齊大山鐵礦粗細分級旋流器數值優化試驗研究

胡振濤 陸占國 孫長勝 張 東 崔寶玉

（1.鞍鋼集團礦業有限公司齊大山分公司，遼寧鞍山114043；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

作為利用離心力場加速顆粒分離的典型設備，水力旋流器因其結構簡單、處理量大、分離效率高等優點，廣泛應用于選礦、石油、環保、造紙等諸多技術領域［1-2］。近年來，隨著高性能計算技術的發展，數值試驗方法被廣泛應用于對水力旋流器的研究中。借助數值試驗方法可以系統地探究工藝參數對水力旋流器流場特性和分離性能的影響，為水力旋流器的工藝參數優化提供依據［3-6］。

階段磨礦、粗細分選、重選—磁選—陰離子反浮選工藝流程是鞍山式赤鐵礦石處理的較理想流程，由于采用了階段磨選工藝和窄級別入選工藝，選別針對性強，顯著提升了細粒級的選別效率［7-8］。由于相當部分已經單體解離的鐵礦物顆粒通過粗細分級進入細粒級產品中，細粒級的磁選+反浮選成本較高，而粗粒級的重選直接提精成本較低。為降低齊大山鐵礦選礦廠全流程的生產成本，可以通過優化粗細分級旋流器的結構參數，增大粗細分級旋流器的沉砂產率，從而增大生產成本低的重選作業的給礦量來實現。本研究首先利用ANSYS Fluent軟件，系統考察了水力旋流器結構參數對其分離性能的影響；然后基于數值試驗結果對現場粗細分級水力旋流器進行了改造，改造后的水力旋流器現場運行穩定，能有效增加重選作業給礦量，可為同類型旋流器改造設計提供參考。

1 現有水力旋流器存在的問題

對齊大山鐵礦選礦磨磁作業區?660 mm粗細分級旋流器的結構參數、操作參數以及生產情況進行了考察，結果見表1和表2。

由表1可知，現場粗細分級旋流器沉砂濃度為74.93%，鐵品位為40.08%；沉砂產率較低，僅為57.42%，其中-75 μm含量為37.96%。經計算，粗細分級旋流器的分級效率為40.87%。

由表2可知，沉砂產品-75 μm粒級的鐵品位明顯高于+75 μm粒級，鐵品位隨粒度變化比較明顯，由粗粒級到細粒級的品位呈現先增高后降低趨勢。細粒級具有較高的鐵品位和鐵分布率，增加沉砂產率，有助于強化已單體解離的鐵礦物進入沉砂，進而通過重選作業回收這部分高品位鐵礦物，以降低現場的生產成本。

2 現場水力旋流器數值模型的建立和驗證

2.1 ?660 mm水力旋流器模型的建立

采用Solidworks軟件和ICEM軟件對現場的?660 mm水力旋流器進行建模和完全六面體網格劃分，為增強對壁面效應和空氣柱的捕捉，對器壁及溢流管處的網格進行了局部加密處理?，F場旋流器的結構尺寸見圖1（a），具體模型和網格劃分見圖1（b）和圖 1（c）。

為了保證模擬的精確度及合理的計算時間，進行了網格無關性檢驗，結果如圖2所示。

由圖2可知，當網格數量達到7.0×105之后，切向速度分布基本不再發生變化。綜合考慮精度和計算速度，本研究采用的網格數量為7.0×105個。

2.2 模擬策略

盡管水力旋流器結構簡單，但其內部流場是強旋轉剪切湍流運動，因此數值模擬過程分兩步進行。第一步采用ANSYS Fluent中的RSM湍流模型和VOF模型模擬清水相和氣相的兩相流流場特性；第二步在穩定流場的基礎上加入顆粒相，采用RSM湍流模型計算湍流，采用Mixture模型計算顆粒相和氣相的運動，進一步考察水力旋流器的分離性能。

2.3 水力旋流器模型可靠性分析

通過對比現場水力旋流器分離結果與數值模擬結果，可以驗證多相流場數值模型的可靠性。圖3分別比較了現場取樣和數值模擬得到的溢流產品和沉砂產品粒度組成。

由圖3可知，數值模擬預測的產品粒度組成與現場取樣結果吻合良好，誤差最大的點出現在對中間粒級顆粒的預測上，這是因為中間粒級顆粒在水力旋流器內部的運動軌跡較為復雜，這種復雜性增加了數值模擬的難度。

數值模擬和現場取樣的沉砂粒度分配曲線如圖4所示。

由圖4可知，數值模擬得到的沉砂分配率與現場取樣數據吻合良好，說明選擇的數值模型適用于描述?660 mm粗細分級水力旋流器內部的多相流場。

2.4 水力旋流器主要考察參數

針對?660 mm工業型水力旋流器展開數值模擬研究，在考察結構參數變化對水力旋流器分離結果的影響之前，以現場旋流器測繪參數作為基礎值，當某一參數發生變化時，基礎參數里其他項不變。?660 mm水力旋流器的結構參數如表3所示。

3 試驗結果與討論

3.1 結構參數對軸向速度的影響

利用數值模擬方法，系統考察了結構參數對水力旋流器流場的影響。由于軸向速度直接決定了水力旋流器的分流比和沉砂分配率，同時也能反映流場的對稱性和穩定性，因此本研究著重考察了Z=-500 mm（錐柱交界面為0）平面軸向速度分布隨結構參數變化的情況。柱段高度、小錐錐角、沉砂口直徑和溢流口直徑對軸向速度的影響如圖5～圖8所示。

由圖5可知，柱段高度對外旋流的軸向速度影響較??；在空氣柱附近，隨著柱段高度的增加，軸向速度呈現降低的趨勢，而軸向零速包絡面基本不受柱段高度的影響。

由圖6可知，外旋流的軸向速度基本不受小錐錐角的影響；在空氣柱附近，軸向速度隨小錐錐角的增大而降低，從而導致分流比隨小錐錐角的增大而提高。另一方面，隨小錐錐角的增大，軸向零速包絡面呈現向器壁移動的趨勢，使得外旋流區域縮小，導致分流比減小。

由圖7可知，外旋流的軸向速度基本不受沉砂口直徑的影響；在內旋流區域，軸向速度隨沉砂口直徑的增大而降低，從而導致分流比隨沉砂口直徑增大而提高。另一方面，隨沉砂口直徑增大，軸向零速包絡面逐漸向軸心移動，使得外旋流區域擴大，導致分流比增加。

由圖8可知，軸向速度在器壁附近受溢流口直徑變化影響較??；沿徑向逐漸遠離器壁時，溢流口直徑變化對軸向速度產生了較大的影響；隨著溢流口的直徑增大，軸向速度增大；隨著溢流口直徑增大，軸向零速包絡面沿徑向器壁移動，對應的分流比也逐漸降低，使得更多流體隨內旋流向上運動，經溢流口排出，不利于提高沉砂產率。

3.2 結構參數對分級效果的影響

利用數值模擬方法，系統考察不同結構參數條件下水力旋流器的分級效果，并繪制沉砂粒度分配曲線，以考察不同結構參數對分級結果的影響規律。柱段高度、錐角、沉砂口直徑和溢流口直徑對沉砂粒度分配曲線的影響如圖9～圖12所示。柱段高度、錐角、沉砂口直徑和溢流口直徑對旋流器壓降和分流比的影響如表4～表7所示。

結合圖9和表4可知，柱段高度對水力旋流器分離性能整體影響較小。隨著柱段高度的增加，細顆粒在沉砂中的分配率增加，這有助于提高高品位的細顆粒在底流中的回收，而粗顆粒在沉砂中的分配率則呈現先增加后降低的趨勢，這可能是由于密度效應導致的；增加柱段高度可以在一定程度上降低壓降，這有助于降低水力旋流器能耗，同時可以發現隨著柱段高度的增加，水力旋流器分流比呈現增加的趨勢，導致細顆粒在沉砂中的分配率增加。

結合圖10和表5可知，粗細分級水力旋流器小錐錐角對水力旋流器分離性能影響較大。增加水力旋流器小錐錐角導致各粒級在沉砂中的分配率降低，沉砂產率降低，不利于提高重選作業給礦量，另一方面過大的錐角導致水力旋流器溢流跑粗，從而惡化水力旋流器分離效果；水力旋流器小錐錐角對壓降影響較小，而隨著小錐錐角的增加，水力旋流器的分流比降低，導致細顆粒在沉砂中的分配率降低。

由圖11可知，隨著沉砂口直徑的增大各粒級在沉砂中的分配率增加，沉砂產率增加，有助于提高重選作業給礦量，另一方面過大的沉砂口直徑導致沉砂夾細量增大，從而導致部分重選無法回收的細粒級的量增加。由表6可知，隨著沉砂口直徑的增加壓降降低，水力旋流器能耗降低，而水力旋流器分流比則呈現增加的趨勢，導致細粒級在沉砂中的回收率增加。

由圖12可知，減小溢流管直徑，各粒級在沉砂中的分配率增加，沉砂產率增加，過大的溢流管直徑則導致粗顆粒在沉砂中的分配率降低，導致溢流跑粗。由表7可知，增加溢流管直徑導致壓降和分流比降低，水力旋流器能耗降低，從而導致細顆粒在沉砂中的回收率降低，這不利于增加重選作業給礦量。

綜合以上分析可知，增大沉砂口直徑和柱段高度，減小溢流管直徑和小錐錐角，可以增加各粒級在沉砂中的分配率，提高沉砂產率進而提高重選給礦量。

3.3 水力旋流器優化前后參數對比

依據數值試驗結果對現場?660 mm粗細分級旋流器進行改造，即將沉砂口直徑由100 mm增大至110 mm，柱段高度由530 mm增大至630 mm；另將旋流器小錐角度由20°縮小為15°，溢流管直徑由200 mm縮小為190 mm。在相同操作條件下，分別對新結構旋流器和現有旋流器的生產情況進行了考察。新結構旋流器取樣數據如表8所示。

計算各粒級在沉砂產品中的分配率，并作分配率曲線，結果如表9和圖13所示。

結合表1和表8可知，現場旋流器沉砂產率為57.42%，優化后的旋流器沉砂產率為65.09%，較現場高7.67個百分點；現場旋流器分級效率為40.87%，優化后的旋流器分級效率為41.19%，分級效率略微升高。與現場旋流器相比，優化后的旋流器在保證分級效率的前提下可以有效提高沉砂產率，從而增加重選作業給礦量。

結合表9和圖13可知，優化后的旋流器明顯增加了-74+20 μm粒級在沉砂中的分配率，這部分高品位的細顆粒由重選作業進行回收可以有效減少磁選+反浮選作業給礦量，進而降低現場生產成本，實現降本增效。

4 結 論

（1）隨著溢流口直徑的降低和沉砂口直徑的增加，軸向零速包絡面逐漸向軸心移動，外旋流區域擴大，分流比增加，而柱段高度和小錐錐角對軸向零速包絡面影響較小。

（2）隨著沉砂口直徑和柱段高度增加以及溢流管直徑和小錐錐角減小，水力旋流器分流比增加。增大沉砂口直徑和柱段高度，減小溢流管直徑和小錐錐角，可以增加各粒級在沉砂中的分配率，提高沉砂產率。

（3）與現場旋流器相比，優化后的旋流器沉砂產率提高了7.67個百分點，在保證分級效率的前提下可以有效提高沉砂產率。

（4）采用優化后的水力旋流器可以有效增加重選作業給礦量，對同類型礦山粗細分級水力旋流器結構優化具有借鑒意義。