摘要

印度亚生铁矿床的铁品位很高。但是，其中的二氧化硅和氧化铝需要去除。大多数选矿厂使用多级水力旋流器来获得细铁精矿(-100μ m)。在水力旋流器分级过程中，大量含有粘土矿物的细粒部分随给水进入粗粒产品，从而降低了精矿的铁品位。Btadley报道了减少进入水力旋流器底流的水量的不同方法。其中之一是节流底流的排放，以控制进入底流的水量。这种系统容易严重磨损，需要更多的维护。另一种方法是通过多级分级来提高分离效率。多级分级系统是多个水力旋流器串联的分级，即一个水力旋流器的底流依次进入下一个水力旋流器。这种构造显著减少了粗粒产品中的细粒含量。Rao报道印度Rakha铜矿选矿厂采用两级旋风系统分级。根据该报告，串联分级系统提高了整体分级效果，但是这种配置需要增加泵池和泵送系统以及维护工作量。而且这种两阶段的分类过程很容易受到工厂经营波动的影响。

提高分级效果的第三种方法是将加压水通过粗粒产品的出料端注入旋流器。首次将注水技术用于矿产品脱泥。Kelsall等人证明，该方法用于直径为75 mm的旋流器时，分级精度良好。他们证明，在正常操作中，给矿的～10 μm细粒有48%进入底流，而使用注水水力旋流器时，只有11.5%～10 μm细粒进入底流。在造纸工业中，注水旋流器用于提高溢流中纤维的回收率。Firth等人通过喷水旋流器对细粒煤进行分类。Patil等人报道直径为100mm的Krebs水力旋流器在处理硅砂方面比普通水力旋流器有一些优势。Honaker等人报告了通过喷水旋流器对细粒煤进行分类的重要性。最近，注水旋流器被用于回收旋流器溢流产物中的细重物质。一种获得专利的喷水旋流器，俗称“Cyclowash”，已经商业化销售。

本研究采用该技术生产铁品位高于66%的铁精矿，同时降低铁精矿中二氧化硅和氧化铝的含量。

注水水力旋流器(图1，A)可视为普通水力旋流器，注水系统安装在沉砂池上方。因此，这种系统具有普通水力旋流器的所有特征，例如，有一个与倒锥体相连的主圆筒，圆筒上部有一个切向进料口，圆筒外部有一个突出的圆柱形涡流溢流管，它位于涡流轴的中心并延伸到进料口的下部。在普通旋风筒的下部连接有注水装置。注水装置(图1，B)由外筒和内筒组成。内筒的圆周上有许多切向进水口，进水口之间的距离相等。外筒通过管道与储水箱连接。淡水在一定压力下从内圆柱壁上的孔切向注入该装置。在主旋流器和注水系统之间，使用一个截锥来限制注水孔处底流浆液的压力，以防止浆液通过注水孔进入淡水夹套。

进料泥浆通过进料口被送入喷水旋流器。主要的分级过程发生在旋风分离器的主要部分。细粒级进入旋风轴周围的垂直液流，然后进入涡流溢流管。粗粒部分在到达旋流器壁后进入底流浆料。粗底流经过截锥后进入注水装置。注入的水横向穿过底流矿浆。在这一过程中，进入底流的给水被注入的水所替代，从而夹带的细颗粒进入溢流。

图1注水旋流器(A)和注水装置(B)

一.测试

(一)样本采集和饲养的特点

铁矿石纸浆是从印度的一个选矿厂收集的。这些样本代表rake分类器的溢出产物。这些产品通过一系列水力旋流器在浓缩器中浓缩。纸浆被过滤，然后在100℃下干燥。将干固体(约400㎏)混合，每10㎏矿石样品用标准取样技术制成。化学分析的结果表明，这些干进料样品含有63.5%的铁、2.5%的Al2O3和3.5%的SiO2。然后，对这些样品进行粒度分析和化学分析，以了解Fe、Al2O3和SiO2的分布。图2显示了每个粒度级分的化学分析结果。从图2可以看出，饲料的粒度组成为75% ~ 45μ m和50% ~ 25μ m，铁的含量随着粒度的减小而降低。然而，在-25微米部分中的铁含量急剧下降到58.53%，这表明氧化铝和二氧化硅在该部分中富集。

图2饲料各组分的产量和铁含量

△-产量；●-铁级

(2)试验装置和试验过程

图3是测试设备的示意图。试验装置由安装在固定平台上的200L进料桶和100L注水罐组成。料筒底部连接有离心泵，由三相5.5kW电机驱动。泵的出口通过管道与垂直安装在浆桶上方的100毫米注水旋流器的进料口相连。用膜片压力表测量涡流压降。通过控制阀调节旁通管的流速，喷水旋流器中的压降保持恒定。

涡流溢流管、截锥和沉砂池喷嘴的尺寸与注水旋流器的实验设计相匹配。将称量好的固体和水在给料罐中混合10 ~ 15分钟，使给料泥浆的固体浓度为25%。根据实验设计，首先将淡水注入注水装置。之后，通过打开控制阀将进料浆液送入旋流器，并控制回流阀使浆液进料压力保持在70kPa。在稳定状态下(达到15s)，分别对上溢和下溢进行采样。将样品过滤、干燥和称重，并分析铁、氧化铝和二氧化硅的含量。根据重量分布和金属含量及金属平衡，计算精矿中铁的回收率和氧化铝、二氧化硅的去除率。

图3注水旋流器试验装置图

(3)实验设计

本试验采用正交试验方法，包括16个试验(24∶2水平，4个因素)。包括的因素有注水速率、截锥直径、沉砂池直径和溢流管直径。因素的水平如表1所示。截锥直径、溢流管径、沉砂池直径和注水流量分别用A、B、C和D表示。该研究的下限和上限如下:

表1试验中的因素和水平

因素

②溢流管径:25.4 mm和31.75mm；；

③沉砂池喷嘴直径:22.23 mm和26.97mm；

④注水流量:1500和3000升/分钟

在统计分析中，低级用-1码表示，高级用1码表示。

二。结果和讨论

表2显示了在不同测试条件下获得的铁品位和铁精矿回收率、氧化铝和二氧化硅的去除率。从表2可以看出，在不同的操作条件下，铁精矿(旋流器底流产物)的铁品位为65.2% ~ 67.9%，氧化铝含量为0.31% ~ 1.33%，二氧化硅含量为1.39% ~ 2.40%。尾矿(旋流器溢流产物)含有40.9% ~ 45.6%的铁、8.25% ~ 13.15%的氧化铝和10.0% ~ 13.1%的二氧化硅。铁的回收率为86.6% ~ 92.3%。氧化铝和二氧化硅的去除率分别为54.0% ~ 89.0%和39.6% ~ 65.0%。

表2测试条件和测试结果

试验

数字

分裂率

注水旋流器的UF-底流(铁精矿)

回收比率

去除率

UFsol -底流中固体的质量百分比

RIW -注水比率栏(注入水流量与底部水流量的比率)

实验结果还表明变量之间存在交互作用。为了了解每个变量单独以及它们之间的交换效果，使用商业设计专家软件对测试结果进行统计分析。不同变量对铁品位、回收率以及氧化铝和二氧化硅的去除率的影响如表2所示。

用于评估单独和交互效果的通用公式为:

yi =α0+α1A+α2B+α3C+α4D+α5AB+α6AC+α7AD+α8BC+α9BD+α10CD+α11 ABC+α12 Abd+α13 ACD+α14 BCD+α15 ABCD(1)

式中:yi-response (I代表铁品位、铁回收率、氧化铝去除率和二氧化硅去除率)；0-截距；1…α15-模型参数；a、B、C和D-截锥直径、涡流溢流管径、沉砂池直径和注水量的代码值。

A、B、C和D的代码值可以通过以下公式计算

A=(AR-Aa)/(Aa-Al) (2)

B=(BR-Ba)/(Ba-Bl) (3)

C=(铬-钙)/(钙-氯)(4)

D=(DR-Da)/(Da-Dl) (5)

其中:ar-截锥直径的理想水平；aa-高低水平截锥直径的平均值；al-低水平截锥直径。BR、Ba和bl；铬、钙和铬；和Da Dl意思差不多。

虽然为了模型的完整性，提到了模型中的所有参数，但为了解释物理机制，下面只讨论单变量和双变量的影响。

(1)变量对注水比的影响(RIW)

在回注旋流器中，主要分级发生在主旋流器中，次要分级发生在注水系统中。在注水系统中，新注入的水取代了底流浆中的水。在这个过程中，注入水分别进入溢流和底流，进入溢流和底流的水的比例取决于沉砂池的直径。截锥直径、溢流管径和注水流量。很难准确量化注水分离。因此，用注水流量与底流流量之比来描述分级机理是一种很好的替代方法。因此，在本研究中，分析了每个变量对该比率(用RIW表示)的影响，然后用它来描述其对其他排序指标的影响。在不同测试条件下获得的RIW值如表2所示。

在不同的实验条件下，注水比例从37.2%变化到96.7%。注水比的模型公式为:

RIW = 59.2-2.07 a+2.97 b-7.05 c+11.75d+3.83 a b-2.19 AC+1.78 ad-4.80 BC+0.65 BD-2.36 CD+1.20 ABC+4.03 Abd-0.72 ACD-3.09 BCD+3.11 ABCD(6)

从模型常数可以看出，RIW值会随着截锥直径和沉砂池直径的增大而减小。当这些变量在较高水平下操作时，来自进料和注入水的大量水进入底流，因此该值降低。溢流和注入流量变量前的常数为正，表明RIW值随这些变量的增大而增大。

截锥直径与沉砂池直径(AC)、溢流管径与沉砂池直径(BC)、沉砂池直径与注水量(CD)的交互作用表明，所有与沉砂池直径的交互作用都是负面作用。与锥台相关的交换效应，如锥台直径和溢流管径(AB)以及锥台直径和注入流量(AD)之间的相互作用，都是正效应。截锥与沉砂池直径之间的相互作用应为负值，这表明沉砂池直径起主要作用。

通过观察RIW值的影响，验证了各变量对精矿铁品位、回收率、硅铝去除率的影响。

(2)变量对精矿铁品位的影响

铁精矿品位模型的公式如下。实际值与模型预测值吻合较好，R2为0.98，标准差为0.23。

fegr = 66.3-0.246 a+0.509 b-0.203 c+0.174d+0.160 ab-0.189 AC-0.159 BC+0.188 BD-0.189 CD+0.217 ACD-0.132 ABCD(7)

从上式可以看出，在自变量中，溢流管直径对铁品位的影响最大，其次是截锥直径、沉砂池直径和注水量。溢流管直径和注水量为正效应，表明铁精矿的铁品位随着这些变量的增加而增加。截锥直径和喷嘴直径为负效应，表明随着这些变量的增加，精矿铁品位降低。

与注水比例的影响类似，与沉砂池直径相关的交互作用(AC、BC、CD)为负，表明铁精矿品位会随着这些变量的增加而降低。铁品位的降低可以通过以下机理来解释:

1.AC的增加表明截锥和沉砂池喷嘴的尺寸变大，这将缩短进料在主旋风和注水系统中的停留时间。在注水系统中，注入的水清洗底流矿浆；

2.对于CD，随着沉砂池直径和注水流量的同时增加，大部分注入水进入底流，以改善底流的清洁；

3.溢流管的影响是积极的，而增加溢流管和沉砂池(BC)的直径会产生负面影响，这表明沉砂池的直径是主要影响因素。

上述机理可以通过增加底流排出的矿浆流量而降低RIW值来证明。

截锥直径和溢流管直径(AB)的组合具有正效应，表明随着该变量的增加，精矿铁品位增加。这可能是因为溢流管径的增大可以增加溢流带走的粘土量。而且，当截锥开口变宽时，由于注入水的垂直上升流增加(从RIW的正值可以看出)，细粘土可以有效地被冲刷到溢流中。

(3)变量对精矿铁回收率的影响

铁精矿回收率模型的公式如下。实测值与预测值吻合较好，R2为0.99，标准差为0.33。

ferec = 89.3+0.804 a-0.405 b+1.095 c-0.336d-0.246 ACB-0.519 AC-0.498 ad-0.367 BC+1.064 ACD+0.271 BCD-0.351 ABCD(8)

从式(8)可以看出，在所有自变量中，沉砂池直径对铁精矿铁回收率的影响最大，其次是截锥直径、溢流管直径和注水量。截锥和沉砂池喷嘴直径的增加提高了铁精矿的铁回收率。溢流管和注水流量的影响为负，说明随着溢流管管径和注水流量的增加，铁精矿的铁回收率降低。

变量间交互作用的研究结果表明，截锥直径和沉砂池直径(AB、AC、AD和BC)的组合影响显著。所有这些组合的效果都是负面的，这表明增加这些组合的水平将降低铁精矿中铁的回收率。锥体直径或砂口直径的增加表明用于将固体排放到底流中的孔更大，从而提高精矿的铁回收率。

(4)变量对氧化铝和二氧化硅去除速率的影响

细铁矿中的氧化铝和二氧化硅来自粘土矿物。此外，二氧化硅来自应时。显微镜观察表明，进料中粘土的粒径小于5μm，90%二氧化硅的粒径小于10 μ m。氧化铝和二氧化硅去除率的模型公式如下。

alrej = 71.9-1.59 a+9.61 b-4.88 c+0.95d-1.46 AC+0.40 ad+1.54 CD-2.52 ACD(9)

sirej = 54.2-3.41 a+1.57 b-4.93 c+1.44d-1.43 AC+1.12 ad-1.00 BC+1.35 CD-2.74 ACD(10)

氧化铝去除率的实测值与模型预测值吻合较好，R2为0.99，标准偏差为1.7。同样，二氧化硅去除率的实测值与模型预测值吻合较好，R2为0.98，标准偏差为1.5。

从公式(9)可以看出，在所有自变量中，溢流管直径对氧化铝去除率的影响最大，其次是沉砂池直径、截锥直径和注水量。沉砂池直径对二氧化硅去除率的影响最大(公式(10))，其次是截锥直径、溢流管直径和注入流量。溢流管直径和注水流量对氧化铝和二氧化硅的去除率有正向影响，说明增大溢流管直径和注水流量可以提高氧化铝和二氧化硅的去除率。截锥和沉砂池的直径有负面影响，说明增大截锥和沉砂池的直径会降低氧化铝和二氧化硅的去除率。

变量间交换效应的研究结果表明，AC效应为负效应，AD和CD效应为正效应。截锥和沉砂池喷嘴直径的增加导致精矿中粘土和其他含二氧化硅矿物的增加，这是由向下的浆料流速的增加引起的，从而降低了氧化铝和二氧化硅的去除速率。

AD交互作用的结果表明，同时增加变量将增加氧化铝和二氧化硅的去除速率。同时，增大截锥直径和注入流量会增大注入水的上升速度，这可以从模型中RIW(式(6))的正值看出。喷射系统中的垂直上升流可以将粘土和细应时矿物冲入溢流中，从而提高二氧化硅和氧化铝的去除率。

同时，氧化铝和二氧化硅的去除率将通过增加沉砂池的直径和注射流量(CD)而增加。

(5)该变量应首先对底流的固体含量

底流中固体含量的模型公式如下:

UFsol = 66.3-0.794 a+1.870 b-0.763 c-3.512d+0.789 ab-0.261 AC+0.560 ad-2.478 BC+0.538 BD-0.641 CD+1.717 ACD+0.560 ABCD(11)

在自变量中，注水量对底流固含量的影响最大，其次是涡流溢流管直径、截锥直径和沉砂池直径。溢流管的影响是正面的，说明底流固相含量随着注水量的增加而增加。截锥和沉砂口的直径会降低底流中的固体含量。

同时，增加与沉砂池直径相关的组合(如AC、BC和CD)会降低底流中的固体含量。AC组合的增加表明截锥和沉砂池喷嘴的直径更大，有利于稀浆液进入注水系统，更多的注入水进入底流产品。截锥的开口被进一步扩大，因此截锥直径和溢流管直径的组合(AB)以及截锥直径和截锥直径和溢流管直径的组合(AD)是积极的效果，因为注入了更多的垂直上升的水。

三。结论

(1)含63.0%铁、2.5%氧化铝和3.5%二氧化硅的物料经喷水旋流器分级，可获得铁品位高于66.0%、含1.5%氧化铝和2.0%二氧化硅的铁精矿。

(2)采用溢流管径为31.75毫米、沉砂池直径为22.23毫米的注水旋流器，在保持铁精矿上述品位的前提下，铁精矿的铁回收率可高于85%，氧化铝和二氧化硅的去除率分别可高于80%和50%。

(3)对变量影响的统计分析表明，增大溢流管直径和注水量，减小截锥和沉砂池直径，可以提高精矿铁品位和氧化铝、二氧化硅的去除率。

(4)当截锥的直径较小时，获得所需铁品位所需的注水流量较低。

(5)沉砂池直径小、溢流管直径大、注水量低，可获得高固含量的底流产品(精矿)。

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