一种提高旋流器铁矿浆分级效率的方法
阅读说明：本技术 一种提高旋流器铁矿浆分级效率的方法 (Method for improving classification efficiency of cyclone iron ore slurry ) 是由 何铁牛 衡旭文 高健 陈美文 王晋岩 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高旋流器铁矿浆分级效率的方法,包括：通过研究设计旋流器技术参数,得出了给矿管、溢流管、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度、方式等最佳组合。本发明提高了旋流器分级效率,降低磨矿循环负荷,提高了球磨机磨矿效率,二次磨矿铁矿粉产品粒度0～0.074mm粒度的合格率由原来60.73%提高74.80%,提高了14个多百分点,同时球磨机二次磨矿效率提高了11%,为企业节省磨矿功耗,增加铁矿粉产量和提高磨矿效率及铁矿粉品质奠定了基础。具有很强的实用性和操作性。(The invention discloses a method for improving the classification efficiency of swirler iron ore pulp, which comprises the following steps: by researching and designing the technical parameters of the swirler, the optimal combination of an ore feeding pipe, an overflow pipe, the diameter of a sand setting nozzle, the cone angle of the swirler, ore feeding pressure, ore feeding granularity, ore feeding concentration, a mode and the like is obtained. The cyclone classification efficiency is improved, the grinding circulation load is reduced, the grinding efficiency of the ball mill is improved, the qualification rate of the product of the secondary grinding iron ore powder with the granularity of 0-0.074 mm is improved by 74.80% from the original 60.73%, the qualification rate is improved by more than 14%, and the secondary grinding efficiency of the ball mill is improved by 11%, so that the foundation is laid for the enterprise to save the grinding power consumption, increase the yield of the iron ore powder and improve the grinding efficiency and the quality of the iron ore powder. Has strong practicability and operability.)
技术领域
本发明涉及一种提高旋流器铁矿浆分级效率的方法，属于矿山铁矿浆分级设备领域。
背景技术
代县矿业有限公司是太原钢铁(集团)有限公司的主要原料(铁矿粉)生产基地，旋流器是该矿铁矿粉生产的磨矿后主要粒度分级设备，它每年磨矿分级870多万吨铁矿石。我公司用10台(Φ500mm×6组/2台，Φ500mm×4组/4台，Φ500mm—GT×5组/2台，Φ500mm×5组/2台)旋流器进行铁矿石二次磨矿分级，将粒度不合格铁矿粉产品返回到球磨机再磨，将合格粒度铁矿粉输送到下工序磁选机磁选。在过去几年生产中，旋流器分级效率低，特别是旋流器沉砂产品中将捎带有合格细粒度铁矿粉产品返回到球磨机再磨，势必造成铁矿粉过磨，矿石泥化，同时溢流产品将捎带有粒度不合格粗粒度铁矿粉输送到下工序磁选机磁选，势必造成堵塞及甩尾严重，矿石回收率降低，严重影响铁矿粉生产效率，加大球磨机循环负荷和降低分级效率等问题，一直以来是难以解决的技术难题，并给设备管理和生产组织带来极大的困难。
旋流器分级原理是铁矿浆在一定压力下通过切向给矿管喂给旋流器，于是在旋流器内形成一个回转流，在旋流器中心处矿浆回转速度达到最大，因而产生的离心力亦最大。矿浆向周围扩展运动的结果，在中心轴周围形成了一个低压带。此时通过沉砂咀吸入空气，而在中心轴处形成一个低压空气柱。作用于旋流器内矿粒上的离心力与矿粒的质量成正比，因而在矿粒密度接近时便可按铁矿石粒度大小分级。
旋流器结构主要由一个空心圆柱体和圆锥连接而成，在圆柱体中心插入一个溢流管，沿切线方向接有给矿管，在圆锥体下部留有沉砂咀。矿浆在压力作用下，沿给矿管给入旋流器内，矿浆在旋流器内既有切向回转运动，又有向内的径向运动，而靠近中心的矿浆又沿轴向向上(溢流管)运动，外围矿浆则主要向下(沉砂咀)运动，因此它属于三维空间运动。在轴向矿浆存在一个方向转变的零速点，连接各点在空间构成近似锥形的零速面(又叫零速包络面)，细小颗粒离心沉降速度小，被向心的液流推动进入零速面，由溢流管排出成为溢流产物细颗粒；而较粗颗粒则借较大离心力作用，保留在零速面外，最后由沉砂咀排出，成为沉淀产物粗颗粒。因此零速面位置决定分级粒度。
旋流器是铁矿石磨碎后分级设备，是最终进入磁选机的把关设备，而旋流器却经常在生产过程中出现分级效率低、机器故障多、负荷不均匀，造成原球磨机循环负荷大、受力不均匀、磨矿效率低、能耗高、机器振动大、选别粒度粗等问题，一直以来是难以解决的技术难题，而且磨矿费用高，操作难度大，工艺复杂。
原旋流器分级存在的缺陷：旋流器分级是铁矿石选别重要工序，旋流器也是我公司磨矿系统的“咽喉”设备，是铁矿石进入选别系统的粒度把关设备，是整个系统能否进行“准时制生产”、完成年870万吨矿石处理量的关键设备。而旋流器却经常在生产过程中出现“分级效率低，球磨机循环负荷高，选别粒度粗”等技术难题，而且磨矿费用高，操作难度大，工艺复杂等问题，一直以来是难以解决的技术难题。为此，多年以来，我们不断探索、根据现状，对旋流器分级效率与给矿管直径、溢流管直径、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度、给矿方式等情况反复跟踪，计算了分级效率与给矿管、溢流管、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度等关系，同时围绕生产使用过程等方面分析了“分级效率低、故障多”的难题。
为此，多年来，我公司技术人员不断探索、反复实践，根据现状，对旋流器分级效率与给矿管直径、溢流管直径、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度、给矿方式等情况反复跟踪，计算了分级效率与给矿管、溢流管、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度等关系，结合工人现场调节情况，反复比较；同时围绕生产使用过程等方面分析了旋流器“分级效率低、循环负荷高、选别粒度粗”的原因，创新设计了旋流器安全、经济、简便、高效的分级技术----“一种提高旋流器铁矿浆分级效率的方法”。
发明内容
为了克服上述不足，本发明旨在提供一种提高旋流器铁矿浆粒度分级效率的方法，降低了球磨机循环负荷、减少筛孔、溢流口和沉砂咀堵塞，降低沉砂咀和溢流口磨损、降低选别粒度、延长备件使用寿命、降低故障率、提高球磨机利用系数，增加了铁矿粉产量和提高铁矿粉品质。
本发明适用于所有旋流器铁矿浆粒度分级系统，如直径Φ300～Φ900mm的旋流器铁矿浆分级系统，特别适合于直径Φ500mm(1～6)组，450mm×(1～6)组的旋流器分级系统，提高旋流器分级效率，降低磨矿系统循环负荷，延长溢流口和沉砂咀等使用寿命、减少旋流器内衬的更换次数，降低球磨机磨矿介质钢铁球和能源消耗，具有极大推广价值；本发明采用“分级产率、磨矿功耗和矿物选别理论”设计思路，创新设计了旋流器给矿管直径、溢流管直径、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度、给矿方式等。提高旋流器分级稳定性和设计数学模型试验找到旋流器最佳给矿管、溢流管、沉砂咀直径、锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度、给矿方式等。
本发明提供了一种提高旋流器(铁矿浆)分级效率的方法，特别适合提高铁矿石二次球磨机磨矿分级效率的方法，设计旋流器给矿管直径、溢流管直径、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度、给矿方式。
具体操作说明如下：
(1)给矿方式设计为螺旋渐开线形给矿方式
设计给矿方式为螺旋渐开线形给矿方式，实现螺旋渐开线喂矿，减少给矿漩涡和紊流区域面积，提高分级效率，研究表明：旋流器给矿管内径由原来切线形状给矿改善为螺旋渐开线形状给矿，实现螺旋渐开线形给矿方式，减少给矿漩涡和紊流区域面积，解决原来这种给矿方式易使铁矿浆进入旋流器与旋流器壁冲击产生局部漩涡、紊流，影响分级效率、产品粒度易混杂等技术难题，提高分离效率；给矿管内径的大小对处理能力，分离粒度以及分级效率呈正比例关系。
(2)增加溢流管内径，溢流管内径由原来Φ130～Φ150mm增设为Φ170～Φ190mm。研究表明：增大溢流管内径，溢流量增加，溢流产品粒度变粗，沉砂产品中细粒级减少，沉砂浓度增加，可提高分级效率。
(3)提高溢流管插入深度，溢流管插入深度由原来300～350mm增加为430～450mm。研究表明：增加溢流管插入长度，溢流产品粒度加粗，反之减少溢流管插入长度，溢流产品粒度也加粗，因此适当选择溢流管插入深度，可以提高分级效率，稳定铁矿浆分级粒度。
(4)减少旋流器圆柱体高度，圆柱体高度由原来(1.0～2.0)D设置为(0.5～0.8)D，D为圆柱体的直径；圆柱体高度由原来600～800mm设置为300～400mm。研究表明：减少旋流器圆柱体高度，减少铁矿浆在旋流器中停留时间，减少铁矿浆对旋流器本体磨损，反之增加旋流器圆柱体长度，增加铁矿浆对旋流器本体磨损，因此适当选择旋流器圆柱体长度，可以提高分级效率，减少铁矿浆对旋流器本体磨损。
(5)增加沉砂咀直径，沉砂咀由原来Φ40～Φ60mm设计为Φ70～Φ90mm。研究表明：沉砂咀直径常与溢流管直径呈一定比例关系，其比值称为角锥比(dov为溢流管内径，ds为沉砂咀内径)。试验得出，角锥比值以2～4为宜，它是改变分级粒度的有效手段。增加沉砂咀内径，可以提高溢流细度；沉砂咀是旋流器中最易磨损的零件，沉砂咀内径增加而增大排出口面积，使沉砂产量增加，沉砂浓度降低。如果沉砂咀过小，粗颗粒在锥顶越积越多，会引起沉砂咀堵塞。沉砂咀大小的变化对旋流器处理能力影响不大，但影响分级效率。
(6)增大旋流器锥角大小，沉砂咀锥角由原来10°～15°设计为21°～25°。研究表明：沉砂咀锥角大小影响铁矿浆向下流动的阻力和分级自由面的高度。一般来说细颗粒分级用旋流器应采用较小的锥角，最小达10～15°；粗颗粒分级用旋流器采用大锥角，达21～45°。
(7)降低旋流器给矿压力，给矿压力由原来0.20MPa～0.30MPa降低为0.07MPa～0.15MPa，研究表明：适当降低给矿压力可以大幅度减少渣浆泵驱动功率和磨损，减少动能消耗，降低沉砂咀磨损，因此给矿压力是旋流器工作的重要参数，提高给矿压力，矿浆流速增大，可以提高分级效率和沉砂浓度；试验表明，通过增大压力来降低分级粒度收效甚微的，而渣浆泵动能消耗却将大幅度增加，且旋流器特别是沉砂咀的磨损将更加严重。故在处理粗粒铁矿浆时，应尽可能采用低压力(0.07～0.15MPa)操作；只在处理细粒及泥质铁矿浆时，才采用较高压力(0.20～0.30MPa)操作；
(8)设计渣浆泵直接给矿，旋流器给矿由原来稳压箱给矿设计为渣浆泵直接给矿，这种给矿方式可以获得较高的给矿压力，配置方便，管路少，便于维护。
(9)增加旋流器给矿浓度，给矿质量浓度由原来10％～20％设计为40％～45％，研究表明：当旋流器尺寸及压力一定时，给矿浓度对溢流粒度及分级效率有重要影响。给矿浓度高，分级粒度变粗，分级效率亦将降低。当分级粒度为-0.074mm(＜200目)时，给矿浓度以40～45％为宜；分级粒度为-0.019毫米(＜800目)很细时，给矿浓度应取10～20％。
(10)提高旋流器给矿粒度，旋流器给矿粒度-0.074毫米含量由原来＞20％(这是指质量百分比)提高为＞45％，研究表明：其中最主要的是给矿粒度组成(包括含泥量)，当旋流器尺寸及压力一定时，给矿粒度含量提高后，可提高分级效率。
(11)增加沉砂管长度：在旋流器沉砂咀上联结Φ100mm橡胶塑料管，加长沉砂管3～5m，有利于较低浓度沉砂排放，调节沉砂流向，形成均匀高浓度堆积；
(12)旋流器沉砂咀形状设计为倒锥形，用于分级的旋流器最佳工作状态应是沉砂产品呈伞面状喷出，设计伞的中心有Φ10～Φ30mm的空气吸入口。这样使空气在向上流动时能携带内层矿浆中的细颗粒从溢流中排出，因而有利于提高分级效率。此时伞的锥角10～15°。研究表明：旋流器用于分级时，沉砂形状呈伞面状喷出，可以提高分级效率；旋流器用于浓缩时，沉砂形状呈绳状排出，可以提高浓缩效率，此时沉砂浓度最高；旋流器用于脱水时，沉砂应以最大角度的伞面状排出(角度为21～45°)，这时沉砂浓度最低，相应可获得含固体量最少的溢流，可以提高脱水效率。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的可提高旋流器分级效率的技术，采用“分级产率、磨矿功耗和矿物选别理论”设计思路，最大限度了提高旋流器分级效率，降低球磨机磨矿循环负荷和能耗。同时克服原旋流器分级效率低、造成球磨机循环负荷大等弊病。
(2)提高旋流器分级效率技术创新设计优点是：提高分级效率，降低磨矿系统循环负荷，延长溢流口和沉砂咀等使用寿命、减少旋流器内衬等更换次数，降低球磨机能耗。同时克服以前原旋流器分级效率低、溢流管和沉砂咀等堵塞，产品粒度混杂、排矿不畅、机器故障多、负荷不均匀、造成原球磨机循环负荷大、受力不均匀、磨矿效率低，机器振动大、选别粒度粗、选别效果差等难题。
(3)为了提高磨矿后分级效率，减少磨矿循环负荷，释放球磨机台时处理能力、提高铁矿粉合格产量，改善我矿经济效益，我们创新设置旋流器铁矿浆分级运行参数，建立数学模型，设计并且计算找到旋流器最佳给矿管、溢流管、沉砂咀、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度等最佳组合，实施后得到有益效果，挖掘了旋流器分级潜能，降低了磨矿分级循环负荷。二次球磨机磨矿后铁矿粉产品粒度0～0.074mm粒度的合格率由原来60.73％提高74.80％，提高了近14个百分点，同时分级效率提高了13％，磨矿循环负荷降低了11.78％，因此设计后降低磨矿分级循环负荷，提高磨矿产量、分级效率、铁矿粉产量和品质。
(4)在节能减排、低碳生产方面，具有重大意义，提高旋流器分级效率技术实施后，减少磨矿分级循环负荷11.78％，减少球磨机电能消耗3.6％，提高球磨机利用系数、磨矿产量、磨矿效率、铁矿粉产量和品质。
附图说明
图1为本发明旋流器的工作原理图。
图中：1、沉砂咀，2、给矿管，3、溢流管，4、圆柱体，5、圆锥体，6、中心柱。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1所示，旋流器主要由一个空心圆柱体4和圆锥体5连接而成，在圆柱体中心插入一个溢流管3，溢流管外面就是溢流口，旋流器顶部沿螺旋渐开线方向设置有给矿管2，在圆锥体下部留有沉砂咀1。铁矿浆在压力作用下，沿螺旋渐开线给矿管2给入旋流器内，随即在圆筒形器壁限制下作回转运动。粗颗粒因惯性离心力大抛向旋流器壁，重力大并逐渐向下流动由底部排出成为粗颗粒沉砂产品，重力小细颗粒向器壁移动的速度较小，被朝向中心流动的液体带动由中心溢流管排出，形成细颗粒溢流产品。它虽然结构简单，但是旋流器给矿管、溢流管、沉砂咀直径、旋流器锥角、给矿压力、给矿粒度、给矿浓度等最佳组合，大大影响旋流器的分级效率；下面通过具体实施例来说明本发明的实施效果：
太钢代县矿业有限公司用10台(Φ500mm×6组/2台，Φ500mm×4组/4台，Φ500mm—GT×5组/2台，Φ500mm×5组/2台)旋流器进行铁矿浆二次球磨机磨矿后产品分级，粗颗粒沉砂将不合格铁矿粉产品再返回到球磨机再磨，细颗粒溢流将合格粒度铁矿粉输送到磁选机磁选，最终产品是合格粒度和合格品位铁矿粉。
代县矿业有限公司将二次磨矿分级用的设备设置为Φ500mm×4组旋流器，我们对旋流器沉砂咀、溢流管、给矿压力等运行参数进行了优化设计，在生产运行过程当中，掌握了提高旋流器的分级效率的规律：
1、增大旋流器沉砂咀内径不利于分级效率的提高，但有利于提高溢流细度，结合对二次磨矿分级溢流细度的要求-0.074mm含量＞76％考虑，沉砂咀内径定为70～90mm既能满足溢流细度要求，又有利于提高分级效率。
2、溢流管内径Φ170～Φ190mm比Φ130～Φ150mm溢流管更有利于分级效率的提高，但溢流粒度会有所降低，在0.07～0.15MPa下粒度基本满足工序要求，适当提高压力可以提高分级细度。
3、随着给矿压力的提高，分级效率呈增大的趋势，但不宜过大，否则增加渣浆泵驱动动力和增加管道等磨损。
4、旋流器给矿浓度对分级的影响很大，随着给矿浓度的提高，分级效率呈下降趋势，而且溢流粒度呈变粗的趋势，要保持分级效率不低于55％以上，给矿浓度不应超过50％。
研究过程的指标对比见表1～7：
表1旋流器沉砂咀的优化指标
表2旋流器沉砂咀的优化指标
表3旋流器沉砂咀的优化指标
从以上对比看，增大旋流器沉砂咀不利于分级效率的提高，但有利于提高溢流细度，结合对二次分级溢流细度的要求-0.074mm≥80％考虑，沉砂咀定为70mm既能满足溢流细度要求，又有利于提高分级效率。
表4旋流器溢流管优化指标
从以上对比看，170mm溢流管比150mm溢流管有利于分级效率的提高，但溢流粒度会有所降低，在0.1MPa下粒度基本满足工序要求，适当提高给矿压力可以提高分级细度。
表5旋流器给矿压力优化指标
从以上实验可以看出，随着压力的提高，分级效率呈增大的趋势。
表6旋流器给矿浓度优化指标
从以上数据看出，旋流器给矿浓度对分级的影响很大，随着给矿浓度的提高，分级效率呈下降趋势，而且溢流粒度呈变粗的趋势，要保持分级效率不低于55％以上，给矿浓度不应超过50％。
表7溢流管、沉砂咀、给矿浓度和给矿压力较好匹配实验结果控制参数：沉砂咀70mm,溢流管170mm,压力0.178MPa
二段旋流器运行参数优化结论
本实施例以铁矿浆为处理对象，提高旋流器分级效率的方法，包括以下内容：
(1)给矿方式设计为螺旋渐开线形给矿：
将原来给矿管内径切线形状给矿方式设置为内径螺旋渐开线形状给矿方式，实现螺旋渐开线形给矿方式，减少给矿漩涡和紊流区域面积，解决原来切线形给矿方式使矿浆进入旋流器与旋流器壁冲击产生局部漩涡影响分级效率，产品粒度易混杂等技术难题，提高分离速度和分级效率。
(2)增加溢流管内径，溢流管内径设计为Φ170～Φ190mm；优选170mm；
(3)提高溢流管插入深度，溢流管插入深度设计为430～450mm；
(4)减少旋流器圆柱体高度，圆柱体高度设计为(0.5～0.8)D，D为圆柱体的直径；所述旋流器圆柱体高度设计为300～400mm；
(5)增加沉砂咀直径，沉砂咀内径设计为Φ70～Φ90mm；优选70mm；
(6)增大旋流器锥角大小，沉砂咀锥角设计为21°～25°；
(7)降低旋流器给矿压力，给矿压力为0.07MPa～0.15MPa；
(8)设计渣浆泵直接给矿，旋流器给矿由原来稳压箱给矿设计为渣浆泵直接给矿；
(9)增加旋流器给矿浓度，给矿重量浓度设计为40％～45％，
(10)提高旋流器给矿粒度，旋流器给矿粒度-0.074毫米含量由原来＞20％(重量百分比)提高为＞45％；
(11)加长沉砂管：在旋流器沉砂咀上联结Φ100mm橡胶塑料管，加长沉砂管；
(12)旋流器沉砂形状设计为伞面状，沉砂呈伞面状喷出；所述沉砂“伞”的中心有Φ10～Φ30mm的空气吸入口；伞的锥角为21～45°。
操作要求：需要提高溢流细度时，采用增大泵池补加水和提高给矿压力措施。增大补水量后，由于旋流器给矿量增大，将旋流器给矿管改为125mm。
本发明方法在太原钢铁(集团)公司代县矿业有限公司试用，优化设计旋流器运行参数14台，优化设计后分级效果较好。
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