胡振濤 陸占國 孫長勝 張 東 崔寶玉

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧鞍山114043；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

作為利用離心力場加速顆粒分離的典型設(shè)備，水力旋流器因其結(jié)構(gòu)簡單、處理量大、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于選礦、石油、環(huán)保、造紙等諸多技術(shù)領(lǐng)域［1-2］。近年來，隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于對水力旋流器的研究中。借助數(shù)值試驗(yàn)方法可以系統(tǒng)地探究工藝參數(shù)對水力旋流器流場特性和分離性能的影響，為水力旋流器的工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)［3-6］。

階段磨礦、粗細(xì)分選、重選—磁選—陰離子反浮選工藝流程是鞍山式赤鐵礦石處理的較理想流程，由于采用了階段磨選工藝和窄級別入選工藝，選別針對性強(qiáng)，顯著提升了細(xì)粒級的選別效率［7-8］。由于相當(dāng)部分已經(jīng)單體解離的鐵礦物顆粒通過粗細(xì)分級進(jìn)入細(xì)粒級產(chǎn)品中，細(xì)粒級的磁選+反浮選成本較高，而粗粒級的重選直接提精成本較低。為降低齊大山鐵礦選礦廠全流程的生產(chǎn)成本，可以通過優(yōu)化粗細(xì)分級旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，增大粗細(xì)分級旋流器的沉砂產(chǎn)率，從而增大生產(chǎn)成本低的重選作業(yè)的給礦量來實(shí)現(xiàn)。本研究首先利用ANSYS Fluent軟件，系統(tǒng)考察了水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其分離性能的影響；然后基于數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對現(xiàn)場粗細(xì)分級水力旋流器進(jìn)行了改造，改造后的水力旋流器現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定，能有效增加重選作業(yè)給礦量，可為同類型旋流器改造設(shè)計(jì)提供參考。

1 現(xiàn)有水力旋流器存在的問題

對齊大山鐵礦選礦磨磁作業(yè)區(qū)?660 mm粗細(xì)分級旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)以及生產(chǎn)情況進(jìn)行了考察，結(jié)果見表1和表2。

由表1可知，現(xiàn)場粗細(xì)分級旋流器沉砂濃度為74.93%，鐵品位為40.08%；沉砂產(chǎn)率較低，僅為57.42%，其中-75 μm含量為37.96%。經(jīng)計(jì)算，粗細(xì)分級旋流器的分級效率為40.87%。

由表2可知，沉砂產(chǎn)品-75 μm粒級的鐵品位明顯高于+75 μm粒級，鐵品位隨粒度變化比較明顯，由粗粒級到細(xì)粒級的品位呈現(xiàn)先增高后降低趨勢。細(xì)粒級具有較高的鐵品位和鐵分布率，增加沉砂產(chǎn)率，有助于強(qiáng)化已單體解離的鐵礦物進(jìn)入沉砂，進(jìn)而通過重選作業(yè)回收這部分高品位鐵礦物，以降低現(xiàn)場的生產(chǎn)成本。

2 現(xiàn)場水力旋流器數(shù)值模型的建立和驗(yàn)證

2.1 ?660 mm水力旋流器模型的建立

采用Solidworks軟件和ICEM軟件對現(xiàn)場的?660 mm水力旋流器進(jìn)行建模和完全六面體網(wǎng)格劃分，為增強(qiáng)對壁面效應(yīng)和空氣柱的捕捉，對器壁及溢流管處的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理?，F(xiàn)場旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸見圖1（a），具體模型和網(wǎng)格劃分見圖1（b）和圖 1（c）。

為了保證模擬的精確度及合理的計(jì)算時(shí)間，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到7.0×105之后，切向速度分布基本不再發(fā)生變化。綜合考慮精度和計(jì)算速度，本研究采用的網(wǎng)格數(shù)量為7.0×105個(gè)。

2.2 模擬策略

盡管水力旋流器結(jié)構(gòu)簡單，但其內(nèi)部流場是強(qiáng)旋轉(zhuǎn)剪切湍流運(yùn)動，因此數(shù)值模擬過程分兩步進(jìn)行。第一步采用ANSYS Fluent中的RSM湍流模型和VOF模型模擬清水相和氣相的兩相流流場特性；第二步在穩(wěn)定流場的基礎(chǔ)上加入顆粒相，采用RSM湍流模型計(jì)算湍流，采用Mixture模型計(jì)算顆粒相和氣相的運(yùn)動，進(jìn)一步考察水力旋流器的分離性能。

2.3 水力旋流器模型可靠性分析

通過對比現(xiàn)場水力旋流器分離結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，可以驗(yàn)證多相流場數(shù)值模型的可靠性。圖3分別比較了現(xiàn)場取樣和數(shù)值模擬得到的溢流產(chǎn)品和沉砂產(chǎn)品粒度組成。

由圖3可知，數(shù)值模擬預(yù)測的產(chǎn)品粒度組成與現(xiàn)場取樣結(jié)果吻合良好，誤差最大的點(diǎn)出現(xiàn)在對中間粒級顆粒的預(yù)測上，這是因?yàn)橹虚g粒級顆粒在水力旋流器內(nèi)部的運(yùn)動軌跡較為復(fù)雜，這種復(fù)雜性增加了數(shù)值模擬的難度。

數(shù)值模擬和現(xiàn)場取樣的沉砂粒度分配曲線如圖4所示。

由圖4可知，數(shù)值模擬得到的沉砂分配率與現(xiàn)場取樣數(shù)據(jù)吻合良好，說明選擇的數(shù)值模型適用于描述?660 mm粗細(xì)分級水力旋流器內(nèi)部的多相流場。

2.4 水力旋流器主要考察參數(shù)

針對?660 mm工業(yè)型水力旋流器展開數(shù)值模擬研究，在考察結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對水力旋流器分離結(jié)果的影響之前，以現(xiàn)場旋流器測繪參數(shù)作為基礎(chǔ)值，當(dāng)某一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，基礎(chǔ)參數(shù)里其他項(xiàng)不變。?660 mm水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸向速度的影響

利用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)考察了結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力旋流器流場的影響。由于軸向速度直接決定了水力旋流器的分流比和沉砂分配率，同時(shí)也能反映流場的對稱性和穩(wěn)定性，因此本研究著重考察了Z=-500 mm（錐柱交界面為0）平面軸向速度分布隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的情況。柱段高度、小錐錐角、沉砂口直徑和溢流口直徑對軸向速度的影響如圖5～圖8所示。

由圖5可知，柱段高度對外旋流的軸向速度影響較小；在空氣柱附近，隨著柱段高度的增加，軸向速度呈現(xiàn)降低的趨勢，而軸向零速包絡(luò)面基本不受柱段高度的影響。

由圖6可知，外旋流的軸向速度基本不受小錐錐角的影響；在空氣柱附近，軸向速度隨小錐錐角的增大而降低，從而導(dǎo)致分流比隨小錐錐角的增大而提高。另一方面，隨小錐錐角的增大，軸向零速包絡(luò)面呈現(xiàn)向器壁移動的趨勢，使得外旋流區(qū)域縮小，導(dǎo)致分流比減小。

由圖7可知，外旋流的軸向速度基本不受沉砂口直徑的影響；在內(nèi)旋流區(qū)域，軸向速度隨沉砂口直徑的增大而降低，從而導(dǎo)致分流比隨沉砂口直徑增大而提高。另一方面，隨沉砂口直徑增大，軸向零速包絡(luò)面逐漸向軸心移動，使得外旋流區(qū)域擴(kuò)大，導(dǎo)致分流比增加。

由圖8可知，軸向速度在器壁附近受溢流口直徑變化影響較??；沿徑向逐漸遠(yuǎn)離器壁時(shí)，溢流口直徑變化對軸向速度產(chǎn)生了較大的影響；隨著溢流口的直徑增大，軸向速度增大；隨著溢流口直徑增大，軸向零速包絡(luò)面沿徑向器壁移動，對應(yīng)的分流比也逐漸降低，使得更多流體隨內(nèi)旋流向上運(yùn)動，經(jīng)溢流口排出，不利于提高沉砂產(chǎn)率。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對分級效果的影響

利用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)考察不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下水力旋流器的分級效果，并繪制沉砂粒度分配曲線，以考察不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對分級結(jié)果的影響規(guī)律。柱段高度、錐角、沉砂口直徑和溢流口直徑對沉砂粒度分配曲線的影響如圖9～圖12所示。柱段高度、錐角、沉砂口直徑和溢流口直徑對旋流器壓降和分流比的影響如表4～表7所示。

結(jié)合圖9和表4可知，柱段高度對水力旋流器分離性能整體影響較小。隨著柱段高度的增加，細(xì)顆粒在沉砂中的分配率增加，這有助于提高高品位的細(xì)顆粒在底流中的回收，而粗顆粒在沉砂中的分配率則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這可能是由于密度效應(yīng)導(dǎo)致的；增加柱段高度可以在一定程度上降低壓降，這有助于降低水力旋流器能耗，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)隨著柱段高度的增加，水力旋流器分流比呈現(xiàn)增加的趨勢，導(dǎo)致細(xì)顆粒在沉砂中的分配率增加。

結(jié)合圖10和表5可知，粗細(xì)分級水力旋流器小錐錐角對水力旋流器分離性能影響較大。增加水力旋流器小錐錐角導(dǎo)致各粒級在沉砂中的分配率降低，沉砂產(chǎn)率降低，不利于提高重選作業(yè)給礦量，另一方面過大的錐角導(dǎo)致水力旋流器溢流跑粗，從而惡化水力旋流器分離效果；水力旋流器小錐錐角對壓降影響較小，而隨著小錐錐角的增加，水力旋流器的分流比降低，導(dǎo)致細(xì)顆粒在沉砂中的分配率降低。

由圖11可知，隨著沉砂口直徑的增大各粒級在沉砂中的分配率增加，沉砂產(chǎn)率增加，有助于提高重選作業(yè)給礦量，另一方面過大的沉砂口直徑導(dǎo)致沉砂夾細(xì)量增大，從而導(dǎo)致部分重選無法回收的細(xì)粒級的量增加。由表6可知，隨著沉砂口直徑的增加壓降降低，水力旋流器能耗降低，而水力旋流器分流比則呈現(xiàn)增加的趨勢，導(dǎo)致細(xì)粒級在沉砂中的回收率增加。

由圖12可知，減小溢流管直徑，各粒級在沉砂中的分配率增加，沉砂產(chǎn)率增加，過大的溢流管直徑則導(dǎo)致粗顆粒在沉砂中的分配率降低，導(dǎo)致溢流跑粗。由表7可知，增加溢流管直徑導(dǎo)致壓降和分流比降低，水力旋流器能耗降低，從而導(dǎo)致細(xì)顆粒在沉砂中的回收率降低，這不利于增加重選作業(yè)給礦量。

綜合以上分析可知，增大沉砂口直徑和柱段高度，減小溢流管直徑和小錐錐角，可以增加各粒級在沉砂中的分配率，提高沉砂產(chǎn)率進(jìn)而提高重選給礦量。

3.3 水力旋流器優(yōu)化前后參數(shù)對比

依據(jù)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對現(xiàn)場?660 mm粗細(xì)分級旋流器進(jìn)行改造，即將沉砂口直徑由100 mm增大至110 mm，柱段高度由530 mm增大至630 mm；另將旋流器小錐角度由20°縮小為15°，溢流管直徑由200 mm縮小為190 mm。在相同操作條件下，分別對新結(jié)構(gòu)旋流器和現(xiàn)有旋流器的生產(chǎn)情況進(jìn)行了考察。新結(jié)構(gòu)旋流器取樣數(shù)據(jù)如表8所示。

計(jì)算各粒級在沉砂產(chǎn)品中的分配率，并作分配率曲線，結(jié)果如表9和圖13所示。

結(jié)合表1和表8可知，現(xiàn)場旋流器沉砂產(chǎn)率為57.42%，優(yōu)化后的旋流器沉砂產(chǎn)率為65.09%，較現(xiàn)場高7.67個(gè)百分點(diǎn)；現(xiàn)場旋流器分級效率為40.87%，優(yōu)化后的旋流器分級效率為41.19%，分級效率略微升高。與現(xiàn)場旋流器相比，優(yōu)化后的旋流器在保證分級效率的前提下可以有效提高沉砂產(chǎn)率，從而增加重選作業(yè)給礦量。

結(jié)合表9和圖13可知，優(yōu)化后的旋流器明顯增加了-74+20 μm粒級在沉砂中的分配率，這部分高品位的細(xì)顆粒由重選作業(yè)進(jìn)行回收可以有效減少磁選+反浮選作業(yè)給礦量，進(jìn)而降低現(xiàn)場生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。

4 結(jié) 論

（1）隨著溢流口直徑的降低和沉砂口直徑的增加，軸向零速包絡(luò)面逐漸向軸心移動，外旋流區(qū)域擴(kuò)大，分流比增加，而柱段高度和小錐錐角對軸向零速包絡(luò)面影響較小。

（2）隨著沉砂口直徑和柱段高度增加以及溢流管直徑和小錐錐角減小，水力旋流器分流比增加。增大沉砂口直徑和柱段高度，減小溢流管直徑和小錐錐角，可以增加各粒級在沉砂中的分配率，提高沉砂產(chǎn)率。

（3）與現(xiàn)場旋流器相比，優(yōu)化后的旋流器沉砂產(chǎn)率提高了7.67個(gè)百分點(diǎn)，在保證分級效率的前提下可以有效提高沉砂產(chǎn)率。

（4）采用優(yōu)化后的水力旋流器可以有效增加重選作業(yè)給礦量，對同類型礦山粗細(xì)分級水力旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有借鑒意義。