某銅礦中線法筑壩旋流器試驗研究*

王麗娟，趙吉堂，馬鵬飛，張晉祿，鄭紀民，李永峰

（1.威海市海王旋流器有限公司，山東 威海 264200；2.云南迪慶有色金屬有限責任公司，云南 香格里拉 674400）

采用旋流器對尾礦進行筑壩具有占地面積小、處理量大、可根據筑壩需要進行移動布置、筑壩成本低等優點，現已成為尾礦筑壩的主要設備[1]。中線法筑壩是以筑壩中線固定，沿壩體垂直方向之間升高的方式，采用旋流器對尾礦進行全尾分級后粗砂筑壩，旋流器的細粒級溢流向尾礦庫內沉淀。由于旋流器的沉砂中礦泥或黏土等細粒級物料含量極低，所筑壩體的透水性強、壩體浸潤線低、穩固性高，可用于地震烈度8～9、高陡坡地區、用地緊張地區或老尾礦庫擴容[2-4]。

某銅礦尾礦庫采用旋流器兩段分級后的尾礦中線法進行筑壩，根據尾礦筑壩的粒度要求，筑壩沉砂中-0.074 mm含量要求小于20%，-0.020 mm含量要求小于10%?，F場一段采用小直徑旋流器組脫除細泥，沉砂加水調漿后，自流給入壩體上的二級大直徑旋流器進行中線法筑壩。通過兩段旋流器分級后，筑壩的粗砂中-0.074 mm含量在18%左右，粗砂產率為總尾礦的18%～21%之間?，F場希望對尾礦筑壩工藝和設備進行優化改造，在保證筑壩沉砂粒度的前提下，提高筑壩的沉砂產率。

1 現有工藝中的問題

為確定現有筑壩旋流器的分級指標，對現階段現場尾礦筑壩旋流器進行取樣考察，數據如表1所示：

表1 現有旋流器分級指標Tab.1 Classification indicators of existing cyclone %

通過現場旋流器分級指標考察可以看出，現有旋流器的筑壩粗砂粒度可滿足生產要求，但粗砂的產率相對較低，僅有20.15%左右，通過實際生產發現，雖然兩級旋流器筑壩工藝的適應性強，筑壩粗砂的細度穩定，但采用兩級筑壩的工藝流程復雜，設備數量較多，導致設備維護工作量極大，同時筑壩的粗砂產率較低，還需加入外購碎石、粗砂保證壩體的穩定性。針對上述工藝存在的問題，現場與威海市海王旋流器有限公司相關技術人員一同開展了新型單級旋流器尾礦筑壩的相關試驗。

2 旋流器結構特點

傳統的筑壩旋流器結構通常采用漸開線進料體結構，同時旋流器的錐體角度相對較小，多在10°～20°之間，在處理粒度較細的尾礦時，雖然可提高粗砂產率，但會導致筑壩粗砂中細粒級物料含量升高，影響壩體穩定性。為解決傳統單級筑壩旋流器的弊端，海王旋流器有限公司研發了一款適用于細粒級尾礦的WF020高效單級筑壩旋流器。高效單級筑壩旋流器結構特點如下：

2.1 升級旋流器的進料方式

旋流器的進料方式對料漿的分級效果有著顯著影響，傳統旋流器一般采用漸開線型進料結構，該結構的進料管與旋流器筒體部分采用漸開線的方式銜接，與原有切線進料方式相比，在一定程度上減少了紊流的產生，提升了旋流器的分級效果，但在實際使用中仍存在管柱銜接段磨損過快、溢流產物粗顆粒含量偏高等問題。為解決以上問題，海王旋流器有限公司開發了新型螺旋線進料體替換傳統的漸開線進料體，兩種結構的對比如圖1所示。

圖1 旋流器不同進料方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of different feed pattern of cyclone

新型螺旋線入料管沿螺旋下旋線方式包圍旋流器的圓柱體筒體，最終切向進入旋流器的圓柱體筒體，螺旋旋向與進料方向相同，在入料導流、降低能量及速度損失、減少流場擾動等方面效果較好。旋流器工作時，物料在螺旋下旋結構的引導下進入旋流器，導流行程更長，受螺旋下旋結構的影響，流體湍流強度降低，從而處理相同物料所需的壓力降低，使旋流器能量損失變少，同時對旋流器內壁的沖擊減小，使旋流器的壽命更長[5]。

2.2 調整旋流器的錐體角度

旋流器的錐體結構對旋流器的溢流細度和底流細度有著顯著的影響，這主要是因為旋流器的錐體角度影響著旋流器的分級粒度。根據旋流器的分級粒度經驗公式可知，旋流器分級粒度與錐體夾角的一半的正切值（即tanθ/2） 呈正比例[6]，在其他結構參數一致的情況下，隨之旋流器的錐體角度的增加，錐段的長度隨之減小，分級粒度隨之變粗。而分級粒度越粗，旋流器的沉砂中的細顆粒含量越少，沉砂產率也降低。因此，旋流器適合的錐體角度可在保證沉砂粒度滿足筑壩要求的同時，最大程度的增加粗砂的產率。

圖2 不同錐體角度的旋流器示意圖Fig.2 Schematic diagram of cyclone with different cone angle

2.3 優化旋流器的柱段高度

旋流器的柱段是一個有益于固相顆粒分離的有效沉降區，柱段區域對顆粒的分離過程有不可忽略的作用[7]。但柱段長度過長，亦有能耗增加、沉砂夾細量增大的負作用。當溢流管插入深度一定，增長旋流器柱段的高度，可有效延長分離時間，減小分離粒度并提高分離效率，但會導致旋流器的處理能力降低，增加旋流器的能耗[8]。

3 旋流器尾礦分級試驗

為確定WF020高效旋流器對銅礦尾礦分級筑壩的效果，取現場代表性尾礦在實驗室進行了濃縮分級試驗，驗證相關結構的分級效果。

3.1 旋流器錐體角度試驗

在其他試驗條件不變的情況下，分別采用10°錐體、20°錐體、30°錐體和60°錐體進行錐體角度的對比試驗。試驗結果如圖3所示。

圖3 不同錐體角度的旋流器沉砂產率和-0.074 mm含量Fig.3 Stilling productivity of cyclone with different cone angle and-0.074 mm content

通過試驗結果發現，隨著錐體角度的增大，旋流器的沉砂產物中-0.074 mm含量逐漸降低，溢流產物中-0.074 mm含量逐漸升高。當錐體角度為30°時，旋流器的沉砂細度和沉砂產率均最佳，旋流器沉砂產率可達到27.82%，沉砂中-0.074 mm含量17.92%；再進一步放大錐體角度，旋流器的沉砂細度進一步降低，但沉砂產率過低，無法滿足筑壩要求，因此后續試驗將采用30°錐體。

3.2 旋流器柱段高度試驗

根據設備制作經驗，一般旋流器的柱段長度為筒體直徑的（0.5～1.5） 倍，即（0.5～1.5） D，根據本試驗旋流器的分離特性，分別采用筒體直徑的0.75D、1D和1.25D長度的柱段進行試驗，其他試驗條件不變，試驗結果如圖4所示：

圖4 不同柱段長度的旋流器沉砂產率和-0.074 mm含量Fig.4 Stilling productivity of cyclone with different cylinder length and-0.074 mm content

通過試驗數據可以看出，當柱段高度由0.75D延長到1D時，旋流器的沉砂產率和沉砂中-0.074 mm含量均略有提高，但此沉砂中-0.074 mm含量為17.86%，當進一步延長到1.25D時，沉砂產率和沉砂夾細量均有所提高，但沉砂中-0.074 mm含量增加明顯，達到了22.19%，超過了沉砂夾細量的要求。綜合考慮后續試驗將采用1D長度的柱段進行試驗。

3.3 結構組合對比試驗

為對比WF020高效旋流器與傳統旋流器的分級效果，在相同的排口比和入料條件下，進行了實驗室試驗，試驗結果如表2、表3所示。

表2 WF020高效筑壩旋流器試驗指標Tab.2 Test indicators of WF020 high efficient damming cyclone %

表3 WF020普通旋流器試驗指標Tab.3 Test indicators of WF020 normal cyclone %

與WF020普通旋流器相比，WF020高效分級旋流器采用新型螺旋線進料體結構，優化了進料腔體內部的流場穩定性，可降低旋流器沉砂中合格粒級的含量，提高旋流器分級效率。同時在前期試驗的基礎上，對旋流器的錐體角度和柱段長度進行了調整，進一步緩解了新型筑壩旋流器的溢流跑粗的情況，提升了筑壩粗砂的產率。

通過試驗可以看出，在相同的試驗條件下，采用WF020普通旋流器進行尾礦分級后，旋流器的沉砂中-0.074 mm含量和-0.020 mm含量均無法滿足筑壩的生產要求，而采用WF020新型高效旋流器進行分級后，旋流器的沉砂-0.074 mm含量和-0.020 mm含量均可滿足筑壩要求，沉砂產率僅較普通旋流器降低了2.35%。

4 結語

1）在對某銅礦尾礦進行分級時，WF020高效旋流器的沉砂產率可達到29.99%，沉砂中-0.074 mm含量為17.95%，-0.020 mm含量為8.46%，各項指標均可滿足現場筑壩要求；

2）在相同的旋流器運行參數下，WF020高效旋流器較普通旋流器的沉砂中-0.074 mm含量降低了5.41%，-0.020 mm含量降低了0.52%，分級效率提高了0.59%，旋流器筑壩的各項指標均優于普通旋流器；

3）與現場兩段筑壩旋流器相比，采用WF020高效筑壩旋流器進行單級筑壩，通過優化旋流器的進件方式、錐體角度和柱段高度，在粗砂粒度滿足要求的前提下，旋流器的沉砂產率提高了8%～10%，有效解決了兩級旋流器筑壩工藝中沉砂產率低、設備投資高、維護成本高的問題，在同類尾礦筑壩工藝中具有廣泛的推廣應用價值。