盧 濤，吳啟明，張紅華，宋 坤，李永峰，陳建文

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330096；2.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；3.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224；4. 威海市海王旋流器有限公司，山東 威海 264200）

1 引言

德興銅礦大山選礦廠是江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司下屬最大的選礦廠，日處理原礦量達(dá)9 萬(wàn)t 以上，肩負(fù)著礦山的主要生產(chǎn)任務(wù)。隨著銅廠、富家塢礦區(qū)的深部開采，入選的難碎難磨礦石的比例逐漸增大，礦石可磨性呈逐漸下降趨勢(shì)。目前，大山選礦廠一段磨礦分為半自磨與常規(guī)球磨兩個(gè)系統(tǒng)，常規(guī)磨礦分級(jí)系統(tǒng)分為9 個(gè)系列，單系列由1 臺(tái)MQYΦ5.5×8.5m 溢流型球磨機(jī)與1 組Φ660×7 的水力旋流器組成，工藝流程如圖1 所示。生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，常規(guī)磨礦分級(jí)單系列處理量為320 t/h，旋流器溢流中-0.074 mm 粒級(jí)含量?jī)H為60%～62%，分級(jí)效率為50%～55%。旋流器溢流細(xì)度偏粗，磨機(jī)返砂量偏大，對(duì)球磨機(jī)臺(tái)效及旋流器分級(jí)效率影響顯著，同時(shí)，礦物解離不充分，也不利于給后續(xù)選礦生產(chǎn)指標(biāo)的提升。

圖1 一段常規(guī)磨礦分級(jí)工藝流程圖

水力旋流器作為一種經(jīng)典的分級(jí)設(shè)備在礦山得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，選礦廠當(dāng)前應(yīng)用的水力旋流器已使用近16 年［4-5］，多年來(lái)隨著礦石性質(zhì)及生產(chǎn)組織的不斷變化，旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)已不能較好的滿足分級(jí)作業(yè)要求，是導(dǎo)致旋流器分級(jí)效率不高、溢流跑粗的主要原因，特別是難磨礦石量增多時(shí)，磨礦分級(jí)指標(biāo)下降顯著（見表1）。本文通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究方式，對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在保證球磨機(jī)臺(tái)效的前提下，實(shí)現(xiàn)旋流器溢流細(xì)度與分級(jí)效率的雙提高，為后續(xù)選別作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

表1 磨礦分級(jí)指標(biāo)考查結(jié)果

2 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

旋流器的分級(jí)指標(biāo)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)（進(jìn)料管、柱段、錐體、溢流管及沉砂嘴等）和操作參數(shù)（給料濃度、壓力、處理量等）密切相關(guān)［6-10］。結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器的分級(jí)效果至關(guān)重要，一般根據(jù)物料性質(zhì)及分級(jí)要求，通過(guò)選型計(jì)算確定較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化以確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)配置。大山選礦廠目前使用旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)已沿用了十幾年，隨著礦石性質(zhì)的變化，特別是礦石硬度的提高，當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)已不能滿足分級(jí)指標(biāo)要求。結(jié)合當(dāng)前旋流器的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展，對(duì)旋流器的進(jìn)料管結(jié)構(gòu)、錐體結(jié)構(gòu)及柱段長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，以解決分級(jí)效率不高，溢流跑粗的問(wèn)題。

2.1 旋流器進(jìn)料管結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

現(xiàn)場(chǎng)旋流器采用的進(jìn)料管結(jié)構(gòu)為漸開線式（圖2-a），與早期的切線式相比優(yōu)勢(shì)顯著，能夠大幅降低進(jìn)料口處物料流的湍流強(qiáng)度和能量損失，是旋流器最常用的進(jìn)料管結(jié)構(gòu)［11-12］。隨著旋流器技術(shù)的研發(fā)，新型的螺旋下旋線式進(jìn)料管（圖2-b）以螺旋下旋線方式包圍旋流器的圓柱筒體，最終切向進(jìn)入旋流器的圓柱體筒體，并在軸向上設(shè)計(jì)了0 ～15°的螺旋下旋角度，螺旋旋向與進(jìn)料方向相同。旋流器工作時(shí)，物料在螺旋下旋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流下進(jìn)入旋流器內(nèi)部，導(dǎo)流行程更長(zhǎng)，有利于降低器壁阻力對(duì)流體速度的影響。CFD 數(shù)值模擬結(jié)果（圖3）顯示，采用螺旋下旋線式進(jìn)料管結(jié)構(gòu)，在入料口附近的流場(chǎng)不存在速度過(guò)大區(qū)，切向速度變化均勻，一定程度上降低速度突變對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，有利于提高分級(jí)效率。

圖2 旋流器不同進(jìn)料管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 不同進(jìn)料管結(jié)構(gòu)切向速度數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 旋流器錐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

經(jīng)測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)旋流器的錐體近似于一段錐結(jié)構(gòu)（圖4-a），而當(dāng)前分級(jí)旋流器越來(lái)越多應(yīng)用多段錐結(jié)構(gòu)［13］。以三段錐結(jié)構(gòu)為例（圖4-b），其特點(diǎn)在于第一段錐體角度較大，可快速使流體的切向速度達(dá)到最大，增大離心力場(chǎng)；第二段錐體角度較小，錐段長(zhǎng)，物料有足夠的空間和時(shí)間進(jìn)行分離；第三段錐體角度大，有利于降低底流中細(xì)顆粒的夾帶量。多錐體旋流器在復(fù)合錐聯(lián)結(jié)處會(huì)產(chǎn)生淘洗循環(huán)渦流，能夠?qū)㈠F體末端機(jī)械夾帶的粗細(xì)顆粒重新分配回到旋流器的外旋流和內(nèi)旋流中，有效減少粗細(xì)夾雜，相比單一錐體能夠得到更高的分級(jí)精度和分級(jí)效率。

圖4 不同錐體結(jié)構(gòu)旋流器

2.3 旋流器柱段長(zhǎng)度優(yōu)化分析

旋流器的柱段是一個(gè)有利于固相顆粒分離的有效沉降區(qū)和分離區(qū)，柱段區(qū)域?qū)︻w粒的分級(jí)過(guò)程具有重要作用［14］。相同直徑旋流器，合理增加柱段長(zhǎng)度可增加旋流器內(nèi)的分離空間，延長(zhǎng)流體在分級(jí)設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，有利于提高分離效率。此外，增加柱段長(zhǎng)度對(duì)提高旋流器處理能力有利。

3 試驗(yàn)研究方法

根據(jù)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果，選擇了FX660-GX-B 新型旋流器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。該旋流器直徑與現(xiàn)有旋流器相同，區(qū)別在于進(jìn)料管結(jié)構(gòu)、柱段長(zhǎng)度及錐體結(jié)構(gòu)不同，詳見表2。此外，為配合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)優(yōu)試驗(yàn)，分別配備了3 種尺寸的溢流管及3 種尺寸的沉砂嘴。將5 臺(tái)FX660-GX-B 型旋流器安裝到一段常規(guī)磨礦1#系列的旋流器組上，取代現(xiàn)有旋流器。首先進(jìn)行溢流管及沉砂嘴直徑的調(diào)優(yōu)試驗(yàn)，確定最優(yōu)參數(shù)配置，然后與2#系列現(xiàn)有旋流器進(jìn)行對(duì)比研究，以對(duì)新型旋流器進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)。

表2 兩種旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 溢流管直徑優(yōu)化研究

1#系列運(yùn)行5 臺(tái)新型FX660-GX-B 旋流器，在沉砂嘴直徑為130mm 的條件下，進(jìn)行了溢流管直徑分別為210mm、230mm及250mm的條件試驗(yàn)，條件試驗(yàn)以整租旋流器組進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 溢流管直徑條件試驗(yàn)結(jié)果

表4 沉砂嘴直徑條件試驗(yàn)結(jié)果

從表3 結(jié)果可知，隨著溢流管直徑的減小，溢流中+0.18mm 粒級(jí)含量逐漸減小，-0.074mm 粒級(jí)含量逐漸增大，分級(jí)效率提高。溢流管直徑減小，導(dǎo)致旋流器流場(chǎng)內(nèi)部的分離界面（零速包絡(luò)面）收窄，分級(jí)粒度減小，溢流產(chǎn)率減小，粗顆粒進(jìn)入溢流的幾率降低，有利于緩解溢流“跑粗”問(wèn)題，提高了溢流細(xì)度和分級(jí)效率。綜合考慮選擇溢流管直徑為210mm。

4.2 沉砂嘴直徑優(yōu)化研究

采用210mm 溢流管及130mm 沉砂嘴的配置，溢流的細(xì)度雖有所改善，但未達(dá)到溢流細(xì)度+0.18mm 含量小于8%、+0.074mm 含量大于65%的目標(biāo)。分析認(rèn)為，溢流管直徑減小將導(dǎo)致沉砂產(chǎn)率增加，使球磨機(jī)返砂量增加，球磨機(jī)負(fù)荷增大，影響球磨臺(tái)效及磨礦效率。在溢流管直徑為210mm 的條件下，進(jìn)行了沉砂嘴直徑分別為120mm、130mm 及140mm 的條件試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

隨著沉砂嘴直徑的減小，沉砂產(chǎn)率降低，球磨返砂量降低，磨礦效率提高，物料能夠得到較充分的磨細(xì)并從溢流排出。磨礦分級(jí)作為一個(gè)有機(jī)聯(lián)系、相互影響的系統(tǒng)［10］，有別于單獨(dú)旋流器的分級(jí)規(guī)律。由表4 結(jié)果可知，系統(tǒng)達(dá)到平衡后，返砂比降低，溢流細(xì)度及分級(jí)效率顯著提高。綜合考慮選擇沉砂嘴直徑為120mm。

4.3 對(duì)比試驗(yàn)研究

對(duì)比試驗(yàn)選擇現(xiàn)場(chǎng)相鄰的1#系列與2#系列進(jìn)行，其中，1#系列運(yùn)行5 臺(tái)新型FX660-GX-B 旋流器，配置210mm 溢流管及120mm 沉砂嘴；2#系列運(yùn)行6 臺(tái)現(xiàn)有Φ660 旋流器，配置228mm 溢流管及133mm 沉砂嘴。兩個(gè)系列同步開展7 天的生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

由表5 可知，與現(xiàn)場(chǎng)2#系列相比，1#系列在少一臺(tái)旋流器的情況下，能夠滿足生產(chǎn)需求，且溢流細(xì)度更優(yōu)，+0.18mm 粒級(jí)含量為7.10%，-0.074mm 粒級(jí)含量為65.39%，同時(shí)，分級(jí)效率顯著提高至59.78%，達(dá)到研究預(yù)期目標(biāo)，表明新型旋流器具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

表5 新舊旋流器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析研究得出，螺旋下旋線式進(jìn)料管結(jié)構(gòu)、多段錐體及長(zhǎng)柱體結(jié)構(gòu)旋流器與現(xiàn)有的漸近線式進(jìn)料管結(jié)構(gòu)、單錐體及短柱體結(jié)構(gòu)旋流器相比，在提高分離效率方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化實(shí)踐。（2）采用新型FX660-GX-B 旋流器，通過(guò)調(diào)優(yōu)試驗(yàn)確定溢流管直徑為210mm、沉砂嘴直徑為120mm，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中獲得了旋流器溢流中+0.18mm 粒級(jí)含量為7.10%，-0.074mm 粒級(jí)含量為65.39%，分級(jí)效率為59.78%的指標(biāo)，顯著優(yōu)于當(dāng)前旋流器分級(jí)指標(biāo)，且生產(chǎn)過(guò)程中比較穩(wěn)定。