水力旋流器的结构及工作原理

水力旋流器的结构及工作原理

水力旋流器是水力分级设备中的一种。与筛分设备严格按照几何尺寸分级不同，它是根据矿粒在运动介质中沉降速度的不同进行分级的。因此分级效果的决定因素有两个方面，一个是自身重量、另一个是形状。粒度不同的物料，其受到离心力和相对阻挡力不同。水力旋流器就是根据这个原理，通过提高颗粒的运动速度来实现分级的。

在回转流中颗粒的惯性离心加速度a与同步运动的流体向心加速度方向相反，数值相等。即：

（1-1）

式中：𝑟——圆形分选器的半径，m；

ω——回转运动的角速度，rad/s；

u——回转运动的切向速度，m/s；

因此离心力强度为：

（1-2）

重力选矿中所用的离心力可比重力大数十倍以上，因此大大强化了分选过程。水力旋流器是利用回转流进行分级的设备，可以通过调节参数用于分级、浓缩、脱泥。一它具有结构简单，生产能力大，占地面积小和易于实现自动控制等优点。现在选煤厂使用的流体分级设备主要为水力旋流器。

一、水力旋流器的结构及工作原理

1、水力旋流器的发展

据报道，浓缩和脱泥用的水力旋流器最早是在1939-05月发表在世界矿山评论杂志上（比利时里埃芝城），作者德赖森（M.G.Drissen）。当时被用于浓缩选煤用的黄土悬浮液，结构见图1。以后经德赖森改进，增设了溢流管。到1948年传入美国时已具有了现在的结构形式。我国是在20世纪50年代初开始试验并首先在云锡公司选矿厂获得工业应用。所有用于分级、浓缩、脱泥的旋流器均是在执行的按颗粒粒度差分离的作业。给料压力一般在0.06—0.2MPa范围内，在给料口处的流速为5—12m/s。进入旋流器后由此构成的切线速度将有所降低。料浆在旋流器内停留时间很短，例如锥觉20°的直径350mm旋流器，内部容积为0.06m³，处理能力为85m³/h,由此可算出料浆在旋流器内的停留时间只有2.5s在如此短的时间内，料浆大约只旋转4—5圈即可排出，而不会象某些资料中介绍的那样做多圈运动（见图2）。

图1早期的德赖森选流器图 2 料浆在旋流器内运动示意图

2、水力旋流器的结构

水力旋流器的构造如下图3所示。旋流器主要有筒体、溢流管、给料管和底

流口等组成。

壳体由柱段和锥段两部分组成。圆柱体的直径代表旋流器的规格，圆柱体之间一般为50～1000mm，一般常用的有125～500。柱段中心设有一个溢流管，给料管沿切线方向设置，在锥体下部留有沉砂口。

图3、水力旋流器构造示意图

3、水力旋流器的工作原理

水力旋流器是一种在离心立场中进行分级和浓缩的设备。由于在水力旋流器中产生的离心力通常要比重力大几十倍乃至几百倍，所以大大加快了固体颗粒在旋流器中的的沉降速度，可以说沉降是在瞬间完成的。

固体颗粒呈悬浮状态随料浆一起沿切线方向进入旋流器内，料浆遇到器壁后被迫做回转运动，而固体颗粒则按原有的直线遇到的惯性继续向前运动，粗颗粒惯性大，能够克服水力阻力靠近器壁，而细小颗粒惯性较小，未及靠近器壁即随料浆作回转运行，在后续给料的推动下和回转运动，固体颗粒相应产生惯性离心力，于是粗颗粒继续向周边浓集，而细小颗粒则停留在中心区域。这样就发生了

粗颗粒由器壁向中心的分层排列。

当然惯性离心力不仅固体颗粒存在，料浆液体也同样存在，并且由内向外逐层传递，到器壁处达到最大。该处的液体压强与给料压力构成平衡，这就是旋流器必须有一定的给料压力的原因。料浆的这种离心运动倾向也是他在进入旋流器后不能直接从溢流管排出，而只能向下做回转运动。但是如果给料压力很小，料浆不能形成足够的回转速度，便有可能从溢流管直接排出，粗细颗粒也就谈不上按粒度分级。

随着料浆从旋流器的柱体部分流向锥体部分、流动断面越来越小，在外层料浆将收缩压迫之下，内层料浆不得不改变方向，转而向上运动。于是在旋流器内出现了两组旋转流；外层向下的旋转流和内层向上的旋转流。当然他们的切线流向仍保持一致，只在轴向发生了变化。在流向的转变点速度为零。将零速的各点连接起来。在空间可形成一个敞口杯行的曲面，称为轴向零速包络面（见图4）。在包络面内的细小颗粒将被带入溢流，在包络面外的较粗颗粒则进入沉沙。固包络面的空间位置即决定分离力度的大小。

料浆因回转产生的层间压力在溢流管下方的垂线上为最小。料浆离心扩张的结果，使中心轴线上不可能再有液体的存在，而出现一低压空气柱，平均直径约为溢流管内径的0.5—0.6倍，由于内中压力低于大气压，而不断从底流口吸入空气。过去认为空气柱周边的液体自由面，有助于减少粗细颗粒的混杂，但近年的研究发现，空气柱的剧烈晃动却消耗着大良能量，并同时使分级粒度变得不稳定，为此已经提出了多种消除空气柱的措施。

图4 旋流器内料浆轴向流动方向的改变和零速包络面

煤泥水在一定压力下由给料口沿切线（也有采取摆线、渐开线等方式）方向给入，绕中心轴做螺旋形旋转运动，从而产生惯性离心力，使旋流器中心产生一个空气柱。由于离心力的作用，煤粒在径向产生相对运动，粗颗粒集中在外沿，并沿锥壁向下底流口排出；而大部分液体及一部分细粒级则由上部溢流口排出，其工作示意图如图5所示。

图5 旋流器工作示意图

3、处理量和分级粒度与其他参数的关系

当旋流器的直径增加，其处理量成比增加，矿浆向心流速减少，而分级粒度变粗，所以一般进行粗颗粒分级时多采用大直径旋流器；细粒分级时多用小直径旋流器，它可以获得大旋流器得不到的细溢流，特别是在细粒级含量较多的场合。但是小直径旋流器容易堵塞，而大直径旋流器使用简单。一般认为：在可以获得相同工艺指标情况下，应该优先选用大直径旋流器。

增加溢流口直径可以使处理量增加，但同时也增加分级粒度（溢流粒度变粗），分级效率亦有所下降。当需要降低分级粒度时应采用较小的溢流口直径。

入料口直径（入矩形断面，按当量圆直径计）变化对处理量影响较大（两者成正比关系），但入料口直径过大反而使入料流速下降，从而产生不利影响。该直径变化对质量影响较小

底流口直径增加使底流量增加，浓度下降，因底流量较入料量小的多，故对处理量影响不大。它与溢流口直径的比值（这是一个重要参数）的改变可以改变底流与溢流的分配比例，在一定范围内调节旋流器的分级粒度。

锥角的大小影响矿浆向下流的阻力和分级自由面的高度。一般在细粒分级或脱水时采用小锥角10°-15°；而在粗分级和浓缩时采用大锥角20°-140°。

柱段高度H对处理量影响不大，但对分级粒度和分级效率有影响，增加柱段高度可使分级粒度变细。

溢流管插入深度的提高可以使分级粒度变粗，一般接近于柱段高度为宜。

二、影响水力旋流器工作的因素

影响水力旋流器工作的因素包括结构参数，操作条件、物料性质等。旋流器的直径D、给矿口的直径dG和溢流口的直径dy是影响处理量Q和分级粒度dF的主要结构参数。将式（2-1）加以转换，可以得出矿浆体积处理量与旋流器直径的大致关系为：

Q∝D2 (2-1)

在其他参数不变的情况下，处理能力与旋流器直径成正比。但溢流管直径也大多与旋流器直径成正比，即增大旋流器直径到2倍，处理能力将增加到4倍

随着矿浆流量的增加，矿浆的向心流速亦增加，分级粒度变粗。将式（2-2）中Q、dy和h均换算成D的比例值，则得

ｄＦ∝(2-2)

因此，进行粗分级时常选用较大直径旋流器；在细分级时则用小直径旋流器。如果后者处理能力不够时，可以将多台并联使用。

1、结构参数的选择

1、 给矿管直径dG对旋流器工作的影响

给矿口的大小对处理能力、分离粒度以及分级效率均有一定影响。其直径常与旋流器直径呈一定比例，大多dG=（0.08—0.25）D。给矿口的横断面形状以矩形为好。

2、溢流管直径dG对旋流器工作的影响

溢流管大小应与旋流器直径呈一定的比例，一般为dy=（0.2-0.4）D。增大溢流管直径，溢流量增加，溢流粒度变粗，沉砂中细粒级减少，沉砂浓度增加。

3、沉砂口直径dc对旋流器工作的影响 沉沙口直径常与溢流口直径呈一定比例关系，其比值称为角锥比。试验得出，角锥比值以3-4为宜，它是改变分级粒度的有效的手段，沉沙口是旋流器中最易磨损的零件，常因磨损而增大排出口面积，使沉砂产量增加，沉砂浓度降低。

如果沉沙口过小，粗颗粒在锥顶越积越多，会引起沉沙口堵塞。沉沙口的大小的变化对旋流器处理能力影响不大。沉砂口直径的改变对旋流器处理能力的影响很小，但随着沉砂口增大，轴向零速包络面内移，沉砂量增大，含细颗粒量亦增多。同时调整溢流口和沉砂口可以改变溢流和沉砂的相对产率。

4、锥角对旋流器工作的影响

锥角的大小影响矿浆向下流动的阻力和分级自由面的高度。一般说来细分级或脱水用旋流器应采用较小的锥角，最小达10°-15°；粗分级或浓缩用旋流器采用大锥角，大20°--45°。

旋流器圆柱体高度h影响物料在旋流器中的停留时间，一般取h=（0.6-1.0）D，溢流管插入深度hy，大体接近圆柱高度，为（0.7-0.8）h，过长或过短均将引起溢流跑粗。

5、溢流管插入深度

溢流管伸入到旋流器内的深度要低于入料管的平面，至于多深为最佳，则要通过实验来确定。水力旋流器溢流管插入深度是影响分级效果的一个重要因素。一般的分级和浓缩的标准水力旋流器溢流管插入深度为筒体长度的2/3左右。如果插入太浅，容易使矿浆短路，使进入旋流器的物料未来的及分级就从溢流管跑走，因此易使溢流跑粗，从而降低分级效率；如果溢流管插入太深，则容易将底部的粗粒吸入溢流产品中，同样使分级效率降低。随着溢流管插入深度的减小，旋流器生产能力有所增大，而分离粒度则有所减小，同时流量比将会增大。

2、操作参数的控制

操作参数主要包括入料压力、入料浓度、入料煤泥粒度组成等。

入料压力是影响旋流器处理能力的重要参数，对分级效率和分级粒度都有一定影响。提高入料压力可使入料矿浆流速增加，减小粘度影响，提高分级效果，底流浓度亦有所提高。缺点是磨损加大，故多在分级粒度要求较细时才采用较高压力。一般情况下生产中均采用低于一个大气压的压力工作。如果要求处理的煤泥水细粒含量很大，要求分级粒度又细时应均采用小旋流器组在较高的压力下工作。

增大给料压力，处理量将随压力的平方根增加。但对分离粒度的影响不大。压力增大，分离粒度大约随压力的4次方根减小。

入料浓度对分级效率影响较大，浓度高会使旋流器工作效果明显变差，降低给料浓度可以提高分级效率并降低分离粒度。这是由于在稀薄浆液中颗粒的离心沉降速度增大且减少了颗粒间的干扰所致。

在水力旋流器的计算和选型时，要充分考虑分离粒度、处理能力以及进料粒度组成等因素，以便确定适宜的旋流器型号和配泵型号，这是水力旋流器能否正常工作的前提。

3、旋流器的自动控制

水力旋流器对操作条件要求很高，当入料情况与流量、压力匹配时才能发挥其高效的分级作用。因此在旋流器的入料管路上应添加监测仪表，如：流量计，浓度计，压力表等。在条件允许的情况下，这些仪器仪表的数值要能传到监控室，进行实施的控制（或自动控制）。

三、水力旋流器的应用

1、固体颗粒分级

分级便是将固体颗粒按粒度大小进行分离。由于水力旋流器的分机效率随颗粒粒度的增大而上升，故可用于将进料中的固相颗粒分成粗粒级颗粒和细粒级颗粒两部分，即水力旋流器用作颗粒分级设备。有时为提高旋流器的分级效率，将选流器的溢流重新进入二级旋流器精细分级，将跑粗部分分离出来，或将其底流产品进入二级旋流器将夹带的颗粒分离出来，以保证分级产品的粒度组成。这种组合分级过程形成的系统网络具有较高的分级精度，在粒度要求非常严格的场合得到应用。