浅谈水力旋流器工作原理及影响因素

【摘 要】随着世界矿产资源的匮乏和贫化，选矿生产企业对选矿深度、精度的加深，物料粒度要求越来越细，特别是氧化铝生产制造的生产料浆对水力旋流器的分级效果、效率要求也越来越高。文章结合作者工作经验、生产实际对水力旋流器工作原理、分级效果提高的影响因素进行探究，以期进一步提高水力旋流器的工作效率、企业生产效益，并对水力旋流器未来发展趋向做了分析。

【关键词】旋流方式;分级效率;产能;结构影响参数

【中图分类号】TD45 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）06-0036-03

0 引言

旋流器分级是磨矿选矿生产中必不可少的一个环节，是选矿企业中最为常见的一种分离分级设备，耗能较大，工作效率容易受到本身结构、人为操作和环境因素的影响。

水力旋流器的工作原理简单来说就是离心沉降和分级分离两个阶段，矿浆在给料泵作用力下从切线方向高速进入旋流器本体。料浆中粒径大的颗粒在克服液体各种阻力后向器壁运动，持续向筒体周边聚集，通过旋流器底部的沉砂嘴排出去;粒径较小的颗粒和大部分液体则因所受的离心力和重力都小，停留在筒体纵轴中心线并增大汇集，会随着持续给料，这部分流体向上运动，最终通过溢流管流出，形成合格溢流矿浆产品。

1 水力旋流器工作原理

水力旋流器就是分级原矿浆或AH粒级的作业设备，广西某氧化铝厂也采用水力旋流器进行原矿浆分级，它基本覆盖了全国95%氧化铝冶炼厂选矿分级企业单位。

旋流器的结构看起来非常简单，但其结构与产能、分级效果的要求是非常高的，高匹配度才能提高效率和产能，这是因为结构因素直接影响旋流器内部的流体的流动形式，运动方式非常复杂[1]。其工作原理是原矿料浆以高速状态从进料管口沿切线方向进入直筒内，受到筒壁的约束限制和自身重力的影响，筒壁构造内有导流涡旋引导液体旋转运动，通常称这种自上而下的运动为外旋流或下降旋流运动。料浆颗粒物受到离心力、自身重力的作用，粒径越大离心力就越大，沿器壁向下旋流移动，受到连续料浆流体的推动，在底流口聚集后排出;细颗粒料浆继续向下运动，进入锥体后，分离器内径逐渐缩小，压力越大，速度加快，沿径向方向的压力不均，越接近轴线中心处离心力越小，细小粒径的颗粒液相无法从底流口快速排出，料浆推动形成向上的回旋转运动，旋流碰到顶盖从溢流口排出。水力旋流器中流体运动主要有以下几种运动形式。

1.1 内、外旋流

内旋流、外旋流是水力旋流器里流体运动中最主要的两种运动形式，它们的旋转方向相同，都是顺时针或者都是逆时针旋转，这决定于进料管切进方向;但这两种旋流运动方向却是相反的，外旋流是自上而下，内旋流是自下而上。内旋流是自下而上，回旋携卷细小粒径且轻的物料颗粒及大部分液体从溢流口排出，即溢流;外旋流是自上而下旋转，器壁限制使粗大粒径且重的料浆颗粒和少部分液体从排砂口释放排出（如图1所示）。

1.2 短路流（蓋下流）

进入旋流器的料浆，可以视为两相流体，由于离心力和筒体内壁的摩擦阻力共同作用下，其中一小部分受到进料管口（设计缺陷或磨损）、压力、能量损失的影响突然释放，这部分先向上碰到旋流器顶盖再向下运动，最后汇集从内旋流来的溢流柱汇合从溢流口排出，这就是短路流，这部分料浆没有经过分离，直接掺和汇入溢流，是非常有害的。

1.3 平衡流

内、外旋转的两股两相流体，由于溢流口大小不同、插入深度不同，因此存在料浆来不及从上下排料口排出，而未被排出的这部分料浆流体在溢流管和筒体之间，一直做上下来回平衡循环旋涡运动，形成平衡涡流。但这部分运动一般不影响效率。

1.4 零速包络面

内、外旋流的流体运动方向是不同的，内旋流是由外旋流运动过程中形成的，相对来说就有个分离面，也就是说有个轴向速度趋于为零的流体分离轨迹面。Driessen MG[2]于1951年提出的平衡轨道理论认为，旋转中的所有固体颗粒主要受到离心力和流体拉力的作用，当这两个力达到平衡时，颗粒相对处于一个平衡固定位置，类似行星轨道痕迹面，将形成一个低于标准大气压的负压区，进入负压区的料浆就离析出空气，类似于输送泵类内的气蚀形成过程一样，与此同时，一部分空气可能会通过溢流口和排砂口被吸进旋流器负压区，汇总后形成空气柱。

旋流器形成空气柱要满足两个条件：一是旋流器中心区域压力为负压;二是两个出料口因为压力差均与大气短暂间接或直接相通[3]，最后所有气体汇总后形成。

1.5 离心力强度

基于以上，再来说明一下离心力强度，它是克服各种作用力后体现分级效果的一种关键力量（如图2所示）。

通常情况，在纵坐标反向流体速度分解成径向速度ur、切向速度uθ及轴向速度uz，且它们关系如下：

u2=ur2+uθ2+uz2（1）

假设能量恒定，料浆混合物以切向进入，其旋转动能恒定，即

uθr=常数（2）

式中：r为回转半径。切向速度值与物料回旋半径r成反比，随着回转半径r的缩小而升高。在切入口位置，uθ=u0，r=Rc（Rc表示直筒体的内径），因此进入筒体内后ru0。

在旋流运动中，通常情况固体颗粒受到离心力要高于重力，离心力速度和重力加速度的比值即离心力强度Sgc：

Sgc=aθ2/gr（3）

式中：aθ及g分别为离心及重力加速度。

一般情况下，Sgc能够达到几百倍甚至数千倍，提高给料压力，矿浆流速相应提高，物料所受离心力强度增强，可以提高分级效率和底流浓度[4]，进而提高产能。这是中国铝业股份有限公司广西分公司和专家正在研究新型适合本土生产旋流器的方向。离心力区域和重力区的另一个重要因素：料浆回转半径r对离心加速度aθ影响很大。在理论状态，Sgc和料浆旋流半径r的三次方成反比关系，也就是说物料离心力强度大小随回旋半径的减小反而迅速升高。

2 影响水力旋流器的分级因素

水力旋流器主体部分由中空圆柱体（简称筒体）、长锥体、短锥体、进浆管、进料阀、溢流口和沉砂嘴等组成。其结构是影响分级能力和能量损耗的主要因素。一般企业会根据体积流量和分级粒度选择水力旋流器的规格。影响水力旋流器分离性能的因素较多，这里重点介绍结构的影响。

2.1 旋流器直径

直径Do：旋流器直径大小对生产产能和分离粒度的大小影响重大，一般情况生产产能和分离粒度会与旋流器直径成正比;但直径过大直接影响给料压力和能耗损失，对粒度有影响，一般粗选使用较大直径的旋流器。

2.2 直筒体高度

旋流器中空筒体高度：在同等给料压力、料浆前提下，延长筒体高度，也就是增加分离时间、缩减分离粒度及提高分离效率，但这将以降低产能及能耗为代价，不是越高越好。可以使用在精细、产量要求不是很高的生产流程上。

2.3 进料管直径

进料管直径Di：进料管的大小对处理能力、分级压力、粒度有很大影响，这点经常被旋流器厂家和生产单位所忽略。但它对进料的能力损失却影响明显;加大进料管直径，导致分离粒度变粗，它与直筒体直径在一定比例范围，Di=（0.2-0.26）×Do;进料口的形状一般为圆形和矩形，主要都是作为进料的作用，对能耗损失变化不大。

2.4 溢流管直径

溢流管直径Dy：溢流管直径变大，溢流量也随之增大，溢流粒度变粗甚至夹带大颗粒物料溢出，因为上盖有部分短路流直接跑出，短路流的影响变大，其直径与旋流器直径也成一定比例范围，Dy=（0.2-0.4）×Do。溢流管直径是水力旋流器一个重要尺寸参数，当进口压力不变的条件下，旋流器的产能与溢流管直径近似成正比。这是各企业单位忽视的一个因素，也是后续研究的一个点。

2.5 溢流管插入深度

溢流管插入深度：是指溢流管的底端与直筒体、锥体衔接处的垂直高度，也称为自由高度。在其他条件不变的情况下，自由高度增大（同拉高筒体长度一样），分级粒度变细，产能变小;减小自由高度，分级粒径变大变粗，产能也增大，但耗能大，不是越高越好;一般该间隙取值范围在30～80 mm。

2.6 锥体角度

锥体角度：是指锥体与轴向筒体线的夹角。水旋器筒体内的料浆流体阻力随着锥角增大而增大，在进料压力同等条件下，锥角越大，阻力增大，生产产能变小，分离效率降低，分离粒度变粗;减小锥角，分离粒度变细。一般对细粒径物料分级采用小锥角的旋流器，通常是对氢氧化铝粒度要求比较严格的氧化铝厂分解工序使用，此角度通常在10°～15°;粗粒径的物料分级和工业浓缩用途一般采用较大锥角的水力旋流器，一般取值20°～45°。

2.7 锥比

锥比：是指底部排沙嘴直径和溢流口直径的比值。它是设计水力旋流器的重要参数，也是影响分级粒度的另一重要因素。比值越大，得到产品分级粒度越小;反之比值越小，产品分级粒度越大，一般比值范围在0.35～0.65。

3 使用情况

现期中国铝业股份有限公司广西分公司氧化铝厂共有10台水力旋流器组，给矿量为730～840 m3/h/组，旋流器给矿压力为0.06～0.12 MPa，日常生产要求料浆缓冲给料槽液位控制在1.5～2.0 m，以保障旋流器给料压力达0.10 MPa偏上控制，即保证重力加速度达30 G的力;单个旋流器直径为500 mm，沉砂嘴直径为ds=8.5 cm，旋流器锥角为20°，进一步使生产料浆分级粒度得到保障，-63μm料浆细度合格率月值在88%，在国内属于较高水平，现资源匮乏，为求更精准的分级，该公司正在做进一步探索和研究。

4 结论

由于作者工作能力、经验和试验条件等各方面的条件受实际生产条件限制，所以本文只是基于实际对水力旋流器的原理、结构、运动方式及流体流向的初级探索，以及对本岗位工艺进行了较为简要的说明，虽然传统水力旋流器发展运用比较成熟，但水力旋流器运动流向还是相当复杂的，在进料口、溢流口和锥体、排砂口的尺寸，以及物料进出口的浓度和压力问题，可以更深入地探索和试验，开发出高效节能的水力旋流器。

参 考 文 献

[1]張勇.新结构水力旋流器的设计及速度场特性研究[D].大庆：大庆石油学院，2004.

[2]Driessen M G.Reviewof Industrial Mining[J].Spe-

cial Iasue，1951（4）：449-461.

[3]苗青，袁惠新，王跃进，水力旋流器内空气柱的形成规律初探[J].江南大学学报（自然科学版）[J].2002（4）：380-383.

[4]庞学诗.水力旋流器技术与应用[M].北京：中国石化出版社，2011.

【作者简介】覃殿归，男，本科，中国铝业股份有限公司广西分公司助理工程师，从事氧化铝生产工艺技术管理及研究工作。