窄粒級給礦條件下水力旋流器結構優(yōu)化

侯天瑞 魏德洲 張 朔 崔寶玉

(東北大學 資源與土木工程學院，沈陽 110000)

水力旋流器具有結構簡單、處理量大、占地面積小、運行成本低、分離效率高等優(yōu)點。廣泛應用于選礦、石油、環(huán)保等諸多領域。在鞍山式鐵礦選礦廠的二次磨礦—分級作業(yè)中，其水力旋流器的分級效率普遍低于20%。根據(jù)鞍山式鐵礦選礦流程可知，二次磨礦—分級作業(yè)的給礦經(jīng)過了粗細分級和重選、磁選、篩分等作業(yè)，粒度較粗和較細的物料基本已被分離出去，因此，二次磨礦分級作業(yè)給礦為典型的窄粒級物料，因現(xiàn)場水力旋流器對其適應性較差，進而導致二次分級旋流器分級效率較低，有必要對其結構進行優(yōu)化。

水力旋流器的結構參數(shù)對分級結果有重要影響，改變水力旋流器的結構參數(shù)可優(yōu)化水力旋流器的分離精度，提升分級效率。Krebs gMax旋流器[1，2]采用變錐角設計，相比10°錐角旋流器其分級粒度可降低20%。渦狀線進料體可以有效減少短路流量，使分割粒徑從12.5 μm減少到8.17 μm，而且陡度指數(shù)從0.33增加到0.47，采用渦狀線進料體可以獲得更細、更高質(zhì)量的產(chǎn)品[3，4]。入料口直徑的最優(yōu)取值范圍為 0.18D≤Di≤0.26D[5，6]。添加合適的中心插入物結構有利于旋流器分級性能的提高[7-10]。張丹等[11]認為小錐角旋流器具有更大的分離精度。魏可峰和崔瑞[12-13]等認為多錐結構有利于提高旋流器的分級效率。然而，直接改變旋流器的結構參數(shù)，工序較為復雜，數(shù)值模擬方法以其高效、便捷等優(yōu)點被廣泛應用于水力旋流器的結構優(yōu)化研究工作中。本文基于數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)考察結構參數(shù)對齊大山鐵礦選礦廠二次分級水力旋流器分級性能的影響，通過優(yōu)化結構參數(shù)改善二次分級效果，并提出適合現(xiàn)場工況的最佳旋流器結構參數(shù)，以提升現(xiàn)場二次分級水力旋流器分級效率。

1 現(xiàn)場現(xiàn)存的問題

對齊大山鐵礦選礦廠磨磁車間二次分級作業(yè)的生產(chǎn)情況進行了考察，結果如表1所示。

表1 樣品分析結果一覽表

從表1數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場旋流器溢流濃度偏低，最高時為12.06%，細度較為正常，沉砂產(chǎn)率較為合理，平均為80.74%，但旋流器的分級效率低下，最高時僅18.38%，對后續(xù)工藝造成不利影響，需采取措施改善分級效果。

2 數(shù)值模擬試驗模型建立與可靠性分析

在對現(xiàn)場的二次分級旋流器系統(tǒng)考察的基礎上，建立現(xiàn)場二次分級旋流器數(shù)值模擬試驗模型，并對其可靠性進行驗證。在此基礎上，利用數(shù)值模擬試驗方法，系統(tǒng)考察窄粒級給料條件下二次分級旋流器結構參數(shù)與分離性能之間的影響機制，進一步優(yōu)化現(xiàn)場水力旋流器結構參數(shù)，改善現(xiàn)場二次分級效果。

2.1 Φ660水力旋流器模型的建立

齊大山鐵礦選礦廠二次分級旋流器結構參數(shù)和操作參數(shù)如表2所示，其結構尺寸和網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

表2 現(xiàn)場二次分級旋流器應用狀況一覽表

圖1 現(xiàn)場水力旋流器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of field hydrocyclone structure

2.2 水力旋流器模型可靠性分析

為了準確模擬現(xiàn)場旋流器的工作條件，首先對齊大山鐵礦選礦廠二次分級旋流器的工作情況進行考察，選取其中一組接近平均值的取樣數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬試驗中水力旋流器的初始條件，該樣品的給料粒度組成和金屬分布情況如表3所示。

表3 Φ660水力旋流器給料粒度組成和金屬分布

在數(shù)值模擬試驗中，將樣品分成6個粒級并用相應的平均粒度表示，各粒級對應的產(chǎn)率和密度均按照表3進行設置。

按照上述的幾何結構和給料粒級密度條件進行了數(shù)值模擬試驗，然后與現(xiàn)場取樣結果進行了對比，結果如圖2所示。

圖2 工業(yè)型Φ660水力旋流器數(shù)值模型驗證Fig.2 Validation of industrial Φ660 hydrocyclone numerical model

從圖2可以看出，無論是沉砂分配曲線還是最終產(chǎn)品的粒度組成，數(shù)值模擬試驗結果與實際測量結果吻合良好，說明當前數(shù)值模擬試驗模型和相關設置能夠較好預測工業(yè)型Φ660水力旋流器的分級性能。

3 數(shù)值模擬試驗

利用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了不同結構參數(shù)條件下水力旋流器的分級效果，并繪制沉砂粒度分配曲線，通過分析結構參數(shù)與分級性能之間影響規(guī)律，確定最優(yōu)旋流器結構參數(shù)，為工業(yè)試驗提供依據(jù)。

3.1 底流口直徑的影響

試驗中采用的旋流器結構為溢流口直徑為200 mm、錐角為20°，底流口直徑分別為90、100、110、120、127 mm，研究底流口直徑對沉砂分配率的影響，結果如圖3所示。

圖3 底流口直徑對沉砂分配率的影響Fig.3 Effects of bottom flow diameter on distributive rate of settling sand

由圖3可知，隨著底流口直徑的增加，各粒級在沉砂中的分配率增加，d50逐漸減小。過大的底流口直徑有助于緩解溢流跑粗現(xiàn)象但會惡化底流夾細現(xiàn)象，而過小的底流口直徑則有助于減少底流夾細但會增加溢流跑粗，過大和過小的沉砂口直徑均不利于改善水力旋流器分離性能。選定110 mm為新結構旋流器的底流口直徑，此時d50為36.88 μm。

3.2 溢流口直徑的影響

試驗采用的結構參數(shù)條件為底流口直徑為110 mm、錐角為20°，溢流口直徑分別為180、190、200、210、220 mm，研究溢流口直徑對沉砂分配率的影響，結果如圖4所示。

圖4 溢流口直徑對沉砂分配率的影響Fig.4 Effects of overflow diameter on distributive rate of settling sand

由圖4可知，隨著溢流管直徑的增加，各粒級在沉砂中的分配率降低，d50逐漸增大。溢流管直徑對沉砂分配率的影響明顯小于底流口直徑對其影響，適宜的溢流管直徑有助于減少溢流跑粗控制底流夾細。選定新結構水力旋流器的溢流口直徑為200 mm。此時d50為39.18 μm。

3.3 中錐角度的影響

試驗采用的結構參數(shù)條件為溢流口直徑200 mm、底流口直徑110 mm、大小錐角20°，中錐錐角為8°、10°、12°、15°、20°。中錐錐角度對沉砂分配率的影響如圖5所示。

圖5 中錐錐角對沉砂分配率的影響Fig.5 Effects of middle cone angle on distributive rate of settling sand

由圖5可知，中錐錐角的減小導致各粒級沉砂分配率的增加，且中錐錐角對粗顆粒的影響明顯大于細顆粒，適當減小中錐錐角有助于在不惡化底流夾細的同時緩解溢流跑粗現(xiàn)象。隨著中錐錐角的減小，d50逐漸減低，但變化幅度較小，這也進一步說明適當減小中錐錐角并不會惡化底流夾細現(xiàn)象。選定12°作為新結構水力旋流器的中錐錐角度數(shù)。此時d50為35.16 μm。

3.4 小錐角度的影響

試驗采用的水力旋流器結構參數(shù)為：溢流口直徑200 mm、底流口直徑110 mm、大錐錐角20°、中錐錐角12°，小錐錐角分別為10°、20°、30°、40°、60°，模擬結果如圖6所示。

圖6 小錐錐角對沉砂分配率的影響Fig.6 Effects of small cone angle on distributive rate of settling sand

圖6結果表明，過小的小錐錐角會嚴重惡化底流夾細現(xiàn)象，不利于改善水力旋流器分離性能。隨著小錐錐角的增加，粗顆粒在沉砂中的分配率逐漸降低，而細顆粒在沉砂中的分配率變化并不明顯，過大的小錐錐角不利于緩解溢流跑粗現(xiàn)象。選定20°為新結構水力旋流器的小錐錐角度數(shù)。此時d50為35.54 μm。

3.5 進料體結構的影響

進料體結構試驗采用的參數(shù)為：現(xiàn)場水力旋流器溢流口直徑200 mm、錐角20°、底流口直徑127 mm；漸開線水力旋流器溢流口直徑200 mm、大錐錐角20°、中錐錐角10°、小錐錐角20°、底流口直徑110 mm；螺旋線水力旋流器溢流口直徑200 mm、大錐錐角20°、中錐錐角10°、小錐錐角20°、底流口直徑110 mm。不同進料體結構對沉砂分配率的影響如圖7所示。

由圖7可知，螺旋線進料體和漸開線進料體比現(xiàn)場常規(guī)進料體的細粒級沉砂分配率低，這說明螺旋線進料體與漸開線進料體都對底流夾細有一定程度的抑制作用，選定螺旋線進料體作為結構優(yōu)化的方向，此時d50為33.36 μm。

圖7 不同進料體對沉砂分配率的影響Fig.7 Effects of different feed materials on distributive rate of settling sand

4 工業(yè)試驗

在數(shù)值模擬試驗的基礎上，確定新結構旋流器的結構參數(shù)：進料體為螺旋線進料體，底流口直徑為110 mm，溢流口直徑為200 mm，中錐錐角為12°，小錐錐角為20°。在相同操作條件下，分別對新結構旋流器和現(xiàn)有旋流器的生產(chǎn)情況進行了考查，結果如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)可知，試驗旋流器分級效率平均較現(xiàn)場旋流器高7.37個百分點，沉砂濃度平均為75.2%。新結構水力旋流器在明顯提升分級效率的同時保證沉砂濃度高于75%。與現(xiàn)場原有旋流器相比，新結構水力旋流器能夠更好地處理窄粒級給礦。

表4 工業(yè)試驗結果一覽表

5 結論

1)數(shù)值模擬結果與齊大山鐵礦選礦廠二次分級旋流器的工況實際測量結果吻合良好，模擬結果能夠準確地指導旋流器結構優(yōu)化工作。

2)與常規(guī)進料體結構相比，漸開線進料體和螺旋線進料體結構更適合用于處理窄粒級給礦條件下的水力旋流器，能有效抑制底流夾細，提高分級效率。

3)通過優(yōu)化旋流器結構，調(diào)整后旋流器中錐錐角為12°、小錐錐角為20°、螺旋線進料體、底流口直徑110 mm、溢流口直徑200 mm，新結構旋流器分級效率較現(xiàn)場旋流器分級效率提高7.37個百分點，可更好地適應窄粒級給礦。

4)旋流器的底流口直徑、溢流口直徑、中錐角度、小錐角度、漸開線與螺旋線進料體等，都對旋流器的分離精度具有重要影響，利用數(shù)值模擬方法可以輔助完成對旋流器的結構優(yōu)化從而提高旋流器的分級效率，結果可為解決現(xiàn)場的實際問題提供技術方案。