螺旋分選機研究進(jìn)展

葉貴川， 馬力強

(1. 太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

螺旋分選機又稱螺旋選礦機、螺旋溜槽，是一種利用離心力場和重力場的高效流膜分選設(shè)備，目前廣泛應(yīng)用于金屬礦、海濱砂礦以及煤炭分選中。相對于其他分選設(shè)備，螺旋分選機具有結(jié)構(gòu)簡單、分選效率高、無噪音、無動力部件、維修費用少、使用期限長等優(yōu)點。螺旋分選機出現(xiàn)較早，直到20世紀(jì)80年代初，澳大利亞、美國、加拿大以及南非等國才相繼投入科研力量，深入研究螺旋分選機理，優(yōu)化螺旋分選機結(jié)構(gòu)，并成功用于3～0.75 mm級粉煤的分選。我國將螺旋分選機引入煤炭分選領(lǐng)域，相繼研制出XL系列、SML系列、ZK-LX系列、LL系列以及振動螺旋干法分選機，推動了螺旋分選機的發(fā)展。近年來，由于礦業(yè)、煤炭業(yè)的快速發(fā)展，以及當(dāng)前固體廢棄物處理的急迫需求，螺旋分選機以其能耗低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢受到青睞。本文主要綜述了螺旋分選機近年來的理論研究成果、設(shè)備優(yōu)化現(xiàn)狀以及新的研究手段，力求為螺旋分選機的發(fā)展提供參考。

1 螺旋分選機理論研究進(jìn)展

21世紀(jì)以來，傳統(tǒng)的研究方法已不足以支撐螺旋分選理論的進(jìn)一步完善以及螺旋分選設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化。學(xué)者對螺旋分選機的研究開始向螺旋分選過程的數(shù)值模擬與檢測發(fā)展，截料器的智能化調(diào)控近年來得以突破。螺旋分選機的研究進(jìn)展可以分為3個方面：一是螺旋分選機流場的研究進(jìn)展；二是螺旋分選過程的研究進(jìn)展；三是螺旋分選機工藝優(yōu)化及智能化調(diào)控研究進(jìn)展。

1.1 螺旋分選機流場

螺旋分選機流場分布復(fù)雜，通常認(rèn)為，螺旋分選機流場主要分主流(沿螺旋線向下運動)和徑向環(huán)流兩類?；诹黧w力學(xué)相關(guān)理論對螺旋分選機中縱向、徑向速度進(jìn)行理論計算是研究螺旋分選機流場分布特性的重要手段，但理論公式的推導(dǎo)對螺旋分選機中流場做了諸多假設(shè)，只能對螺旋分選機中流場分布特性進(jìn)行定性分析。此后，Holland-Batt[1]、Holtham[2]通過測定礦漿自由液面與槽底的高度差來表征螺旋分選機流膜厚度。該方法操作便利，應(yīng)用廣泛，但測試精度有限，尤其是針對螺旋分選機內(nèi)緣流膜較薄的區(qū)域。Holtham[3]在槽底通入示蹤液體，利用攝像機記錄的示蹤液體與螺旋線的偏移角度來表征徑向環(huán)流的大小，但該方法對操作要求較高，不易實現(xiàn)。陳廷中等[4]提出用電解質(zhì)電測法測定螺旋分選機中的流場分布情況，這種方法對設(shè)備的靈敏度要求較高，精度有限，不夠便利。黃秀挺[5]利用激光多普勒測速儀得到螺旋槽外緣流體速度分布，但無法有效獲取螺旋槽內(nèi)緣的速度分布。

隨著計算流體力學(xué)的興起，利用數(shù)值模擬方法來模擬螺旋分選機中流場分布特性是當(dāng)前的研究熱點。Doheim[6]、Matthews[7]、Ye等[8]借鑒明渠流的數(shù)值模擬方案，基于VOF多相流模型對螺旋槽中流體分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀展示了螺旋槽中下層流體和上層流體的速度矢量圖，證實了螺旋槽中徑向環(huán)流的存在，細(xì)化了螺旋分選機中的流場分布特征，為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)參數(shù)/操作參數(shù)對螺旋分選機中流場分布特性提供了較為便利的手段。

綜上，基于螺旋分選機流場的相關(guān)研究經(jīng)歷了理論分析、試驗測定和數(shù)值模擬的演變，各研究方法的主要成果、優(yōu)勢和不足見表1。

表1 螺旋分選機流場研究的相關(guān)研究方法

由表1可知，通過理論分析的方法只可定性描述螺旋分選機中流場分布情況，無論是自制的流場測定裝備還是利用激光多普勒測速儀測定螺旋分選機流場分布規(guī)律，都難以準(zhǔn)確測量內(nèi)緣薄流膜區(qū)域的縱向速度、徑向速度分布。如何更有效地對螺旋分選機中速度分布(縱向速度和徑向速度)、流膜厚度分布特征進(jìn)行檢測，是未來必須解決的問題之一。數(shù)值模擬技術(shù)可較為準(zhǔn)確地預(yù)測螺旋分選機中的流場分布特征，未來螺旋分選機流場的數(shù)值模擬需要提高計算效率，并進(jìn)一步優(yōu)化模擬精度，從而更準(zhǔn)確地揭示螺旋分選機中的流場分布特征，便于通過數(shù)值模擬研究徑向環(huán)流等流場特征的調(diào)控機制。

1.2 螺旋分選過程

螺旋分選的實質(zhì)是顆粒松散—分層—分離的過程。針對顆粒在螺旋分選機中的分層研究主要停留在理論分析上。通常認(rèn)為拜格諾剪切力是顆粒在薄流膜中實現(xiàn)分層的根本原因[9]。顆粒在螺旋分選過程中的徑向分帶規(guī)律從動力學(xué)分析、分選試驗、示蹤試驗以及數(shù)值模擬方面都取得廣泛關(guān)注。

長期以來，顆粒在螺旋分選機中的動力學(xué)分析是研究的熱點和難點。傳統(tǒng)方法通常是將顆粒在螺旋槽上的受力分解到縱向和橫向建立牛頓第二定律進(jìn)行動力學(xué)分析[10-15]，但這種方法忽略了螺旋槽面的三維曲面特性。盧繼美[12]、葉貴川[16]基于螺旋線的形成特性，在螺旋線上的任意點創(chuàng)建自然坐標(biāo)系，將顆粒的受力分解到切向方向和法線方向，可以更直觀地分析顆粒螺旋分選的受力情況。此外，葉貴川等[17]利用微元思想將顆粒在螺旋槽上復(fù)雜的受力進(jìn)行簡化，建立了顆粒在螺旋槽中徑向位置的數(shù)學(xué)模型，基于該模型得出結(jié)論：顆粒達(dá)平衡狀態(tài)后的徑向距離隨螺距、流量以及內(nèi)徑的減小而減小，隨槽深的減小而增加；較小的螺距、較小的內(nèi)徑和較大的槽深有利于粗煤泥的分選。

粗煤泥分選試驗是研究螺旋分選過程的常用手段，通常采用閉路循環(huán)系統(tǒng)，利用特殊設(shè)計的截料裝置對螺旋槽不同位置物料進(jìn)行取樣分析。基于傳統(tǒng)煤泥分選試驗，Atasoy等[18]、Li等[19]發(fā)現(xiàn)中間密度顆粒在外緣和內(nèi)緣均有較多分布[19]，證實了部分中等密度顆粒在螺旋分選機精煤區(qū)聚集導(dǎo)致螺旋分選精度較低的事實。諸多學(xué)者研究了操作參數(shù)對煤用螺旋分選機分選效果的影響。表明提高流量會導(dǎo)致中間密度和低密度礦物向外緣運動，導(dǎo)致精煤灰分和產(chǎn)率隨著流量的增加而增加[20-24]。Honaker等[24]研究了入料濃度對精煤灰分的影響，認(rèn)為精煤灰分隨著濃度的增加先減小后增加。20%～40%的礦漿濃度是螺旋選礦的比較適宜的濃度[25]。

近年來，正電子發(fā)射型顆粒追蹤技術(shù)(positron emission particle tracking，PEPT)用于檢測顆粒在螺旋分選機中的運動規(guī)律，是螺旋分選機理論研究的一大突破。待測顆粒經(jīng)特殊處理后因同位素衰變產(chǎn)生正電子信號，通過對該信號進(jìn)行實時檢測并進(jìn)行重構(gòu)計算，可以獲取待測顆粒的三維空間位置，實現(xiàn)顆粒運動行為的動態(tài)在線檢測，其試驗系統(tǒng)及試驗結(jié)果如圖1所示(v為電子中微子)[26-28]。

圖1 PEPT測試系統(tǒng)及測試結(jié)果

基于PEPT技術(shù)，Boucher首次實時追蹤了輕重顆粒在螺旋分選過程中的運動軌跡和運動速度，證實PEPT技術(shù)可以用來檢測顆粒在薄流膜中的運動速度和運動軌跡，對螺旋分選機理的進(jìn)一步完善具有重要意義[26-27]。

螺旋分選過程中顆粒運動行為的數(shù)值模擬也是研究熱點。學(xué)者利用歐拉固液兩相流模型、離散相模型、光滑流體粒子模型等模擬了顆粒在螺旋分選機中的分布規(guī)律，可以直觀地觀測到顆粒在螺旋槽中的運動軌跡，為螺旋分選機理的定性分析提供了便捷[6-7,29-34]。由于模擬過程中忽略了諸多現(xiàn)實條件，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果仍有較大差距。

總體而言，目前針對螺旋分選機顆粒運動行為的研究取得了一定的進(jìn)步，但仍具有較大提升空間。針對顆粒在螺旋槽中的分層，未來應(yīng)嘗試通過試驗手段揭示顆粒在螺旋槽不同徑向位置處的分層情況，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對顆粒分層的影響機制。顆粒在螺旋分選過程中徑向分帶規(guī)律的相關(guān)研究方法及其優(yōu)勢和不足見表2?？芍槍︻w粒在螺旋分選機中的分帶，借助PEPT技術(shù)，研究不同密度、不同粒度顆粒的運動行為，對完善螺旋分選理論、揭示結(jié)構(gòu)參數(shù)對顆粒運動行為的影響規(guī)律具有重要意義。數(shù)值模擬是研究顆粒在螺旋分選機中運動行為的一種有效手段，未來的數(shù)值模擬還應(yīng)優(yōu)化算法，考慮顆粒碰撞的前提下對大量顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬，提升模擬結(jié)果對設(shè)備優(yōu)化設(shè)計的可參考性。

表2 顆粒在螺旋分選過程中的徑向分帶規(guī)律的研究方法

1.3 螺旋分選機工藝優(yōu)化及智能化調(diào)控

螺旋分選機截料器智能化調(diào)控如圖2所示。Mohanty等[35]針對煤用螺旋分選機，在螺旋槽的內(nèi)緣和外緣分別安裝了配有傳感器的感應(yīng)槽，用以測定感應(yīng)槽位置的礦漿濃度、導(dǎo)電性，經(jīng)過特殊的算法調(diào)節(jié)位于感應(yīng)槽之間的截料器位置，從而實現(xiàn)煤泥分選過程中截料器位置隨礦漿波動的自動化控制(圖2(a))。Nienaber等[36-37]針對選礦用螺旋分選機，基于精礦、尾礦間的顏色差異進(jìn)行圖像處理，通過識別灰度值圖像的交界線來反映精礦、尾礦的分帶區(qū)域，進(jìn)而通過計算機命令實現(xiàn)截料器位置的智能化調(diào)控(圖2(b))。此外，分選回路對螺旋分選性能也有較大影響[38-39]。Kohmuench[40]試驗證明采用一段螺旋粗選，中煤螺旋精選可以在精煤灰分相似的基礎(chǔ)上將精煤產(chǎn)率提高3.86%。

圖2 螺旋分選機截料器智能化調(diào)控

總體而言，螺旋分選機工藝優(yōu)化及智能化調(diào)控研究還處于起步階段。螺旋分選工藝選擇與入選煤泥性質(zhì)之間的適配關(guān)系還有待明確，實際分選作業(yè)中，截料器感應(yīng)精度和圖像識別精度有待提高。

2 螺旋分選機應(yīng)用及設(shè)備優(yōu)化現(xiàn)狀

2.1 煤用螺旋分選機應(yīng)用現(xiàn)狀

美國、澳大利亞等產(chǎn)煤國，螺旋分選機是常規(guī)粗煤泥分選設(shè)備[41]。由于其分選密度較高，目前在我國主要應(yīng)用于動力煤選煤廠和個別煉焦煤選煤廠的粗煤泥分選作業(yè)，如同煤晉華宮選煤廠、神華神東大柳塔選煤廠等大型動力煤選煤廠，以及山東、山西、河南等地一些中小型選煤廠。我國煤用螺旋分選機主要是澳大利亞Roche公司的LD系列螺旋分選機和南非MULTOTEC公司的SX、SC系列螺旋分選機，以及國內(nèi)開發(fā)的XL系列、ML系列、ZK-LX1100、LXA系列螺旋分選機。

相比于選礦用螺旋分選機分選圈數(shù)3～5圈，距徑比0.5～0.7，由于精煤和尾煤的密度差異較小，所以煤用螺旋分選機的分選圈數(shù)多為6.0～6.5圈，距徑比0.4左右，目的是創(chuàng)造物料良好分層環(huán)境的同時增加礦漿在螺旋分選機中的停留時間。單頭干煤泥處理量在2.0～3.5 t/h，最大可達(dá)6 t/h(ZK-LX1100系列)；入料粒度0.1～2.0 mm，分選精度I值在0.1～0.2，分選密度一般大于1.6 g/cm3。

南非Outokumpu技術(shù)公司生產(chǎn)的CARPCO CS2000型螺旋分選機應(yīng)用于潞安礦業(yè)集團(tuán)漳村選煤廠。CARPCO CS2000型螺旋分選機包含穩(wěn)定槽、變徑分選槽以及排料槽組成，入料濃度30%～50%，礦漿通過量6～8 m3/h，單頭干煤泥處理量達(dá)2.0～3.5 t/h，可以實現(xiàn)0.1～2.0 mm煤泥有效分選，分選密度1.5～2.0 g/cm3[42]。潞安礦業(yè)集團(tuán)余吾礦選煤廠應(yīng)用了威海海王公司生產(chǎn)的LXA1000型螺旋分選機。LXA1000型螺旋分選機在第3圈配備了預(yù)先排矸尺，橫斷面采用立方拋物線形狀，有4圈和7圈2種，入料濃度30%～50%，礦漿通過量6～8 m3/h，單頭干煤泥處理量達(dá)2～4 t/h，可實現(xiàn)0.1～2.0 mm煤泥有效分選，分選密度1.5～2.0 g/cm3。該設(shè)備可能偏差為0.135 g/cm3，不完善度為0.18，數(shù)量效率為97.5%[43]。趙娟等[44]介紹了螺旋分選機在寧煤集團(tuán)太西選煤廠二分區(qū)的應(yīng)用。針對選煤廠入選原煤煤質(zhì)變差，導(dǎo)致煤泥系統(tǒng)分選效果下降的問題，采用螺旋分選機分選無煙煤粗煤泥，降低了浮選系統(tǒng)處理能力，提高了分選效果和經(jīng)濟(jì)效益。石堅[45]將螺旋分選機作為一種預(yù)處理設(shè)備，對浮選入料經(jīng)過磨礦-螺旋拋尾處理，改善了浮選效果。

2.2 新型螺旋分選機設(shè)計

新型螺旋分選機設(shè)計包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、新型結(jié)構(gòu)、新材料應(yīng)用以及引入外力等。南非MTI公司研發(fā)了一種低分選密度的螺旋分選機(low-cut spiral separator)，設(shè)備有8圈，采用兩段截料法，第1段在第4圈截料，第2段在第6圈截料。該設(shè)備采用較低的距徑比、較長的分選圈數(shù)創(chuàng)造較為平穩(wěn)的分層環(huán)境，延長煤泥分選時間，促進(jìn)中高密度顆粒的分選。試驗表明產(chǎn)率降低4%左右時，分選密度可由1.61 g/cm3降至1.54 g/cm3[46-47]。

王光慶等[48]設(shè)計了一種煤用隔條螺旋溜槽，在螺旋溜槽面鋪設(shè)一定厚度和角度的格條引流尾煤，減弱尾煤對精煤分選區(qū)域的影響。由于格條具有一定的厚度，礦漿在流經(jīng)格條時將產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，從而促進(jìn)床層的松散分層。分選試驗表明：相對于無格條時，在正角度范圍內(nèi)，各粒級精煤灰分和精煤產(chǎn)率均升高；在負(fù)角度范圍內(nèi)，細(xì)粒級精煤灰分均升高，分選效率均降低，粗粒級精煤灰分在-45°處最低，分選效率在0°最高。李廣等[49]借鑒搖床的分選機理，采用特殊工藝在螺旋溜槽面上形成不同的凹槽，產(chǎn)生水躍現(xiàn)象的同時具有一定的引流作用。該螺旋分選機能有效提高貧、細(xì)礦石的選別指標(biāo)，具有節(jié)能、降耗、高效和環(huán)保等特點。葉貴川[16]研究了槽面形狀以及距徑比對粗煤泥螺旋分選性能的影響規(guī)律，基于動力學(xué)分析、數(shù)值模擬及分選試驗，設(shè)計了超低距徑比的復(fù)合槽面螺旋分選機(內(nèi)緣立方拋物線、外緣橢圓型)，在粗選階段預(yù)排矸，分選密度可降低至1.543 g/cm3，相較于采用傳統(tǒng)參數(shù)的橢圓型槽面和立方拋物線槽面煤用螺旋分選機，在精煤灰分要求相當(dāng)?shù)那闆r下，分選效率分別提高了19.41%、13.11%。王超等[50]以空氣介質(zhì)代替水介質(zhì)，在螺旋槽面下方沿螺旋線方向鋪設(shè)氣流通道，物料在自身重力和氣流通道提供的氣流輸送力作用下沿篩面螺旋向下運動，在層間剪切力和離心力作用下實現(xiàn)物料的松散與分級。陳曉鳴等[51]將磁性耐磨涂料涂在螺旋槽內(nèi)表面上，使槽面對磁性顆粒具有一定的引力，增大磁性物料在螺旋槽中移向內(nèi)緣的趨勢，實現(xiàn)對磁性物料的分選。Vysyaraju等[52]基于螺旋分選機結(jié)構(gòu)特性設(shè)計了一種新的強化重力封閉螺旋分級機，平均粒度82 μm的二氧化硅顆粒分級試驗表明：螺旋槽外緣(outer outlet)和內(nèi)緣(inner outlet)的平均粒度分別為60.6、107.1 μm，具有一定的分級效果。

2.3 螺旋分選機新的應(yīng)用領(lǐng)域

基于螺旋分選機結(jié)構(gòu)簡單、無動力部件等特點，設(shè)備處理的對象也逐漸豐富。Dehaine等[53]利用澳大利亞MDL公司的MKIIA Reichert spiral螺旋分選機對稀土礦進(jìn)行預(yù)富集，回收了80%的重礦物；Liu[54-55]基于含釩石煤中物相的賦存特性，設(shè)計了距徑比0.36的立方拋物型螺旋分選機，將V2O5品位為0.8%的原礦富集到1.0%。近年來螺旋分選機在固體廢棄物循環(huán)利用方面也得到了很多應(yīng)用，如在鈦尾礦、鉛鋅尾礦、錫尾礦、銅硫尾礦以及黃鐵礦制酸燒渣、煉鐵高爐除塵灰等固廢的再處理工藝中，螺旋分選機作為主要分選設(shè)備發(fā)揮了重要作用。

3 結(jié)語與展望

隨著研究手段進(jìn)步，螺旋分選機分選理論進(jìn)一步完善，設(shè)備和工藝得到優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大。未來螺旋分選機研究重點主要還是利用PEPT技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)等先進(jìn)手段，進(jìn)一步研究槽面形狀、距徑比(螺距直徑之比)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺旋分選機流場分布特性、分選過程的影響，配合結(jié)構(gòu)、工藝、新材料運用方面的改進(jìn)，力爭在提高分選精度、擴(kuò)大分選密度調(diào)控范圍方面有所突破。

1)全面深入了解顆粒在螺旋分選機中的縱向分層和徑向分帶規(guī)律，探索多流態(tài)復(fù)合力場中影響顆粒運動行為的關(guān)鍵因素，揭示流膜流體特性與顆粒物性對分選效果的影響，是螺旋選礦理論與設(shè)備發(fā)展的根本。

2)針對螺旋分選機薄流膜的特性，設(shè)計精度高、操作性強的薄流膜流場檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)螺旋分選機流場分布特征的有效檢測，同時優(yōu)化流場數(shù)值模擬方案，提升數(shù)值模擬精度，深入分析二次環(huán)流的形成、強弱、作用以及調(diào)控手段，是完善螺旋選礦機理，優(yōu)化螺旋分選機結(jié)構(gòu)參數(shù)的必經(jīng)之路。

3)建立顆粒群在螺旋分選過程中的運動模型，設(shè)計切實可行的試驗方法研究顆粒在螺旋分選機中的分層規(guī)律，利用先進(jìn)的顆粒示蹤技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，揭示螺旋分選機結(jié)構(gòu)參數(shù)與顆粒徑向分布的適配關(guān)系。

4)基于螺旋分選機結(jié)構(gòu)簡單、無動力部件等特點，螺旋分選機在固廢處理、稀有礦物預(yù)富集等方向具有較大的潛力。設(shè)計“各專用”螺旋分選機時，應(yīng)綜合動力學(xué)分析、流場特征/顆粒運動行為的檢測與模擬結(jié)果，結(jié)合各物料性質(zhì)，有針對性地優(yōu)化螺旋分選機結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)有用礦物的高效富集。