螺旋分選機研究進展

葉貴川， 馬力強

(1. 太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2. 中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，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備，目前廣泛應用于金屬礦、海濱砂礦以及煤炭分選中。相對于其他分選設備，螺旋分選機具有結構簡單、分選效率高、無噪音、無動力部件、維修費用少、使用期限長等優點。螺旋分選機出現較早，直到20世紀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，優化螺旋分選機結構，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展。近年來，由于礦業、煤炭業的快速發展，以及當前固體廢棄物處理的急迫需求，螺旋分選機以其能耗低、結構簡單等優勢受到青睞。本文主要綜述了螺旋分選機近年來的理論研究成果、設備優化現狀以及新的研究手段，力求為螺旋分選機的發展提供參考。

1 螺旋分選機理論研究進展

21世紀以來，傳統的研究方法已不足以支撐螺旋分選理論的進一步完善以及螺旋分選設備的進一步優化。學者對螺旋分選機的研究開始向螺旋分選過程的數值模擬與檢測發展，截料器的智能化調控近年來得以突破。螺旋分選機的研究進展可以分為3個方面：一是螺旋分選機流場的研究進展；二是螺旋分選過程的研究進展；三是螺旋分選機工藝優化及智能化調控研究進展。

1.1 螺旋分選機流場

螺旋分選機流場分布復雜，通常認為，螺旋分選機流場主要分主流(沿螺旋線向下運動)和徑向環流兩類。基于流體力學相關理論對螺旋分選機中縱向、徑向速度進行理論計算是研究螺旋分選機流場分布特性的重要手段，但理論公式的推導對螺旋分選機中流場做了諸多假設，只能對螺旋分選機中流場分布特性進行定性分析。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，應用廣泛，但測試精度有限，尤其是針對螺旋分選機內緣流膜較薄的區域。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流的大小，但該方法對操作要求較高，不易實現。陳廷中等[4]提出用電解質電測法測定螺旋分選機中的流場分布情況，這種方法對設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緣的速度分布。

隨著計算流體力學的興起，利用數值模擬方法來模擬螺旋分選機中流場分布特性是當前的研究熱點。Doheim[6]、Matthews[7]、Ye等[8]借鑒明渠流的數值模擬方案，基于VOF多相流模型對螺旋槽中流體分布特征進行數值模擬，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流的存在，細化了螺旋分選機中的流場分布特征，為進一步研究結構參數/操作參數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研究經歷了理論分析、試驗測定和數值模擬的演變，各研究方法的主要成果、優勢和不足見表1。

表1 螺旋分選機流場研究的相關研究方法

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律，都難以準確測量內緣薄流膜區域的縱向速度、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行檢測，是未來必須解決的問題之一。數值模擬技術可較為準確地預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值模擬需要提高計算效率，并進一步優化模擬精度，從而更準確地揭示螺旋分選機中的流場分布特征，便于通過數值模擬研究徑向環流等流場特征的調控機制。

1.2 螺旋分選過程

螺旋分選的實質是顆粒松散—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。通常認為拜格諾剪切力是顆粒在薄流膜中實現分層的根本原因[9]。顆粒在螺旋分選過程中的徑向分帶規律從動力學分析、分選試驗、示蹤試驗以及數值模擬方面都取得廣泛關注。

長期以來，顆粒在螺旋分選機中的動力學分析是研究的熱點和難點。傳統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行動力學分析[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建自然坐標系，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雜的受力進行簡化，建立了顆粒在螺旋槽中徑向位置的數學模型，基于該模型得出結論：顆粒達平衡狀態后的徑向距離隨螺距、流量以及內徑的減小而減小，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，通常采用閉路循環系統，利用特殊設計的截料裝置對螺旋槽不同位置物料進行取樣分析。基于傳統煤泥分選試驗，Atasoy等[18]、Li等[19]發現中間密度顆粒在外緣和內緣均有較多分布[19]，證實了部分中等密度顆粒在螺旋分選機精煤區聚集導致螺旋分選精度較低的事實。諸多學者研究了操作參數對煤用螺旋分選機分選效果的影響。表明提高流量會導致中間密度和低密度礦物向外緣運動，導致精煤灰分和產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，正電子發射型顆粒追蹤技術(positron emission particle tracking，PEPT)用于檢測顆粒在螺旋分選機中的運動規律，是螺旋分選機理論研究的一大突破。待測顆粒經特殊處理后因同位素衰變產生正電子信號，通過對該信號進行實時檢測并進行重構計算，可以獲取待測顆粒的三維空間位置，實現顆粒運動行為的動態在線檢測，其試驗系統及試驗結果如圖1所示(v為電子中微子)[26-28]。

圖1 PEPT測試系統及測試結果

基于PEPT技術，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值模擬也是研究熱點。學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實條件，模擬結果與試驗結果仍有較大差距。

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，進而分析結構參數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律的相關研究方法及其優勢和不足見表2。可知針對顆粒在螺旋分選機中的分帶，借助PEPT技術，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、揭示結構參數對顆粒運動行為的影響規律具有重要意義。數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，未來的數值模擬還應優化算法，考慮顆粒碰撞的前提下對大量顆粒進行數值模擬，提升模擬結果對設備優化設計的可參考性。

表2 顆粒在螺旋分選過程中的徑向分帶規律的研究方法

1.3 螺旋分選機工藝優化及智能化調控

螺旋分選機截料器智能化調控如圖2所示。Mohanty等[35]針對煤用螺旋分選機，在螺旋槽的內緣和外緣分別安裝了配有傳感器的感應槽，用以測定感應槽位置的礦漿濃度、導電性，經過特殊的算法調節位于感應槽之間的截料器位置，從而實現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、尾礦的分帶區域，進而通過計算機命令實現截料器位置的智能化調控(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上將精煤產率提高3.86%。

圖2 螺旋分選機截料器智能化調控

總體而言，螺旋分選機工藝優化及智能化調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之間的適配關系還有待明確，實際分選作業中，截料器感應精度和圖像識別精度有待提高。

2 螺旋分選機應用及設備優化現狀

2.1 煤用螺旋分選機應用現狀

美國、澳大利亞等產煤國，螺旋分選機是常規粗煤泥分選設備[41]。由于其分選密度較高，目前在我國主要應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，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，以及國內開發的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多為6.0～6.5圈，距徑比0.4左右，目的是創造物料良好分層環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技術公司生產的CARPCO CS2000型螺旋分選機應用于潞安礦業集團漳村選煤廠。CARPCO CS2000型螺旋分選機包含穩定槽、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2.0～3.5 t/h，可以實現0.1～2.0 mm煤泥有效分選，分選密度1.5～2.0 g/cm3[42]。潞安礦業集團余吾礦選煤廠應用了威海海王公司生產的LXA1000型螺旋分選機。LXA1000型螺旋分選機在第3圈配備了預先排矸尺，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2～4 t/h，可實現0.1～2.0 mm煤泥有效分選，分選密度1.5～2.0 g/cm3。該設備可能偏差為0.135 g/cm3，不完善度為0.18，數量效率為97.5%[43]。趙娟等[44]介紹了螺旋分選機在寧煤集團太西選煤廠二分區的應用。針對選煤廠入選原煤煤質變差，導致煤泥系統分選效果下降的問題，采用螺旋分選機分選無煙煤粗煤泥，降低了浮選系統處理能力，提高了分選效果和經濟效益。石堅[45]將螺旋分選機作為一種預處理設備，對浮選入料經過磨礦-螺旋拋尾處理，改善了浮選效果。

2.2 新型螺旋分選機設計

新型螺旋分選機設計包括結構參數優化、新型結構、新材料應用以及引入外力等。南非MTI公司研發了一種低分選密度的螺旋分選機(low-cut spiral separator)，設備有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。該設備采用較低的距徑比、較長的分選圈數創造較為平穩的分層環境，延長煤泥分選時間，促進中高密度顆粒的分選。試驗表明產率降低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]設計了一種煤用隔條螺旋溜槽，在螺旋溜槽面鋪設一定厚度和角度的格條引流尾煤，減弱尾煤對精煤分選區域的影響。由于格條具有一定的厚度，礦漿在流經格條時將產生水躍現象，從而促進床層的松散分層。分選試驗表明：相對于無格條時，在正角度范圍內，各粒級精煤灰分和精煤產率均升高；在負角度范圍內，細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，產生水躍現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、細礦石的選別指標，具有節能、降耗、高效和環保等特點。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律，基于動力學分析、數值模擬及分選試驗，設計了超低距徑比的復合槽面螺旋分選機(內緣立方拋物線、外緣橢圓型)，在粗選階段預排矸，分選密度可降低至1.543 g/cm3，相較于采用傳統參數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的情況下，分選效率分別提高了19.41%、13.11%。王超等[50]以空氣介質代替水介質，在螺旋槽面下方沿螺旋線方向鋪設氣流通道，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緣的趨勢，實現對磁性物料的分選。Vysyaraju等[52]基于螺旋分選機結構特性設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 螺旋分選機新的應用領域

基于螺旋分選機結構簡單、無動力部件等特點，設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行預富集，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利用方面也得到了很多應用，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備發揮了重要作用。

3 結語與展望

隨著研究手段進步，螺旋分選機分選理論進一步完善，設備和工藝得到優化，應用領域擴大。未來螺旋分選機研究重點主要還是利用PEPT技術、數值模擬技術等先進手段，進一步研究槽面形狀、距徑比(螺距直徑之比)等結構參數對螺旋分選機流場分布特性、分選過程的影響，配合結構、工藝、新材料運用方面的改進，力爭在提高分選精度、擴大分選密度調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律，探索多流態復合力場中影響顆粒運動行為的關鍵因素，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備發展的根本。

2)針對螺旋分選機薄流膜的特性，設計精度高、操作性強的薄流膜流場檢測系統，實現螺旋分選機流場分布特征的有效檢測，同時優化流場數值模擬方案，提升數值模擬精度，深入分析二次環流的形成、強弱、作用以及調控手段，是完善螺旋選礦機理，優化螺旋分選機結構參數的必經之路。

3)建立顆粒群在螺旋分選過程中的運動模型，設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律，利用先進的顆粒示蹤技術和數值模擬技術，揭示螺旋分選機結構參數與顆粒徑向分布的適配關系。

4)基于螺旋分選機結構簡單、無動力部件等特點，螺旋分選機在固廢處理、稀有礦物預富集等方向具有較大的潛力。設計“各專用”螺旋分選機時，應綜合動力學分析、流場特征/顆粒運動行為的檢測與模擬結果，結合各物料性質，有針對性地優化螺旋分選機結構參數，實現有用礦物的高效富集。