提高水力旋流器分級效率的數(shù)值計算研究

王明嘉

（北方重工集團有限公司，沈陽 110000）

在選礦工業(yè)中，水力旋流器主要應用于分級、分選、濃縮和脫泥[1]。水力旋流器用作分級設備時，主要用來與磨機組成磨礦分級系統(tǒng)；用作脫泥設備時，可用于重選廠脫泥；用作濃縮脫水設備時，可將選礦尾礦濃縮后充填地下采礦坑道。提高水力旋流器的分級效率對于選礦工業(yè)提高生產(chǎn)效率及工廠節(jié)能降耗具有重要意義。水力旋流器控制的關鍵設計參數(shù)是進料口及排料口直徑，水力旋流器本體僅僅是一個安裝這些構件的外殼，通過調(diào)整水力旋流器關鍵設計參數(shù)來提高分級效率是一種有效的途徑[2]。

1 水力旋流器數(shù)值計算

1.1 處理量計算

按照給礦體積，水力旋流器處理量計算的經(jīng)驗公式為[3]：

式中：V為按給礦體積計算的水力旋流器處理量，m3/h；Ka為水力旋流器圓錐角修正系數(shù)；KD為水力旋流器的直徑修正系數(shù)；dn為給礦管當量直徑，cm；dc為溢流管直徑，cm；P0為水力旋流器入口處礦漿的工作計示壓力，MPa。

Ka、KD和dn的計算公式分別為：

式中：a為水力旋流器的圓錐角，當a=10°時，Ka=1.15；當a=20°時，Ka=1.0；D為水力旋流器直徑，cm；b為給礦口寬度，cm；h為給礦口高度，cm。

1.2 分離粒度計算

水力旋流器的分離粒度有著不同的定義，因此就有各種不同的分離粒度計算方法。按溢流中最大粒度（d95粒度）計算分離粒度的公式為[4]：

式中：dH為溢流中最大粒度（d95），μm；βμ為給礦中固體含量，%；Δ 為沉砂口直徑，cm；ρ、ρ0分別為礦漿中固體物料和水的密度，t/m3。

1.3 溢流中窄粒級顆粒回收率E 的計算

根據(jù)紊流擴散模型，溢流中窄粒級顆粒回收率E可記為[5]：

式中：CC和CN分別為窄粒級顆粒在溢流和底流中的濃度，%；X為礦漿在溢流和底流中的體積流量比值。

2 數(shù)值計算結果與測量結果比較分析

在分離粒度不變的情況下，分析在水力旋流器的紊流擴散模型中得到的數(shù)量分離曲線。分析結果表明，分離的精確性隨X的增加而提高。顆粒運動的相對速度隨粒度減小而降低，而細顆粒在水力旋流器中的濃度則趨向均勻分配（CC→CN）,因此這樣的顆粒在溢流中的回收率相當于水的回收率，即

式中：EB為顆粒在溢流中的回收率，%。

溢流中水的回收率同溢流與底流中礦漿體積流量比值的關系，以及在保持原礦中小于74 μm 級別占40%～50%時分級效率（η）同溢流與底流中礦漿體積流量比值的關系如圖1 所示。關系曲線是整理國內(nèi)外選礦廠直徑為350 mm 和500 mm 的水力旋流器分級方面的試驗數(shù)據(jù)得到的。

圖1 溢流中水的回收率及分級效率與參數(shù)X 的 關系曲線

從圖1 可知，X的增加促進溢流中水的回收率和分級效率的提高，當X小于6 時，二者變化最劇烈。在國內(nèi)企業(yè)中，水力旋流器在保證X介于2 ～4 的條件下工作，分級效率不大于0.6，在國外，X一般介于6 ～7，分級效率為0.7 或更大。顯然，提高礦漿在溢流和底流中的體積流量比值是提高水力旋流器中分級效率的途徑之一。因此，要確定這個比值同水力旋流器結構和工作制度參數(shù)的關系。

通過底流口的礦漿流量可以根據(jù)以下方法確定，即水力旋流器中，靠近器壁處流體靜壓力數(shù)值最大，并在靠近空氣柱處減少到大氣壓力，同時轉(zhuǎn)為速度壓頭。此時，靠近底流口處的流體壓力將等于底流口與溢流管同大氣交接處的水位差Hn加上溢流管路（溢流口的入口、溢流管、溢流管出口）的阻力壓頭損失Hc。

水力旋流器的圓錐部分與底流口都是錐形構造，通過它的流量系數(shù)等于μ，而在錐形構造內(nèi)液體所占面積為錐形構造和空氣柱截面積的差。根據(jù)按礦漿計算的水力旋流器生產(chǎn)率公式，比例系數(shù)X可寫為[6]：

式中：Ka和KD分別為水力旋流器錐角和直徑的修正系數(shù)；dnT、dc、dn分別為給礦口、溢流口、底流口的直徑，m；H為水力旋流器入口處礦漿的壓力，kPa。

根據(jù)簡化公式，μ=0.94（水力旋流器的錐角為20°）時，比較計算的XP和測量的X數(shù)值結果如表1 所示。計算時，水力旋流器的尺寸按相關標準選取，Hc數(shù)值按管道計算資料中采用的方法確定。

表1 水力旋流器的基本參數(shù)

3 結論

通過研究分析，水力旋流器底流口尺寸最適宜的比值應滿足以下條件：保證通過溢流口和底流口的礦漿體積流量的比值介于6 ～7。底流口尺寸對這個比值的影響最大。在設計和操作水力旋流器時，必須努力減少溢流管路的阻力。