基于旋流器结构改造的磨矿循环负荷优化研究

王东东 姜程阳 马智勇 季安坤 初福栋

（1.伊春鹿鸣矿业有限公司；2.威海市海王旋流器有限公司）

物料在加工过程中，磨矿回路中的循环负荷对磨矿分级设备的工艺指标有很大影响，是磨矿流程计算中的重要参数［1］。目前，水力旋流器是磨矿回路中的主力分级设备，但旋流器作业过程中可能存在沉砂合格粒级夹杂过多、返回量过大影响磨机通过能力及台效、增加能耗等问题，返回物料中合格的细粒级夹杂较多，易造成过磨，不利于后续选别指标。近年来，国内外提出了多种调整旋流器、优化循环负荷的理论与实践研究，T·尼瑟等［2］通过对磨矿回路工作状态的研究，明确提高底流浓度，可以使循环负荷减小，同时防止过磨。伍敬峰等［3］改变了旋流器进料体结构及变锥结构，提高了旋流器的分级效率，减少了二段磨矿回路的循环负荷，并确定分级效率与q值的相对增幅呈线性关系。汤作锟等［4］结合现场实际改造，通过旋流器直径及进料体结构改进，降低循环负荷，提升台效。

根据以上相关研究可知，旋流器进料体及锥体结构对分级效率有显著影响［5］。本文基于Flunet 有限元分析软件，对旋流器结构进行优化并模拟，同时进行现场对比试验，以期提高旋流器的分级效率及现场台效。

1 旋流器结构技术特征

1.1 旋流器进料体结构特征

旋流器进料体是旋流器的关键部位之一，起到将泵送矿浆转化为旋流器内部回转流的作用，进料体线形设计会影响旋流器内部流场的湍流强度和切向速度。通过增加进料体包角、改变进料体入料线性等措施，可有效保持进料矿浆流速，减少湍流运动，提高旋流器分级效率，减少沉砂中细粒级含量。图1 为传统渐开线进料体结构，其流形变化较快，沿程损失大，易产生紊流，速度损失也较大。图2 为优化后的螺旋线进料体结构，其能量耗损小，矿浆流形合理、稳定。

1.2 锥体结构特征

旋流器的锥体角度决定了零速包络面的位置，是旋流器分选指标的重要结构之一。增大旋流器锥角，可降低沉砂中的细颗粒含量，但溢流易“跑粗”。减少旋流器锥角，可提高溢流细度，但沉砂夹细增多。为此，设计了一种变锥角结构，传统20°锥角结构见图3，优化后的变锥角锥体结构见图4。

由图4可见，原统一角度的锥体拆为3段，一段大锥角度大，可增加梯度，快速使粗、细颗粒分离；二段中锥角度小，可延长物料分离时间，进行精细分级；三段小锥角度再次放大，可减少轴向速度，延长沉砂中物料的淘洗时间，减少沉砂中合格粒级的含量。

2 基于Flunet的数值模拟

2.1 结构建模

采用RNG k-e 模型进行湍流计算，使用离散相模拟颗粒轨迹，以获得优化前后的旋流器内部流体特征模拟。旋流器给矿口设置为250 mm×250 mm，给矿流速3 m/s；旋流器溢流口设置为280 mm，出口压力为101 kPa；旋流器底流口设置为100 mm，出口压力为101 kPa。优化前旋流器使用渐开线进料体，锥体角度统一设置为20°，优化后旋流器使用螺旋线进料体，锥体大锥为30°、中锥为10°、小锥为15°。旋流器结构示意见图5。

2.2 数值模拟结果

2.2.1 压力对比

旋流器的压力是分级的重要指标之一，轴向压力的变化会影响向心浮力，压力梯度变化越大，细粒级进入溢流中的概率越高。同时，压力大小侧面反映流速的大小，水平面压力越大，则切向速度越快，离心力越大，粗颗粒进入沉沙中的概率越高。数值模拟轴向压力分布见图6，水平向压力分布见图7。

由图6可见，2种结构轴向压力差距不大，说明理论上溢流细度相近。

由图7可见，在水平面，特别是进料体位置，优化后的结构压力更高，高压区域延伸至筒体位置，螺旋线进料体阻力更小，更有利于提升旋流器的分级压力，且切向流速的增加对沉砂中细颗粒的减少有正向作用。

2.2.2 切向速度对比

旋流器内流体的切向速度决定了旋流器离心力的大小，离心力大，则粗、重颗粒更易进入外旋流而从沉砂排出。切向速度的变化越陡峭，即加速度值越高，则说明该部位剪切力越强，更有利于粗颗粒中细颗粒的分离，减少沉砂中细粒夹杂。旋流器的切向速度分布见图8。

由图8 可见，优化后结构的峰值速度更高，斜率更大，说明优化后的结构具有切向速度大、剪切力大的优势，对设备分级指标有利。

2.2.3 湍流动能对比

湍流动能是指在流体运动中，由于流体的不规则运动而产生的能量，湍流动能的大小对于流体运动的稳定性有重要影响。在旋流器中，湍流动能越大，则流场越不稳定，容易产生涡流、涡旋等不规则运动，增加能量损失，粗细颗粒分级效果变差，加剧沉砂中细粒级混杂情况。湍流动能分布见图9。

由图9 可见，优化后的旋流器，其湍流动能明显低于优化前的旋流器，说明结构优化后的旋流器流场更稳定，分级效率更高。

3 旋流器现场效果对比

某选矿厂采用半自磨+球磨+顽石破碎磨矿工艺，矿石先经φ10.97 m×7.16 m 半自磨机磨矿，磨矿产品进入振动筛筛分，筛下合格粒级给入旋流器（型号为φ660-GT×14，共2组，开12台，备用2台），旋流器溢流进入浮选作业，沉砂返回到2 台φ7.32 m×11.28 m球磨机磨矿，球磨排矿返回旋流器分级。

现场球磨磨矿回路共2 个系列，将其中1 系列替换为改造结构后的设备，2系列为原结构，对2个系列进行连续取样对比。磨矿分级工艺流程见图10，改造前后取样指标对比见表1。

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由表1 可知，改造后的旋流器溢流-0.074 mm 含量58.99%，原结构旋流器溢流-0.074 mm 含量62.08%，改造后旋流器溢流-0.074 mm 含量减少，但可满足现场选别要求。改造后旋流器沉砂-0.074 mm 含量9.24%，原结构旋流器沉砂-0.074 mm 含量10.82%，改造后旋流器沉砂-0.074 mm 含量减少了1.58 个百分点，返砂中合格粒级减少。通过计算，改造后的旋流器分级质效率48.03%，原结构旋流器分级质效率36.62%，改造后的旋流器分级效率提升了11.41 个百分点。改造后旋流器循环负荷492.97%，原结构旋流器循环负荷804.06%，使用改造后旋流器的磨矿回路循环负荷降低了311.09 个百分点。现场一系列改造后分级效率明显提高，循环负荷减少，改造效果较好。

4 结 论

（1）通过延长旋流器进料体包角，平缓入料流线，将统一角度的锥角变更为大-小-大三段锥角对旋流器进行优化，优化后的旋流器湍流动能更低，内部压力更高，切向速度更快，可提高旋流器的分级效率，减少细颗粒从外旋流向内旋流迁移的阻力，从而减少沉砂中合格粒级含量。

（2）现场1系列采用优化结构后的旋流器，2系列使用原旋流器，在相同的作业条件下，对溢流、沉砂、入料等相关指标进行取样，校核其分级效率等指标。通过现场实际指标对比，可知优化后的旋流器沉砂中-0.074 mm 含量较原旋流器降低了1.58 个百分点，旋流器分级效率提升了11.41 个百分点，磨矿回路循环负荷降低了311.09 个百分点，指标提升效果较好，能够为后续现场提产增效提供保障。