基于旋流器結(jié)構(gòu)改造的磨礦循環(huán)負(fù)荷優(yōu)化研究

王東東 姜程陽 馬智勇 季安坤 初福棟

（1.伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司；2.威海市海王旋流器有限公司）

物料在加工過程中，磨礦回路中的循環(huán)負(fù)荷對磨礦分級設(shè)備的工藝指標(biāo)有很大影響，是磨礦流程計算中的重要參數(shù)［1］。目前，水力旋流器是磨礦回路中的主力分級設(shè)備，但旋流器作業(yè)過程中可能存在沉砂合格粒級夾雜過多、返回量過大影響磨機(jī)通過能力及臺效、增加能耗等問題，返回物料中合格的細(xì)粒級夾雜較多，易造成過磨，不利于后續(xù)選別指標(biāo)。近年來，國內(nèi)外提出了多種調(diào)整旋流器、優(yōu)化循環(huán)負(fù)荷的理論與實(shí)踐研究，T·尼瑟等［2］通過對磨礦回路工作狀態(tài)的研究，明確提高底流濃度，可以使循環(huán)負(fù)荷減小，同時防止過磨。伍敬峰等［3］改變了旋流器進(jìn)料體結(jié)構(gòu)及變錐結(jié)構(gòu)，提高了旋流器的分級效率，減少了二段磨礦回路的循環(huán)負(fù)荷，并確定分級效率與q值的相對增幅呈線性關(guān)系。湯作錕等［4］結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際改造，通過旋流器直徑及進(jìn)料體結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低循環(huán)負(fù)荷，提升臺效。

根據(jù)以上相關(guān)研究可知，旋流器進(jìn)料體及錐體結(jié)構(gòu)對分級效率有顯著影響［5］。本文基于Flunet 有限元分析軟件，對旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并模擬，同時進(jìn)行現(xiàn)場對比試驗(yàn)，以期提高旋流器的分級效率及現(xiàn)場臺效。

1 旋流器結(jié)構(gòu)技術(shù)特征

1.1 旋流器進(jìn)料體結(jié)構(gòu)特征

旋流器進(jìn)料體是旋流器的關(guān)鍵部位之一，起到將泵送礦漿轉(zhuǎn)化為旋流器內(nèi)部回轉(zhuǎn)流的作用，進(jìn)料體線形設(shè)計會影響旋流器內(nèi)部流場的湍流強(qiáng)度和切向速度。通過增加進(jìn)料體包角、改變進(jìn)料體入料線性等措施，可有效保持進(jìn)料礦漿流速，減少湍流運(yùn)動，提高旋流器分級效率，減少沉砂中細(xì)粒級含量。圖1 為傳統(tǒng)漸開線進(jìn)料體結(jié)構(gòu)，其流形變化較快，沿程損失大，易產(chǎn)生紊流，速度損失也較大。圖2 為優(yōu)化后的螺旋線進(jìn)料體結(jié)構(gòu)，其能量耗損小，礦漿流形合理、穩(wěn)定。

1.2 錐體結(jié)構(gòu)特征

旋流器的錐體角度決定了零速包絡(luò)面的位置，是旋流器分選指標(biāo)的重要結(jié)構(gòu)之一。增大旋流器錐角，可降低沉砂中的細(xì)顆粒含量，但溢流易“跑粗”。減少旋流器錐角，可提高溢流細(xì)度，但沉砂夾細(xì)增多。為此，設(shè)計了一種變錐角結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)20°錐角結(jié)構(gòu)見圖3，優(yōu)化后的變錐角錐體結(jié)構(gòu)見圖4。

由圖4可見，原統(tǒng)一角度的錐體拆為3段，一段大錐角度大，可增加梯度，快速使粗、細(xì)顆粒分離；二段中錐角度小，可延長物料分離時間，進(jìn)行精細(xì)分級；三段小錐角度再次放大，可減少軸向速度，延長沉砂中物料的淘洗時間，減少沉砂中合格粒級的含量。

2 基于Flunet的數(shù)值模擬

2.1 結(jié)構(gòu)建模

采用RNG k-e 模型進(jìn)行湍流計算，使用離散相模擬顆粒軌跡，以獲得優(yōu)化前后的旋流器內(nèi)部流體特征模擬。旋流器給礦口設(shè)置為250 mm×250 mm，給礦流速3 m/s；旋流器溢流口設(shè)置為280 mm，出口壓力為101 kPa；旋流器底流口設(shè)置為100 mm，出口壓力為101 kPa。優(yōu)化前旋流器使用漸開線進(jìn)料體，錐體角度統(tǒng)一設(shè)置為20°，優(yōu)化后旋流器使用螺旋線進(jìn)料體，錐體大錐為30°、中錐為10°、小錐為15°。旋流器結(jié)構(gòu)示意見圖5。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 壓力對比

旋流器的壓力是分級的重要指標(biāo)之一，軸向壓力的變化會影響向心浮力，壓力梯度變化越大，細(xì)粒級進(jìn)入溢流中的概率越高。同時，壓力大小側(cè)面反映流速的大小，水平面壓力越大，則切向速度越快，離心力越大，粗顆粒進(jìn)入沉沙中的概率越高。數(shù)值模擬軸向壓力分布見圖6，水平向壓力分布見圖7。

由圖6可見，2種結(jié)構(gòu)軸向壓力差距不大，說明理論上溢流細(xì)度相近。

由圖7可見，在水平面，特別是進(jìn)料體位置，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)壓力更高，高壓區(qū)域延伸至筒體位置，螺旋線進(jìn)料體阻力更小，更有利于提升旋流器的分級壓力，且切向流速的增加對沉砂中細(xì)顆粒的減少有正向作用。

2.2.2 切向速度對比

旋流器內(nèi)流體的切向速度決定了旋流器離心力的大小，離心力大，則粗、重顆粒更易進(jìn)入外旋流而從沉砂排出。切向速度的變化越陡峭，即加速度值越高，則說明該部位剪切力越強(qiáng)，更有利于粗顆粒中細(xì)顆粒的分離，減少沉砂中細(xì)粒夾雜。旋流器的切向速度分布見圖8。

由圖8 可見，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的峰值速度更高，斜率更大，說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有切向速度大、剪切力大的優(yōu)勢，對設(shè)備分級指標(biāo)有利。

2.2.3 湍流動能對比

湍流動能是指在流體運(yùn)動中，由于流體的不規(guī)則運(yùn)動而產(chǎn)生的能量，湍流動能的大小對于流體運(yùn)動的穩(wěn)定性有重要影響。在旋流器中，湍流動能越大，則流場越不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生渦流、渦旋等不規(guī)則運(yùn)動，增加能量損失，粗細(xì)顆粒分級效果變差，加劇沉砂中細(xì)粒級混雜情況。湍流動能分布見圖9。

由圖9 可見，優(yōu)化后的旋流器，其湍流動能明顯低于優(yōu)化前的旋流器，說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的旋流器流場更穩(wěn)定，分級效率更高。

3 旋流器現(xiàn)場效果對比

某選礦廠采用半自磨+球磨+頑石破碎磨礦工藝，礦石先經(jīng)φ10.97 m×7.16 m 半自磨機(jī)磨礦，磨礦產(chǎn)品進(jìn)入振動篩篩分，篩下合格粒級給入旋流器（型號為φ660-GT×14，共2組，開12臺，備用2臺），旋流器溢流進(jìn)入浮選作業(yè)，沉砂返回到2 臺φ7.32 m×11.28 m球磨機(jī)磨礦，球磨排礦返回旋流器分級。

現(xiàn)場球磨磨礦回路共2 個系列，將其中1 系列替換為改造結(jié)構(gòu)后的設(shè)備，2系列為原結(jié)構(gòu)，對2個系列進(jìn)行連續(xù)取樣對比。磨礦分級工藝流程見圖10，改造前后取樣指標(biāo)對比見表1。

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由表1 可知，改造后的旋流器溢流-0.074 mm 含量58.99%，原結(jié)構(gòu)旋流器溢流-0.074 mm 含量62.08%，改造后旋流器溢流-0.074 mm 含量減少，但可滿足現(xiàn)場選別要求。改造后旋流器沉砂-0.074 mm 含量9.24%，原結(jié)構(gòu)旋流器沉砂-0.074 mm 含量10.82%，改造后旋流器沉砂-0.074 mm 含量減少了1.58 個百分點(diǎn)，返砂中合格粒級減少。通過計算，改造后的旋流器分級質(zhì)效率48.03%，原結(jié)構(gòu)旋流器分級質(zhì)效率36.62%，改造后的旋流器分級效率提升了11.41 個百分點(diǎn)。改造后旋流器循環(huán)負(fù)荷492.97%，原結(jié)構(gòu)旋流器循環(huán)負(fù)荷804.06%，使用改造后旋流器的磨礦回路循環(huán)負(fù)荷降低了311.09 個百分點(diǎn)。現(xiàn)場一系列改造后分級效率明顯提高，循環(huán)負(fù)荷減少，改造效果較好。

4 結(jié) 論

（1）通過延長旋流器進(jìn)料體包角，平緩入料流線，將統(tǒng)一角度的錐角變更為大-小-大三段錐角對旋流器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的旋流器湍流動能更低，內(nèi)部壓力更高，切向速度更快，可提高旋流器的分級效率，減少細(xì)顆粒從外旋流向內(nèi)旋流遷移的阻力，從而減少沉砂中合格粒級含量。

（2）現(xiàn)場1系列采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的旋流器，2系列使用原旋流器，在相同的作業(yè)條件下，對溢流、沉砂、入料等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行取樣，校核其分級效率等指標(biāo)。通過現(xiàn)場實(shí)際指標(biāo)對比，可知優(yōu)化后的旋流器沉砂中-0.074 mm 含量較原旋流器降低了1.58 個百分點(diǎn)，旋流器分級效率提升了11.41 個百分點(diǎn)，磨礦回路循環(huán)負(fù)荷降低了311.09 個百分點(diǎn)，指標(biāo)提升效果較好，能夠?yàn)楹罄m(xù)現(xiàn)場提產(chǎn)增效提供保障。