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1、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； 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
2、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
3、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 0.060.2MPa 范围内，在给料口处的流速为 512m/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0.06m，处理能力为 85m/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 45 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
4、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 501000mm，一般常用的有 125500。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，
5、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
6、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.
7、50.6 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
8、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
9、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
10、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：QD2 (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 (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
11、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=（0.080.25）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
12、，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。y旋流器圆柱体高度 h 影响物料在旋流器中的停留时间，
13、一般取 h=（0.6-1.0）D， 溢流管插入深度 h ，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
14、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
15、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
16、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。粗分级。主要是指分离粒度 d50在 0.8-0.075mm 之间的分级。此时应采用较大直径和较大锥角（ 20-25）旋流器。并可在较高给料浓度和较低压力下工作。由于旋流器的高度
17、较小，离心力较低，较粗颗粒亦可进入溢流中。细分级和超细分级。主要指分离粒度在 0.074mm 至最小达数微米的分级。此时应采用直径小、锥角亦小的旋流器，以增大颗粒的离心加速度（与半径成反比）和在旋流器内的停留时间，并采取低的给料浓度和高的给料压力。2、脱泥目的是从原料中脱除泥质部分，并尽量减少粗颗粒含量。在产品的加工生产过程中，料浆中含有一些微小直径的固体颗粒，就是我们通常所说的细泥。大量细泥的存在对设备的运行和最终产品的质量将产生明显的影响，因此，在产品的生产过程中进行脱泥将成为重要的工序。此时应选用长柱体、小锥角旋流器，并在低浓度条件下工作，以便在较低的向心液流速度作用下，析出微细颗粒。3
18、、浓缩浓缩是借助重力或离心力作用提高煤泥水浓度的过成为浓缩。在自然沉降过程中，浓缩主要借助于物料本身的重力作用来是实现的。在浓缩过程中，从容器底部排出的少量物料是浓缩的煤浆，从容器上部大量流走的是稀的溢流水，其中含有一定的数量来不及下沉的煤泥，显然这部分来不及下沉的煤泥量越少，设备的浓缩效果越好。可以理解为浓缩过程实际上也是分级过程。4、脱砂目的是要获得纯净的粗砂，尽量少含泥质部分。应采用大直径、短筒、大锥角的旋流器，并在较低浓度条件下工作，这样可以起到充分的搅拌冲洗作用。四、水力旋流器运行过程中常出现的问题及解决办法在实际生产中会出现由于给料压力、浓度、颗粒组成、沉砂口的磨损等情况， 造成一
19、系列运行故障，下面介绍几例常见的问题:1、 入料泵运行不稳定在许多选选煤厂，存在较为普遍的问题，就是入料泵运行不稳定。出现这种现象的根本原因是：流体流量与泵的工作流量、旋流器的处理能力之间匹配不合理。既有设计上泵与旋流器选型不合理的可能，也有实际生产能力达不到实际要求的可能，还有就是入料不稳定。入料泵运行不稳定造成了给如旋流器的料浆不稳定，压力时高时低，旋流器不能正常稳定的工作，底流量时大时小，浓度时高时低等一系列问题。为了避免泵允许不稳定，消除给矿的不均匀状态，可采取下列措施：更换小型号旋流器（如果分级粒度有保证的话），给矿口及溢流口直径减小；添加变频器自动调节泵的转速，以保持泵槽内的矿浆面
20、的稳定；加回流支管，一部分溢流或给矿自流回入泵漕，以保持矿浆面的稳定；在泵的排出管道上加设阀门；在泵的吸入管道上加用空气管。2、 沉砂口堵塞在旋流器的运行过程中，由于物性参数控制不当，结构参数匹配不合理等因素，经常沉砂口堵塞的现象，可采取以下措施予以排除：由于矿浆（特别是尾矿浆），在输送过程中，常有杂物出现，在收集桶上方加设网孔隔绝杂物；在保证沉砂浓度的前提下，更换大直径沉沙口；进浆浓度过高时，选用大型号旋流器；停机后，将旋流器内部料液排干。3、 底流浓度过低或过高很多工艺上要求底流要达到一定的浓度。底流浓度过低可采取以下几个方面措施：更换小直径底流口；有时由于旋流器本身结构的原因，底流口达到
21、某一个值后，浓度几乎不再变化，这是就应该考虑更换小直径旋流器；核实进入旋流器料浆的流量与旋流器处理能力之间的差异，选择适宜的型号及溢流口径；进料压力过低，采用在满足要求的情况减少旋流器的开启个数、减小旋流器的入口阀门或更换高扬程泵；进料浓度过低，在允许的情况下调节进入系统的水量。底流浓度过高时可以采取与上述相反的措施。在调节是要照顾整个系统的平衡，调节一个设备的参数其它下游设备的参数要同时调节。4、 溢流跑粗许多选煤厂考察生产指标时非常重视溢流细度。但在实际运行中，由于工艺上或匹配上等各方面的原因，达不到设计或希望的指标。分析出现这种问题的原因主要有以下几个方面：溢流管直径过大或沉砂口直径过小
22、；进料压力过低，大颗粒未能及时充分沉降；进料浓度过高，分级效果差；旋流器结构不合理，短路流占主导，旋流器分级效率不高；旋流器型号选择不对，匹配不合理；虹吸现象较为严重，增设虹吸管。旋流器底流口堵塞。5、 底流夹细严重开路分级旋流器综合分级效率评定时，沉砂加细是一个重要的因素。造成沉砂加细的原因：沉砂口直径过大；进料压力过高；旋流器型号偏小；进料浓度过高，颗粒在沉降过程中干涉影响严重所用旋流器结构不合理，分级效率低；旋流器整体以被磨出沟槽，造成分级效率下降。6、旋流器磨损严重旋流器的磨损是厂家使用时常常关注的指标之一。在旋流器内部颗粒浓度最大处为沉砂口及邻近锥体处，许多颗粒在此旋转，类似流化床，
23、对旋流器器壁产生磨蚀作用。同样，进料口处由于料浆的直接冲击，也造成较为严重的磨损。水力旋流器的磨损与很多因素有关，如矿浆的粒度组成、粒子的形状、矿浆的浓度、矿浆流动的速度和压力等。在选型和操作上能够做到以下几点：在能达到要求的分离粒度的前提下，尽可能降低泵的进料压力；旋流器选型时，尽量选用大型号旋流器取代小型号旋流器组；旋流器部分损坏，现场安装组配时，要注意同轴度；选用新颖结构如渐开线进料、锥底直段等，整体均是耐磨材质优化组合的旋流器。五、分级旋流器的操作规程在实际生产过程中，在开机前、后都要对旋流器组的进行检查，以备生产需要。1、工作前的准备：入料管线接头、阀门是否漏水，阀门是否灵活、好用，
24、有无堵塞现象。旋流器各部位，特别是入料口、排料口的磨损不能超过要求并无堵塞。旋流器的可调整部位应完整、灵活、可调。系统内有仪表的仪表，要检查是否灵活、可靠，停车时应在相应的位置。检查旋流器各部件的磨损情况，磨损超限的应更换，主要检查的磨损件事溢流口和底流口。2、正常操作时的规定接到开车信号后，确认正常，待下道工序正常运行后，即可开启煤浆泵送料。旋流器给料后，观察仪表的显示情况了解其工作效果。旋流器的操作因素有：如料压力、入料浓度、入料量、中心管道高度和底流排入方式。一般数据如下：入料压力细粒分级通常取 0.1MPa，根据化验结果要及时进行调节。中心管高度是一个重要的操作因素。底流的排放方式对分
25、级影响很大，以使底流连续呈伞状旋流排出为好：底流呈柱状甚至间断排放，表明选流器中部的空气柱被破坏，从而使溢流跑粗，分级效果降低。检查旋流器的底流和溢流的粒度组成、浓度、灰分以判断旋流器的工作效果。在正常情况下，旋流器的入料闸门应全开，如入料压力应尽量通过调整入料管上阀门和旋流器开启个数进行控制。应与来料泵司机保持密切联系，随时了解如料压力、浓度的变化情况，力求稳定旋流器的工艺参数以保持良好的工作效果。发现旋流器底流中含过多粗颗粒时，应及时查看上设备的运行情况，查找原因，减轻旋流器不必要的负荷和损失。当与旋流器有关的岗位发生故障时，应停止给料并进行处理。3 特殊情况的处理分级旋流器是多参数、严要
26、求，而又是易磨损的设备，为了保证获得稳定和良好的工作效果，必须定期检测各主要部件的磨损情况，发现超限应及时检修或更换。旋流器上的检测仪表，如压力表、流量计、密度计等不准或不动，应及时检修或更换。旋流器排料口有时被杂物堵塞而断流，应及时将杂物排除，以保证其正常工作。4、操作后应做的工作接到停车信号后，即与来料泵的司机联系停车，停料后，关闭相应的闸门。检查、清理旋流器入料口、排料口的杂物。检查有关管道、阀门有无漏水、堵塞、开启不灵的现象，发现问题及时处理。定期检查入料口、排料口、中心管及内衬板的磨损情况。应通过测定测定来确定其磨损，严格按规定更换磨损部件。利用停车时间进行设备维护保养工作，处理运行
27、中出现和停车后检查出的问题。六、水力旋流器综合效率评价旋流器的分离作业主要有分级、脱泥、澄清、浓缩和选别。分级、脱泥、澄清和浓缩主要是根据水力粒度的差异进行分离作业，选别主要是根据物料的密度差异进行分离的作业，选别主要是根据物料密度的差异进行分离的作业分级率是评定旋流器分级过程进行完善程度的技术指标，应从质和量两方面反映设备性能的好坏、操作参数的优劣和管理水平的高低，为改良设备结构、优化操作参数、获取理想指标和制订管理措施提供技术依据。水力分级设备工艺效果的评价指标共分为三项：分级效率、评价分配误差和通过粒度。1、分级效率分级效率计算公式：式中： 分级效率，%；粗粒物正配效率，%；细粒物正配效
28、率，%；底流产物产率，%；底流产物粗粒物含量（占本级），%；计算入料中粗粒物含量，%；计算入料中细粒物含量，%；底流产物细粒物含量（占本级），%。注：和可由底流产物粒度特性曲线查获，和则由计算入料粒度特性曲线查获。计算分级效率时，用规定粒度划分粗粒物和细粒物。2、平均分配误差平均分配误差计算公式：式中：平均分配误差；上分配误差；下分配误差；分配曲线上对应于分配率为 75%的粒度值；分配粒度，即分配曲线上对应于分配率为 50%的粒度值；分配曲线上对应于分配率为 25%的粒度值。3、通过粒度通过粒度以溢流物中 95%的量通过标准筛筛孔的大小来表示，单位为 mm。4、产物产率计算产物产率应尽可能由计量法测定，当计量有困难时，则按格氏公式法计算。式中：实际入料中第i 个粒度级的产率，%；底流物中第i 个粒度级的产率，%；溢流物中第i 个粒度级的产率，%；底流产物产率，%；底流产物产率，%；评定指标的数值修约到小数点后两位。均方差检验：获得产物产率后，应用均方差检验，均方差小于 3.0 为合格。均方差计算公式：式中： 均方差；计算入料和实测入料各粒级含量之间的差值；所用筛分资料中的粒级数；水力分级作业的产物数。