基于旋流器結構改造的磨礦循環負荷優化研究

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，磨礦回路中的循環負荷對磨礦分級設備的工藝指標有很大影響，是磨礦流程計算中的重要參數［1］。目前，水力旋流器是磨礦回路中的主力分級設備，但旋流器作業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通過能力及臺效、增加能耗等問題，返回物料中合格的細粒級夾雜較多，易造成過磨，不利于后續選別指標。近年來，國內外提出了多種調整旋流器、優化循環負荷的理論與實踐研究，T·尼瑟等［2］通過對磨礦回路工作狀態的研究，明確提高底流濃度，可以使循環負荷減小，同時防止過磨。伍敬峰等［3］改變了旋流器進料體結構及變錐結構，提高了旋流器的分級效率，減少了二段磨礦回路的循環負荷，并確定分級效率與q值的相對增幅呈線性關系。湯作錕等［4］結合現場實際改造，通過旋流器直徑及進料體結構改進，降低循環負荷，提升臺效。

根據以上相關研究可知，旋流器進料體及錐體結構對分級效率有顯著影響［5］。本文基于Flunet 有限元分析軟件，對旋流器結構進行優化并模擬，同時進行現場對比試驗，以期提高旋流器的分級效率及現場臺效。

1 旋流器結構技術特征

1.1 旋流器進料體結構特征

旋流器進料體是旋流器的關鍵部位之一，起到將泵送礦漿轉化為旋流器內部回轉流的作用，進料體線形設計會影響旋流器內部流場的湍流強度和切向速度。通過增加進料體包角、改變進料體入料線性等措施，可有效保持進料礦漿流速，減少湍流運動，提高旋流器分級效率，減少沉砂中細粒級含量。圖1 為傳統漸開線進料體結構，其流形變化較快，沿程損失大，易產生紊流，速度損失也較大。圖2 為優化后的螺旋線進料體結構，其能量耗損小，礦漿流形合理、穩定。

1.2 錐體結構特征

旋流器的錐體角度決定了零速包絡面的位置，是旋流器分選指標的重要結構之一。增大旋流器錐角，可降低沉砂中的細顆粒含量，但溢流易“跑粗”。減少旋流器錐角，可提高溢流細度，但沉砂夾細增多。為此，設計了一種變錐角結構，傳統20°錐角結構見圖3，優化后的變錐角錐體結構見圖4。

由圖4可見，原統一角度的錐體拆為3段，一段大錐角度大，可增加梯度，快速使粗、細顆粒分離；二段中錐角度小，可延長物料分離時間，進行精細分級；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的數值模擬

2.1 結構建模

采用RNG k-e 模型進行湍流計算，使用離散相模擬顆粒軌跡，以獲得優化前后的旋流器內部流體特征模擬。旋流器給礦口設置為250 mm×250 mm，給礦流速3 m/s；旋流器溢流口設置為280 mm，出口壓力為101 kPa；旋流器底流口設置為100 mm，出口壓力為101 kPa。優化前旋流器使用漸開線進料體，錐體角度統一設置為20°，優化后旋流器使用螺旋線進料體，錐體大錐為30°、中錐為10°、小錐為15°。旋流器結構示意見圖5。

2.2 數值模擬結果

2.2.1 壓力對比

旋流器的壓力是分級的重要指標之一，軸向壓力的變化會影響向心浮力，壓力梯度變化越大，細粒級進入溢流中的概率越高。同時，壓力大小側面反映流速的大小，水平面壓力越大，則切向速度越快，離心力越大，粗顆粒進入沉沙中的概率越高。數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種結構軸向壓力差距不大，說明理論上溢流細度相近。

由圖7可見，在水平面，特別是進料體位置，優化后的結構壓力更高，高壓區域延伸至筒體位置，螺旋線進料體阻力更小，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顆粒的減少有正向作用。

2.2.2 切向速度對比

旋流器內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，更有利于粗顆粒中細顆粒的分離，減少沉砂中細粒夾雜。旋流器的切向速度分布見圖8。

由圖8 可見，優化后結構的峰值速度更高，斜率更大，說明優化后的結構具有切向速度大、剪切力大的優勢，對設備分級指標有利。

2.2.3 湍流動能對比

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

由圖9 可見，優化后的旋流器，其湍流動能明顯低于優化前的旋流器，說明結構優化后的旋流器流場更穩定，分級效率更高。

3 旋流器現場效果對比

某選礦廠采用半自磨+球磨+頑石破碎磨礦工藝，礦石先經φ10.97 m×7.16 m 半自磨機磨礦，磨礦產品進入振動篩篩分，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），旋流器溢流進入浮選作業，沉砂返回到2 臺φ7.32 m×11.28 m球磨機磨礦，球磨排礦返回旋流器分級。

現場球磨磨礦回路共2 個系列，將其中1 系列替換為改造結構后的設備，2系列為原結構，對2個系列進行連續取樣對比。磨礦分級工藝流程見圖10，改造前后取樣指標對比見表1。

?

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

4 結 論

（1）通過延長旋流器進料體包角，平緩入料流線，將統一角度的錐角變更為大-小-大三段錐角對旋流器進行優化，優化后的旋流器湍流動能更低，內部壓力更高，切向速度更快，可提高旋流器的分級效率，減少細顆粒從外旋流向內旋流遷移的阻力，從而減少沉砂中合格粒級含量。

（2）現場1系列采用優化結構后的旋流器，2系列使用原旋流器，在相同的作業條件下，對溢流、沉砂、入料等相關指標進行取樣，校核其分級效率等指標。通過現場實際指標對比，可知優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，旋流器分級效率提升了11.41 個百分點，磨礦回路循環負荷降低了311.09 個百分點，指標提升效果較好，能夠為后續現場提產增效提供保障。