［20］研發(fā)的濃縮脫水型水力旋流器，用于-0.074mm粒級占80%的鐵礦尾礦脫水，產(chǎn)品含水小于16%。海南某鐵礦日處理尾礦1000 t，尾礦粒度-0.040 mm粒級含量達85%以上，采用縮脫水型水力旋流器進行尾礦脫水后尾礦含水率15%～17%，達到了預(yù)期目的。

承德天寶礦業(yè)寶豐選礦廠［21］采用了“旋流器+濃密機”對超貧釩鈦磁鐵礦尾礦進行脫水。用旋流器提前脫除了大顆粒礦物，避免了粗顆粒礦物對濃密機的不利影響。由于旋流器沉砂濃度高，使尾礦最終濃度提高到了45%。

4　水力旋流器在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中存在的問題

雖然水力旋流器在選礦工業(yè)中應(yīng)用很廣泛，但同時也伴隨著一系列問題存在。諸如底流夾細(xì)［22］，跑粗現(xiàn)象［23］，反富集現(xiàn)象，磨損問題，工作狀況不穩(wěn)定等。

底流夾細(xì)是水力旋流器在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過程中存在的普遍問題。降低底流產(chǎn)物質(zhì)量的同時，也會對整個生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于，底流口附近流場的擾動容易使分離后的粗細(xì)顆粒重新混雜，造成細(xì)顆粒在粗顆粒的卷吸作用下排出底流口。在旋流器錐段下端靠近底流口處，由于固體顆粒的高濃度聚集，底流夾細(xì)現(xiàn)象尤為明顯。

跑粗現(xiàn)象是由于上錐體、中錐體和下錐體的磨損壽命不同所造成，上中下椎體的更換時間不同，當(dāng)更換下錐體而不更換中錐體時，就會使兩錐體連接處產(chǎn)生一個臺階，根據(jù)旋流器的工作原理，粗物料向下做螺旋運動時，部分粗顆粒在臺階處就會受阻，并從溢流流管處出。

張福峰［24］針對山東某鐵礦在設(shè)計投產(chǎn)階段遇到的產(chǎn)量不達標(biāo)，鐵精粉品位低，磨礦耗能大等問題，研究后發(fā)現(xiàn)粗精礦經(jīng)旋流器分級后，發(fā)生了比較嚴(yán)重反富集現(xiàn)象，本來應(yīng)該富集到旋流器溢流中的-200目以下的合格粒級卻出現(xiàn)在了底流中，就導(dǎo)致合格粒度重新返回二段球磨，造成合格產(chǎn)品的過磨。

材質(zhì)磨損是水力旋流器在選礦工業(yè)應(yīng)用中的一個問題。磨損主要是顆粒對壁面的沖擊和滑動摩擦作用造成的［25］。旋流器的磨損不僅影響技術(shù)指標(biāo)，也嚴(yán)重影響水力旋流器的使用壽命，從而使經(jīng)濟效益顯著下降。

5　水力旋流器的發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)的要求，水力旋流器在結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、自動控制等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)過程中發(fā)展迅速。通過對國內(nèi)外相關(guān)方面的研究及應(yīng)用進展進行分析，水力旋流器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面。

5.1直徑向更大或更小發(fā)展

水力旋流器的直徑通常表征它的技術(shù)規(guī)格，為適應(yīng)選礦設(shè)備處理能力和所要處理的礦物粒度要求，水力旋流器的直徑向兩極化發(fā)展［26］。德國安伯格高嶺土礦公司和我國山東威海海王旋流器有限公司已經(jīng)生產(chǎn)出最小直徑為10mm的水力旋流器，分級粒度可達到1～5μm。直徑大型化的發(fā)展也比較明顯，原蘇聯(lián)的機械出口公司和英國的薩拉公司已經(jīng)制造出直徑超過2000mm的水力旋流器，生產(chǎn)能力超過2000m3/h。

5.2結(jié)構(gòu)形式趨于多樣

為了降低能耗、提高分級效率以及滿足各種復(fù)雜技術(shù)條件下的分離作業(yè)的要求，專家學(xué)者們除了對水力旋流器原有的結(jié)構(gòu)進行改進外，馮靜安等人［27］發(fā)明了一種圓柱段筒體旋轉(zhuǎn)式水力旋流器，這種新型的水力旋流器通過使圓柱段筒體旋轉(zhuǎn)，使得圓柱段筒體內(nèi)壁面在入口漿液作用下的固定位置沖擊變?yōu)檎麄€圓周上的均勻沖擊，減輕了筒體內(nèi)壁面局部位置的磨損，提高了設(shè)備的整體使用壽命。還研發(fā)出了許多特殊用途的水力旋流器，如磁力旋流器，多產(chǎn)品旋流器圓柱形旋流器等。

5.3設(shè)備配置趨于組合使用

為了滿足實際應(yīng)用中生產(chǎn)能力大以及與大型設(shè)備配套的技術(shù)要求，水力旋流器的組合化配置成為主流趨勢。李剡兵等人［28］發(fā)明了以并聯(lián)方式連接的旋流器組，并聯(lián)的臺數(shù)視情況而定，可以是數(shù)臺或數(shù)十臺，解決了現(xiàn)有旋流器組因串聯(lián)引起的無法達到最佳工作狀態(tài)，礦漿分離效果差的問題。

5.4理論研究進一步加強

近年來眾多科技工作者在前人研究的基礎(chǔ)上進一步對水力旋流器的內(nèi)部流場的分布，顆粒運動行為及其影響因素進行了研究。

陳佳祁等人［29］對水力旋流器內(nèi)不同粒徑的固體顆粒的運動軌跡進行了數(shù)值模擬，形象直觀地描述了湍流對固體顆粒運動行為的影響，為水力旋流器對固體顆粒的分級提供了理論支撐。

李亮［30］以山西省繁峙縣某鐵礦尾礦為例，利用 FLUENT 對尾礦分級旋流器進行了數(shù)值模擬，得到了尾礦分級旋流器分級過程中尾礦礦漿的壓力、速度和濃度的分布規(guī)律對旋流器分級效果的影響。

喻煒［31］采用LAD激光測試儀對所設(shè)計的新型旋流器內(nèi)的流場進行了測試，獲得了新型旋流器內(nèi)的二維時均速度場和湍流場的分布規(guī)律，揭示了旋流器分離性能與其流場特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為水力旋流器的進一步優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

5.5材質(zhì)更加耐磨

鑄鐵、鑄鋁、和鋼板是傳統(tǒng)意義上水力旋流器外殼的制備材料，內(nèi)壁通常以天然橡膠、陶瓷和鑄石為制備材料。為了改善水力旋流器的抗腐蝕和耐磨損的性能，近年來國內(nèi)外采用的材料主要有聚氨酯、膠鋼、鉻鋼、硬鎳合金、玻璃纖維增強聚氨酯等［26］。新型材質(zhì)水力旋流器總結(jié)為表3。

表3　新型材質(zhì)的水力旋流器Tab. 3 The new material of hydrocyclone

5.6采用復(fù)合作用力場

采用復(fù)合力場的目的是增強物料顆粒之間的運動、受力及沉降等方面的差異，從而將不同礦物進行分離，獲得較好的分離效果。如磁力水力旋流器是利用離心力場和磁力場的共同作用而實現(xiàn)不同礦物的分離。采用復(fù)合力場是水力旋流器今后發(fā)展的一個趨勢。

6　結(jié)語

（1）我國鐵礦資源總量豐富，主要分布在遼寧、新疆、河北、四川等地區(qū)，但從鐵礦石質(zhì)量來看，存在“貧雜細(xì)”的特點。多金屬共伴生鐵礦石比例高，礦石組分復(fù)雜；礦石嵌布粒度細(xì)。

（2）建立水力旋流器分離理論的數(shù)學(xué)模型是近年來研究的熱點，代表性的有平衡軌道理論，停留時間理論以及內(nèi)旋流分離模型等，但各類模型大都為各自簡化條件下的結(jié)果，未能綜合考慮影響分離的各項因素，因此，建立多因素影響條件下的水力旋流器分離過程數(shù)學(xué)模型是未來的研究趨勢。

（3）在鐵礦選礦中，水力旋流器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于與磨機配合構(gòu)成閉路、代替螺旋分級機、脫除脈石礦物及鐵礦尾礦脫水等。

（4）通過采用新的制造材質(zhì)，技術(shù)規(guī)格兩極化，設(shè)備配置的組合，理論研究的不斷突破，結(jié)構(gòu)形式的多樣，作用力場的復(fù)合，水力旋流器將迎來其工業(yè)應(yīng)用的又一次飛躍。

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本文引用格式：張鵬飛，謝海云，陳祿政，等.水力旋流器在鐵礦選礦中的應(yīng)用及發(fā)展［J］. 新型工業(yè)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

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51464030）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013FZ027）

作者簡介：張鵬飛（1991-），男，碩士研究生，主要從事礦物加工研究；謝海云（1973-），女，副教授，博士，主要從事礦物加工、濕法冶金研究；陳祿政（1978-），男，教授，博士，主要從事選礦設(shè)備的研究和開發(fā)；李圓洪（1992-），男，碩士研究生，主要從事礦物加工研究；丁超（1993-），男，碩士研究生，主要從事礦物加工研究；童雄（1965-），男，教授，博士后，主要從事礦物加工研究