某銅礦中線法筑壩旋流器試驗(yàn)研究*

王麗娟，趙吉堂，馬鵬飛，張晉祿，鄭紀(jì)民，李永峰

（1.威海市海王旋流器有限公司，山東 威海 264200；2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400）

采用旋流器對尾礦進(jìn)行筑壩具有占地面積小、處理量大、可根據(jù)筑壩需要進(jìn)行移動布置、筑壩成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為尾礦筑壩的主要設(shè)備[1]。中線法筑壩是以筑壩中線固定，沿壩體垂直方向之間升高的方式，采用旋流器對尾礦進(jìn)行全尾分級后粗砂筑壩，旋流器的細(xì)粒級溢流向尾礦庫內(nèi)沉淀。由于旋流器的沉砂中礦泥或黏土等細(xì)粒級物料含量極低，所筑壩體的透水性強(qiáng)、壩體浸潤線低、穩(wěn)固性高，可用于地震烈度8～9、高陡坡地區(qū)、用地緊張地區(qū)或老尾礦庫擴(kuò)容[2-4]。

某銅礦尾礦庫采用旋流器兩段分級后的尾礦中線法進(jìn)行筑壩，根據(jù)尾礦筑壩的粒度要求，筑壩沉砂中-0.074 mm含量要求小于20%，-0.020 mm含量要求小于10%?，F(xiàn)場一段采用小直徑旋流器組脫除細(xì)泥，沉砂加水調(diào)漿后，自流給入壩體上的二級大直徑旋流器進(jìn)行中線法筑壩。通過兩段旋流器分級后，筑壩的粗砂中-0.074 mm含量在18%左右，粗砂產(chǎn)率為總尾礦的18%～21%之間?，F(xiàn)場希望對尾礦筑壩工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，在保證筑壩沉砂粒度的前提下，提高筑壩的沉砂產(chǎn)率。

1 現(xiàn)有工藝中的問題

為確定現(xiàn)有筑壩旋流器的分級指標(biāo)，對現(xiàn)階段現(xiàn)場尾礦筑壩旋流器進(jìn)行取樣考察，數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 現(xiàn)有旋流器分級指標(biāo)Tab.1 Classification indicators of existing cyclone %

通過現(xiàn)場旋流器分級指標(biāo)考察可以看出，現(xiàn)有旋流器的筑壩粗砂粒度可滿足生產(chǎn)要求，但粗砂的產(chǎn)率相對較低，僅有20.15%左右，通過實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，雖然兩級旋流器筑壩工藝的適應(yīng)性強(qiáng)，筑壩粗砂的細(xì)度穩(wěn)定，但采用兩級筑壩的工藝流程復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量較多，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)工作量極大，同時筑壩的粗砂產(chǎn)率較低，還需加入外購碎石、粗砂保證壩體的穩(wěn)定性。針對上述工藝存在的問題，現(xiàn)場與威海市海王旋流器有限公司相關(guān)技術(shù)人員一同開展了新型單級旋流器尾礦筑壩的相關(guān)試驗(yàn)。

2 旋流器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的筑壩旋流器結(jié)構(gòu)通常采用漸開線進(jìn)料體結(jié)構(gòu)，同時旋流器的錐體角度相對較小，多在10°～20°之間，在處理粒度較細(xì)的尾礦時，雖然可提高粗砂產(chǎn)率，但會導(dǎo)致筑壩粗砂中細(xì)粒級物料含量升高，影響壩體穩(wěn)定性。為解決傳統(tǒng)單級筑壩旋流器的弊端，海王旋流器有限公司研發(fā)了一款適用于細(xì)粒級尾礦的WF020高效單級筑壩旋流器。高效單級筑壩旋流器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

2.1 升級旋流器的進(jìn)料方式

旋流器的進(jìn)料方式對料漿的分級效果有著顯著影響，傳統(tǒng)旋流器一般采用漸開線型進(jìn)料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的進(jìn)料管與旋流器筒體部分采用漸開線的方式銜接，與原有切線進(jìn)料方式相比，在一定程度上減少了紊流的產(chǎn)生，提升了旋流器的分級效果，但在實(shí)際使用中仍存在管柱銜接段磨損過快、溢流產(chǎn)物粗顆粒含量偏高等問題。為解決以上問題，海王旋流器有限公司開發(fā)了新型螺旋線進(jìn)料體替換傳統(tǒng)的漸開線進(jìn)料體，兩種結(jié)構(gòu)的對比如圖1所示。

圖1 旋流器不同進(jìn)料方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of different feed pattern of cyclone

新型螺旋線入料管沿螺旋下旋線方式包圍旋流器的圓柱體筒體，最終切向進(jìn)入旋流器的圓柱體筒體，螺旋旋向與進(jìn)料方向相同，在入料導(dǎo)流、降低能量及速度損失、減少流場擾動等方面效果較好。旋流器工作時，物料在螺旋下旋結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下進(jìn)入旋流器，導(dǎo)流行程更長，受螺旋下旋結(jié)構(gòu)的影響，流體湍流強(qiáng)度降低，從而處理相同物料所需的壓力降低，使旋流器能量損失變少，同時對旋流器內(nèi)壁的沖擊減小，使旋流器的壽命更長[5]。

2.2 調(diào)整旋流器的錐體角度

旋流器的錐體結(jié)構(gòu)對旋流器的溢流細(xì)度和底流細(xì)度有著顯著的影響，這主要是因?yàn)樾髌鞯腻F體角度影響著旋流器的分級粒度。根據(jù)旋流器的分級粒度經(jīng)驗(yàn)公式可知，旋流器分級粒度與錐體夾角的一半的正切值（即tanθ/2） 呈正比例[6]，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一致的情況下，隨之旋流器的錐體角度的增加，錐段的長度隨之減小，分級粒度隨之變粗。而分級粒度越粗，旋流器的沉砂中的細(xì)顆粒含量越少，沉砂產(chǎn)率也降低。因此，旋流器適合的錐體角度可在保證沉砂粒度滿足筑壩要求的同時，最大程度的增加粗砂的產(chǎn)率。

圖2 不同錐體角度的旋流器示意圖Fig.2 Schematic diagram of cyclone with different cone angle

2.3 優(yōu)化旋流器的柱段高度

旋流器的柱段是一個有益于固相顆粒分離的有效沉降區(qū)，柱段區(qū)域?qū)︻w粒的分離過程有不可忽略的作用[7]。但柱段長度過長，亦有能耗增加、沉砂夾細(xì)量增大的負(fù)作用。當(dāng)溢流管插入深度一定，增長旋流器柱段的高度，可有效延長分離時間，減小分離粒度并提高分離效率，但會導(dǎo)致旋流器的處理能力降低，增加旋流器的能耗[8]。

3 旋流器尾礦分級試驗(yàn)

為確定WF020高效旋流器對銅礦尾礦分級筑壩的效果，取現(xiàn)場代表性尾礦在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了濃縮分級試驗(yàn)，驗(yàn)證相關(guān)結(jié)構(gòu)的分級效果。

3.1 旋流器錐體角度試驗(yàn)

在其他試驗(yàn)條件不變的情況下，分別采用10°錐體、20°錐體、30°錐體和60°錐體進(jìn)行錐體角度的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同錐體角度的旋流器沉砂產(chǎn)率和-0.074 mm含量Fig.3 Stilling productivity of cyclone with different cone angle and-0.074 mm content

通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著錐體角度的增大，旋流器的沉砂產(chǎn)物中-0.074 mm含量逐漸降低，溢流產(chǎn)物中-0.074 mm含量逐漸升高。當(dāng)錐體角度為30°時，旋流器的沉砂細(xì)度和沉砂產(chǎn)率均最佳，旋流器沉砂產(chǎn)率可達(dá)到27.82%，沉砂中-0.074 mm含量17.92%；再進(jìn)一步放大錐體角度，旋流器的沉砂細(xì)度進(jìn)一步降低，但沉砂產(chǎn)率過低，無法滿足筑壩要求，因此后續(xù)試驗(yàn)將采用30°錐體。

3.2 旋流器柱段高度試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)備制作經(jīng)驗(yàn)，一般旋流器的柱段長度為筒體直徑的（0.5～1.5） 倍，即（0.5～1.5） D，根據(jù)本試驗(yàn)旋流器的分離特性，分別采用筒體直徑的0.75D、1D和1.25D長度的柱段進(jìn)行試驗(yàn)，其他試驗(yàn)條件不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

圖4 不同柱段長度的旋流器沉砂產(chǎn)率和-0.074 mm含量Fig.4 Stilling productivity of cyclone with different cylinder length and-0.074 mm content

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)柱段高度由0.75D延長到1D時，旋流器的沉砂產(chǎn)率和沉砂中-0.074 mm含量均略有提高，但此沉砂中-0.074 mm含量為17.86%，當(dāng)進(jìn)一步延長到1.25D時，沉砂產(chǎn)率和沉砂夾細(xì)量均有所提高，但沉砂中-0.074 mm含量增加明顯，達(dá)到了22.19%，超過了沉砂夾細(xì)量的要求。綜合考慮后續(xù)試驗(yàn)將采用1D長度的柱段進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 結(jié)構(gòu)組合對比試驗(yàn)

為對比WF020高效旋流器與傳統(tǒng)旋流器的分級效果，在相同的排口比和入料條件下，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 WF020高效筑壩旋流器試驗(yàn)指標(biāo)Tab.2 Test indicators of WF020 high efficient damming cyclone %

表3 WF020普通旋流器試驗(yàn)指標(biāo)Tab.3 Test indicators of WF020 normal cyclone %

與WF020普通旋流器相比，WF020高效分級旋流器采用新型螺旋線進(jìn)料體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了進(jìn)料腔體內(nèi)部的流場穩(wěn)定性，可降低旋流器沉砂中合格粒級的含量，提高旋流器分級效率。同時在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對旋流器的錐體角度和柱段長度進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)一步緩解了新型筑壩旋流器的溢流跑粗的情況，提升了筑壩粗砂的產(chǎn)率。

通過試驗(yàn)可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，采用WF020普通旋流器進(jìn)行尾礦分級后，旋流器的沉砂中-0.074 mm含量和-0.020 mm含量均無法滿足筑壩的生產(chǎn)要求，而采用WF020新型高效旋流器進(jìn)行分級后，旋流器的沉砂-0.074 mm含量和-0.020 mm含量均可滿足筑壩要求，沉砂產(chǎn)率僅較普通旋流器降低了2.35%。

4 結(jié)語

1）在對某銅礦尾礦進(jìn)行分級時，WF020高效旋流器的沉砂產(chǎn)率可達(dá)到29.99%，沉砂中-0.074 mm含量為17.95%，-0.020 mm含量為8.46%，各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足現(xiàn)場筑壩要求；

2）在相同的旋流器運(yùn)行參數(shù)下，WF020高效旋流器較普通旋流器的沉砂中-0.074 mm含量降低了5.41%，-0.020 mm含量降低了0.52%，分級效率提高了0.59%，旋流器筑壩的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于普通旋流器；

3）與現(xiàn)場兩段筑壩旋流器相比，采用WF020高效筑壩旋流器進(jìn)行單級筑壩，通過優(yōu)化旋流器的進(jìn)件方式、錐體角度和柱段高度，在粗砂粒度滿足要求的前提下，旋流器的沉砂產(chǎn)率提高了8%～10%，有效解決了兩級旋流器筑壩工藝中沉砂產(chǎn)率低、設(shè)備投資高、維護(hù)成本高的問題，在同類尾礦筑壩工藝中具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。