[科普中国]-水力旋流器

发展历史

水力旋流器最早在20世纪30年代末在荷兰出现.水力旋流器是利用回转流进行分级的设备，并也用于浓缩，脱水以致选别，它的构造很简单，主要是由一个空心圆柱体l和圆锥2连接而成.圆柱体的直径代表旋流器的规格。它的尺寸变化范围很大，由50mm到1000mm，通常为125-500mm.在圆柱体中心插入一个溢流管5，沿切线方向接有给矿管3，在圆锥体下部留有沉砂口4。矿浆在压力作用下，沿给矿管给入旋流器内，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而被抛向器壁，并逐渐向下流动由底部排出成为沉砂。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流出，成为溢流。

特点水力旋流器是一种高效率的分级，脱泥设备，由于它的构造简单，便于制造，处理量大，在国内外已广泛使用.它的主要缺点是消耗动力较大，且在高压给矿时磨损严重.采用新的耐磨材料，如硬质合金，碳化硅等制作沉砂口和 给矿口的耐磨件，可部分地解决这一问题，此外，当用于闭路磨矿的分级时，因其容积小，对矿量波动没有缓冲能力，不如机械分级机工作稳定。1

简介水力旋流器是用于分离去除污水中较重的粗颗粒泥砂等物质的设备。有时也用于泥浆脱水。分压力式和重力式两种，常采用圆形柱体构筑物或金属管制作。水靠压力或重力由构筑物（或金属管）上部沿切线进入，在离心力作用下，粗重颗粒物质被抛向器壁并旋转向下和形成的浓液一起排出。较小的颗粒物质旋转到一定程度后随二次上旋涡流排出。2

构造原理水力旋流器由上部一个中空的圆柱体，下部一个与圆柱体相通的倒椎体，二者组成水力旋流器的工作筒体。除此，水力旋流器还有给矿管，溢流管，溢流导管和沉砂口。

水力旋流器用砂泵（或高差）以一定压力（一般是0.5～2.5公斤/厘米）和流速（约5～12米/秒）将矿浆沿切线方向旋入圆筒，然后矿浆便以很快的速度沿筒壁旋转而产生离心力。通过离心力和重力的作用下，将较粗、较重的矿粒抛出。

水力旋流器在选矿工业中主要用于分级、分选、浓缩和脱泥。当水力旋流器用作分级设备时，主要用来与磨机组成磨矿分级系统；用作脱泥设备时，可用于重选厂脱泥；用作浓缩脱水设备时，可用来将选矿尾矿浓缩后送去充填地下采矿坑道。

水力旋流器无运动部件，构造简单；单位容积的生产能力较大，占面积小；分级效率高（可达80%～90%），分级粒度细；造价低，材料消耗少。

悬浮液以较高的速度由进料管沿切线方向进入水力旋流器，由于受到外筒壁的限制，迫使液体做自上而下的旋转运动，通常将这种运动称为外旋流或下降旋流运动。外旋流中的固体颗粒受到离心力作用，如果密度大于四周液体的密度（这是大多数情况），它所受的离心力就越大，一旦这个力大于因运动所产生的液体阻力，固体颗粒就会克服这一阻力而向器壁方向移动，与悬浮液分离，到达器壁附近的颗粒受到连续的液体推动，沿器壁向下运动，到达底流口附近聚集成为大大稠化的悬浮液，从底流口排出。分离净化后的液体(当然其中还有一些细小的颗粒)旋转向下继续运动，进入圆锥段后，因旋液分离器的内径逐渐缩小，液体旋转速度加快。由于液体产生涡流运动时沿径向方向的压力分布不均，越接近轴线处越小而至轴线时趋近于零，成为低压区甚至为真空区，导致液体趋向于轴线方向移动。同时，由于旋液分离器底流口大大缩小，液体无法迅速从底流口排出，而旋流腔顶盖中央的溢流口，由于处于低压区而使一部分液体向其移动，因而形成向上的旋转运动，并从溢流口排出。

基本形式在正常生产的水力旋流器中，流体的运动形式分为以下几种。

外旋流和内旋流

外旋流和内旋流是水力旋流器运动的主要形式，它们的旋转方向相同，但其运动方向相反。外旋流携带粗而重的固体物料由沉砂口排出，为沉砂产物；内旋流携带细而轻的固体物料有溢流口排出，为溢流产物。具体如图所示

短路流

给入旋流器的两相流体，由于其器壁的摩擦阻力作用，其中一部分先向上再沿顶盖下表面向内，又沿旋涡溢流管外壁向下运动，最后同内旋流汇合由溢流管的溢流口排出。这部分盖下流就是通常所说的短路流，由于其直接进入溢流产物，未经分离作用，故而直接影响分离效果。

循环流

从外旋流以螺线涡形式内迁到内旋流的两相流体，由于溢流管的溢流口来不及将其全部排出，其中未被排出的部分流体将在旋流器的旋涡溢流管与器壁之间的空间，作由下而上再由上而下的循环运动，形成循环流。

零速包络面

由于外旋流和内旋流的流体运动方式不同，而且内旋流是由外旋流运动过程中逐渐内迁形成，那么其中必有轴向速度等于零的迹点。旋流器正常分离过程中，流体轴向速度为零的轨迹叫零速包络面。零速包络面是循环流的中心线，也是内旋流和外旋流的分界线。结构参数一定的旋流器，其零速包络面的形状和大小基本不变。

最大切线速度轨迹面

给入旋流器的两相流体，以外旋流以螺线涡形式向内旋流内迁的过程中，其流体质点的切线速度有一最大值，即最大切线速度。正常工作时，旋流器中流体质点最大切线速度的轨迹叫最大切线速度轨迹面。

空气柱

给入旋流器的两相流体，以螺线涡运动时，随着旋转半径的逐渐减小，其质点切线速度越来越大，当达到某一数值时将形成低于外部空间压力的负压区。进入负压区的流体将会从中析出空气，与此同时外部空间的空气亦会通过排出口 （沉砂口和溢流口） 进入负压区形成空气柱。

单元参数水力旋流器单元参数包括结构参数和操作参数。

结构参数

（1） 水力旋流器直径：水力旋流器直径主要影响生产能力和分离粒度的大小。一般说来，生产能力和分离粒度随着水力旋流器直径增大而增大。

（2） 入料管直径Di：入料口的大小对处理能力、分级粒度及分级效率均有一定影响。入料管直径增大，分级粒度变粗，其直径与旋流器直径呈一定比例，Di=（0.2- 0.26）D。

（3） 锥体角度：增大锥角，分级粒度变粗，减小锥角，分级粒度变细。一般来说对细粒级物料分级，采用较小锥角的旋流器，通常取10～15°；粗粒级分级和浓缩用旋流器一般采用较大的锥角，通常在20～45°。水力旋流器内的流体阻力随着锥角的增大而增大。在同一进口压力下，由于流体阻力增大，其生产能力要减小。分离粒度随其锥角的增大而增大，总分离效率降低，而底流中混入的细颗粒较少。

（4） 溢流管直径：增大溢流管直径，溢流量增大，溢流粒度变粗，底流中细粒级减少，底流浓度增加。根据筒体直径确定溢流管直径，取值范围Do=（0.2- 0.4）D，溢流管内径是影响水力旋流器性能的一个最重要的尺寸，它的变化会影响到水力旋流器所有的工艺指标。当进口压力不变，在一定范围内，旋流器的生产能力近似正比于溢流管直径。

（5） 溢流管插入深度：溢流管插入深度是溢流管插入到旋流器内部一节长度，指的是溢流管底部到旋流器顶盖的距离。减小溢流管插入深度，分级粒度变细；增大溢流管插入深度，分级粒度变粗；通常溢流管插入深度h=（0.3-0.7）D。

（6） 溢流管壁厚：研究表明：溢流管壁厚增加，可以在某种程度上提高旋流器的分离效率，并降低其内部能量损失，而且还能提高水力旋流器的生产能力。

（7） 进料口断面尺寸：进料口的形状和尺寸对其生产能力、分离效率等工业指标有重要的影响。进料口的作用主要是将作直线运动的液流在柱段进口处转变为圆周运动。进料口按照截面形状可以分为圆形和矩形两种。

（8） 底流口直径(d)：底流口直径增大，分级粒度变细，底流口直径减小，分级粒度变粗。根据旋流器直径确定底流口直径，取值范围d= （0.15- 0.25）D，底流口是旋流器中最易磨损的部位。底流口直径的增大，会使水力旋流器的生产能力相应的增大，但其影响比进料口尺寸及溢流管直径的影响相对来说小一些。

（9） 内表面粗糙度及装配精度：水力旋流器的内表面粗糙度及装配精度对其生产能力、分离效率等性能参数的影响较小，但是在生产实践及研究发现，水力旋流器的内表面内衬鑫海耐磨橡胶，耐磨防腐，比较光滑，将会增大流动阻力，同时分离效率也有所增加，同时采用较粗糙内壁的水力旋流器，其流动阻力将会降低，同时底流量增大。

（10） 进料粘度：分离粒径和进料粘度的平方根成正比，亦即进料粘度的增加会导致分离粒径的增大。水力旋流器的生产能力和分流比也会随着粘度的提高而增加。

（11） 锥比：锥比是底流口直径和溢流口直径之比，是设计旋流器的主要参数，也是操作调整分级指标的重要因素。锥比大，分级粒度小，锥比小，分级粒度大；锥比取值范围在0.35～0.65），由于溢流口直径是不可调参数，所以在生产中主要通过更换不同的底流口来选择适宜的锥比。3

操作参数

（1） 入料压力：入料压力是旋流器工作的重要参数。提高入料压力，可以增大矿浆流速，物料所受离心力增大，可以提高分级效率和底流浓度，但通过增大压力来降低分级粒度收效甚微，动能消耗却大幅度增加，旋流器整体特别是底流嘴磨损更加严重。处理粗物料时采用低压力（0.05～0.1MPa） 操作，处理细粒及泥质物料时采用高压力 （0.1～0.3MPa） 操作。

（2） 入料量：增大入料量，分级粒度变粗，减小入料量，分级粒度变细。

（3） 浓度：当旋流器尺寸和压力一定时，入料浓度对溢流粒度及分级效率有重要影响。入料浓度高，流体的粘滞阻力增加，分级粒度变粗，分级效率降低。实践表明，分级粒度为0.074mm时，入料浓度以10%～20%为宜。

（4） 入料粒度：入料粒度的变化会明显地影响水力旋流器的分级效果。在其它参数不变时，入料中小于分级粒度的物料含量少时，则底流中的细粒含量少，浓度高，而溢流中的粗颗粒含量增加，旋流器的分级效率下降；当入料中接近分级粒度的物料多时，则底流中的细粒物料多，溢流中的粗粒物料多，分级效果下降。3

技术参数

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