復合力場螺旋溜槽的流場特性及應用

李作敏，馮安生，張穎新，于岸洲

(1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心，自然資源部多金屬礦綜合利用評價重點實驗室，河南省黃金資源綜合利用重點實驗室，河南 鄭州 450006；2.西北地質科技創新中心，陜西 西安 710054；3.中國地質科學院水文地質環境地質研究所， 河北 石家莊 050061)

螺旋溜槽作為最早期的重選設備之一，由于設備結構簡單、節能環保、易操作等優點應用廣泛[1-2]，一般用于0.02～4 mm粒級物料的分選，如鉻鐵礦、鏡鐵礦、鈦鐵礦、硫鐵礦、獨居石、鋯鐵礦、金紅石、錫礦、鎢礦、鉭鈮礦以及密度差異大的其他有色金屬礦、稀有金屬礦和非金屬礦[3]。螺旋溜槽可用于一個單獨的重選流程中，能夠快速回收某些已單體解離的礦物或快速預先拋棄脈石礦物，也可廣泛用于重選、磁選和浮選等組合流程中，對各類工藝起到輔助、改善和補充等作用。隨著礦物貧、雜、細特點的日益突出，以及節能環保要求的不斷提高，加強礦物重選過程的調控從而促進礦物分選質效的提升，是提高礦物分選指標的重要途徑之一[4-7]。

在礦物磁選流程中，有時采用重選作為粗選預先拋棄部分脈石礦物，在常規螺旋溜槽粗選過程中較細的磁性礦粒往往被甩到尾礦區而得不到回收。復合力場螺旋溜槽在床面上添加磁場，提供磁性礦物向槽面內側流動的吸引力，從而提高磁性礦物的回收率。

1 復合力場螺旋溜槽的設計

從動力學角度，物料處于螺旋溜槽所創造的回轉流場中，依據運動差異實現分離。在普通螺旋溜槽中，顆粒在螺旋槽面上受到流體的推動力、重力、離心力以及摩擦力的作用。 假設顆粒為球形，則作用力的表達式如下。

(1) 流體的推動力FW[8](在紊流狀態下)：

式中：up為流體在礦粒橫截面上的平均流速；v為礦粒運動的速度；ψ為阻力系數。

(2) 視重力FG為：

式中：γ為顆粒的密度；ρ為液體的密度；d為顆粒的直徑。

(3) 離心力FD為：

式中：rq為顆粒所在位置的螺旋線曲率半徑；vt為顆粒沿槽面回轉運動的線速度。

(4) 摩擦力FR為：

式中：α為動摩擦因數；N為顆粒的視重力FG與離心力FD的法向分力之和。

在磁力螺旋溜槽中，施加磁場后，磁性顆粒還會受到一個磁力的作用。

(5) 磁力F磁[9]為：

式中：k為顆粒體積磁化系數；μ0為真空磁導率；H為磁場磁感應強度。

(6) 摩擦力FR’為：

圖9 為在摩擦磨損過程中,水和油潤滑條件下C/C試樣表面的示意圖.由于C/C復合材料是疏水親油材料,其內部孔隙中水的體積分數較小,摩擦面間形成的水膜稀薄,在摩擦過程中只能起到一定的潤滑作用,隨著摩擦的進行,摩擦表面的水減少,剝落的磨屑開始積聚,因此水潤滑條件下摩擦表面的磨屑呈堆積狀.在油潤滑條件下,C/C試樣內部孔隙中滲入油的體積分數較大,形成的油膜鋪展在試樣表面,有效隔離了試樣與對磨銷的直接接觸,降低了摩擦系數及磨損率;同時,油膜對磨屑起分散作用,因此C/C試樣表面未形成完整的磨屑膜,只能看到碳纖維清晰的輪廓.

其他所受力與未施加磁場時的溜槽一樣。其中，所施加磁場H以不阻礙顆粒運動為原則，即：

式中：β為顆粒與槽面接觸點的切向與水平線的夾角。

由分析可知，由于受到磁力的作用，磁性顆粒加快向槽底運動，分布在槽體內側的微細粒磁性礦物在磁場的吸附力作用下，不易受流體場的推動力的影響而甩到溜槽外側；分布在槽面外側的磁性顆粒受到磁場力而下沉到槽底，再經流體場的“二次環流”，不斷向溜槽的內側移動，隨著礦漿的流動進入精礦區，從而得到有效的回收。

2 復合力場螺旋溜槽的設計

2.1 復合力場螺旋溜槽結構的設計

復合力場螺旋溜槽[10]旨在提高磁性顆粒的回收率，溜槽結構和磁性材料兩部分的設計尤為重要。設備由中心柱、給礦口、槽面、出礦口和固定架組成，溜槽共5圈，直徑為600 mm、螺距為360 mm、槽面傾斜角35。

2.2 復合力場螺旋溜槽槽面組成

溜槽的槽面由耐磨層、磁性橡膠板和有機玻璃底板三層板面組成，磁性橡膠板鑲嵌在耐磨層與有機玻璃板之間，形成一體化結構。有機玻璃板做為最底層襯板增加堅韌度，可有效防止槽面變形，折彎等問題。磁性橡膠板的磁場磁感應強度為8～80 kA/m，其表面呈N-S-N異性雙面交替結構，磁間距小，每兩個極性的間距最小可低至4 mm，這樣形成的磁場梯度較大，是常規高梯度磁選機的5～10倍，磁力為磁場強度與磁場梯度的乘積（F磁=H·gradH），由此可見，磁場磁感應強度即使不高的情況下也可產生較高的磁力。磁性橡膠板是一種新型的復合型材料，柔韌度高，形狀可根據需求任意調整，對于不規則的弧形溜槽槽面，磁性橡膠板解決了鐵氧體不能完整貼合槽面的難題。

圖1 復合力場螺旋溜槽磁系Fig .1 Magnetic system of compound force field spiral chute

2.3 復合力場螺旋溜槽中顆粒的運動

利用模擬軟件對鈦鐵礦顆粒運動軌跡進行模擬，螺旋溜槽的結構參數設置：內徑110 mm，外徑600 mm；螺距360 mm，截面下斜角9°，初始角度37°；礦漿入口流量0.245 m3/s，初始速度為1 m/s。鈦鐵礦的礦物密度為4700 kg/m3，顆粒直徑為100 μm。圖2（a）為普通螺旋溜槽的模擬結果，未施加磁場力，圖2（b）、（c）和（d）是復合力場螺旋溜槽的模擬結果，磁場力逐漸增大。

圖2 鈦鐵礦運動軌跡Fig .2 Trajectory of ilmenite particles in spiral chute

由圖2（a）可知，第一圈槽面被礦漿鋪滿，礦漿流速1～1.1 m/s，槽面第二圈礦漿分成兩支，靠內側礦漿流速變慢，靠外側流速變快，第三圈槽面上礦漿匯在一起流速變慢至最底端；圖2（b）在第一圈槽面礦漿向槽面內緣收斂，由初始速度1 m/s增速到1.1 m/s后迅速減小；隨著磁場力的變大，圖2（c）中礦漿約集中在第一圈靠內側二分之一處，礦漿流速保持在1 m/s，與圖2（b）相比，從第二圈槽礦漿跨度變寬，流速不變；圖2（d）礦漿繼續向槽面內側收斂，流速迅速增大，至第二圈槽面流速在2.5～3 m/s之間，這樣更有利于磁性顆粒與其他礦物粒子分開。

2.4 鈦鐵礦礦石實驗結果

利用Φ600 mm的普通螺旋溜槽與復合力場螺旋溜槽分別分選攀枝花某鈦鐵礦礦石，粒度-0.074 mm 78.39%，原礦TiO2含量3.81%。給礦濃度28%。

取15 kg原礦，裝入盛有38 L的攪拌桶中，以20 r/min轉速攪拌給礦，礦漿進入螺旋槽面后，首先受重力作用沿槽向下流動，礦漿受離心力的影響向槽外緣擴展，形成了內緣流層薄、流速低，外緣流層厚、流速高的流動特性。內緣液流呈層流狀態，外緣液流呈明顯的紊流狀態。液流除了沿槽的縱向流動外，還存在著內緣流體與外緣流體間的橫向循環流動，稱為二次環流[11]。這種環流運動使槽內圈的礦漿出現上升分速度，外圈有下降分速度。位于礦漿內的固體顆粒既受到流體運動特性的支配，同時也受到重力、慣性離心力、磁場力以及槽底摩擦力的作用。在復合力場螺旋溜槽中磁性顆粒還受到磁性顆粒的影響被吸引到液流下層，磁性礦粒（密度大）靠近內圈，非磁性輕礦物移向外圈，礦粒運動趨于平衡，分帶完成，非磁性顆粒被甩到最外緣的邊流中，進入尾礦。實驗流程見圖3，實驗結果見表1。

圖3 實驗分選流程Fig .3 Flowsheet of ore processing

表1 復合力場螺旋溜槽與普通螺旋溜槽實驗結果對比常規Table 1 Result comparison of conventional spiral chute and composite force spiral chute

由實驗數據可知，復合力場的磁場磁感應強度為30.5 kA/m，經一次粗選，應用普通螺旋溜槽分選的精礦TiO2含量為9.19%，回收率為67.49%，復合力場螺旋溜槽分選的精礦TiO2含量為10.76%，回收率為83.65%，精礦TiO2含量提高1%，回收率提高9%。復合力場螺旋溜槽的尾礦品位和回收率都有所降低。可見，復合力場螺旋溜槽將細粒級磁性礦物有效捕收到精礦區，提高分選效果。為了進一步分析細粒級（-0.074 mm）在精礦、中礦和尾礦中含量，對該3 個產品進行了篩析，其結果見表2。

表2 復合力場螺旋溜槽與普通螺旋溜槽獲得的選礦產品篩析結果Table 2 Sieve analysis test results of mineral processing products

由表2可知，復合力場螺旋溜槽的精礦-0.074 mm粒級含量比普通螺旋溜槽螺旋高5.2%，中礦含量基本不變，尾礦-0.074 mm粒級含量低4.1%，可見，復合力場螺旋溜槽的磁場強化了細粒級磁性顆粒的回收。

3 結論

(1) 磁性橡膠板是一種新型的磁性材料，磁場磁感應強度最高可達80 kA/m，柔韌度高可與螺旋溜槽槽面貼合，有效解決了弧形槽面難以添加硬質磁性材料的難題。

(2) 應用仿真軟件模擬兩種螺旋溜槽的鈦鐵礦粒子軌跡，復合力場螺旋溜槽上的磁性礦物明顯向溜槽內緣收斂，強化了磁性礦物的回收。

(3) 復合力場螺旋溜槽是一種重力場與磁力場的復合性設備，應用磁性橡膠板鑲嵌到槽面中，保證槽面的平滑度與機械結構完整性，并有利于磁性礦物的回收。

(4) 復合力場螺旋溜槽應用磁場力將磁性顆粒吸引到礦漿流的底部，加強磁性礦粒向溜槽內緣流動的幾率，可有效提高磁性礦物的回收率，鈦鐵礦的回收率提高了9%。