水力旋流器結構改進研究現狀及展望*

李子凌 楊雅婷 胡海祥，23

（1.贛南科技學院；2.崇義章源鎢業股份有限公司）

水力旋流器最早出現于1891年，因其具有結構簡單、操作便捷、空間需求小、處理范圍廣等優點，被廣泛運用于選礦、化工、冶金、環境等行業，其工作原理是離心沉降，內部粗細顆粒之間存在著粒度差和密度差，經離心沉降，多數粗顆粒通過沉砂口排出，多數細顆粒向溢流管排出，達到分離分級的目的。進入21世紀后，隨著科學技術發展迅速，人們對水力旋流器性能的要求越來越高，諸多學者專注于水力旋流器結構改進的研究。目前，結構改進已成為水力旋流器發展研究中的重要方向之一。

1 水力旋流器概況

1.1 結構組成

水力旋流器構造簡單，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 應用領域

水力旋流器在選礦領域廣泛應用于磨礦、脫泥、濃縮、除雜、尾礦分級與回填等作業工序，具體為：①磨礦分級。分級時與磨礦設備連用，進行預先分級或球磨機粗粒和細粒的分級。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行濃縮，使其達到工藝礦漿濃度要求。④提質除雜。在選礦過程中可對礦物中存在的雜質進行處理，從而達到設計礦物含量要求。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備，可從速度分布、壓力分布、粒度分布的基本規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動規律，組合渦是一種復合渦運動，由自由渦（n＝1）和強制渦（n=-1）組成。崔寶玉等［1］研究表明，在流場內部n=-1為強制渦運動，在外部n=0.5～0.58為半自由渦運動。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）與強制渦域（0≤r≤rm）的壓力降和水頭損失兩者連續過程的總體。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有密切的關系。

2 結構改進研究

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］針對常規柱錐式旋流器在工業現場存在磨礦循環負荷過大、沉砂嘴頻繁堵塞的問題，提出一種新型蝸殼預分級給料柱式旋流器，其入料特點為物料進入旋流器之前進行預沉降，讓物料均勻分布于進料體斷面。試驗結果表明，溢流細度提高3.02個百分點，沉砂夾細量降低6.14%，分級質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生渦流和儲流，導致固液分離效果變差等問題，發明了一種進料橫截面積可調的給料管，即在物料入口處添加1塊根據沉砂口排料情況來調整控制出料濃度的滑動調節滑板，從而根據固液比調節出料濃度使分離效果達到最佳。

叢龍斐等［5］為提高磨礦分級效率，將旋流器的進料體由導向螺旋線形式改進為雙渦耦合導向形式，改進后給料管中的礦漿被雙圓周曲線流道和下旋導向結構引導在旋流柱體外預先分級，礦漿顆粒有序進入旋流柱內。壓力單因素試驗表明，傳統型旋流器在運行壓力0.10 Mpa時，分級質效率達到最大值51.71%，而改進型旋流器在0.08 Mpa時，分級質效率達到最大值56.00%。

汪威等［6］針對高壓流體混有一定的固體會導致旋流器器壁磨損和維修成本較高的問題，發明了一種法向入口的超高壓旋流器，即進料管沿旋流筒法向放置，物料通過筒體法線進入，依托擋板和導流板的引流使物料中顆粒受到的向心力增大，進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，循環負荷比例高等問題進行研究，發現螺旋線旋流器紊流現象明顯較少。試驗結果表明，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%，分級質效率提高1.96%，返砂比降低147%，有利于后續濃縮沉降和脫水作業。

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的不同。在生產過程中不能無限地增大或減小溢流管直徑，因各個結構之間存在一定的限制比例關系，這一限制比例關系維護著其固有的規律。

張玉等［8］針對同時更換溢流管與其相對應的筒體、人工和硬件成本都過高等問題，發明了一種旋流器變徑溢流管，其特點為通過調節變徑管達到改變溢流管直徑的目的，不需要更換相應筒體，可實現溢流管直徑在一定范圍內自由調節。該種旋流器在實際生產中實用性強，使人工和設備成本都有所降低。

胥聰聰等［9］針對目前多數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直線形，數值模擬結果表明，最大切線速度可提高7.80%，且在旋轉半徑相同的條件下，離心強度增強，分級粒度變細。試驗結果表明，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構進行改進，在套箱前端增設一下料口，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°使得物料進入精煤固定篩的方式由垂直降落變成沿斜坡滑落。工業現場數據表明，選煤的介質消耗從之前的2.70 kg/t變成了改進后的1.60 kg/t，帶來了可觀的經濟效益。

姬躍平［11］針對選煤廠產出煤存在發熱量過低等問題，將三產品重介質旋流器溢流管直徑由350 mm更換成300 mm［12］。試驗結果表明，精煤灰分達到一定標準，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、精煤數質量、中煤發熱量相比之前均得到提升，末煤系統操作難度降低，介耗水平得到控制。

王馳等［13］為總結溢流管直徑的改變對三錐角旋流器分選結果影響的一般性規律，通過對不同溢流管直徑下三錐角旋流器內部清水流場進行了CFD數值模擬和試驗研究。研究結果表明，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灰分和產率均升高，底流+0.20 mm灰分升高，產率下降。

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部分離的快慢，一般最佳錐角接近20°。

崔廣文等［14］針對傳統煤泥重介旋流器在分選時存在磁選效率偏低、入料不穩定等問題，發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°。試驗結果表明，直徑100 mm的旋流器，當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嚴重、分離精度低等問題，提出一種復合曲錐旋流器，其上錐段向軸心內凹，下錐段由軸心向外凸。數值模擬結果表明，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。

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行優化，優化后一級錐體錐角大、長度短，二級錐體錐角較小、長度長，改進后投入二段磨礦分級中應用。數據表明，返砂比平均降低375%，分級質效率平均提高19.19%，產品粒度指標P80提高5.45μm，精礦品位提高1.96個百分點，為選廠提產提供了依據。

叢龍斐等［17］為探究進料體柱段和錐角等結構對旋流器性能的影響，通過設計三段深度旋流器濃縮工藝進行了單因素（壓力）對比試驗。試驗結果表明，縮小錐角、縮短柱段等措施，使工業現場總細粒尾礦泵輸送量達到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等問題，進行數值模擬和結構改進研究。研究結果表明，增大柱段高度、小錐錐角和沉砂口上錐角角度，都會使底流夾細量降低。工業現場數據表明，底流-75μm粒級夾細量下降1.78%，底流-30μm粒級夾細量下降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，對其內部流場進行了數值模擬。模擬結果表明，增大沉砂口直徑，旋流器流場內壓強降低，沉砂口區域內的壓強梯度增大，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，進一步測算出顆粒濃度和分離效率。數據顯示，隨著沉砂口直徑增大，分流比和分離效率都提高，低濃度體系內底流濃度降低，高濃度體系內溢流濃度降低。

劉培坤等［21］針對水力旋流器沉砂口磨損大，導致底流灰分偏高等問題，提出了一種新型可調沉砂口旋流器，其在旋流器沉砂口處加裝一個錐形結構，通過調節錐形結構的上下位置可改變沉砂口當量直徑。工業現場使用350 mm×14旋流器的試驗結果表明，可調底流口型旋流器比準55 mm固定底口旋流器的產率高8.70個百分點，底流濃度和底流灰分比準50 mm固定底流口的分別增高8.30%和降低0.20%～1.03%。

2.5 其他結構

入口形式、溢流管形式、沉砂口、錐角和錐體長度等主要結構的改進，會對旋流器性能參數變化產生影響。此外，通過更換旋流器內襯、篩柱段添加篩網等措施都可起到優化旋流器工藝參數的作用。

張東義［22］針對旋流器存在耐磨內襯壽命短、維護成本高等問題，改進旋流器內襯，開發引進耐磨材料——燒結型碳化硅，其擁有超高的硬度及耐磨性能，又有較好的機械性能和自潤滑功能［23］。工業現場對多種旋流器使用壽命進行對比，結果表明，用碳化硅制作的內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，且改進后精煤回收率提高1個百分點以上。

李倩倩［24］針對底流夾細的問題，提出在圓柱導流筒下端口連接處增設圓柱筒篩網與圓錐筒篩網。研究表明，采用直徑0.188 mm鋼絲篩網、長度115 mm的柱段篩網時，旋流器的脫泥效率高達95.12%，溢流和篩下產品中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生的空氣柱對旋流器的分離精度和分級效率存在影響，設計了一種內置扭帶水力旋流器，其特點是在沉砂口上方增設與沉砂口等徑的扭帶。數值模擬結果表明，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，使其分離效果實現了最優化。

3 發展現狀和未來展望

3.1 發展趨勢

水力旋流器是體現旋流分離技術最全面的設備之一，具有結構簡單、占地面積小、安裝方便、運行費用低、操作方便靈活、處理工藝簡單等優點，如今已在煤炭、金屬礦、石油、天然氣等礦產資源加工領域得到廣泛應用。現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構形式被廣泛應用于脫泥、濃縮、磨礦回路中的分級作業。如今大多數選礦廠中，水力旋流器基本上已代替原來的螺旋分級機，并和球磨機搭配，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存在差異，所采用的分級設備結構也不盡相同。如何快速根據選廠實際工藝指標調整旋流器參數值，是現階段水力旋流器結構改進的趨勢所向。旋流器的結構改進趨勢如下。

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

（2）創新型結構改進。現階段旋流器的基礎結構改進研究已趨于成熟，如何通過結構改進使旋流器的性能發生質變是現階段的難題，學者們也提出過許多創新型結構改進方案，但只有少部分具有突出性成就，創新型結構改進和結構搭配改進仍存在巨大的發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、復合材料或生物材料的引入，可提高設備的物理化學性能，有望增加設備耐磨度及耐腐蝕度，適當減少維修和人工成本。