雙渦耦合-導(dǎo)向平底旋流器在錫礦分選中的應(yīng)用

叢龍斐 ,王霄鵬,周長(zhǎng)春，尹紅兵

（1.威海尚品機(jī)械設(shè)備科技有限公司，山東 威海 264200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.云南錫業(yè)股份有限公司，云南 個(gè)舊 661000）

水力旋流器目前主要應(yīng)用在非均質(zhì)固相的分離，作用是將物料中粗細(xì)顆粒進(jìn)行分離，或者對(duì)料漿進(jìn)行濃縮[1-2]。劉培坤等[3]對(duì)旋流器錐體結(jié)構(gòu)的研究表明拋物線錐體結(jié)構(gòu)旋流器的溢流濃度高，分級(jí)精度高；崔寶玉等[4]通過(guò)CFD模擬研究了旋流器內(nèi)空氣柱的形成過(guò)程、空氣柱特征等與物理試驗(yàn)高度吻合，表明采用CFD對(duì)旋流器分級(jí)機(jī)理進(jìn)行研究是可靠的；張丹等[5]通過(guò)PIV與CFD結(jié)合研究表明隨旋流器錐角變小對(duì)柱段內(nèi)軸向和切向速度的影響較小，而錐段內(nèi)旋流器和外旋流速度則顯著增大，對(duì)小顆粒的分級(jí)有促進(jìn)作用。

在云南錫業(yè)集團(tuán)某分公司選礦過(guò)程中應(yīng)用旋流器作為主要分級(jí)設(shè)備與磨機(jī)構(gòu)成閉路磨礦系統(tǒng)，保證浮選等環(huán)節(jié)的入料粒度。但是因錫礦密度較大，系統(tǒng)中等沉顆粒含量較高，旋流器沉砂夾細(xì)量大、分級(jí)效率低[6-7]，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)量增加，磨機(jī)處理量受到限制[6-8]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況設(shè)計(jì)采用雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體與平底筒體結(jié)合的新型旋流器，替代原有錐形旋流器，改善旋流器分級(jí)效果。

1 試驗(yàn)樣品及研究方法

1.1 樣品性質(zhì)

樣品采自旋流器給礦端，樣品經(jīng)過(guò)混樣、縮分后測(cè)試細(xì)度與濃度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品性質(zhì)Table 1 Nature of samples

1.2 研究方法

試驗(yàn)在選廠2000 t/d系統(tǒng)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)篩分試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試與分析。該系統(tǒng)工藝采用兩段閉路磨礦，一段使用SSmax 500/GT-P和Smax 500/GT-E兩種型號(hào)旋流器（見(jiàn)圖1）與MQY 3245球磨機(jī)構(gòu)成閉路磨礦。改造后采用SSmax500/GT-P改進(jìn)型旋流器，由雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體（進(jìn)料體見(jiàn)圖2）與180°平底柱段構(gòu)成，以下簡(jiǎn)稱A型。該進(jìn)料體特點(diǎn)是雙圓周曲線流道結(jié)合下旋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)礦漿在旋流柱體外旋轉(zhuǎn)一周預(yù)先分級(jí)，礦漿內(nèi)顆粒以有序狀態(tài)進(jìn)入旋流柱體內(nèi)；原有工藝中采用Smax 500/GT-E傳統(tǒng)型旋流器由導(dǎo)向螺旋線進(jìn)料體（進(jìn)料體見(jiàn)圖3）與柱段+20°錐段構(gòu)成，以下簡(jiǎn)稱B型。相比傳統(tǒng)型旋流器，改進(jìn)型旋流器去掉傳統(tǒng)旋流器錐段結(jié)構(gòu)并加長(zhǎng)柱段，使用雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體替換原有螺旋線進(jìn)料體。二段磨礦使用Smax350/GT-E與MQY3245球磨機(jī)構(gòu)成閉路是典型一段檢查分級(jí)二段預(yù)先檢查分級(jí)工藝。

圖1 SSmax500/GT-P(左)和Smax500/GT-E(右)Fig. 1 Schematic diagram of SSmax500/ GT-P(left) and Smax500/ GT-E (right)

圖2 雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體三視Fig. 2 Three views of dual vortex coupling - guided feed body

圖3 導(dǎo)向螺旋形進(jìn)料體三視Fig. 3 Three views of the guide screw feed body

試驗(yàn)結(jié)果分析中涉及旋流器分級(jí)質(zhì)效率計(jì)算公式為：

α——給礦中-0.074mm含量，%

β——溢流中-0.074mm含量，%

θ——沉砂中-0.074mm含量，%

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓力(P)單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)處理量維持在75 t/h，溢流管直徑180 mm（0.36D，D表示旋流器直徑，下同），底流口直徑120 mm（ds/do=0.66），溢流管插入深度371 mm（0.742D），A型旋流器柱段長(zhǎng)度1100 mm（2.20D）分別在0.06 Mpa、0.08 Mpa、0.1 Mpa、0.12 Mpa壓力條件下運(yùn)行A與B兩種型號(hào)旋流器，試驗(yàn)果見(jiàn)圖4。

圖4 分級(jí)質(zhì)效率和溢流中-0.074 mm含量隨著壓力P變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation trend of mass efficiency and overflow -0.074 mm content with pressure (P)

見(jiàn)圖4所示，A型旋流器分級(jí)質(zhì)效率隨著運(yùn)行壓力的增加逐漸升高，在0.08 Mpa時(shí)達(dá)到最大值56%，最后逐漸下降至45.33%。B型旋流器在運(yùn)行壓力0.10 Mpa時(shí)質(zhì)效率達(dá)到最大值51.71%。A和B型旋流器溢流-0.074 mm含量均隨著運(yùn)行壓力的升高先增加后降低，但是B型旋流器溢流細(xì)度整體優(yōu)于A型旋流器。試驗(yàn)表明：A型旋流器可在低運(yùn)行壓力條件下達(dá)到較佳分級(jí)效果，即A型旋流器運(yùn)行能耗低。

2.2 柱段長(zhǎng)度(H)單因素試驗(yàn)

A型旋流器由雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體與180°平底柱段構(gòu)成，旋流器柱段長(zhǎng)度決定顆粒在旋流器內(nèi)停留時(shí)間和分級(jí)時(shí)間，從而成為影響旋流器分級(jí)效果和效率的重要因素。A型旋流器柱段長(zhǎng)度單因素試驗(yàn)，系統(tǒng)臺(tái)時(shí)量維持在75 t/h，溢流管直徑180 mm（0.36D），底流口直徑120 mm（ds/do=0.66），溢流管插入深度371 mm（0.742D），運(yùn)行壓力0.08 Mpa，柱段長(zhǎng)度分別在900 mm（1.80D）、1000 mm（2.00D）、1100 mm（2.20D）、1200 mm（2.40D）時(shí)運(yùn)行A型號(hào)旋流器，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 質(zhì)效率和溢流中-0.074 mm含量隨著柱段長(zhǎng)度H變化趨勢(shì)Fig. 5 Variation trend of mass efficiency and overflow -0.074 mm content with column length (H)

見(jiàn)圖5所示，A型旋流器分級(jí)質(zhì)效率隨著柱段長(zhǎng)度H的增加先升高再降低，在H=2.20D時(shí)達(dá)到最大值56.00%，隨后逐漸下降至47.00%。A型旋流器溢流-0.074 mm含量均隨著柱段長(zhǎng)度H的增加逐漸增大至56.00%，整體在H≥2.20D時(shí)均能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)對(duì)一段分級(jí)細(xì)度的要求。

2.3 角錐比(ds/do)單因素試驗(yàn)

旋流器角錐比是沉砂口直徑與溢流口直徑的比值(ds/do)，其決定了旋流器溢流和沉砂的分配比例，從而影響到旋流器的分級(jí)效果和分級(jí)效率。A型旋流器柱段長(zhǎng)度單因素試驗(yàn)，系統(tǒng)臺(tái)時(shí)量維持在75 t/h，柱段長(zhǎng)度1100 mm（2.20D），溢流管插入深度371 mm（0.742D），運(yùn)行壓力0.08 Mpa，溢流管直徑180 mm（0.36D），底流口直徑80 mm（ds/do=0.44）、100 mm（ds/do=0.55）、120 mm（ds/do=0.66）、140 mm（ds/do=0.77）時(shí)運(yùn)行A型號(hào)旋流器，試驗(yàn)果見(jiàn)圖6。

圖6 質(zhì)效率和溢流中-0.074 mm含量隨著角錐比ds/do變化趨勢(shì)Fig. 6 Variation trend of mass efficiency and overflow -0.074mm content with Angle - cone ratio (ds/do)

由圖6曲線可知，A型旋流器分級(jí)質(zhì)效率隨著角錐比（ds/do）的改變整體高于B型旋流器，A型旋流器在ds/do=0.66時(shí)達(dá)到最大值56.00%，此時(shí)B型旋流器為42.33%。B型旋流器在ds/do=0.44時(shí)達(dá)到最大值52.45%。A型旋流器相比B型可以在較大ds/do下達(dá)到最高分級(jí)效率，因此相同工況條件下A型旋流器易損件使用壽命增長(zhǎng)10%，見(jiàn)表2。

表2 旋流器沉砂口使用壽命統(tǒng)計(jì)Table 2 Service life statistics of the sedimentation port of cyclone

2.4 SSmax500/GT-P型旋流器內(nèi)部流體CFD模擬

為了更深層次的理解A型旋流器分級(jí)效率提高和磨損降低的原理，使用SolidWorks建立旋流器三維模型與模擬軟件（ANSYS）結(jié)合對(duì)A型旋流器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬。使用ANSYS軟件包內(nèi)Meshing模塊進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，旋流器內(nèi)部流場(chǎng)屬于典型的各相異性湍流，并且是高速旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)自由渦[9]，F(xiàn)luent流體模擬條件采用RSM雷諾應(yīng)力湍流模型；在僅考慮固液兩相時(shí)，確定固相占15%，選擇Mixture模型，預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)采用QUICK離散格式，速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的耦合采用SIMPLE算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)旋流器實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)定邊界條件：旋流器壁面為非滑移，近壁處速度為0 m/s，且與周邊沒(méi)有能力和物質(zhì)交換。同時(shí)，進(jìn)口為速度進(jìn)口，溢流口和沉沙口為壓力出口，進(jìn)口為恒定流速10m/s，溢流口和沉砂口輸出壓力為大氣壓[10]。模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 A 型旋流器內(nèi)部流體濃密相(左)及流體速度(右)分析Fig. 7 flow density phase (left) and flow velocity (right)analysis of type A cyclone

根據(jù)圖7（左）旋流器內(nèi)CFD濃密相模擬結(jié)果表明：雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體與平底筒體結(jié)合使物料預(yù)先分級(jí)，顆粒有序進(jìn)入旋流器內(nèi)并形成高濃度梯度流化床層，細(xì)顆粒分級(jí)后不易透過(guò)高濃度梯度流化床層而進(jìn)入內(nèi)旋流，而B(niǎo)型傳統(tǒng)旋流器不會(huì)形成高濃度梯度流化床層[10]。

相比B型旋流器沉砂口切向速度[9-10]，A型旋流器沉砂口部位切向速度較大（圖七右），使得細(xì)顆粒再次分級(jí)；B型旋流器錐形體具有一定濃縮作用，旋流體內(nèi)縱向力較大，使部分細(xì)顆粒物料進(jìn)入沉砂，降低了旋流器分級(jí)效率。

3 結(jié) 論

（1）在錫礦一段磨礦分級(jí)流程中A型旋流器分級(jí)效率高于B型5%左右，主要原因是A型旋流器采用雙渦耦合-導(dǎo)向進(jìn)料體可使料漿于體外引導(dǎo)分級(jí)，并且內(nèi)部可形成高濃度梯度流化床，分級(jí)性能優(yōu)于B型。

（2）A型旋流器達(dá)到較佳運(yùn)行工況時(shí)運(yùn)行壓力低于B型旋流器，角錐比（ds/do）大，因此A型旋流器易損件使用壽命比B型旋流器長(zhǎng)10%左右。

（3）針對(duì)云錫集團(tuán)某選廠A型旋流器在0.08 Mpa、溢流管直徑180 mm（0.36D）、底流口直徑120mm（ds/do=0.66）、溢流管插入深度371mm（0.742D）時(shí)，分級(jí)質(zhì)效率為56%，運(yùn)行能耗較低。