鋰渣脫泥用沖洗水旋流器分級性能試驗研究

楊興華，張家舜，劉培坤，張悅刊，王 輝，刁澤玲

（山東科技大學，山東青島 266590）

關鍵字：鋰渣；脫泥；沖洗水型旋流器；分級性能

0 引言

水力旋流器是一種常用的脫泥分級設備，具有結構簡單、體積小、單位時間內處理量多、操作運行及后續(xù)保養(yǎng)費用低等優(yōu)點，在礦業(yè)、石油、化工、污水處理、選煤等工業(yè)領域得到廣泛應用［1-3］。

近年來，我國的鋰電池行業(yè)迅速發(fā)展，其中某些關鍵材料的國產化進程也在不斷加快，使得一些相關鋰產品的需求不斷提升，因此相應的鋰渣產量也越來越大［4-6］。鋰渣中仍有可觀的稀有元素尚未被利用，其本身含細泥量較高，高含量的細泥增加了后續(xù)提取元素的成本，降低了提取標準［7］。因此，對鋰渣進行脫泥預處理，降低鋰渣中的含泥量、將稀有元素預富集十分必要。旋流器以其高回收性能在各種金屬礦、非金屬礦漿的脫泥領域得到廣泛應用，但常規(guī)旋流器在實際工作中常伴有不同程度底流夾細現象，不免降低了生產效率和資源利用率［8-11］。前人研究［12-14］表明，沖洗水旋流器隨沖洗水壓力的增大，細粒物料的底流分配率均有不同程度地降低，底流夾細問題得到很大改善；YOU等［15］針對細煤脫泥試驗研究得出，當進料濃度為12.50%，沖洗水壓力為0.02 MPa時，脫泥效果最佳。

針對上述問題，本文提出使用沖洗水型旋流器對鋰渣進行除泥預處理試驗，包括對沖洗水型旋流器和常規(guī)旋流器進行對比試驗和單因素試驗，重點研究沖洗水位置對沖洗水旋流器的分離性能影響。

1 工作原理及試驗方案設計

1.1 沖洗水型旋流器工作原理

沖洗水旋流器是在常規(guī)旋流器的基礎上，在錐段某一位置插入沖洗水裝置，由一根注水管引入，再經6個圓形導流口切向（與進料方向一致）注入沖洗水，結構示意如圖1所示。由導流口注入的沖洗水可以將流經該區(qū)域的漿料沖散，為細顆粒的移動提供條件，這是因為加入的沖洗水流對顆粒具有推動作用，能夠幫助細顆粒沿徑向運動至內旋流中，從溢流口排出，從而減少底流夾細，提高分級效果。

圖1 沖洗水結構示意Fig.1 Schematic diagram of water-injection structure

1.2 試驗方案設計

為了探究沖洗水型旋流器脫泥效果，首先進行同等工況下沖洗水型旋流器和普通旋流器的對比試驗，然后分別選取沖水位置為80，160，240，320，400 mm，如圖 2所示。采用單因素試驗方式，以產品的質量濃度、產率、粒度、綜合分級效率和分離粒度為指標，探究沖洗水位置變化對旋流器分離性能的影響。本次試驗研究選用50 mm的長錐旋流器（錐角6°），旋流器結構參數見表1。試驗所用物料為鋰渣，進料粒度分布見表2，其中-20 μm細泥含量為23.07%。

圖2 沖洗水位置示意Fig.2 Schematic diagram of water-injection location

表1 沖洗水型旋流器結構參數Tab.1 Structural parameters of water-injection hydrocyclone

表2 進料粒度分布Tab.2 Feed size distribution

試驗系統如圖3所示。清水與鋰渣混合加入料筒配制礦漿，攪拌均勻后由泵打入旋流器進行分級試驗，溢流和底流經管路返回料筒攪拌保證試驗系統循環(huán)運行，電機變頻控制可調節(jié)旋流器給料壓力，待運行穩(wěn)定后，對底流、溢流和進料進行同步取樣，抽濾烘干計算分析濃度和產率，采用容積法分析各產品流量，利用BT-9300S激光粒度分布儀的激光散射法對各產品進行粒徑檢測，分析計算分離粒度和綜合分級效率。試驗過程中，通過改變沖洗水入口位置接取各自試驗條件下對應的產物樣品。

圖3 試驗系統Fig.3 Schematic diagram of test system

2 試驗結果與分析

2.1 對比試驗

試驗操作壓力為0.1 MPa，以鋰渣為原料配置質量濃度約為15%的礦漿，進行沖洗水旋流器和常規(guī)旋流器對比試驗，沖洗水位置為320 mm，沖洗水流量為80 L/h。試驗數據結果見表3。

表3 對比試驗數據Tab.3 Comparative test data

分析表3試驗數據可知，相同試驗條件下，沖洗水旋流器的處理量增加，底流中-20 μm細顆粒含量減少了3.83個百分點，溢流中-20 μm細顆粒含量增加了1.93個百分點。這是由于沖洗水被注入水力旋流器的外旋流且與流體旋向一致，相當于給流體一個額外的切向速度，使得處理量有所增加。在沖洗水的作用下，進入錐段的粗細顆粒被充分打散，細小顆粒隨內旋流進入溢流，而較粗顆粒和極少部分細小顆粒進入底流。

分析圖4，5可以發(fā)現，對中位粒徑為64.06 μm的進料，經常規(guī)旋流器一次分級得到中徑為16.45，72.22 μm的兩種產品，經沖洗水型旋流器一次分級得到中徑為13.61，95.08 μm的兩種產品。相比于常規(guī)旋流器，沖洗水型旋流器底流中細顆粒含量減少，溢流中細顆粒含量增加，底流產物脫泥效果明顯。

圖4 底流粒度對比Fig.4 Underflow particle size comparison

圖5 溢流粒度對比Fig.5 Overflow particle size comparison

2.2 沖洗水位置對分離性能的影響

2.2.1 產物濃度和底流粒度分配

沖洗水位置對于實現最佳加沖洗水效果至關重要，沖洗水位置不同，旋流器的分級效果也不同。選取旋流器錐段由低至高5個位置進行試驗。

沖洗水位置對底流產物和溢流產物濃度的影響規(guī)律如圖6所示。由圖可知，底流濃度隨著沖洗水位置高度呈現先增加后減少的趨勢，在沖水位置為240 mm時，底流濃度最高，為52.08%；與之相一致，溢流濃度隨著沖水位置的升高呈現先降低后增加的趨勢，且在沖水位置為240 mm時最小，為5.21%。這是因為當沖水位置較低時，沖洗水與中心軸線間的徑向距離短，加入的沖洗水很容易帶著外旋流中夾雜的顆粒越過零速包絡面進入內旋流從溢流口排出，溢流濃度較高。隨著沖洗水位置的升高，沖洗水位置與中心軸線間的徑向距離增大，補加水的壓力減小，加入的沖洗水僅有部分可以穿過零速包絡面帶走細顆粒，而大部分沖洗水流夾帶著部分粗顆粒進入外旋流從底流口排出，底流濃度降低，溢流濃度增加。

圖6 沖水位置對各產物濃度的影響Fig.6 Effect of water-injection location on the concentration of each product

不同沖洗水位置下旋流器分級試驗結果見表4?？梢园l(fā)現，隨著沖洗水位置的升高，旋流器底流產品中-20 μm的細顆粒含量先降低后增加，當沖洗水位置為l240mm時達到最小值，此時底流中-10 μm細顆粒含量為1.63%，10～20 μm 粒級顆粒含量亦達到最小值1.42%，而+50 μm粒級的顆粒含量則達到最高值77.83%。

表4 不同沖洗水位置下分級試驗結果Tab.4 Classification test results for different water-injection locations

根據表4繪制沖洗水位置對加底流各粒級產率的影響規(guī)律如圖7所示，由圖可知，隨著沖洗水位置由低到高，底流中細顆粒的含量先減少后增加；30～40 μm粒級的顆粒含量影響甚微。這是因為當沖洗水位置較低時，沖洗水到軸線的距離近，對底流的滲流清洗作用強，將底流中的細顆粒沖到內旋流從溢流口排出，底流夾細現象得到改善；但是隨著沖洗水位置升高，沖洗水的作用減弱，大部分的沖洗水流沿著外旋流從底流口排出，底流中的細顆粒含量增加。

圖7 沖洗水位置對底流中各粒度級物料產率的影響Fig.7 Effect of water-injection location on material yield of different particle sizes in the underflow product

2.2.2 分級精度

在實際工業(yè)生產中，通常使用分級精度來評判旋流器的分級情況，即旋流器的溢流和底流產品中粗細顆粒的混雜情況。在底流分配曲線中，曲線越陡峭，說明旋流器分離出來的分級顆粒尺寸就越集中，分級效果就越好，分級精度越高。反之，底流分配曲線中，曲線的走勢越平緩，說明旋流器分離出來的分級顆粒尺寸越分散，分級效果越差，分級精度就越低。評定分級效率曲線的指標有可能偏差E、不完善度I、陡度指數S等。

可能偏差的表達式為：

不完善度的表達式為：

陡度指數的表達式為：

式中 d25，d50，d75—— 分 級 效 率 曲 線 上 分 配 率 為25%，50%，75%時相對應的顆粒粒度，μm。

根據圖8，并結合公式計算得到的旋流器分級精度見表5?？梢钥闯?，當旋流器補加水位置為l240時，計算得到的可能偏差E和不完善度I最小，陡度指數最大。因此當旋流器補加水位置為l240時，旋流器的分級精度最高。

圖8 不同位置下旋流器分級效率曲線Fig.8 Classification efficiency curves of hydrocyclone at different locations

表5 不同沖洗水位置旋流器分級精度計算結果Tab.5 Calculation results of hydrocyclone classification accuracy for different water-injection locations

2.2.3 綜合分級效率

實際工況中常用代表性粒級的分級效率來表征綜合分級效率，綜合分級效率既能反映分離過程中量的概念（某特定粒級的分離效率），又能反映分離過程中質的概念（溢流跑粗或底流夾細程度）。綜合分級效率采用漢考克公式得到。表6給出了不同沖洗水位置條件下-20 μm顆粒的綜合分級效率，可以看出，當沖洗水位置為l240時，-20 μm顆粒的綜合分級效率最高，為73.60%。

表6 沖洗水位置對綜合分級效率的影響Tab.6 Effect of water-injection location on comprehensive classification efficiency

式中 α ——進料指定粒級含量；

θ ——底流指定粒級含量；

β ——溢流指定粒級含量。

3 結論

（1）同等結構參數和試驗條件下，相比于常規(guī)旋流器，采用沖洗水型旋流器得到的底流產物粗顆粒含量增加，細顆粒含量降低，有利于減少底流夾細。

（2）對中位粒徑為64.06 μm的鋰渣礦漿進料，經沖洗水型旋流器一次分級可得到中位粒徑分別為13.61，95.09 μm的兩種不同粒徑范圍的產品，脫泥效果明顯。

（3）針對-20 μm顆粒累積含量，當沖洗水位置為240 mm時，底流產物中-20 μm顆粒含量最低，綜合分級效率最高，可達73.60%；可能偏差和不完善度最小，陡度指數最大，旋流器的分級精度最高。