礦用泥沙分級(jí)水力旋流器的壓力調(diào)控研究

蔚志恒，姚紹武，張文彬,姚一凡

(1.神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；2.湖州新開(kāi)元碎石有限公司，浙江 湖州 313022)

水力旋流器是利用旋流力場(chǎng)進(jìn)行分離的設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理量大、操作維護(hù)便利,主要用于懸浮液的濃縮以及細(xì)粒物料分級(jí)、分選，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、建材、石油、環(huán)保等領(lǐng)域。水力旋流器的入料進(jìn)人旋流器后形成旋流，在中心軸附近的礦漿沿軸向朝著溢流管的方向運(yùn)動(dòng)(內(nèi)旋流)，外側(cè)礦漿則以向底流口的運(yùn)動(dòng)為主(外旋流)。懸浮液中的顆粒因離心沉降和干擾沉降產(chǎn)生分離趨勢(shì)：沉降速度小于臨界速度的顆粒(細(xì)顆粒、輕顆粒)主要進(jìn)入內(nèi)旋流，從溢流管排出，而沉降速度大于臨界速度的顆粒主要進(jìn)入外旋流由底流口排出。由于干擾沉降效應(yīng)，顆粒的沉降速度同時(shí)受顆粒的粒度、密度、形狀等因素的影響，因此，旋流器中同時(shí)存在分級(jí)作用與濃縮作用。在生產(chǎn)實(shí)踐中，操作人員出于提高底流濃度、降低分級(jí)粒度、改善底流后續(xù)處理環(huán)節(jié)效果(如脫水、磨礦等)等的考慮，往往盲目提高入料壓力，雖然濃度提高，但分級(jí)旋流器溢流跑粗和底流夾細(xì)情況可能加劇、降低分級(jí)效率、影響整體工藝效果。

本文結(jié)合直徑250mm水力旋流器用于泥沙分離的工業(yè)實(shí)踐，研究了入料壓力對(duì)既定結(jié)構(gòu)旋流器的分級(jí)和濃縮效果的影響，以期為分級(jí)旋流器的合理選型操作提供借鑒和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)用水力旋流器的直徑250mm，底流口直徑75mm，錐角20°，在系統(tǒng)中6個(gè)一組并聯(lián)配置,共設(shè)兩組。處理對(duì)象為泥沙懸浮液。旋流器的入料濃度12%～13%左右；采用標(biāo)準(zhǔn)套篩對(duì)懸浮液中固體進(jìn)行濕法篩分的粒度組成見(jiàn)表1。

表1 旋流器的入料粒度組成

旋流器通常與固定篩、振動(dòng)篩或者高頻篩等搭配使用，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒物料的脫水、脫泥。在圖1所示的工藝系統(tǒng)中，該旋流器的主要作用是實(shí)現(xiàn)0.045mm的分級(jí)，同時(shí)需要盡量提高底流濃度，改善底流的后續(xù)脫水作業(yè)條件。

圖1 常見(jiàn)旋流器分級(jí)脫水流程

由于是工業(yè)性試驗(yàn)，系統(tǒng)中旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變，主要考查實(shí)踐中的主要操作參數(shù)——入料壓力的影響。在工業(yè)運(yùn)行期間，分別選定0.08MPa、0.10MPa、0.12MPa及0.14MPa四種入料壓力條件進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與探討

本文重點(diǎn)研究了旋流器的分級(jí)與濃縮效果受壓力影響的規(guī)律。選用旋流器的分級(jí)效率和底流濃度作為考查指標(biāo)。分級(jí)粒度為0.045mm，分級(jí)效率通過(guò)漢考克綜合效率公式計(jì)算確定。

(1)

式中：α為入料中-0.045mm物料含量，%；β為溢流中-0.045mm物料含量，%；θ為底流中-0.045mm物料含量，%。

2.1 入料壓力與分級(jí)效果

對(duì)應(yīng)條件下的旋流器底流和溢流的粒度分布見(jiàn)表2。由式(1)計(jì)算確定的分級(jí)效率見(jiàn)表3。

表2 不同入料壓力下旋流器溢流和底流固體的粒度分布

表3 分級(jí)粒度為0.045mm時(shí)旋流器分級(jí)效率參數(shù)

當(dāng)入料壓力為0.08MPa時(shí)，旋流器溢流中，粒度小于0.045mm的顆粒占92.6%，粒度大于0.045mm的顆粒占7.4%；旋流器底流中，粒度小于0.045mm的顆粒占11.5%。底流中，顆粒含量主要分布在[0.045，0.3]mm粒級(jí)區(qū)間內(nèi)，底流濃度為1066g/L，該條件下旋流器的分級(jí)效率為80.8%。

當(dāng)入料壓力為0.10MPa時(shí)，旋流器溢流中，粒度小于0.045mm的顆粒占95.2%，顆粒粒度大于0.045mm的顆粒只有4.8%，溢流跑粗有所下降；但旋流器底流中的夾細(xì)量有所增加，底流中粒度小于0.045mm的顆粒超過(guò)10%(達(dá)13.7%)，說(shuō)明隨著入料壓力的增加，旋流器內(nèi)部流速加快，離心力加大，造成-0.045mm顆粒進(jìn)入底流的概率增大。底流中，顆粒含量主要分布在[0.045，0.3]mm粒級(jí)區(qū)間內(nèi)，底流濃度為1174g/L，該條件下旋流器的分級(jí)效率為83.5%。

當(dāng)入料壓力為0.12MPa時(shí)，旋流器溢流中，粒度小于0.045mm的顆粒占89.7%，粒度大于0.045mm的顆粒占10.3%，溢流跑粗的量增加；旋流器底流中，顆粒粒度-0.045mm的顆粒占12.3%，底流夾細(xì)量較入料壓力1.0kg時(shí)有所下降，說(shuō)明入料壓力過(guò)大時(shí)，旋流器底流口不能及時(shí)將沉砂排出，造成大量分級(jí)粒度以上的顆粒由溢流端排出。底流中，顆粒含量主要分布在[0.045，0.3]mm粒級(jí)區(qū)間內(nèi)，底流濃度為1206g/L。該條件下旋流器的分級(jí)效果有下降趨勢(shì)，旋流器的分級(jí)效率為75.3%。

當(dāng)入料壓力為0.14MPa時(shí)，旋流器溢流中，粒度小于0.045mm的顆粒占85.2%，粒度大于0.045mm顆粒占14.8%，溢流跑粗量增加；旋流器底流中，粒度小于0.045mm的顆粒占15.1%，底流夾細(xì)量持續(xù)增加。即壓力增加到一定程度，隨著壓力的增加，旋流器溢流跑粗及底流夾細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重，旋流器內(nèi)部流態(tài)紊亂。底流中，顆粒含量主要分布在[0.045，0.3]mm粒級(jí)區(qū)間內(nèi)，底流濃度為1217g/L，該條件下旋流器的分級(jí)效率為65.5%。

通過(guò)上述分析，對(duì)水力旋流器而言，當(dāng)操作壓力小于最佳分級(jí)效率時(shí)，旋流器的跑粗情況隨壓力的增大有所改善，但是底流的夾細(xì)情況總體是隨壓力的增加而增加。當(dāng)壓力增加到最佳分級(jí)效率區(qū)間以上時(shí)，由于離心因素的增大、錐段濃度的提高、干擾沉降效應(yīng)的加劇，使得溢流跑粗和底流夾細(xì)都加劇，導(dǎo)致分級(jí)效率快速下降。

2.2 旋流器的入料壓力與濃縮效果

旋流器的底流濃度可以直觀地反映其濃縮效應(yīng)。在工程實(shí)踐中，通常既希望旋流器有較高的分級(jí)效率、也期望旋流器有較高的濃縮度。如在選煤中的煤泥處理流程中的分級(jí)、選礦中閉路磨礦流程中的分級(jí)等，往往都希望旋流器底流濃度高一些，以改善后續(xù)底流脫水作業(yè)的效果。

圖2是直徑250mm旋流器的分級(jí)效率和底流濃度隨入料壓力變化的情況。由圖2可以看出，隨著旋流器入料壓力增加，其分級(jí)效率呈先增后降趨勢(shì)，且下降時(shí)的降幅較大；底流濃度亦呈先增后降趨勢(shì)，但兩條曲線(xiàn)拐點(diǎn)的間距較大。

圖2 旋流器分級(jí)效率與底流濃度綜合曲線(xiàn)

當(dāng)入料壓力從較小值逐漸增大時(shí)，顆粒受到的離心力作用亦增加、顆粒加速沉降，有利于按粒度分離，旋流器處理量增大、分級(jí)效率提高、底流濃度也隨之增加；但當(dāng)入料壓力持續(xù)增加時(shí)，干擾沉降的趨勢(shì)加劇，同時(shí)由于短路流效應(yīng)，顆粒分級(jí)的同時(shí)分選效應(yīng)也有所加劇，導(dǎo)致溢流跑粗和底流加細(xì)現(xiàn)象，分級(jí)效率降低。

干擾沉降趨勢(shì)往往隨濃度的提高而加強(qiáng)，干擾沉降現(xiàn)象越突出，水力分級(jí)的效率越低。因此，在實(shí)踐中水力旋流器的壓力應(yīng)當(dāng)合理的進(jìn)行調(diào)控，避免因盲目提高濃度造成旋流器分級(jí)效應(yīng)的嚴(yán)重?fù)p失。

直徑250mm水力旋流器泥砂分級(jí)的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)表明，旋流器分級(jí)的高效區(qū)與濃縮的高效區(qū)存在較大的偏離。應(yīng)根據(jù)旋流器在系統(tǒng)中的功能定位，合理選擇其高效作業(yè)區(qū)。由于自身結(jié)構(gòu)及處理對(duì)象的差異，旋流器在生產(chǎn)實(shí)踐中不可能存在一個(gè)普適的工況。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的250mm泥砂分級(jí)旋流器而言，其最大壓力不宜超過(guò)0.10MPa。該壓力下，旋流器分級(jí)效率為83.5%，底流濃度為1174g/L，既具有高分級(jí)效率及高濃縮效率，又可為高頻篩提供良好的入料條件。

2.3 旋流器的最佳通過(guò)能力

合理、穩(wěn)定的處理量是旋流器保持高效運(yùn)行的前提。實(shí)際選型時(shí)往往參考的是生產(chǎn)廠(chǎng)家推薦的處理量范圍的中值，缺乏科學(xué)性。為了做到合理選型，建議最佳效果對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)公式(2)計(jì)算確定其合理的通過(guò)量。

(2)

式中：qm為旋流器生產(chǎn)能力，m3/h；ΔPm為入料壓力，MPa；ρm為入料礦漿密度，t/m3；D為旋流器直徑，cm；do為溢流管直徑，cm；di為入料管直徑，cm。

本研究中，旋流器的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)如下：D=25cm、do=8.0cm、di=7.5cm、ΔPm=0.1MPa、ρm=1.1t/m3。由上式確定的單臺(tái)旋流器的生產(chǎn)能力為qm=57.2m3/h，可作為相關(guān)應(yīng)用的選型參考依據(jù)。

3 結(jié)論

1)水力旋流器的操作壓力同時(shí)影響其分級(jí)效果與濃縮效果，特定結(jié)構(gòu)水力旋流器的最佳分級(jí)效率與濃縮效果往往對(duì)應(yīng)于不同的入料壓力區(qū)間。

2)旋流器的底流濃度隨著旋流器入料壓力增高而增高。

3)在臨界點(diǎn)之前，旋流器的分級(jí)效率隨著壓力增加而增加；過(guò)了臨界點(diǎn)后，分級(jí)效率隨著入料壓力增加快速下降。

因此，在泥砂分級(jí)旋流器的操作中，不能為了提高底流濃度而片面地增加入料壓力，否則可能造成分級(jí)效率的嚴(yán)重?fù)p失。而且以分級(jí)效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)

的入料壓力值來(lái)核定水力旋流器的處理能力更科學(xué)。

[1] 謝廣元.選礦學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005：133-137.

[2] 孫玉波.淺談水力旋流器的工作原理和影響參數(shù)[J].礦業(yè)快報(bào),2003(1)：5-7.

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第七批國(guó)家地質(zhì)公園資格名單公布

國(guó)土資源部近日發(fā)布通知，公布了第七批國(guó)家地質(zhì)公園資格名單。

此次獲批的22處國(guó)家地質(zhì)公園資格名單為：湖北恩施騰龍洞大峽谷地質(zhì)公園、廣西都安地下河地質(zhì)公園、湖南通道萬(wàn)佛山地質(zhì)公園、湖北長(zhǎng)陽(yáng)清江地質(zhì)公園、山東昌樂(lè)火山地質(zhì)公園、遼寧錦州古生物化石和花崗巖地質(zhì)公園、內(nèi)蒙古清水河老牛灣地質(zhì)公園、湖南安化雪峰湖地質(zhì)公園、山西榆社古生物化石地質(zhì)公園、安徽靈璧磬云山地質(zhì)公園、吉林四平地質(zhì)公園、福建清流溫泉地質(zhì)公園、福建三明郊野地質(zhì)公園、廣西羅城地質(zhì)公園、江西石城地質(zhì)公園、甘肅宕昌官鵝溝地質(zhì)公園、內(nèi)蒙古四子王地質(zhì)公園、安徽繁昌馬仁山地質(zhì)公園、甘肅臨潭冶力關(guān)地質(zhì)公園、江蘇連云港花果山地質(zhì)公園、黑龍江山口地質(zhì)公園、遼寧葫蘆島龍?zhí)洞髰{谷地質(zhì)公園。