圆筒型旋流器在平衡两段闭路磨矿负荷中的应用试验

圆筒型旋流器常用作粗粒级分级，用于2段磨矿中的1次分级，其分级效率直接影响2段磨机的负荷平衡，但是针对全圆柱型旋流器在2段磨矿负荷平衡中的应用研究至今甚少。梅山铁矿磨矿采用2段全闭路磨矿流程，第1段分级采用圆筒型旋流器，调试初期第1段磨矿负荷高、第2段磨矿负荷低。为此展开了对圆筒型旋流器的调试，通过对不同结构参数下的分级效果对比，最终使2段磨机负荷得到平衡，磨矿效率大幅提升。

1  圆筒型旋流器工作原理及流场分布规律分析

圆筒型旋流器的整个器壁全由柱段组成而没有锥段。由于圆柱段是一个有益于固体颗粒分离的有效沉降区，随着柱段长度的增长，水力旋流器内的分离空间越大，流体在旋流器内的停留时间就越长, 旋流器内的局部损失及湍动程度便会有所下降, 于是旋流器的总能耗降低, 处理能力增大。由于此种旋流器无锥段、磨损很小、所需压力降较小、处理能力大，所以圆筒型旋流器一般用于球磨第1段分级作业。

有研究表明，圆筒型旋流器内的流场分布规律大致为：①浆体在一定压强下通过给料管沿切向进入旋流器后，在旋流器内形成回转流，其切向速度从旋流器周边向中心不断增大，到空气柱边缘又重新降低，在回转半径约等于溢流管内半径处，切向速度达到最大值；②轴向速度在溢流管末端以下所有的水平面上，由器壁向空气柱方向距离越近速度越高，速度值由负变正，在旋流器半径中部通过零点，组成一个零速包络面，该面内部的液体向上流动形成内旋流，即溢流。其外部流体向下流动形成外旋流，即沉砂；③径向速度分布是从器壁趋向轴心逐渐增大，在空气柱边缘附近又急剧降低，内旋流区的径向速度变化幅度比外旋流区的变化幅度大。圆筒最下部形成旋转的稳定层，此层矿浆旋转稳定，有利于降低旋流器磨损及排矿。④矿浆进入圆筒型旋流器后，在很短时间内即基本完成分级，后续进入稳定状态。即经过快速分级—稳定的旋流过程。所以缩短筒体长度，会使溢流量增大，但溢流粒度相比未缩短筒体长度前变化幅度不大。因此，缩短旋流器筒体长度，有利于减轻球磨第1段负荷，增加第2段负荷，从而提高球磨系统的处理量，达到甚至超过设计处理能力，同时不会导致管道堵塞。

2  圆筒型旋流器数学模型分析与生产实践验证 

要探讨圆筒形旋流器在平衡2段磨机负荷中的作用，必须进行数学模型研究。综合国内外研究人士的分析结果，较准确、较实际的计算公式是t·d哈蒂岗^[1]等人应用的量纲分析法，给出的圆柱水利旋流器的数学模型，即

，          （1）

  ，               （2）

，        （3）

式中，q_i为给料流量；q_0­为溢流流量；d₅₀为分离粒度；d_c为水力旋流器直径；d_i为进料管直径；d₀为溢流管直径；d_u为底流管直径；l_c为水力旋流器高度；ρ_t为液体密度；ρ_p为固体密度；ρ_i为混合体密度。

根据式（1）、式（2）、式（2），得出旋流器生产能力与结构参数的关系。

（1）旋流器直径d_c与生产能力q_i和分离粒度d₅₀的关系为随着旋流器直径增大旋流器的生产能力减少，而分离粒度却增大。为了平衡2段磨机的负荷，可通过增大或减小旋流器直径调节分离粒度，使溢流量增大或减小。

（2）旋流器进料管直径d_i，旋流器长度l_c与生产能力q_i和分离粒度d₅₀的关系为随着旋流器长度、进料管直径的增大，旋流器的生产能力和分离粒度增大。

（3）旋流器底流管直径d_u与溢流流量与进料流量分配比q₀/q_i和分离粒度d₅₀的关系^[2]为底流管直径增加，引起q₀/q_i的减小，降低分离粒度，提高分离效率，在一定范围内对生产能力影响不大。

3  圆筒型旋流器平衡2段磨矿负荷的实践探索

   梅山铁矿球磨系统运行初期，第1段采用6台φ550mm旋流器组作为分级设备，但运行过程中出现了第1段负荷高、第2段负荷低的不平衡现象。为平衡2段磨机负荷，提高磨矿效率，进行了第1段旋流器的调试工作。首先在基于φ550mm旋流器组的基础上，进行了旋流器结构参数的调试。调试中发现，旋流器溢流浓度与溢流量正相关，溢流细度与溢流量负相关。因此，将旋流器溢流作为平衡2段负荷的参考。

3.1 φ550mm旋流器组结构参数变化对2段磨机负荷的影响   

在调试初期，针对φ550mm旋流器组进行了调试，沉砂嘴直径采用φ70mm、φ75mm、φ80mm 3种规格，旋流器溢流套管直径采用180、210mm，旋流器溢流套管深度采用500、650、850mm 3种规格在给料压力及浓度恒定的情况进行生产调试研究，旋流器工作压力为0.04～0.055mpa。φ550mm旋流器部分参数调试结果见表1。

                    表1 φ550mm旋流器组部分结构参数调试结果

由表1可知，①增大溢流套管直径，使旋流器溢流浓度增大，细度减小，沉砂浓度减小，细度减小。即增大溢流套管直径会使零速包络面向器壁移动，包络面内的空间变大，向上运动的矿浆增多，即溢流量增大，导致溢流浓度增大细度减小，沉砂浓度减小的同时细度也减小。原沉砂中的细颗粒以及部分粗颗粒跑到溢流中，返砂量减少。②增大沉沙嘴直径，一次溢流浓度降低，细度增大，沉砂浓度降低，细度增大。即沉砂管直径变大，会增大沉砂的排出口面积，使得沉砂产量增加，浓度降低，从而导致溢流量减少，沉砂和溢流的细度均增加。但旋流器的角锥比不宜过大，一般认为3～4比较适宜。角锥比能有效的改变分级粒度，因此生产中要注意沉沙口的磨损对分级效果的影响。③增加溢流套管深度，一次溢流浓度明显变大，细度减小。沉砂有降低趋势，但变化不明显，细度降低。即把零速包络面看成是一个不规则筒形，由于刚进入旋流器的矿浆速度大，因此形成的零速包络面半径大，而越向下半径逐渐减小，向上运动的矿浆的密度也越大，增加溢流套管插入深度，会使本来进入沉砂的产品进入溢流，从而使溢流浓度明显变大，溢流跑粗，细度减小。沉砂浓度变化不会太明显，而由于部分颗粒进入溢流，使得细度减小。

     实践中，在不改变旋流器筒体直径的条件下，改变旋流器的溢流套管直径、沉砂嘴直径以及溢流套管深度，虽然将一部分矿量分配到第2段球磨，但在一定程度上缓解了2段球磨负荷不平衡的现象，但结果并不理想。根据探索性试验的结论，增大了旋流器的筒体直径，由原来的φ500mm增大到φ710mm，并进行了调试。