CN114798155B - 高效水力旋流器的设计方法和高效水力旋流器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山分选设备，提供了一种高效水力旋流器的设计方法，高效水力旋流器包括旋流室、锥体结构、溢流管和沉砂口，旋流室包括旋流室上盖和旋流室筒体，旋流室筒体内部为上下设置的螺旋下旋结构和旋流室筒体基圆，螺旋下旋结构上安装有进料口，进料口、螺旋下旋结构和旋流室筒体基圆依次连接形成进料通道，进料口为收缩断面结构，溢流管安装于旋流室上盖顶部且与旋流室内腔连通，旋流室筒体上端连接旋流室上盖，旋流室筒体下端连接锥体结构上端，锥体结构下端连接沉砂口，锥体结构为分段式锥体。通过对螺旋下旋结构型线的参数进行优化设计，能够降低矿浆进料的压力损失，以较低给矿压力获得较大处理能力，提高分级效率。
Description
技术领域
本发明涉及矿山分选设备，具体地，涉及一种高效水力旋流器的设计方法及高效水力旋流器。
背景技术
水力旋流器以结构简单、生产能力大、分级效率高、投资少等优点广泛应用在石油化工、环保、食品、医药等行业领域。特别是在选矿行业中，用于去除矿浆中较重的粗颗粒矿砂等物质或用于泥浆脱水、浓缩等作业。
目前矿山选矿分级用的水力旋流器，主要采用双壳体结构，包括金属外壳和内衬，内衬一般采用橡胶、聚氨酯或陶瓷等耐磨材料，利用高耐磨材料吸收粗颗粒的动能和冲击，减小磨损。在旋流室的进料口和筒体连接结构中，通常采用切线型、渐开线型、圆弧线型和螺旋线等形式，前三种结构加工简单，但是能耗大，分级效率低。目前主流的旋流器设计一般都采用螺旋线型结构，但都存在一定的差异，分级效率也各不相同。
因此，在保证一定的处理量前提下，如何最大程度降低水力旋流器进料压力，提高分级效率，是本技术邻域亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效水力旋流器的设计方法，该高效水力旋流器的设计方法所设计出的高效水力旋流器能够在保证一定的处理量前提下，降低进料压力损失，提高分级效率。
本发明还提供了一种高效水力旋流器，该高效水力旋流器分级效率高，进料压力损失低，处理能力强。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高效水力旋流器的设计方法，所述高效水力旋流器包括旋流室、锥体结构、溢流管和沉砂口，所述旋流室包括旋流室上盖和旋流室筒体，所述旋流室筒体内部为上下设置的螺旋下旋结构和旋流室筒体基圆，所述螺旋下旋结构上安装有进料口，所述进料口、所述螺旋下旋结构和所述旋流室筒体基圆依次连接形成进料通道，所述进料口为收缩断面结构，所述溢流管安装于所述旋流室上盖顶部且与所述旋流室内腔连通，所述旋流室筒体上端连接所述旋流室上盖，所述旋流室筒体下端连接所述锥体结构上端，所述锥体结构下端连接所述沉砂口，所述锥体结构为分段式锥体；其中，所述高效水力旋流器的设计方法包括如下步骤：获取所述螺旋下旋结构外轮廓投影所得的螺旋线的螺距Z和螺旋角θ，将所述螺旋线起点与所述旋流室筒体基圆投影所得的轮廓光滑连接以及将所述螺旋线终点与所述进料口的直线段投影所得的外侧轮廓线光滑连接。
具体地，所述螺旋线起点与所述旋流室筒体基圆投影所得的轮廓相切连接，所述螺旋线的终点角度θ2为360°时，所述螺旋线与所述直线段投影所得的外侧轮廓线相切连接；所述螺旋线终点角度θ2小于360°时，所述螺旋线终点和所述直线段投影所得的外侧轮廓线通过过渡圆弧线光滑连接，所述过渡圆弧线半径其中，D0为所述旋流室筒体基圆直径，单位为mm，b1为所述直线段宽度，单位为mm。
具体地，所述螺旋线起点半径所述螺旋线起点角度θ1为-40°～60°，所述螺旋线终点半径/>所述螺旋线终点角度θ2为270°～360°。
具体地，由以下式子得到所述螺距Z和螺旋角θ：
式中，Cw-矿浆质量浓度，ρm-矿浆比重，D0为所述旋流室筒体基圆直径，单位为mm。
具体地，还包括如下步骤：由上至下依次连接的n级锥体形成所述锥体结构，确认所述锥体结构高度HZ、级数n和各级所述锥体的角度。
具体地，确认所述锥体结构高度HZ、级数n和各级所述锥体的角度的步骤如下：步骤一：设定各级所述锥体平均角度β为13°；步骤二：得出所述锥体结构高度式中，β为各级锥体的角度的平均值，D0为所述旋流室筒体基圆直径，单位为mm，D1为底部的一级所述锥体下端口直径，单位为mm；步骤三：由步骤二得出的HZ数值确认级数n；步骤四：由级数n确认各级所述锥体的角度取值范围，使上一级所述锥体角度大于下一级所述锥体角度；步骤五：重新得出各级所述锥体平均角度β，重复步骤二和三，对HZ和n进行验证。
具体地，在步骤三中，HZ大于1000mm且小于等于1400mm，n取值为2；HZ大于1400mm且小于等于2100mm，n取值为3；HZ大于2100mm且小于等于2800mm，n取值为4。
具体地，在步骤四中，n为2时，各级所述锥体角度在10°～12°内取值；n为3时，各级所述锥体角度在12°～14°内取值；n为4时，各级所述锥体角度在14°～16°内取值。
具体地，还包括如下步骤：使所述进料口的收缩口的收缩角α为7°～13°，所述收缩口的直径所述直线段宽度b1＝(0.7～0.8)*D2，其中，D0为所述旋流室筒体基圆直径。
进一步地，本发明还提供一种高效水力旋流器，采用上述技术方案中任一项所述的高效水力旋流器的设计方法形成。
通过上述方案，本发明的有益效果如下：
本发明通过采用收缩断面结构的进料口，在进料过程中，断面面积减少，增大进料的速度，减少压力损失，并且利用螺旋下旋结构，降低湍流强度，在较低的给矿压力下，获得较大的处理能力，提高分级效率。同时，固体颗粒对旋流器内壁面的冲击动能较小，减少磨损，延长使用寿命。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明高效水力旋流器具体实施例的结构示意图；
图2是本发明高效水力旋流器的设计方法的进料通道型线示意图；
图3是本发明高效水力旋流器的设计方法的另一种进料通道型线示意图；
图4是图1中的旋流室筒体的结构示意图。
附图标记说明
1旋流室 2锥体
3溢流管 4沉砂口
5进料口 6进料通道
7直线段 8过渡圆弧线
9螺旋线 10收缩口
11螺旋下旋结构
1a旋流室上盖 1b旋流室筒体
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“形成”、“安装”、“设置”、“连接”等应做广义理解，例如，连接可以是直接连接，也可以是通过中间媒介进行间接的连接，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间连接件间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，在未作相应说明的情况下，采用的方位词“顺时针”、“逆时针”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，所接触的仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；对于本发明的方位术语，应当结合实际安装状态进行理解。
本发明提供了一种高效水力旋流器的设计方法，参见图1和图4，该高效水力旋流器主要由旋流室1、锥体结构2、溢流管3和沉砂口4构成，旋流室1包括依次相连的旋流室上盖1a和旋流室筒体1b，旋流室筒体1b内部为上下设置的螺旋下旋结构11和旋流室筒体基圆，采用螺旋下旋结构11能够降低湍流强度，在较低的给矿压力下，获得较大的处理能够，提高分级效率，在该螺旋下旋结构11上安装有进料口5，进料口5、螺旋下旋结构11和旋流室筒体基圆依次连接形成进料通道6，其中，进料口5为收缩断面结构，进料时断面面积减少，能够使进料速度增大，以减少压力损失；溢流管3安装于旋流室上盖1a顶部且连通至旋流室1内腔，旋流室筒体1b上端连接旋流室上盖1a，旋流室筒体1b下端连接锥体结构2上端，锥体结构2下端连接沉砂口4，且锥体结构2为分段式锥体；其中，高效水力旋流器的设计方法包括如下步骤：获取螺旋下旋结构11外轮廓投影所得的螺旋线9的螺距Z和螺旋角θ，将螺旋线9起点与旋流室筒体基圆投影所得的轮廓光滑连接以及将螺旋线9终点与所述进料口5的直线段7投影所得的外侧轮廓线光滑连接，以形成高效水力旋流器的进料通道6型线。需要说明的是，在上述技术方案中，“投影”所指的是以旋流室筒体基圆的中心轴向四周发射垂直于该中心轴的投射线，投影至旋流室1的内腔侧壁的面上，以形成高效水力旋流器设计方法中的各投影线。
具体地，螺旋线9起点与旋流室筒体基圆投影所得的轮廓相切连接，以能够使矿浆通过进料通道6，顺畅地沿旋流室筒体1b的侧壁螺旋向下运动，降低固体颗粒对旋流室内壁面的冲击动能，参见图2，在螺旋线9的终点角度θ2为360°时，螺旋线9与直线段7投影所得的外侧轮廓线相切连接；参见图3，当螺旋线9终点角度θ2小于360°时，螺旋线9终点和直线段7投影所得的外侧轮廓线通过过渡圆弧线8光滑连接，该过渡圆弧线8半径其中，D0为旋流室筒体基圆直径，单位为mm，b1为直线段7宽度，单位为mm。需要说明的是，上述技术方案中，螺旋线9的起点与终点仅表示螺旋线9的相对位置关系，螺旋线9的起点为与旋流室筒体基圆投影所得的轮廓相连接的点，终点为与直线段7投影所得的外侧轮廓线相连接的点。此外，需要说明的是，以图2与图3所示为例，垂直于直线段7并通过旋流室筒体基圆中心轴的平面绕该中心轴旋转角度θ1所形成平面为螺旋线9的起点所在平面，平面绕该中心轴旋转角度θ1为螺旋线9的起点角度，垂直于直线段7并通过旋流室筒体基圆中心轴的平面绕该中心轴旋转角度θ2所形成平面为螺旋线9的终点所在平面，平面绕该中心轴旋转角度θ2为螺旋线9的终点角度，其中逆时针旋转为正方向。
具体地，螺旋线9的起点半径螺旋线9起点角度θ1为-40°～60°，所述螺旋线9终点半径/>所述螺旋线9终点角度θ2为270°～360°，其中，r1与r2图中未显示，矿浆从进料口5进入后，能够沿螺旋线9线型的螺旋下旋结构11进入旋流室筒体1b的侧壁向下运动，从而有效的降低矿浆的能量损耗，降低进料压力，提高分级效率。另外，螺旋线9的螺距Z和螺旋角θ通过以下式子得到：
式中，Cw-矿浆质量浓度，ρm-矿浆比重，D0为旋流室筒体基圆直径，单位为mm。在确定螺旋角θ的取值范围后，能够通过式子θ＝θ2-θ1，进一步确认螺旋线9的起点角度θ1和终点角度θ2，结合得出的螺距Z而获得螺旋线9，进而得到螺旋下旋结构11。
矿浆进入旋流室1中，在旋流室1的侧壁限制下，使矿浆做旋流向下运动，旋流中的固体颗粒受到离心力作用，因固体颗粒的密度大于矿浆中液体的密度，受到的离心力越大，当这个力大于因运动产生的液体阻力时，固体颗粒就会克服这一阻力而向器壁方向移动，与液体分离，进入锥体结构2内，锥体结构2的内径不断减小，矿浆的旋转速度加快，较重的固相从锥体结构2底端的沉砂口4排出，较轻的液相通过内部产生的空气芯从溢流管3排出，本发明高效水力旋流器的设计方法，还包括如下步骤，以提高锥体结构2的分级效率：由上至下依次连接的n级锥体形成锥体结构2，确认锥体结构2高度HZ、级数n和各级锥体的角度。
具体地，参见图1，确认锥体结构2高度HZ、级数n和各级锥体的角度的步骤如下：
步骤一：设定各级锥体平均角度β为13°；
步骤二：得出锥体结构2高度式中，β为锥体的角度的平均值，D0为旋流室筒体基圆直径，单位为mm，D1为底部的一级锥体下端口直径，单位为mm；
步骤三：由步骤二得出的HZ数值确认级数n；
步骤四：由级数n确认各级锥体的角度取值范围，使上一级锥体角度大于下一级锥体角度；
步骤五：重新得出各级所述锥体平均角度β，重复步骤二和三，对HZ和n进行验证。
需要说明的是，水力旋流器具有不同的规格，以应对不同的处理需求，不同规格的水力旋流器的旋流室筒体基圆的直径D0不同，由步骤二得出的高度HZ也不同，例如，在步骤三中，HZ大于1000mm且小于等于1400mm，n取值为2；HZ大于1400mm且小于等于2100mm，n取值为3；HZ大于2100mm且小于等于2800mm，n取值为4。在确认好级数n后，在步骤四中，n为2时，各级所述锥体角度在10°～12°内取值；n为3时，各级所述锥体角度在12°～14°内取值；n为4时，各级所述锥体角度在14°～16°内取值。另外，为了方便工艺的实现以及安装方便，作为优选实施方式，各级锥体的高度不高于700mm。
还需要说明的是，进料口5为收缩断面结构，以减少矿浆的进料压力损失，本发明高效水力旋流器的设计方法还包括如下步骤，以形成进料口5：使进料口5的收缩口10的收缩角α为7°～13°，收缩口10的直径直线段7宽度b1＝(0.7～0.8)*D2，其中，D0为旋流室筒体基圆直径。
下面对采用本发明高效水力旋流器的设计方法的水力旋流器与未采用该方法的水力旋流器进行比较，以500旋流器(旋流室筒体基圆直径为500mm的旋流器)为例，表1与表2为性能对比图表。
表1为采用与未采用本发明高效水力旋流器的设计方法的水力旋流器压降数据比较：
通过测量进料口5和溢流管3出口的压力，进行对比，得出压降。
表2为采用与未采用本发明高效水力旋流器的设计方法的水力旋流器-200目分级效率数据比较：
通过在水力旋流器的进料口5和溢流管3出口的矿浆进行取样，烘干后，对矿物干重和-200目细颗粒进行称重，得到-200目细颗粒的浓度，计算得到-200目的分级效率。
从表1和表2可以看出，采用本发明高效水力旋流器的设计方法的水力旋流器在不同流量下在压降以及-200目分级效率上都明显优于未采用本发明高效水力旋流器的设计方法的水力旋流器，在流量为200m3/h的工况下，压降能够降低31.10％，-200目分级效率能够提高53.45％。
另外，本发明基于上述高效水力旋流器的设计方法，还设计了一种高效水力旋流器，该高效水力旋流器通过进料口5的收缩断面、螺旋下旋结构11的低阻特性和下旋结构，有效降低矿浆进入水力旋流器进料通道的压力损失，降低了能量损耗和磨损，提高了处理量和分级效率，延长了使用寿命。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，所述高效水力旋流器包括旋流室(1)、锥体结构(2)、溢流管(3)和沉砂口(4)，所述旋流室(1)包括旋流室上盖(1a)和旋流室筒体(1b)，所述旋流室筒体(1b)内部为上下设置的螺旋下旋结构(11)和旋流室筒体基圆，所述螺旋下旋结构(11)上安装有进料口(5)，所述进料口(5)、所述螺旋下旋结构(11)和所述旋流室筒体基圆依次连接形成进料通道(6)，所述进料口(5)为收缩断面结构，所述溢流管(3)安装于所述旋流室上盖(1a)顶部且与所述旋流室(1)内腔连通，所述旋流室筒体(1b)上端连接所述旋流室上盖(1a)，所述旋流室筒体(1b)下端连接所述锥体结构(2)上端，所述锥体结构(2)下端连接所述沉砂口(4)，所述锥体结构(2)为分段式锥体；
其中，所述高效水力旋流器的设计方法包括如下步骤：
获取所述螺旋下旋结构(11)外轮廓投影所得的螺旋线(9)的螺距Z和螺旋角θ，将所述螺旋线(9)起点与所述旋流室筒体基圆投影所得的轮廓光滑连接以及将所述螺旋线(9)终点与所述进料口(5)的直线段(7)投影所得的外侧轮廓线光滑连接，由以下式子得到所述螺距Z和螺旋角θ：
式中，Cw-矿浆质量浓度，ρm-矿浆比重，D0为所述旋流室筒体基圆直径，单位为mm。
2.根据权利要求1所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，所述螺旋线(9)起点与所述旋流室筒体基圆投影所得的轮廓相切连接，所述螺旋线(9)的终点角度θ2为360°时，所述螺旋线(9)与所述直线段(7)投影所得的外侧轮廓线相切连接；所述螺旋线(9)终点角度θ2小于360°时，所述螺旋线(9)终点和所述直线段(7)投影所得的外侧轮廓线通过过渡圆弧线(8)光滑连接，所述过渡圆弧线(8)半径其中，D0为所述旋流室筒体基圆直径，单位为mm，b1为所述直线段(7)宽度，单位为mm。
3.根据权利要求2所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，所述螺旋线(9)起点半径所述螺旋线(9)起点角度θ1为-40°～60°，所述螺旋线(9)终点半径所述螺旋线(9)终点角度θ2为270°～360°。
4.根据权利要求1所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤：
由上至下依次连接的n级锥体形成所述锥体结构(2)，确认所述锥体结构(2)高度HZ、级数n和各级所述锥体的角度。
5.根据权利要求4所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，确认所述锥体结构(2)高度HZ、级数n和各级所述锥体的角度的步骤如下：
步骤一：设定各级所述锥体平均角度β为13°；
步骤二：得出所述锥体结构(2)高度式中，β为各级锥体的角度的平均值，D0为所述旋流室筒体基圆直径，单位为mm，D1为底部的一级所述锥体下端口直径，单位为mm；
步骤三：由步骤二得出的HZ数值确认级数n；
步骤四：由级数n确认各级所述锥体的角度取值范围，使上一级所述锥体角度大于下一级所述锥体角度；
步骤五：重新得出各级所述锥体平均角度β，重复步骤二和三，对HZ和n进行验证。
6.根据权利要求5所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，在步骤三中，HZ大于1000mm且小于等于1400mm，n取值为2；HZ大于1400mm且小于等于2100mm，n取值为3；HZ大于2100mm且小于等于2800mm，n取值为4。
7.根据权利要求5所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，在步骤四中，n为2时，各级所述锥体角度在10°～12°内取值；n为3时，各级所述锥体角度在12°～14°内取值；n为4时，各级所述锥体角度在14°～16°内取值。
8.根据权利要求1所述的高效水力旋流器的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤：
使所述进料口(5)的收缩口(10)的收缩角α为7°～13°，所述收缩口(10)的直径所述直线段(7)宽度b1＝(0.7～0.8)*D2，其中，D0为所述旋流室筒体基圆直径。
9.一种高效水力旋流器，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的高效水力旋流器的设计方法形成。
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