锂渣脱泥用冲洗水旋流器分级性能试验研究

杨兴华，张家舜，刘培坤，张悦刊，王 辉，刁泽玲

（山东科技大学，山东青岛 266590）

关键字：锂渣；脱泥；冲洗水型旋流器；分级性能

0 引言

水力旋流器是一种常用的脱泥分级设备，具有结构简单、体积小、单位时间内处理量多、操作运行及后续保养费用低等优点，在矿业、石油、化工、污水处理、选煤等工业领域得到广泛应用［1-3］。

近年来，我国的锂电池行业迅速发展，其中某些关键材料的国产化进程也在不断加快，使得一些相关锂产品的需求不断提升，因此相应的锂渣产量也越来越大［4-6］。锂渣中仍有可观的稀有元素尚未被利用，其本身含细泥量较高，高含量的细泥增加了后续提取元素的成本，降低了提取标准［7］。因此，对锂渣进行脱泥预处理，降低锂渣中的含泥量、将稀有元素预富集十分必要。旋流器以其高回收性能在各种金属矿、非金属矿浆的脱泥领域得到广泛应用，但常规旋流器在实际工作中常伴有不同程度底流夹细现象，不免降低了生产效率和资源利用率［8-11］。前人研究［12-14］表明，冲洗水旋流器随冲洗水压力的增大，细粒物料的底流分配率均有不同程度地降低，底流夹细问题得到很大改善；YOU等［15］针对细煤脱泥试验研究得出，当进料浓度为12.50%，冲洗水压力为0.02 MPa时，脱泥效果最佳。

针对上述问题，本文提出使用冲洗水型旋流器对锂渣进行除泥预处理试验，包括对冲洗水型旋流器和常规旋流器进行对比试验和单因素试验，重点研究冲洗水位置对冲洗水旋流器的分离性能影响。

1 工作原理及试验方案设计

1.1 冲洗水型旋流器工作原理

冲洗水旋流器是在常规旋流器的基础上，在锥段某一位置插入冲洗水装置，由一根注水管引入，再经6个圆形导流口切向（与进料方向一致）注入冲洗水，结构示意如图1所示。由导流口注入的冲洗水可以将流经该区域的浆料冲散，为细颗粒的移动提供条件，这是因为加入的冲洗水流对颗粒具有推动作用，能够帮助细颗粒沿径向运动至内旋流中，从溢流口排出，从而减少底流夹细，提高分级效果。

图1 冲洗水结构示意Fig.1 Schematic diagram of water-injection structure

1.2 试验方案设计

为了探究冲洗水型旋流器脱泥效果，首先进行同等工况下冲洗水型旋流器和普通旋流器的对比试验，然后分别选取冲水位置为80，160，240，320，400 mm，如图 2所示。采用单因素试验方式，以产品的质量浓度、产率、粒度、综合分级效率和分离粒度为指标，探究冲洗水位置变化对旋流器分离性能的影响。本次试验研究选用50 mm的长锥旋流器（锥角6°），旋流器结构参数见表1。试验所用物料为锂渣，进料粒度分布见表2，其中-20 μm细泥含量为23.07%。

图2 冲洗水位置示意Fig.2 Schematic diagram of water-injection location

表1 冲洗水型旋流器结构参数Tab.1 Structural parameters of water-injection hydrocyclone

表2 进料粒度分布Tab.2 Feed size distribution

试验系统如图3所示。清水与锂渣混合加入料筒配制矿浆，搅拌均匀后由泵打入旋流器进行分级试验，溢流和底流经管路返回料筒搅拌保证试验系统循环运行，电机变频控制可调节旋流器给料压力，待运行稳定后，对底流、溢流和进料进行同步取样，抽滤烘干计算分析浓度和产率，采用容积法分析各产品流量，利用BT-9300S激光粒度分布仪的激光散射法对各产品进行粒径检测，分析计算分离粒度和综合分级效率。试验过程中，通过改变冲洗水入口位置接取各自试验条件下对应的产物样品。

图3 试验系统Fig.3 Schematic diagram of test system

2 试验结果与分析

2.1 对比试验

试验操作压力为0.1 MPa，以锂渣为原料配置质量浓度约为15%的矿浆，进行冲洗水旋流器和常规旋流器对比试验，冲洗水位置为320 mm，冲洗水流量为80 L/h。试验数据结果见表3。

表3 对比试验数据Tab.3 Comparative test data

分析表3试验数据可知，相同试验条件下，冲洗水旋流器的处理量增加，底流中-20 μm细颗粒含量减少了3.83个百分点，溢流中-20 μm细颗粒含量增加了1.93个百分点。这是由于冲洗水被注入水力旋流器的外旋流且与流体旋向一致，相当于给流体一个额外的切向速度，使得处理量有所增加。在冲洗水的作用下，进入锥段的粗细颗粒被充分打散，细小颗粒随内旋流进入溢流，而较粗颗粒和极少部分细小颗粒进入底流。

分析图4，5可以发现，对中位粒径为64.06 μm的进料，经常规旋流器一次分级得到中径为16.45，72.22 μm的两种产品，经冲洗水型旋流器一次分级得到中径为13.61，95.08 μm的两种产品。相比于常规旋流器，冲洗水型旋流器底流中细颗粒含量减少，溢流中细颗粒含量增加，底流产物脱泥效果明显。

图4 底流粒度对比Fig.4 Underflow particle size comparison

图5 溢流粒度对比Fig.5 Overflow particle size comparison

2.2 冲洗水位置对分离性能的影响

2.2.1 产物浓度和底流粒度分配

冲洗水位置对于实现最佳加冲洗水效果至关重要，冲洗水位置不同，旋流器的分级效果也不同。选取旋流器锥段由低至高5个位置进行试验。

冲洗水位置对底流产物和溢流产物浓度的影响规律如图6所示。由图可知，底流浓度随着冲洗水位置高度呈现先增加后减少的趋势，在冲水位置为240 mm时，底流浓度最高，为52.08%；与之相一致，溢流浓度随着冲水位置的升高呈现先降低后增加的趋势，且在冲水位置为240 mm时最小，为5.21%。这是因为当冲水位置较低时，冲洗水与中心轴线间的径向距离短，加入的冲洗水很容易带着外旋流中夹杂的颗粒越过零速包络面进入内旋流从溢流口排出，溢流浓度较高。随着冲洗水位置的升高，冲洗水位置与中心轴线间的径向距离增大，补加水的压力减小，加入的冲洗水仅有部分可以穿过零速包络面带走细颗粒，而大部分冲洗水流夹带着部分粗颗粒进入外旋流从底流口排出，底流浓度降低，溢流浓度增加。

图6 冲水位置对各产物浓度的影响Fig.6 Effect of water-injection location on the concentration of each product

不同冲洗水位置下旋流器分级试验结果见表4。可以发现，随着冲洗水位置的升高，旋流器底流产品中-20 μm的细颗粒含量先降低后增加，当冲洗水位置为l240mm时达到最小值，此时底流中-10 μm细颗粒含量为1.63%，10～20 μm 粒级颗粒含量亦达到最小值1.42%，而+50 μm粒级的颗粒含量则达到最高值77.83%。

表4 不同冲洗水位置下分级试验结果Tab.4 Classification test results for different water-injection locations

根据表4绘制冲洗水位置对加底流各粒级产率的影响规律如图7所示，由图可知，随着冲洗水位置由低到高，底流中细颗粒的含量先减少后增加；30～40 μm粒级的颗粒含量影响甚微。这是因为当冲洗水位置较低时，冲洗水到轴线的距离近，对底流的渗流清洗作用强，将底流中的细颗粒冲到内旋流从溢流口排出，底流夹细现象得到改善；但是随着冲洗水位置升高，冲洗水的作用减弱，大部分的冲洗水流沿着外旋流从底流口排出，底流中的细颗粒含量增加。

图7 冲洗水位置对底流中各粒度级物料产率的影响Fig.7 Effect of water-injection location on material yield of different particle sizes in the underflow product

2.2.2 分级精度

在实际工业生产中，通常使用分级精度来评判旋流器的分级情况，即旋流器的溢流和底流产品中粗细颗粒的混杂情况。在底流分配曲线中，曲线越陡峭，说明旋流器分离出来的分级颗粒尺寸就越集中，分级效果就越好，分级精度越高。反之，底流分配曲线中，曲线的走势越平缓，说明旋流器分离出来的分级颗粒尺寸越分散，分级效果越差，分级精度就越低。评定分级效率曲线的指标有可能偏差E、不完善度I、陡度指数S等。

可能偏差的表达式为：

不完善度的表达式为：

陡度指数的表达式为：

式中 d25，d50，d75—— 分 级 效 率 曲 线 上 分 配 率 为25%，50%，75%时相对应的颗粒粒度，μm。

根据图8，并结合公式计算得到的旋流器分级精度见表5。可以看出，当旋流器补加水位置为l240时，计算得到的可能偏差E和不完善度I最小，陡度指数最大。因此当旋流器补加水位置为l240时，旋流器的分级精度最高。

图8 不同位置下旋流器分级效率曲线Fig.8 Classification efficiency curves of hydrocyclone at different locations

表5 不同冲洗水位置旋流器分级精度计算结果Tab.5 Calculation results of hydrocyclone classification accuracy for different water-injection locations

2.2.3 综合分级效率

实际工况中常用代表性粒级的分级效率来表征综合分级效率，综合分级效率既能反映分离过程中量的概念（某特定粒级的分离效率），又能反映分离过程中质的概念（溢流跑粗或底流夹细程度）。综合分级效率采用汉考克公式得到。表6给出了不同冲洗水位置条件下-20 μm颗粒的综合分级效率，可以看出，当冲洗水位置为l240时，-20 μm颗粒的综合分级效率最高，为73.60%。

表6 冲洗水位置对综合分级效率的影响Tab.6 Effect of water-injection location on comprehensive classification efficiency

式中 α ——进料指定粒级含量；

θ ——底流指定粒级含量；

β ——溢流指定粒级含量。

3 结论

（1）同等结构参数和试验条件下，相比于常规旋流器，采用冲洗水型旋流器得到的底流产物粗颗粒含量增加，细颗粒含量降低，有利于减少底流夹细。

（2）对中位粒径为64.06 μm的锂渣矿浆进料，经冲洗水型旋流器一次分级可得到中位粒径分别为13.61，95.09 μm的两种不同粒径范围的产品，脱泥效果明显。

（3）针对-20 μm颗粒累积含量，当冲洗水位置为240 mm时，底流产物中-20 μm颗粒含量最低，综合分级效率最高，可达73.60%；可能偏差和不完善度最小，陡度指数最大，旋流器的分级精度最高。