水力旋流器結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究現(xiàn)狀及展望*

李子凌 楊雅婷 胡海祥，23

（1.贛南科技學(xué)院；2.崇義章源鎢業(yè)股份有限公司）

水力旋流器最早出現(xiàn)于1891年，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、空間需求小、處理范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于選礦、化工、冶金、環(huán)境等行業(yè)，其工作原理是離心沉降，內(nèi)部粗細(xì)顆粒之間存在著粒度差和密度差，經(jīng)離心沉降，多數(shù)粗顆粒通過沉砂口排出，多數(shù)細(xì)顆粒向溢流管排出，達(dá)到分離分級的目的。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，人們對水力旋流器性能的要求越來越高，諸多學(xué)者專注于水力旋流器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的研究。目前，結(jié)構(gòu)改進(jìn)已成為水力旋流器發(fā)展研究中的重要方向之一。

1 水力旋流器概況

1.1 結(jié)構(gòu)組成

水力旋流器構(gòu)造簡單，主要包括溢流管、給礦口、錐角、錐體和沉砂口等，主要影響其工作效率的參數(shù)有給礦口直徑、溢流管直徑、椎體高度和錐角角度、沉砂口直徑。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

水力旋流器在選礦領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于磨礦、脫泥、濃縮、除雜、尾礦分級與回填等作業(yè)工序，具體為：①磨礦分級。分級時與磨礦設(shè)備連用，進(jìn)行預(yù)先分級或球磨機(jī)粗粒和細(xì)粒的分級。②脫泥選礦。水力旋流器可對各種礦物中的泥、浮選藥劑進(jìn)行脫除處理，對于非金屬礦物可去除粗砂，回收精礦。③濃縮脫水。水力旋流器可以將濃度過低的礦漿進(jìn)行濃縮，使其達(dá)到工藝礦漿濃度要求。④提質(zhì)除雜。在選礦過程中可對礦物中存在的雜質(zhì)進(jìn)行處理，從而達(dá)到設(shè)計礦物含量要求。⑤分級回填。尾礦筑壩的材料有粒度要求，利用旋流器進(jìn)行分級，可將不符合粒度要求的顆粒篩出。

1.3 分級原理

水力旋流器是利用離心力場分級顆粒的設(shè)備，可從速度分布、壓力分布、粒度分布的基本規(guī)律來分析其分級原理：①速度分布。水力旋流器切線速度分布符合組合渦運(yùn)動規(guī)律，組合渦是一種復(fù)合渦運(yùn)動，由自由渦（n＝1）和強(qiáng)制渦（n=-1）組成。崔寶玉等［1］研究表明，在流場內(nèi)部n=-1為強(qiáng)制渦運(yùn)動，在外部n=0.5～0.58為半自由渦運(yùn)動。②壓力分布。水力旋流器的給礦壓力是按照周邊到自然分界面間壓力降的大小確定。旋流器沿徑向（0≤r≤R）的壓力降和水頭損失是半自由渦域（rm≤r≤R）與強(qiáng)制渦域（0≤r≤rm）的壓力降和水頭損失兩者連續(xù)過程的總體。③粒度分布。用水力旋流器的等降比e0計算可得到被分離物料在不同徑向位置的粒度分布，不同粒度和不同密度的物料會沿徑向位置逐級分布。袁惠新等［2］研究結(jié)論表明，不同粒度的顆粒有著不同的分離效率，與等降比e0有密切的關(guān)系。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

2.1 給礦口直徑及入口給礦方式

給礦口的大小對處理能力、分級粒度及分級效率均有一定的影響，給礦方式不適合一般會帶來器壁磨損、能量消耗、短路流量偏高等問題。目前，給礦方式均改為漸開線、螺旋線或同心圓給礦等。

秦同文［3］針對常規(guī)柱錐式旋流器在工業(yè)現(xiàn)場存在磨礦循環(huán)負(fù)荷過大、沉砂嘴頻繁堵塞的問題，提出一種新型蝸殼預(yù)分級給料柱式旋流器，其入料特點(diǎn)為物料進(jìn)入旋流器之前進(jìn)行預(yù)沉降，讓物料均勻分布于進(jìn)料體斷面。試驗(yàn)結(jié)果表明，溢流細(xì)度提高3.02個百分點(diǎn)，沉砂夾細(xì)量降低6.14%，分級質(zhì)效率及量效率分別提高15.78%和13.24%，入料壓力降低0.06 MPa，達(dá)到了降低旋流器能耗和磨損的目的。

俞良英等［4］針對給料管前端加裝閥門使入料管的切線口之間產(chǎn)生渦流和儲流，導(dǎo)致固液分離效果變差等問題，發(fā)明了一種進(jìn)料橫截面積可調(diào)的給料管，即在物料入口處添加1塊根據(jù)沉砂口排料情況來調(diào)整控制出料濃度的滑動調(diào)節(jié)滑板，從而根據(jù)固液比調(diào)節(jié)出料濃度使分離效果達(dá)到最佳。

叢龍斐等［5］為提高磨礦分級效率，將旋流器的進(jìn)料體由導(dǎo)向螺旋線形式改進(jìn)為雙渦耦合導(dǎo)向形式，改進(jìn)后給料管中的礦漿被雙圓周曲線流道和下旋導(dǎo)向結(jié)構(gòu)引導(dǎo)在旋流柱體外預(yù)先分級，礦漿顆粒有序進(jìn)入旋流柱內(nèi)。壓力單因素試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)型旋流器在運(yùn)行壓力0.10 Mpa時，分級質(zhì)效率達(dá)到最大值51.71%，而改進(jìn)型旋流器在0.08 Mpa時，分級質(zhì)效率達(dá)到最大值56.00%。

汪威等［6］針對高壓流體混有一定的固體會導(dǎo)致旋流器器壁磨損和維修成本較高的問題，發(fā)明了一種法向入口的超高壓旋流器，即進(jìn)料管沿旋流筒法向放置，物料通過筒體法線進(jìn)入，依托擋板和導(dǎo)流板的引流使物料中顆粒受到的向心力增大，進(jìn)一步使得旋流器的分離精度和分離效率得到提高。

趙旭龍等［7］針對漸開線入料水力旋流器存在的分級效率低，循環(huán)負(fù)荷比例高等問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)螺旋線旋流器紊流現(xiàn)象明顯較少。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋線旋流器較漸開線旋流器弱磁一段磨礦分級中-0.074 mm分級量效率提高12.18%，質(zhì)效率提高5.81%，返砂比降低209%，-0.038 mm分級量效率提高8.94%，分級質(zhì)效率提高1.96%，返砂比降低147%，有利于后續(xù)濃縮沉降和脫水作業(yè)。

2.2 溢流管直徑和形式

水力旋流器溢流管直徑和形式的不同將會帶來工藝指標(biāo)的不同。在生產(chǎn)過程中不能無限地增大或減小溢流管直徑，因各個結(jié)構(gòu)之間存在一定的限制比例關(guān)系，這一限制比例關(guān)系維護(hù)著其固有的規(guī)律。

張玉等［8］針對同時更換溢流管與其相對應(yīng)的筒體、人工和硬件成本都過高等問題，發(fā)明了一種旋流器變徑溢流管，其特點(diǎn)為通過調(diào)節(jié)變徑管達(dá)到改變溢流管直徑的目的，不需要更換相應(yīng)筒體，可實(shí)現(xiàn)溢流管直徑在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。該種旋流器在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)用性強(qiáng)，使人工和設(shè)備成本都有所降低。

胥聰聰?shù)龋?］針對目前多數(shù)水力旋流器存在的溢流跑粗問題，提出了弧形溢流管替代傳統(tǒng)直線形，數(shù)值模擬結(jié)果表明，最大切線速度可提高7.80%，且在旋轉(zhuǎn)半徑相同的條件下，離心強(qiáng)度增強(qiáng)，分級粒度變細(xì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，排口比相同的情況下，對于-25 μm粒級，溢流濃度提高0.47%、溢流中-25μm含量提高1.51%，溢流跑粗現(xiàn)象和分離效果得到改善。

高福斌［10］針對介耗問題，對重介旋流器溢流端的下料溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在套箱前端增設(shè)一下料口，尾端下料口與精煤固定篩入料溜槽之間新增一溜槽，其水平面夾角為30°使得物料進(jìn)入精煤固定篩的方式由垂直降落變成沿斜坡滑落。工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，選煤的介質(zhì)消耗從之前的2.70 kg/t變成了改進(jìn)后的1.60 kg/t，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

姬躍平［11］針對選煤廠產(chǎn)出煤存在發(fā)熱量過低等問題，將三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器溢流管直徑由350 mm更換成300 mm［12］。試驗(yàn)結(jié)果表明，精煤灰分達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，分選精度的可能偏差一段小于0.03 g/cm3，二段小于0.06 g/cm3，分選精度、精煤數(shù)質(zhì)量、中煤發(fā)熱量相比之前均得到提升，末煤系統(tǒng)操作難度降低，介耗水平得到控制。

王馳等［13］為總結(jié)溢流管直徑的改變對三錐角旋流器分選結(jié)果影響的一般性規(guī)律，通過對不同溢流管直徑下三錐角旋流器內(nèi)部清水流場進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，隨著溢流管直徑增大，溢流密度提高，三錐角旋流器的溢流+0.20 mm灰分和產(chǎn)率均升高，底流+0.20 mm灰分升高，產(chǎn)率下降。

2.3 錐角和椎體高度

水力旋流器錐角通常指其錐體部分的夾角，水力旋流器錐角的大小和錐體的長短影響物料在其內(nèi)部分離的快慢，一般最佳錐角接近20°。

崔廣文等［14］針對傳統(tǒng)煤泥重介旋流器在分選時存在磁選效率偏低、入料不穩(wěn)定等問題，發(fā)明了一種三錐角煤泥水介分選旋流器，其錐體由3個不同圓臺拼接而成，從上到下3個錐角角度依次為100°～150°、50°～90°、15°～40°。試驗(yàn)結(jié)果表明，直徑100 mm的旋流器，當(dāng)入料礦漿濃度控制在100～180 g/L，入料壓力控制在0.05～0.12 MPa，溢流管插入深度控制在40～80 mm時，有較好的分選效果。

許慧林等［15］針對旋流器存在的溢流跑粗和底流夾細(xì)嚴(yán)重、分離精度低等問題，提出一種復(fù)合曲錐旋流器，其上錐段向軸心內(nèi)凹，下錐段由軸心向外凸。數(shù)值模擬結(jié)果表明，分離粒度增加5.53μm，分離精度提高0.132，其中5μm粒級的底流回收率降低4.58個百分點(diǎn)。

王磊等［16］為提高旋流器分級精度，通過對旋流器柱段高度以及柱錐比例進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后一級錐體錐角大、長度短，二級錐體錐角較小、長度長，改進(jìn)后投入二段磨礦分級中應(yīng)用。數(shù)據(jù)表明，返砂比平均降低375%，分級質(zhì)效率平均提高19.19%，產(chǎn)品粒度指標(biāo)P80提高5.45μm，精礦品位提高1.96個百分點(diǎn)，為選廠提產(chǎn)提供了依據(jù)。

叢龍斐等［17］為探究進(jìn)料體柱段和錐角等結(jié)構(gòu)對旋流器性能的影響，通過設(shè)計三段深度旋流器濃縮工藝進(jìn)行了單因素（壓力）對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，縮小錐角、縮短柱段等措施，使工業(yè)現(xiàn)場總細(xì)粒尾礦泵輸送量達(dá)到400 m3/h，輸送尾礦濃度9%左右，充填濃度≥68%，回水濃度≤2%，使旋流器的濃縮性能和凈化能力得到明顯提升。

曾祥龍等［18］針對水力旋流器處理物料存在溢流粒度兩極分化和底流夾細(xì)等問題，進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究。研究結(jié)果表明，增大柱段高度、小錐錐角和沉砂口上錐角角度，都會使底流夾細(xì)量降低。工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，底流-75μm粒級夾細(xì)量下降1.78%，底流-30μm粒級夾細(xì)量下降1.60%。

2.4 沉砂口直徑及形式

沉砂口是旋流器最易磨損的部件，其大小對分離效果影響十分明顯。合理調(diào)整沉砂口和溢流口直徑之比是改善分離粒度和提高分級效率的有效手段。

高淑玲等［19］為研究沉砂口直徑和錐角對水力旋流器性能的影響，對其內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，增大沉砂口直徑，旋流器流場內(nèi)壓強(qiáng)降低，沉砂口區(qū)域內(nèi)的壓強(qiáng)梯度增大，同時沉砂口直徑和錐角的變化對旋流器流場存在交互影響。宮振宇等［20］為研究沉砂口直徑在旋流器性能方面的影響，通過使用體積法，在流化催化裂化（FCC）催化劑-水液固體系內(nèi)，進(jìn)一步測算出顆粒濃度和分離效率。數(shù)據(jù)顯示，隨著沉砂口直徑增大，分流比和分離效率都提高，低濃度體系內(nèi)底流濃度降低，高濃度體系內(nèi)溢流濃度降低。

劉培坤等［21］針對水力旋流器沉砂口磨損大，導(dǎo)致底流灰分偏高等問題，提出了一種新型可調(diào)沉砂口旋流器，其在旋流器沉砂口處加裝一個錐形結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)錐形結(jié)構(gòu)的上下位置可改變沉砂口當(dāng)量直徑。工業(yè)現(xiàn)場使用350 mm×14旋流器的試驗(yàn)結(jié)果表明，可調(diào)底流口型旋流器比準(zhǔn)55 mm固定底口旋流器的產(chǎn)率高8.70個百分點(diǎn)，底流濃度和底流灰分比準(zhǔn)50 mm固定底流口的分別增高8.30%和降低0.20%～1.03%。

2.5 其他結(jié)構(gòu)

入口形式、溢流管形式、沉砂口、錐角和錐體長度等主要結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，會對旋流器性能參數(shù)變化產(chǎn)生影響。此外，通過更換旋流器內(nèi)襯、篩柱段添加篩網(wǎng)等措施都可起到優(yōu)化旋流器工藝參數(shù)的作用。

張東義［22］針對旋流器存在耐磨內(nèi)襯壽命短、維護(hù)成本高等問題，改進(jìn)旋流器內(nèi)襯，開發(fā)引進(jìn)耐磨材料——燒結(jié)型碳化硅，其擁有超高的硬度及耐磨性能，又有較好的機(jī)械性能和自潤滑功能［23］。工業(yè)現(xiàn)場對多種旋流器使用壽命進(jìn)行對比，結(jié)果表明，用碳化硅制作的內(nèi)襯使用壽命是氧化鋁陶瓷的3～5倍，是耐磨合金的10倍以上，且改進(jìn)后精煤回收率提高1個百分點(diǎn)以上。

李倩倩［24］針對底流夾細(xì)的問題，提出在圓柱導(dǎo)流筒下端口連接處增設(shè)圓柱筒篩網(wǎng)與圓錐筒篩網(wǎng)。研究表明，采用直徑0.188 mm鋼絲篩網(wǎng)、長度115 mm的柱段篩網(wǎng)時，旋流器的脫泥效率高達(dá)95.12%，溢流和篩下產(chǎn)品中95%的顆粒粒度都在0.10 mm以下。孫毅等［25］就固液混合物料在旋流器中產(chǎn)生的空氣柱對旋流器的分離精度和分級效率存在影響，設(shè)計了一種內(nèi)置扭帶水力旋流器，其特點(diǎn)是在沉砂口上方增設(shè)與沉砂口等徑的扭帶。數(shù)值模擬結(jié)果表明，扭帶消除了空氣柱對底流排出的阻礙作用，提高了分離效率、分離精度，使溢流水合物含量提高。200 mm非變徑扭帶與水力旋流器的配合，使其分離效果實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。

3 發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望

3.1 發(fā)展趨勢

水力旋流器是體現(xiàn)旋流分離技術(shù)最全面的設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、安裝方便、運(yùn)行費(fèi)用低、操作方便靈活、處理工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，如今已在煤炭、金屬礦、石油、天然氣等礦產(chǎn)資源加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今許多選礦廠礦物加工過程中，水力旋流器以其最基本的結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于脫泥、濃縮、磨礦回路中的分級作業(yè)。如今大多數(shù)選礦廠中，水力旋流器基本上已代替原來的螺旋分級機(jī)，并和球磨機(jī)搭配，漸漸形成一套較為完善的磨礦—分級閉路流程。

3.2 未來展望

不同選廠的選礦流程和礦石性質(zhì)存在差異，所采用的分級設(shè)備結(jié)構(gòu)也不盡相同。如何快速根據(jù)選廠實(shí)際工藝指標(biāo)調(diào)整旋流器參數(shù)值，是現(xiàn)階段水力旋流器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的趨勢所向。旋流器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)趨勢如下。

（1）現(xiàn)代化分析測試工具與智能化設(shè)備的利用。現(xiàn)代化分析測試工具與智能化設(shè)備能高效確定給礦濃度、進(jìn)口礦量、礦粒粒度等工藝參數(shù)，由選廠中測試車間確定并實(shí)時更新，智能化設(shè)備進(jìn)行參數(shù)控制［26］，相對于人工測量極大地節(jié)了省人力和物力。

（2）創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)改進(jìn)。現(xiàn)階段旋流器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究已趨于成熟，如何通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)使旋流器的性能發(fā)生質(zhì)變是現(xiàn)階段的難題，學(xué)者們也提出過許多創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，但只有少部分具有突出性成就，創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)改進(jìn)和結(jié)構(gòu)搭配改進(jìn)仍存在巨大的發(fā)展空間和無限的可能。

（3）材料新型化。目前旋流器材料多為鋼鐵，存在許多因旋流器制造選材和利益最大化相沖突等問題。新型高分子材料、復(fù)合材料或生物材料的引入，可提高設(shè)備的物理化學(xué)性能，有望增加設(shè)備耐磨度及耐腐蝕度，適當(dāng)減少維修和人工成本。