楊興華，張家舜，劉培坤，張悅刊，王 輝，刁澤玲

（山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

關(guān)鍵字：鋰渣；脫泥；沖洗水型旋流器；分級(jí)性能

0 引言

水力旋流器是一種常用的脫泥分級(jí)設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、單位時(shí)間內(nèi)處理量多、操作運(yùn)行及后續(xù)保養(yǎng)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在礦業(yè)、石油、化工、污水處理、選煤等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］。

近年來，我國的鋰電池行業(yè)迅速發(fā)展，其中某些關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化進(jìn)程也在不斷加快，使得一些相關(guān)鋰產(chǎn)品的需求不斷提升，因此相應(yīng)的鋰渣產(chǎn)量也越來越大［4-6］。鋰渣中仍有可觀的稀有元素尚未被利用，其本身含細(xì)泥量較高，高含量的細(xì)泥增加了后續(xù)提取元素的成本，降低了提取標(biāo)準(zhǔn)［7］。因此，對(duì)鋰渣進(jìn)行脫泥預(yù)處理，降低鋰渣中的含泥量、將稀有元素預(yù)富集十分必要。旋流器以其高回收性能在各種金屬礦、非金屬礦漿的脫泥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但常規(guī)旋流器在實(shí)際工作中常伴有不同程度底流夾細(xì)現(xiàn)象，不免降低了生產(chǎn)效率和資源利用率［8-11］。前人研究［12-14］表明，沖洗水旋流器隨沖洗水壓力的增大，細(xì)粒物料的底流分配率均有不同程度地降低，底流夾細(xì)問題得到很大改善；YOU等［15］針對(duì)細(xì)煤脫泥試驗(yàn)研究得出，當(dāng)進(jìn)料濃度為12.50%，沖洗水壓力為0.02 MPa時(shí)，脫泥效果最佳。

針對(duì)上述問題，本文提出使用沖洗水型旋流器對(duì)鋰渣進(jìn)行除泥預(yù)處理試驗(yàn)，包括對(duì)沖洗水型旋流器和常規(guī)旋流器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，重點(diǎn)研究沖洗水位置對(duì)沖洗水旋流器的分離性能影響。

1 工作原理及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 沖洗水型旋流器工作原理

沖洗水旋流器是在常規(guī)旋流器的基礎(chǔ)上，在錐段某一位置插入沖洗水裝置，由一根注水管引入，再經(jīng)6個(gè)圓形導(dǎo)流口切向（與進(jìn)料方向一致）注入沖洗水，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。由導(dǎo)流口注入的沖洗水可以將流經(jīng)該區(qū)域的漿料沖散，為細(xì)顆粒的移動(dòng)提供條件，這是因?yàn)榧尤氲臎_洗水流對(duì)顆粒具有推動(dòng)作用，能夠幫助細(xì)顆粒沿徑向運(yùn)動(dòng)至內(nèi)旋流中，從溢流口排出，從而減少底流夾細(xì)，提高分級(jí)效果。

圖1 沖洗水結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of water-injection structure

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了探究沖洗水型旋流器脫泥效果，首先進(jìn)行同等工況下沖洗水型旋流器和普通旋流器的對(duì)比試驗(yàn)，然后分別選取沖水位置為80，160，240，320，400 mm，如圖 2所示。采用單因素試驗(yàn)方式，以產(chǎn)品的質(zhì)量濃度、產(chǎn)率、粒度、綜合分級(jí)效率和分離粒度為指標(biāo)，探究沖洗水位置變化對(duì)旋流器分離性能的影響。本次試驗(yàn)研究選用50 mm的長錐旋流器（錐角6°），旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用物料為鋰渣，進(jìn)料粒度分布見表2，其中-20 μm細(xì)泥含量為23.07%。

圖2 沖洗水位置示意Fig.2 Schematic diagram of water-injection location

表1 沖洗水型旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of water-injection hydrocyclone

表2 進(jìn)料粒度分布Tab.2 Feed size distribution

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。清水與鋰渣混合加入料筒配制礦漿，攪拌均勻后由泵打入旋流器進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)，溢流和底流經(jīng)管路返回料筒攪拌保證試驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行，電機(jī)變頻控制可調(diào)節(jié)旋流器給料壓力，待運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)底流、溢流和進(jìn)料進(jìn)行同步取樣，抽濾烘干計(jì)算分析濃度和產(chǎn)率，采用容積法分析各產(chǎn)品流量，利用BT-9300S激光粒度分布儀的激光散射法對(duì)各產(chǎn)品進(jìn)行粒徑檢測，分析計(jì)算分離粒度和綜合分級(jí)效率。試驗(yàn)過程中，通過改變沖洗水入口位置接取各自試驗(yàn)條件下對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物樣品。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of test system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)操作壓力為0.1 MPa，以鋰渣為原料配置質(zhì)量濃度約為15%的礦漿，進(jìn)行沖洗水旋流器和常規(guī)旋流器對(duì)比試驗(yàn)，沖洗水位置為320 mm，沖洗水流量為80 L/h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Comparative test data

分析表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同試驗(yàn)條件下，沖洗水旋流器的處理量增加，底流中-20 μm細(xì)顆粒含量減少了3.83個(gè)百分點(diǎn)，溢流中-20 μm細(xì)顆粒含量增加了1.93個(gè)百分點(diǎn)。這是由于沖洗水被注入水力旋流器的外旋流且與流體旋向一致，相當(dāng)于給流體一個(gè)額外的切向速度，使得處理量有所增加。在沖洗水的作用下，進(jìn)入錐段的粗細(xì)顆粒被充分打散，細(xì)小顆粒隨內(nèi)旋流進(jìn)入溢流，而較粗顆粒和極少部分細(xì)小顆粒進(jìn)入底流。

分析圖4，5可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)中位粒徑為64.06 μm的進(jìn)料，經(jīng)常規(guī)旋流器一次分級(jí)得到中徑為16.45，72.22 μm的兩種產(chǎn)品，經(jīng)沖洗水型旋流器一次分級(jí)得到中徑為13.61，95.08 μm的兩種產(chǎn)品。相比于常規(guī)旋流器，沖洗水型旋流器底流中細(xì)顆粒含量減少，溢流中細(xì)顆粒含量增加，底流產(chǎn)物脫泥效果明顯。

圖4 底流粒度對(duì)比Fig.4 Underflow particle size comparison

圖5 溢流粒度對(duì)比Fig.5 Overflow particle size comparison

2.2 沖洗水位置對(duì)分離性能的影響

2.2.1 產(chǎn)物濃度和底流粒度分配

沖洗水位置對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳加沖洗水效果至關(guān)重要，沖洗水位置不同，旋流器的分級(jí)效果也不同。選取旋流器錐段由低至高5個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn)。

沖洗水位置對(duì)底流產(chǎn)物和溢流產(chǎn)物濃度的影響規(guī)律如圖6所示。由圖可知，底流濃度隨著沖洗水位置高度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在沖水位置為240 mm時(shí)，底流濃度最高，為52.08%；與之相一致，溢流濃度隨著沖水位置的升高呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且在沖水位置為240 mm時(shí)最小，為5.21%。這是因?yàn)楫?dāng)沖水位置較低時(shí)，沖洗水與中心軸線間的徑向距離短，加入的沖洗水很容易帶著外旋流中夾雜的顆粒越過零速包絡(luò)面進(jìn)入內(nèi)旋流從溢流口排出，溢流濃度較高。隨著沖洗水位置的升高，沖洗水位置與中心軸線間的徑向距離增大，補(bǔ)加水的壓力減小，加入的沖洗水僅有部分可以穿過零速包絡(luò)面帶走細(xì)顆粒，而大部分沖洗水流夾帶著部分粗顆粒進(jìn)入外旋流從底流口排出，底流濃度降低，溢流濃度增加。

圖6 沖水位置對(duì)各產(chǎn)物濃度的影響Fig.6 Effect of water-injection location on the concentration of each product

不同沖洗水位置下旋流器分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果見表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著沖洗水位置的升高，旋流器底流產(chǎn)品中-20 μm的細(xì)顆粒含量先降低后增加，當(dāng)沖洗水位置為l240mm時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)底流中-10 μm細(xì)顆粒含量為1.63%，10～20 μm 粒級(jí)顆粒含量亦達(dá)到最小值1.42%，而+50 μm粒級(jí)的顆粒含量則達(dá)到最高值77.83%。

表4 不同沖洗水位置下分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Classification test results for different water-injection locations

根據(jù)表4繪制沖洗水位置對(duì)加底流各粒級(jí)產(chǎn)率的影響規(guī)律如圖7所示，由圖可知，隨著沖洗水位置由低到高，底流中細(xì)顆粒的含量先減少后增加；30～40 μm粒級(jí)的顆粒含量影響甚微。這是因?yàn)楫?dāng)沖洗水位置較低時(shí)，沖洗水到軸線的距離近，對(duì)底流的滲流清洗作用強(qiáng)，將底流中的細(xì)顆粒沖到內(nèi)旋流從溢流口排出，底流夾細(xì)現(xiàn)象得到改善；但是隨著沖洗水位置升高，沖洗水的作用減弱，大部分的沖洗水流沿著外旋流從底流口排出，底流中的細(xì)顆粒含量增加。

圖7 沖洗水位置對(duì)底流中各粒度級(jí)物料產(chǎn)率的影響Fig.7 Effect of water-injection location on material yield of different particle sizes in the underflow product

2.2.2 分級(jí)精度

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，通常使用分級(jí)精度來評(píng)判旋流器的分級(jí)情況，即旋流器的溢流和底流產(chǎn)品中粗細(xì)顆粒的混雜情況。在底流分配曲線中，曲線越陡峭，說明旋流器分離出來的分級(jí)顆粒尺寸就越集中，分級(jí)效果就越好，分級(jí)精度越高。反之，底流分配曲線中，曲線的走勢越平緩，說明旋流器分離出來的分級(jí)顆粒尺寸越分散，分級(jí)效果越差，分級(jí)精度就越低。評(píng)定分級(jí)效率曲線的指標(biāo)有可能偏差E、不完善度I、陡度指數(shù)S等。

可能偏差的表達(dá)式為：

不完善度的表達(dá)式為：

陡度指數(shù)的表達(dá)式為：

式中 d25，d50，d75—— 分 級(jí) 效 率 曲 線 上 分 配 率 為25%，50%，75%時(shí)相對(duì)應(yīng)的顆粒粒度，μm。

根據(jù)圖8，并結(jié)合公式計(jì)算得到的旋流器分級(jí)精度見表5?？梢钥闯觯?dāng)旋流器補(bǔ)加水位置為l240時(shí)，計(jì)算得到的可能偏差E和不完善度I最小，陡度指數(shù)最大。因此當(dāng)旋流器補(bǔ)加水位置為l240時(shí)，旋流器的分級(jí)精度最高。

圖8 不同位置下旋流器分級(jí)效率曲線Fig.8 Classification efficiency curves of hydrocyclone at different locations

表5 不同沖洗水位置旋流器分級(jí)精度計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of hydrocyclone classification accuracy for different water-injection locations

2.2.3 綜合分級(jí)效率

實(shí)際工況中常用代表性粒級(jí)的分級(jí)效率來表征綜合分級(jí)效率，綜合分級(jí)效率既能反映分離過程中量的概念（某特定粒級(jí)的分離效率），又能反映分離過程中質(zhì)的概念（溢流跑粗或底流夾細(xì)程度）。綜合分級(jí)效率采用漢考克公式得到。表6給出了不同沖洗水位置條件下-20 μm顆粒的綜合分級(jí)效率，可以看出，當(dāng)沖洗水位置為l240時(shí)，-20 μm顆粒的綜合分級(jí)效率最高，為73.60%。

表6 沖洗水位置對(duì)綜合分級(jí)效率的影響Tab.6 Effect of water-injection location on comprehensive classification efficiency

式中 α ——進(jìn)料指定粒級(jí)含量；

θ ——底流指定粒級(jí)含量；

β ——溢流指定粒級(jí)含量。

3 結(jié)論

（1）同等結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)條件下，相比于常規(guī)旋流器，采用沖洗水型旋流器得到的底流產(chǎn)物粗顆粒含量增加，細(xì)顆粒含量降低，有利于減少底流夾細(xì)。

（2）對(duì)中位粒徑為64.06 μm的鋰渣礦漿進(jìn)料，經(jīng)沖洗水型旋流器一次分級(jí)可得到中位粒徑分別為13.61，95.09 μm的兩種不同粒徑范圍的產(chǎn)品，脫泥效果明顯。

（3）針對(duì)-20 μm顆粒累積含量，當(dāng)沖洗水位置為240 mm時(shí)，底流產(chǎn)物中-20 μm顆粒含量最低，綜合分級(jí)效率最高，可達(dá)73.60%；可能偏差和不完善度最小，陡度指數(shù)最大，旋流器的分級(jí)精度最高。