旋流分离技术在颗粒分级与固液分离中的应用

旋转流分离技术在颗粒分级与固液分离中的应用

（威海市海王旋流器有限公司威海 264209）

摘要

旋转流分离是在超重力场中对有粒度、比重、形状等差异的颗粒进行快速高效分离。旋流器是旋转流分离的主要设备之一，在国民经济各行业得到广泛应用。本文主要介绍旋转流分离机理，以及评价旋流器分离性能的指标。介绍旋流器在矿业磨矿分级、分选、浓缩、脱泥脱药、微细粒分级、组合分级等工艺中成熟应用经验，并结合实验室和现场试验数据分析主要结构、操作、物料性质等参数对旋流器分离性能的影响因素。

结合现场旋流器运行过程中经常出现的问题，提出一些分析解决问题的方法，对于生产应用有一定的指导意义。同时本文还简单介绍了旋流器柱体、锥体、溢流管、沉砂咀、进料口等结构的改进对分离性能的影响，对改进现场用传统旋流器，提高分离性能有参考意义。

1、前言

旋转流分离是在超重力场中对有粒度、比重、形状等差异的颗粒进行快速高效分离。旋流器是旋转流分离的主要设备之一，该设备是一种用途十分广泛的湿式机械分离分级设备, 它可以用以完成液体澄清、料浆浓缩、固相颗粒洗涤、液体除气与除砂、固相颗粒分级与分类、以及两种非互溶液体的分离等多种作业。由于旋流器具有结构简单、无运动部件、设备紧凑、占地面积小、设备成本低和处理量大等许多优点, 迄今已经在矿物加工、化工、石油、轻工、环保、采矿、食品、医药、纺织与染料业、冶金、机械、建材及煤炭等众多工业部门获得了广泛的应用; 而且由于水力旋流器结构及型式的日趋多样化, 其应用领域仍在不断拓展。

在国内, 旋流器的应用正受到越来越多的工程师们的关注。本文将简单介绍旋流器的工作原理--旋转流分离理论，并从颗粒分级和固—液分离两方面来介绍旋流器应用开发的新情况，便于工程师们更系统地了解旋流器在国内外的应用情况。

2、旋转流分离技术

2．1旋流器分离机理

旋流器的工作原理是离心沉降。当两相流体以渐开线、切线或螺旋线方式给矿管以一定速度进入筒体后，由于受固定筒体壁的约束，浆体中固体颗粒与液体在器内的运动均由切向、轴向、径向运动组成。在强大离心力场的作用下，首先沿器壁以螺旋线方式向下运动，形成外旋流。但因旋流器下部锥体，其断面面积向下逐渐缩小，流速越来越大，致使底流口无法将全部外旋流排除。沿程有部分流体将逐渐脱离外旋流，以螺线涡的形式向内迁移，越接近底流口内迁的量越大。这部分呈螺线涡形式内迁的流体，只能调转方向向上运动，形成内旋流并从上部溢流管排出。外旋流和内旋流是旋流器中流体运动的主要形式，它们的旋转方向相同，但其运动方向相反。

此外，旋流器内部还有短路流、盖下流、空气柱、闭环涡流、零速包络面等几种运动形式存在。

2．2 分离性能的评价指标

旋流器的性能评价指标主要是分离粒度、单台处理能力和分级效率。分离粒度和单台处理能力是选择旋流器的主要指标，而分级效率则是衡量旋流器效率高低的主要指标。

分离粒度定义为：当某一特定的极窄级别的颗粒，它进入粗产物和进入细产物的概率均等，各为50%，那么，该极窄级别的中值粒径即为分离粒度，又称为平衡粒度或切割粒度，通常用

d表示。它是分级设备的主要性能参数之一。

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衡量分级效果的指标主要是分级质效率和分级量效率。分级质效率又称为牛顿效率，其物理意义是细产物中合格粒级的回收率与细产物中不合格粒级的混入率之差；分级量效率是指分级产品中合格粒级的回收率，为使分级量效率能够科学准确评价分级效果，通常还有一个指标限制，即细度合格的条件。

另外，在选矿过程中，有用粒级的回收率也是评价旋流器分级效果的一个重要指标。

2.3 影响旋流器分级性能的因素

根据不同的要求，对旋流器分级分离性能指标的描述有以下几个：溢流浓度、溢流固相粒度分布、分离粒度、分级效率、分离精度、分股比等。虽然水力旋流器结构简单，但影响其工作性能指标的因素却非常多，总体上说有结构参数、操作参数、物性参数三部分综合影响，具体如表1所示。

表1 影响旋流器分级效果的主要因素

3、旋流器在矿物加工生产中的应用

3．1磨矿分级

在现代选矿厂中，水力旋流器在各段磨矿中都有应用。其中，二、三段磨矿

和中矿再磨回路中的分级作业几乎全部用水力旋流器。在某些选矿厂里，只在一段磨矿中部分使用螺旋分级机，也逐渐被水力旋流器所替代。特别近几年来，一些结构新颖的大直径旋流器替代其它分级设备在闭路磨矿循环工艺取得了成功的应用。

3.1.1 新型多锥体旋流器在磨矿回路的应用

对嵌布粒度细的矿石，为了达到有用矿物的充分单体解离，要求磨矿分级系统能够生产出高浓度细粒度的合格产品。从提高旋流器的分级效率入手，通过改善旋流器的锥体结构，降低溢流颗粒细度，并降低底流产物中的细颗粒夹带量，从而改善磨矿效果以满足生产要求。

较传统旋流器(见图1)，新型旋流器(见图2)的设计由三段锥体组成。第一段锥体角度较大，使旋流器内流体的切向速度达到最大，增大离心力场；第二段锥体较小，锥段长度较大，使被处理矿浆在此有足够的时间和空间进行充分交换；第三段锥体带有较大的锥体角度和直段结构，有利于降低旋流器底流中细颗粒的夹带量。

图1传统旋流器示意图图2新型旋流器示意图长城铝厂磨矿车间使用新型Ø500多锥体旋流器替代原有的传统Ø500旋流器，与现有Φ3.2×4.9m格子磨，螺旋分级机组合形成一段闭路磨矿流程。通过长期的现场运行表明：采用新型旋流器后，该系统产能提高了3%，在同种工况下，旋流器的综合分级效率提高4~8%，溢流细度提高了3~10%。

3.1.2 闭路磨矿回路中大直径旋流器应用

随着大型选矿厂的建设，大直径磨机被广泛使用，目前与其形成磨矿回路的优选设备是旋流器，众所周知，小直径旋流器具有分离粒度小、分离精度高，但处理量小，因此采用小直径旋流器组占地面积大、管理困难、分配器到旋流器之间的连接管较长，易堵塞和磨损等缺点，因此，研究和使用结构新颖的大直径旋