楊光輝，楊興華，劉培坤，張悅刊，李曉宇，姜蘭越

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590）

0 引言

高爐瓦斯泥是由高爐煉鐵產(chǎn)生的煤氣經(jīng)除塵分離處理得到的塵泥，成分中主要含有Fe，Zn和C等元素［1］。數(shù)據(jù)表明，根據(jù)中國2017年的鋼鐵產(chǎn)量來算，生產(chǎn)10億t的鋼鐵，則瓦斯泥的產(chǎn)量為2400萬t左右［2-3］。高爐瓦斯泥的堆積會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，為此作者提出選前脫泥降鋅、流化分選等方式減量，回收有價(jià)元素。

關(guān)于瓦斯泥的回收方式國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)。若將瓦斯泥直接作為鐵礦燒結(jié)的原料，鋅將會(huì)不斷富集，導(dǎo)致高爐上部結(jié)瘤和造成煤氣管道堵塞，會(huì)引起安全隱患和鋼鐵質(zhì)量降低［4-6］；SORIA-AGUILAR 等［7］采用化學(xué)方法，降低鋅在瓦斯泥中的含量，提高有價(jià)鐵的回收；PAL等［8］采用改進(jìn)球團(tuán)工藝提高鐵的還原性，進(jìn)而回收有價(jià)鐵；李卓林等［9］采用浮選-磁選-重選的原則流程回收鐵、碳、鋅元素；張晉霞等［10］在對(duì)高爐瓦斯泥的性質(zhì)、礦物成分分析的基礎(chǔ)上，提出采用搖床重選-浮選的選礦工藝提取鐵、碳精礦。但上述方法仍存在工藝復(fù)雜、回收率低、污染環(huán)境等缺陷。

基于上述問題，本文提出采用三產(chǎn)品旋流器對(duì)瓦斯泥進(jìn)行集鐵降鋅處理，即將一段旋流器的底流出口與二段旋流器的進(jìn)料口連接，一段采用平底旋流器，旨在提高離心強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)粗細(xì)粒級(jí)高強(qiáng)度的預(yù)分級(jí)，保證溢流產(chǎn)品-20 μm粒級(jí)含量合格；二段采用柱錐旋流器，旨在增大流體下行阻力，迫使外旋流中夾雜的少量細(xì)顆粒進(jìn)入溢流，減小二段底流夾細(xì)，并且二段溢流作為流化分選的預(yù)處理。通過兩段旋流器的分級(jí)作用，一段旋流器除去瓦斯泥中細(xì)泥以及細(xì)粒級(jí)鋅，二段旋流器對(duì)一段旋流器底流產(chǎn)物再次精細(xì)分離，二段溢流滿足流化分選的入料要求，底流得到高產(chǎn)率、高品位鐵。

1 三產(chǎn)品旋流器分級(jí)試驗(yàn)

1.1 分級(jí)原理

水力旋流器是一種常見的分級(jí)設(shè)備，通過離心力將粒度大小不同的顆粒進(jìn)行分級(jí)。旋流器在應(yīng)用于金屬礦物脫泥作業(yè)時(shí)具有處理量大、成本低、安裝操作方便等優(yōu)點(diǎn)［11，12］。三產(chǎn)品旋流器的工作原理是，料漿自進(jìn)料管切向進(jìn)入一段直筒旋流器內(nèi)部，形成旋轉(zhuǎn)渦流，粒徑較細(xì)的顆粒在內(nèi)旋流的作用下向上移動(dòng)，并從一段溢流口排出，粒徑較大的顆粒在外旋流的作用下向下移動(dòng)，流向一段底流口，在底流余壓作用下，一段底流產(chǎn)物進(jìn)入二段柱錐型旋流器內(nèi)部，再次形成旋轉(zhuǎn)渦流，實(shí)現(xiàn)二次精細(xì)分級(jí)。

1.2 分級(jí)工藝流程

根據(jù)瓦斯泥中細(xì)泥、鋅和鐵的密度和粒度差異，筆者提出利用三產(chǎn)品旋流器的分級(jí)特點(diǎn)對(duì)瓦斯泥的集鐵降鋅展開工藝設(shè)計(jì)。圖1示出雙旋流器瓦斯泥集鐵降鋅工藝流程，在該工藝中，瓦斯泥料漿由渣漿泵給入一段旋流器中，在一段旋流器中完成初步分離，得到細(xì)泥、細(xì)粒級(jí)鋅含量低的一段底流，隨后為得到高品位的鐵礦礦物，設(shè)計(jì)更高分離精度的二段旋流器對(duì)一段底流產(chǎn)物進(jìn)行再次分級(jí)，二段底流（底流）得到高品位鐵礦物，二段溢流去流化分選，根據(jù)顆粒密度不同采用流化分級(jí)機(jī)進(jìn)一步流化分選，從而達(dá)到高精度降鋅的效果，提高瓦斯泥鐵礦回收產(chǎn)率。

圖1 三產(chǎn)品旋流器瓦斯泥集鐵降鋅工藝流程Fig.1 The iron collection and zinc reduction process from blast furnace sludge in three-product hydrocyclone

1.3 分級(jí)試驗(yàn)物料及設(shè)備

試驗(yàn)礦樣取自某煉鐵廠高爐瓦斯泥，質(zhì)量濃度為26%，礦物成分主要為鐵、碳及鋅等，其元素分析結(jié)果見表1。從表1中可以看出，鐵元素含量為40.60%，碳元素的含量達(dá)到30.74%，鋅元素含量為0.16%，對(duì)于-25 μm顆粒，鋅的含量占比均較高，使用激光粒度儀BT-9300S對(duì)其粒度檢測(cè)，瓦斯泥粒度分布結(jié)果見表2。

表1 原料元素分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of elements in the raw material

表2 瓦斯泥粒度分析結(jié)果Tab.2 The analysis results of particle sizes of the blast furnace sludge

從表2中可以看出，-20 μm粒級(jí)累積含量為27.83%，其中-20 μm物料中包含大量細(xì)泥以及大部分鋅元素，是應(yīng)當(dāng)拋除的對(duì)象。

根據(jù)分級(jí)粒度要求，選用直徑為100 mm平底和75 mm柱錐型串聯(lián)的三產(chǎn)品旋流器，旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 三產(chǎn)品旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Main structural parameters of three-product hydrocyclone

搭建瓦斯泥集鐵降鋅試驗(yàn)裝置如圖2所示，該裝置是由一段旋流器、二段旋流器、渣漿泵、攪拌器、壓力表、閥門、料筒以及管路系統(tǒng)等組成的循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of the test device

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過控制變量法，調(diào)節(jié)二級(jí)旋流器底流口直徑和錐角的角度，得到不同產(chǎn)物的粒度分布規(guī)律，探究三產(chǎn)品旋流器對(duì)瓦斯泥分級(jí)效率的影響。選用底流口直徑范圍12～21 mm，錐角的角度變化范圍45°～115°。通過單因素試驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒度分析，從而計(jì)算出固相產(chǎn)率，并得到底流級(jí)效率曲線，最終得出符合瓦斯泥粒級(jí)處理的試驗(yàn)參數(shù)，以提高集鐵降鋅的效果。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

2.1 底流口直徑對(duì)旋流器分級(jí)性能的影響

在瓦斯泥的分級(jí)試驗(yàn)中，底流口直徑直接影響著三產(chǎn)品旋流器底流和溢流流量的分流比，從而對(duì)分級(jí)性能產(chǎn)生影響。配置瓦斯泥料漿濃度為26%，錐角的角度為90°，調(diào)節(jié)進(jìn)料壓力為0.08 MPa，在底流口直徑為 12，15，18，21 mm 情況下進(jìn)行試驗(yàn)，獲得處理量、底流濃度、溢流濃度、固相產(chǎn)率和底流回收率。得到不同底流口直徑下試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，底流粒度區(qū)間曲線如圖3所示，底流級(jí)效率如圖4所示。

圖3 不同底流口直徑下底流的粒度區(qū)間曲線Fig.3 Interval curves of particle sizes in underflow at different apex diameter

圖4 不同底流口直徑底流級(jí)效率曲線Fig.4 Underflow stage efficiency curve at different apex diameters

表4 不同底流口直徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Table of experimental data for different apex diameters

由表4可以看出，隨著底流口直徑增大，處理量從5 480 kg/h減小到5 260 kg/h；一段溢流濃度逐漸增大，由4.36%增加到5.05%，二段溢流濃度由47.11%減小到40.63%，底流濃度由72.45%減少到70.65%；底流固相產(chǎn)率由37.21%增加到64.50%；一段溢流中-20 μm顆粒含量由96.87%增大到97.93%，二段溢流中-20 μm顆粒含量由39.35%減小到27.31%。這是由于隨著底流口直徑的增大，二段旋流器流場(chǎng)內(nèi)的流速降低，壓強(qiáng)減小，軸向零速包絡(luò)面向上收縮，有效分離區(qū)域縮小，部分原本進(jìn)入二段溢流的較大顆粒隨外旋流運(yùn)動(dòng)經(jīng)由底流口排出，因此二段底流固相產(chǎn)率由37.21%增加到64.50%，底流+20 μm顆?；厥章视?5.31%增加到80.64%。此外，由于進(jìn)料壓強(qiáng)保持恒定，一段旋流器流場(chǎng)內(nèi)的壓強(qiáng)增大，軸向零速包絡(luò)面向器壁擴(kuò)展，表明有更多的細(xì)顆粒隨內(nèi)旋流進(jìn)入一段溢流。一段溢流濃度增加了0.69%，一段溢流中-20 μm的顆粒含量由96.87%增加到97.93%，均有小幅上漲。

由圖3可知，底流產(chǎn)物大多由粗大顆粒組成，但也夾雜一些-20 μm的細(xì)小顆粒。隨著底流口直徑的增大，底流產(chǎn)物中細(xì)粒級(jí)顆粒含量也略有提高，若底流口直徑繼續(xù)增大，則加劇底流夾細(xì)問題，使得底流產(chǎn)品-20 μm顆粒含量過高。從圖4可以看出，顆粒粒徑越大，進(jìn)入底流中的顆粒就會(huì)越多，底流中粒級(jí)含量越高。隨著底流口直徑的增大，三產(chǎn)品旋流器對(duì)顆粒的底流回收率提高，分離精度有所提高，這主要是由于隨著底流口直徑的增大，二段旋流器內(nèi)部外旋流作用增強(qiáng)，內(nèi)旋流作用減弱，旋流器內(nèi)的切向速度和向下軸向速度增大，使原本進(jìn)入溢流的部分較大顆粒改為進(jìn)入底流，因此分離粒度減小。在底流口直徑為12，15，18，21 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的 d50分別為 43.5，30.2，22.4，19.8 μm。結(jié)合表 4，圖 3，4 可知，隨著底流口直徑的增大，固相產(chǎn)率增加，二段溢流-20 μm顆粒含量減小，底流+20 μm顆?；厥章试黾?，但是底流中-20 μm顆粒含量有增加趨勢(shì)，即底流夾細(xì)問題逐漸明顯，處理量也略有降低，為確保底流中粗粒級(jí)回收率和較低的細(xì)粒級(jí)含量，以及一段溢流中較高的-20 μm顆粒含量，綜合考慮選用底流口直徑為21 mm。

2.2 錐角對(duì)旋流器分級(jí)性能的影響

通過調(diào)整二段旋流器錐角角度，研究其對(duì)三產(chǎn)品旋流器分級(jí)性能的影響規(guī)律。通過底流口直徑對(duì)三產(chǎn)品旋流器瓦斯泥分離性能影響試驗(yàn)，采用底流口直徑21 mm，瓦斯泥料漿濃度為26%，進(jìn)料壓力為 0.08 MPa，錐角的角度分別為 45°，60°，90°，115°。經(jīng)過試驗(yàn)得到不同錐角下的處理量、底流濃度、溢流濃度、固相產(chǎn)率和底流回收率等數(shù)據(jù)見表5，不同錐角下粒度區(qū)間曲線如圖5所示，底流級(jí)效率如圖6所示。

圖5 不同錐角角度下底流的粒度區(qū)間曲線Fig.5 Interval curves of particle sizes in underflow at different apex angles

圖6 不同錐角角度底流級(jí)效率曲線Fig.6 Underflow stage efficiency curve at different cone angles

表5 不同錐角下底流試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Table of experimental data of underflow at different cone angles

由表5可以看出，二段旋流器錐角角度的增大，三產(chǎn)品旋流器的處理量逐漸減小，從5 650 kg減少到5 120 kg，并且減小的幅度逐漸平緩；一段溢流濃度降低，由5.20%減小到4.70%，二段溢流濃度由48.16%減小到29.91%，底流濃度先增大后減小，變化范圍較小，底流固相產(chǎn)率先減小后增大；一段溢流-20 μm顆粒含量由95.88%增加到98.35%，二段溢流-20 μm顆粒含量由18.35%增加到36.02%。這是由于隨著錐角角度的增加，二段旋流器內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)阻力增大，進(jìn)料口（一段旋流器底流出口）壓強(qiáng)增大，切向速度增大，離心力場(chǎng)增強(qiáng)，零速包絡(luò)面向器壁靠近，使底流中更多的較細(xì)顆粒在內(nèi)旋流作用下經(jīng)由二段溢流口排出，二段溢流-20 μm顆粒含量增加；當(dāng)錐角角度過大時(shí)，壓強(qiáng)過大，粗顆粒尾部產(chǎn)生的渦旋增強(qiáng)，從而對(duì)細(xì)顆粒的卷吸作用更加明顯，出現(xiàn)底流夾細(xì)。此外，由于進(jìn)料壓強(qiáng)保持恒定，一段旋流器流場(chǎng)內(nèi)的壓強(qiáng)減小，軸向零速包絡(luò)面向上收縮，更多的細(xì)顆粒和介質(zhì)水隨內(nèi)旋流進(jìn)入一段溢流，一段溢流濃度減小了0.50%，-20 μm顆粒含量增加了2.47%。

將圖5中0～20 μm粒徑范圍放大后可明顯看出，隨著錐角角度的增大，底流中-20 μm顆粒含量逐漸減少，90°錐角和115°錐角時(shí)-20 μm含量差別不大。從圖6可以看出，隨著錐角角度的增大，三產(chǎn)品旋流器的分離精度先減小后增大，90°錐角和115°錐角時(shí)分離精度接近。由圖可知，錐角角度為 45°，60°，90°，115°時(shí)，對(duì)應(yīng)的 d50分別為 22.5，26.5，19.8，20.1 μm。結(jié)合表 5 和圖 5，6可知，增大錐角，一段溢流-20 μm顆粒含量增加，底流中+20 μm回收率增加，并且-20 μm顆粒含量減小，但是處理量也逐漸降低。若優(yōu)先考慮一段溢流-20 μm顆粒含量、固相產(chǎn)率和底流+20 μm回收率，可選用115°錐角，但是處理量較低，相應(yīng)的二段溢流-20 μm顆粒含量較高，不利于后續(xù)流化分選；若優(yōu)先考慮減小底流夾細(xì)，保證底流粗粒級(jí)顆粒的品位以及保證一段溢流中具有較高的-20 μm顆粒含量，則選用90°錐角。本試驗(yàn)采用21 mm底流口和90°錐角時(shí)，底流中-20 μm顆粒含量由27.83%降低到0.97%，底流+20 μm回收率80.64%，有效脫鋅的同時(shí)實(shí)現(xiàn)粗粒級(jí)鐵的高效富集。

3 結(jié)論

（1）為改善瓦斯泥流化分選入料，提出了三產(chǎn)品旋流集鐵降鋅工藝，一段溢流產(chǎn)物降低-20 μm細(xì)泥和鋅，同時(shí)底流實(shí)現(xiàn)鐵的高效富集，窄粒級(jí)的二段溢流作為后續(xù)流化分選入料。

（2）選用直徑為100 mm平底和75 mm柱錐型串聯(lián)的三產(chǎn)品旋流器對(duì)瓦斯泥進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)，隨著底流口直徑的增大，底流固相產(chǎn)率增加，底流濃度降低，+20 μm粒級(jí)顆?；厥章试黾?；一段溢流濃度增加，-20 μm顆粒含量增加，細(xì)泥及大部分鋅元素有效回收。

（3）隨著錐角角度的增大，一段溢流-20 μm顆粒含量增加，底流中+20 μm回收率增加，并且-20 μm顆粒含量減?。贿x用90°錐角時(shí)，可得到高品位的底流產(chǎn)物，即提高一段溢流-20 μm顆粒含量，降低了底流中-20 μm顆粒含量。

（4）進(jìn)料壓力為0.08 MPa、瓦斯泥料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%、底流口直徑21 mm、錐角的角度為90°時(shí)，處理量為5 260 kg/h，分級(jí)產(chǎn)物中一段溢流-20 μm含量為97.93%，脫除大部分細(xì)泥及細(xì)粒級(jí)鋅，二段溢流可以滿足流化分選預(yù)處理的需求，底流-20 μm顆粒含量由27.83%降低到0.97%，達(dá)到了集鐵降鋅的效果。