三產品重介旋流器分選錳礦石模擬與試驗研究

劉國慶 張悅刊 劉培坤 王 輝 葛江波

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

重介旋流器是利用離心沉降原理進行有效分選的設備，具有結構簡單、操作方便、體積小、無運動部件、處理量大、分選效率高等特點［1-2］，被廣泛應用于石油、化工、煤炭、冶金等領域［3-4］。

錳礦是重要的基礎性原料礦產，廣泛應用于鋼鐵、冶金、機械等領域［5-6］，但是隨著對錳礦石的開采，礦產資源日趨貧、雜、細。錳回收工藝中Mn回收率低、品位低是目前不得不面對的難題［7-8］。通常，錳礦石精礦密度在2.6～2.8 g/cm3之間，脈石礦物密度在2.4～2.5 g/cm3之間，精礦和脈石密度差異較小，因此，若在重力場內進行分選，需要將懸浮液密度配置在2.4～2.8 g/cm3之間，如此高密度的懸浮液不僅需要大量的重介質礦粉，同時導致重選錳礦石工藝中存在靈活性不強、生產設備性能較差等問題［9］，故磁選工藝在錳礦石分選中占據了一定的地位［10-12］。雖然磁選工藝中取得了較高的回收率，但是磁選工藝受其作用環境及機理的限制，作用范圍有限。MEHDILO等［13］采用Usinc跳汰工藝分選來自Charagah礦床中的軟錳礦，得到了合格的精礦品位，但是Mn損失約13%，回收率較低。謝俊等［14］采用強磁選和浮選組合工藝，雖然錳精礦品位超過30%，但是該工藝需要經過兩次磨礦、陰陽離子正反浮選等環節，工藝流程長，工程上推廣應用受到限制。

針對以上問題，提出一種采用無壓給料兩段組合式三產品重介旋流器回收錳礦石工藝，通過兩段組合式三產品旋流器，一段低密度懸浮液可以實現二段高密度分選，分選出精礦與脈石礦物。本研究擬采用數值模擬和試驗相結合的方法，研究三產品重介旋流器內部流場特征及參數對分選性能的影響，以期解決錳礦石分選工藝中分選效率及精礦品位低等問題，為錳礦石分選提供借鑒。

1 旋流場數值模擬

物料分離是在旋流場中完成的，旋流場特征對分選精度和分選效率起著決定性作用。旋流器中的流體運動是比較復雜的渦旋運動，為方便闡述旋流器內的流體運動規律，采用數值模擬的方法對流場的形成過程及流場分布特征進行分析，從而為進一步優化流場結構提供理論依據。

1.1 數值模擬方法

為了研究三產品重介旋流器內部流場特征和分離性能，對三產品旋流器進行了三維建模，結構參數如表1所示。利用ICEM-CFD軟件對旋流器進行網格劃分，網格數量為102 240個，網格劃分如圖1所示，采用Fluent19.0軟件對旋流器進行數值模擬分析。

本研究湍流模型采用RSM雷諾應力模型［15-17］，多相流模型采用Mixture模型［18-20］，主相設置為水，次相為重介質。選擇求解控制參數采用壓力-速度耦合SIMPLEC算法，壓力離散格式采用PRESTO!，離散格式采用QUICK。入口設置為velocity-inlet，大小分別設置為3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s，進行不同入口速度的模擬。溢流口和底流口均設置為pressureoutlet，為無滑移壁面函數。選取兩旋流器中心軸所在面為數據分析截面，如圖2所示。切向速度和軸向速度的位置截面圖如圖3所示。

1.2 模擬結果分析

1.2.1 重介質懸浮液密度場分布

重介質懸浮液是由微細硅鐵粉和水組成的分散相體系，旋流器內密度場分布情況直接影響物料分選結果，圖4是入口速度為5 m/s時三產品重介旋流器內懸浮液密度分布圖。由圖4可以看出：在徑向上，不論一段旋流器，還是二段旋流器，其內部懸浮液密度都呈現沿旋流器中心向壁面逐漸增加的趨勢。由于旋流器的濃縮作用，二段旋流器內懸浮液密度比一段旋流器明顯提高，且越靠近底流口，懸浮液密度提高程度越明顯。圖5為懸浮液不同密度時的不同分布區域圖?？梢钥闯觯兔芏葢腋∫褐饕性谝欢?，高密度懸浮液主要集中在二段，通過兩段組合式三產品旋流器，一段低密度懸浮液可以實現二段高密度分選，從而分選出精礦與脈石產物。此結果為工程實踐提供了重要的理論依據。

1.2.2 靜壓力云圖對比

旋流器的靜壓力分布規律對分級效果有重要影響。圖6為旋流器不同入口速度的靜壓力分布對比圖，從圖6可以看出，入口速度不同時旋流器內部壓力分布規律基本一致，即由器壁向軸心，壓力具有逐漸減小的趨勢，且隨著入口速度的增大壓力梯度分布越明顯。流場壓力增大，使顆粒徑向受力增大，有利于顆粒分離，從而改善三產品旋流器的分級效果。

1.2.3 切向速度

離心力場由切向速度場決定，是旋流分離的基礎，在顆粒分離過程中占據主導作用，在速度分量中也是數值最大的。選取一段旋流器截面高度Z=500 mm和二段旋流器截面高度Z=680 mm處的切向速度，圖7為不同入口速度時的切向速度對比圖，可以觀察到，隨著半徑的減小，切向速度呈現出先增大后減小的趨勢。在接近溢流管壁時達到最大值，而后快速變小，在旋流器中心位置處達到最低值。且隨著入口速度的增大，切向速度也隨之增大，所以入口速度適當增大對錳礦石的分選有利。

1.2.4 軸向速度

軸向速度不但決定顆粒在旋流器內部停留時間的長短，而且決定著底流和溢流的流量分配情況，進而影響分離效果。圖8為不同入口速度時的軸向速度對比圖，兩段旋流器中的軸向速度均符合軸對稱分布規律。從軸向速度的大小上看，其隨入口速度的增大而增大。在二段旋流器中，軸向速度在旋流器壁面處的速度為0，隨著向軸心的靠近，軸向速度先增大到一定值，然后又減小至0，繼續減小到某一最小值后，又反向增大至某一最大值，表明軸向速度兩次通過零點，將速度為0的點連起來的面則為內旋流和外旋流的分界面，即零速包絡面（見圖9）?？梢钥闯鲈诹闼侔j面以內，一、二段旋流器的懸浮液從溢流管流出；在零速包絡面以外，一段旋流器的懸浮液從連接管流出，二段旋流器的懸浮液從底流管流出。這樣低密度產物就從零速包絡面內排出，高密度產物就從零速包絡面外排出，從而完成精礦和尾礦的分選。

2 試驗及結果分析

2.1 試樣性質

試驗所用礦樣為海相沉積型軟錳礦，錳礦石密度為2.6～2.8 g/cm3，脈石密度為 2.4～2.5 g/cm3，原礦錳品位28.25%，粒度組成為-8 mm+1 mm。

2.2 試驗系統

圖10為錳礦回收試驗系統圖，主要由無壓給料三產品重介質旋流器、介質桶、渣漿泵、閥門等組成。原礦石由一段旋流器上端入料口無壓給入，重介懸浮液在一定的壓力條件下從一段旋流器的入料口沿切線進入旋流器，在離心力作用下，礦石與受到濃縮的重介質懸浮液一起沿切線方向進入二段旋流器，高密度產物進入底流口排出，即精礦。低密度產物進入溢流口排出，即尾礦。

2.3 試驗結果及討論

2.3.1 入料壓力對分選效果的影響

入料壓力決定著懸浮液在旋流器中濃縮的程度以及錳礦石在旋流器中停留的時間長短。為探索壓力對錳礦石分選效果的影響，設置二段旋流器懸浮液密度為2.60 g/cm3。通過調節入料壓力分別為：0.06 MPa、0.07 MPa、0.08 MPa、0.09 MPa、0.10 MPa，考察壓力條件對分選指標的影響，結果見圖11。

由圖11可知，精礦產率和精礦品位均隨入料壓力的增大而升高。但在壓力達到0.08 MPa后精礦產率上升減緩，此時，精礦品位達到最高44.00%，之后呈下降趨勢。這表明了壓力到達一定值后再提升壓力，錳礦石的的分選效果反而變差。綜合考慮分選錳礦石指標的升降幅度，分選錳礦石最佳壓力設置為0.08 MPa，此時獲得的精礦產率為33.95%。

2.3.2 懸浮液密度對分選效果的影響

懸浮液密度是決定錳礦石在旋流器中分選效果的主要因素，為探索密度對錳礦石分選效果的影響，設置入料壓力為0.08 MPa，通過調節懸浮液密度分別為：2.50 g/cm3、2.55 g/cm3、2.60 g/cm3、2.65 g/cm3、2.70 g/cm3，考察密度條件對分選指標的影響，結果見圖12。

由圖12可知，精礦產率隨著二段懸浮液密度的升高而下降，相反，精礦品位隨著二段懸浮液密度的升高而升高。當二段懸浮液密度由2.50 g/cm3增加到2.60 g/cm3時，精礦品位由32.00%迅速提高至44.58%，精礦產率由55.58%下降至36.00%，說明大部分精礦密度在2.5 g/cm3至2.6 g/cm3之間。當二段懸浮液密度由2.60 g/cm3增加到2.70 g/cm3時，精礦品位由44.58%提升至47.02%，變化不明顯，此時的精礦產率變化也不明顯，都處于較為平穩狀態。綜合考慮錳礦石分選指標的增減幅度與使用介質成本，分選錳礦石的最佳密度設置為2.60 g/cm3，此時獲得的精礦產率為36.00%。

3 結 論

針對錳礦石難以分選的問題，提出了無壓給料三產品重介旋流器分選錳礦石工藝，并進行了數值模擬和試驗研究，結論如下：

（1）采用無壓給料重介質選礦工藝可以實現精礦與脈石的有效分選。試驗結果表明，在入料壓力為0.08 MPa、二段懸浮液密度為2.60 g/cm3條件下分選錳礦石，獲得的精礦產率為36.00%，Mn在原礦中的品位為28.25%，試驗所得精礦中Mn品位為44.58%，Mn回收率高達56.81%。

（2）數值模擬預測了三產品重介旋流器的流場特征，為流場結構優化提供了理論依據。

（3）三產品重介旋流器具有低密度懸浮液，可以實現高密度分選的優點。但需要指出的是分選介質的穩定性受多種因素的影響，因此分選介質的穩定性是接下來需要進一步深入研究的重要課題。