大山選礦廠一段磨礦分級旋流器優(yōu)化研究

盧 濤，吳啟明，張紅華，宋 坤，李永峰，陳建文

（1.江西銅業(yè)集團有限公司，江西 南昌 330096；2.江西銅業(yè)技術研究院有限公司，江西 南昌 330096；3.江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224；4. 威海市海王旋流器有限公司，山東 威海 264200）

1 引言

德興銅礦大山選礦廠是江西銅業(yè)集團有限公司下屬最大的選礦廠，日處理原礦量達9 萬t 以上，肩負著礦山的主要生產任務。隨著銅廠、富家塢礦區(qū)的深部開采，入選的難碎難磨礦石的比例逐漸增大，礦石可磨性呈逐漸下降趨勢。目前，大山選礦廠一段磨礦分為半自磨與常規(guī)球磨兩個系統(tǒng)，常規(guī)磨礦分級系統(tǒng)分為9 個系列，單系列由1 臺MQYΦ5.5×8.5m 溢流型球磨機與1 組Φ660×7 的水力旋流器組成，工藝流程如圖1 所示。生產數據顯示，常規(guī)磨礦分級單系列處理量為320 t/h，旋流器溢流中-0.074 mm 粒級含量僅為60%～62%，分級效率為50%～55%。旋流器溢流細度偏粗，磨機返砂量偏大，對球磨機臺效及旋流器分級效率影響顯著，同時，礦物解離不充分，也不利于給后續(xù)選礦生產指標的提升。

圖1 一段常規(guī)磨礦分級工藝流程圖

水力旋流器作為一種經典的分級設備在礦山得到了廣泛的應用［1-3］。調查研究發(fā)現，選礦廠當前應用的水力旋流器已使用近16 年［4-5］，多年來隨著礦石性質及生產組織的不斷變化，旋流器的結構參數已不能較好的滿足分級作業(yè)要求，是導致旋流器分級效率不高、溢流跑粗的主要原因，特別是難磨礦石量增多時，磨礦分級指標下降顯著（見表1）。本文通過理論分析及現場試驗研究方式，對旋流器的結構參數進行優(yōu)化，在保證球磨機臺效的前提下，實現旋流器溢流細度與分級效率的雙提高，為后續(xù)選別作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

表1 磨礦分級指標考查結果

2 旋流器結構參數優(yōu)化分析

旋流器的分級指標與其結構參數（進料管、柱段、錐體、溢流管及沉砂嘴等）和操作參數（給料濃度、壓力、處理量等）密切相關［6-10］。結構參數對旋流器的分級效果至關重要，一般根據物料性質及分級要求，通過選型計算確定較優(yōu)的結構參數組合，并在現場試驗中對結構參數組合進行優(yōu)化以確定最優(yōu)的結構參數配置。大山選礦廠目前使用旋流器的結構參數已沿用了十幾年，隨著礦石性質的變化，特別是礦石硬度的提高，當前結構參數已不能滿足分級指標要求。結合當前旋流器的研發(fā)及應用進展，對旋流器的進料管結構、錐體結構及柱段長度進行優(yōu)化，以解決分級效率不高，溢流跑粗的問題。

2.1 旋流器進料管結構優(yōu)化分析

現場旋流器采用的進料管結構為漸開線式（圖2-a），與早期的切線式相比優(yōu)勢顯著，能夠大幅降低進料口處物料流的湍流強度和能量損失，是旋流器最常用的進料管結構［11-12］。隨著旋流器技術的研發(fā)，新型的螺旋下旋線式進料管（圖2-b）以螺旋下旋線方式包圍旋流器的圓柱筒體，最終切向進入旋流器的圓柱體筒體，并在軸向上設計了0 ～15°的螺旋下旋角度，螺旋旋向與進料方向相同。旋流器工作時，物料在螺旋下旋結構的導流下進入旋流器內部，導流行程更長，有利于降低器壁阻力對流體速度的影響。CFD 數值模擬結果（圖3）顯示，采用螺旋下旋線式進料管結構，在入料口附近的流場不存在速度過大區(qū)，切向速度變化均勻，一定程度上降低速度突變對流場的擾動，有利于提高分級效率。

圖2 旋流器不同進料管結構示意圖

圖3 不同進料管結構切向速度數值模擬結果

2.2 旋流器錐體結構優(yōu)化分析

經測量，現場旋流器的錐體近似于一段錐結構（圖4-a），而當前分級旋流器越來越多應用多段錐結構［13］。以三段錐結構為例（圖4-b），其特點在于第一段錐體角度較大，可快速使流體的切向速度達到最大，增大離心力場；第二段錐體角度較小，錐段長，物料有足夠的空間和時間進行分離；第三段錐體角度大，有利于降低底流中細顆粒的夾帶量。多錐體旋流器在復合錐聯結處會產生淘洗循環(huán)渦流，能夠將錐體末端機械夾帶的粗細顆粒重新分配回到旋流器的外旋流和內旋流中，有效減少粗細夾雜，相比單一錐體能夠得到更高的分級精度和分級效率。

圖4 不同錐體結構旋流器

2.3 旋流器柱段長度優(yōu)化分析

旋流器的柱段是一個有利于固相顆粒分離的有效沉降區(qū)和分離區(qū)，柱段區(qū)域對顆粒的分級過程具有重要作用［14］。相同直徑旋流器，合理增加柱段長度可增加旋流器內的分離空間，延長流體在分級設備內的停留時間，有利于提高分離效率。此外，增加柱段長度對提高旋流器處理能力有利。

3 試驗研究方法

根據旋流器結構參數優(yōu)化分析結果，選擇了FX660-GX-B 新型旋流器進行現場試驗研究。該旋流器直徑與現有旋流器相同，區(qū)別在于進料管結構、柱段長度及錐體結構不同，詳見表2。此外，為配合現場調優(yōu)試驗，分別配備了3 種尺寸的溢流管及3 種尺寸的沉砂嘴。將5 臺FX660-GX-B 型旋流器安裝到一段常規(guī)磨礦1#系列的旋流器組上，取代現有旋流器。首先進行溢流管及沉砂嘴直徑的調優(yōu)試驗，確定最優(yōu)參數配置，然后與2#系列現有旋流器進行對比研究，以對新型旋流器進行技術評價。

表2 兩種旋流器結構參數對比

4 試驗結果與討論

4.1 溢流管直徑優(yōu)化研究

1#系列運行5 臺新型FX660-GX-B 旋流器，在沉砂嘴直徑為130mm 的條件下，進行了溢流管直徑分別為210mm、230mm及250mm的條件試驗，條件試驗以整租旋流器組進行，試驗結果見表3。

表3 溢流管直徑條件試驗結果

表4 沉砂嘴直徑條件試驗結果

從表3 結果可知，隨著溢流管直徑的減小，溢流中+0.18mm 粒級含量逐漸減小，-0.074mm 粒級含量逐漸增大，分級效率提高。溢流管直徑減小，導致旋流器流場內部的分離界面（零速包絡面）收窄，分級粒度減小，溢流產率減小，粗顆粒進入溢流的幾率降低，有利于緩解溢流“跑粗”問題，提高了溢流細度和分級效率。綜合考慮選擇溢流管直徑為210mm。

4.2 沉砂嘴直徑優(yōu)化研究

采用210mm 溢流管及130mm 沉砂嘴的配置，溢流的細度雖有所改善，但未達到溢流細度+0.18mm 含量小于8%、+0.074mm 含量大于65%的目標。分析認為，溢流管直徑減小將導致沉砂產率增加，使球磨機返砂量增加，球磨機負荷增大，影響球磨臺效及磨礦效率。在溢流管直徑為210mm 的條件下，進行了沉砂嘴直徑分別為120mm、130mm 及140mm 的條件試驗，試驗結果見表4。

隨著沉砂嘴直徑的減小，沉砂產率降低，球磨返砂量降低，磨礦效率提高，物料能夠得到較充分的磨細并從溢流排出。磨礦分級作為一個有機聯系、相互影響的系統(tǒng)［10］，有別于單獨旋流器的分級規(guī)律。由表4 結果可知，系統(tǒng)達到平衡后，返砂比降低，溢流細度及分級效率顯著提高。綜合考慮選擇沉砂嘴直徑為120mm。

4.3 對比試驗研究

對比試驗選擇現場相鄰的1#系列與2#系列進行，其中，1#系列運行5 臺新型FX660-GX-B 旋流器，配置210mm 溢流管及120mm 沉砂嘴；2#系列運行6 臺現有Φ660 旋流器，配置228mm 溢流管及133mm 沉砂嘴。兩個系列同步開展7 天的生產對比試驗，結果見表5。

由表5 可知，與現場2#系列相比，1#系列在少一臺旋流器的情況下，能夠滿足生產需求，且溢流細度更優(yōu)，+0.18mm 粒級含量為7.10%，-0.074mm 粒級含量為65.39%，同時，分級效率顯著提高至59.78%，達到研究預期目標，表明新型旋流器具有明顯的技術優(yōu)勢。

表5 新舊旋流器對比試驗結果

5 結論

（1）對旋流器的結構參數進行分析研究得出，螺旋下旋線式進料管結構、多段錐體及長柱體結構旋流器與現有的漸近線式進料管結構、單錐體及短柱體結構旋流器相比，在提高分離效率方面具有技術優(yōu)勢，可用于指導現場旋流器結構參數優(yōu)化實踐。（2）采用新型FX660-GX-B 旋流器，通過調優(yōu)試驗確定溢流管直徑為210mm、沉砂嘴直徑為120mm，現場生產中獲得了旋流器溢流中+0.18mm 粒級含量為7.10%，-0.074mm 粒級含量為65.39%，分級效率為59.78%的指標，顯著優(yōu)于當前旋流器分級指標，且生產過程中比較穩(wěn)定。