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1、螺旋選礦設(shè)備概述
螺旋選礦設(shè)備（Spiral concentrator）是螺旋選礦機(jī)、螺旋溜槽、螺旋分選機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)。國(guó)外開(kāi)發(fā)的以橢圓為截面的螺旋選礦設(shè)備稱(chēng)為螺旋選礦機(jī)，我國(guó)開(kāi)發(fā)的以立方拋物線(xiàn)為截面的螺旋選礦設(shè)備稱(chēng)為螺旋溜槽，在洗煤領(lǐng)域則將螺旋選礦設(shè)備稱(chēng)為螺旋分選機(jī)。
螺旋選礦設(shè)備是一種應(yīng)用廣泛的流膜重力選礦設(shè)備，也是一種斜面流選礦設(shè)備，是赤鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、鏡鐵礦、鉭鈮礦、海濱砂礦及煤等選礦的關(guān)鍵設(shè)備，在工業(yè)中獲得大量應(yīng)用。
目前在國(guó)內(nèi)金屬礦山生產(chǎn)中應(yīng)用的螺旋溜槽絕大多數(shù)都是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)并制造的，每年還有大量螺旋溜槽出口到國(guó)外，我國(guó)的螺旋溜槽開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)水平目前處于國(guó)際前列。據(jù)粗略估算，目前在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的大小螺旋選礦設(shè)備數(shù)量可達(dá)十多萬(wàn)臺(tái)套。
螺旋選礦機(jī)
2、螺旋選礦機(jī)結(jié)構(gòu)與作用原理
螺旋選礦機(jī)主要由分礦器、支架、螺旋槽、截礦器、接料斗5部分組成。
其中分礦器固定在支架上，在螺旋槽為多頭時(shí)，可以把輸送上來(lái)的礦漿均勻分布到每個(gè)螺旋槽上端。螺旋槽通過(guò)螺栓固定在支架上，每片螺旋槽間也通過(guò)螺栓連接。截礦器安裝在螺旋槽的最底端用于分開(kāi)精礦、中礦和尾礦。接礦斗安裝在截礦器下端，用于接收截礦器區(qū)分出來(lái)的各個(gè)級(jí)別的礦漿，并于其它容器或者接收設(shè)備相接。
螺旋選礦設(shè)備結(jié)構(gòu)示意
3、螺旋選礦機(jī)研究進(jìn)展
近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)螺旋選礦機(jī)的研究主要集中在運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化、分選流態(tài)的數(shù)值模擬、礦物顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤檢測(cè)等方面。
（1）運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進(jìn)
響應(yīng)面法（RSM）的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化
Tripathy等通過(guò)Box-Behnken設(shè)計(jì)與RSM結(jié)合，建立超細(xì)鉻鐵礦分選的二次響應(yīng)模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)給礦速率為1.2m3/h、礦漿濃度14.81%、截取器位置12cm時(shí)，可獲得51.05%的Cr2O3品位。該方法通過(guò)量化參數(shù)間交互作用，為工業(yè)參數(shù)調(diào)試提供了數(shù)學(xué)依據(jù)。
張新元等研究指出，礦物在螺旋選礦機(jī)中的受力一般包含：慣性力、阻力、重力、浮力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、流體的推力、礦物間的作用力。并對(duì)不同形狀大顆粒在螺旋選礦機(jī)中的運(yùn)動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)球形顆粒的分選效果最好。
超極限h/D螺旋溜槽的開(kāi)發(fā)
劉惠中等通過(guò)將螺旋槽徑高比（h/D）從常規(guī)0.45-0.7降至0.3，顯著提升了細(xì)粒礦物（-0.045mm）的回收率。在硫酸渣選鐵試驗(yàn)中，采用“一粗二精一掃”流程，精礦產(chǎn)率達(dá)59.63%，F(xiàn)e品位61.50%，較傳統(tǒng)螺旋溜槽提高15%以上。
復(fù)合力場(chǎng)集成設(shè)計(jì)
陳庭中等研發(fā)的離心螺旋溜槽通過(guò)調(diào)控旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)強(qiáng)度，使顆粒離心力可動(dòng)態(tài)調(diào)整。在云南大紅山赤鐵礦分選試驗(yàn)中，結(jié)合磁選工藝獲得Fe品位58.71%的精礦，較單一重力分選效率提升22%。
（2）分選流態(tài)的數(shù)值模擬與驗(yàn)證
CFD-DEM耦合模擬顆粒-流體相互作用
高淑玲等采用CFD-DEM耦合方法，揭示了螺距增大可使水相流速和湍動(dòng)能增加20%-30%，加速粒群分帶。模擬結(jié)果顯示，顆粒運(yùn)動(dòng)速度極值與密度呈負(fù)相關(guān)，與實(shí)驗(yàn)值吻合度達(dá)92%。
多相流模型在工業(yè)級(jí)濃度下的驗(yàn)證
Dixit等利用代數(shù)滑移混合模型（ASM）模擬中等固體含量（15-20wt%）下的顆粒分離，發(fā)現(xiàn)粗顆粒（＞0.1mm）主要分布于槽內(nèi)緣，而細(xì)粒（＜0.045mm）集中于外緣，與工業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差小于8%。
二次環(huán)流與流場(chǎng)穩(wěn)定性分析
Matthews等通過(guò)VOF方法與RNGk-ε湍流模型結(jié)合，發(fā)現(xiàn)螺旋溜槽自由表面在給礦量6m3/h時(shí)充分發(fā)展，水深模擬值與試驗(yàn)值最大偏差僅1.2mm。二次環(huán)流強(qiáng)度隨徑向距離增加而增強(qiáng)，在尾礦區(qū)雷諾數(shù)可達(dá)1.2×104，驗(yàn)證了紊流對(duì)細(xì)粒松散的促進(jìn)作用。
4、顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤與檢測(cè)技術(shù)
（1）深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的礦物分帶識(shí)別
劉惠中等提出改進(jìn)YOLOv5-CASM算法，通過(guò)Mosaic-9數(shù)據(jù)增強(qiáng)、卷積注意力模塊（CASM）及CIOU損失函數(shù)優(yōu)化，將礦物分帶識(shí)別精度從原始模型的0.6提升至0.9，實(shí)現(xiàn)了分選界面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與截取器自動(dòng)調(diào)節(jié)。
（2）正電子發(fā)射型顆粒追蹤技術(shù)（PEPT）的應(yīng)用
李華梁等利用PEPT技術(shù)追蹤單個(gè)顆粒在螺旋溜槽內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)顆粒在第四圈末分離效率達(dá)峰值38.72%，驗(yàn)證了螺旋圈數(shù)對(duì)分選的關(guān)鍵影響。該技術(shù)為揭示顆粒遷移機(jī)制提供了直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
（3）圖像處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)結(jié)合
Doheim等對(duì)比遺傳算法與邏輯回歸模型在界面檢測(cè)中的性能，發(fā)現(xiàn)后者在鈦鐵礦和鉻鐵礦分選場(chǎng)景下的檢測(cè)準(zhǔn)確率分別達(dá)91%和85%，計(jì)算成本降低40%，為智能化分選控制奠定了基礎(chǔ)。
5、新型螺旋選礦機(jī)的工程應(yīng)用
（1）UX7超細(xì)螺旋的工業(yè)實(shí)踐
Multotec公司開(kāi)發(fā)的UX7螺旋選礦機(jī)通過(guò)優(yōu)化槽面曲線(xiàn)，可有效回收100μm以下顆粒。在南非某鉻礦尾礦處理中，Sn回收率從常規(guī)螺旋的35%提升至48%，噸礦能耗降低0.8kWh。
（2）BL1500螺旋溜槽的規(guī)模化應(yīng)用
云南昌寧錫礦采用BL1500復(fù)合曲線(xiàn)型螺旋溜槽，在“一粗一掃一精”流程中獲得Sn品位41.32%、回收率52.27%的合格精礦，單機(jī)處理量達(dá)15-40t/h，較傳統(tǒng)設(shè)備提升30%。
6、挑戰(zhàn)與發(fā)展方向
（1）細(xì)粒分選精度瓶頸
現(xiàn)有研究對(duì)-10μm顆粒的回收率仍低于40%，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)納米氣泡浮選或磁場(chǎng)輔助等協(xié)同技術(shù)。
（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成
目前圖像處理算法的響應(yīng)時(shí)間（約200ms）仍滯后于工業(yè)需求，需通過(guò)邊緣計(jì)算或FPGA硬件加速實(shí)現(xiàn)亞秒級(jí)控制。
低碳化設(shè)計(jì)
螺旋溜槽能耗雖低（0.1-0.3kWh/t），但材料磨損導(dǎo)致的周期性更換（平均壽命6-8個(gè)月）仍需通過(guò)陶瓷涂層或3D打印耐磨件進(jìn)一步改善。
結(jié)語(yǔ)
近些年來(lái)，隨著浮選、強(qiáng)磁選等選礦技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的增加，重力選礦的重要性有所下降。但是，以螺旋選礦為代表的重力選礦以其清潔、低耗的優(yōu)點(diǎn)，仍然是我國(guó)礦物分離提取的一種重要選礦方法，技術(shù)仍有很大的進(jìn)步空間。
參考文獻(xiàn)
劉惠中：螺旋選礦設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望，江西理工大學(xué)
高淑玲:基于CFD-DEM耦合的顆粒在螺旋溜槽中的運(yùn)動(dòng)行為模擬研究，東北大學(xué)
P Sudikondala：中等進(jìn)料固體含量下螺旋選礦機(jī)的CFD建模-顆粒偏析預(yù)測(cè)
劉惠中：基于改進(jìn)YOLOv5的螺旋選礦機(jī)礦物分帶圖像分割算法研究，江西理工大學(xué)
李華梁：螺旋溜槽流場(chǎng)特性與分離性能研究進(jìn)展，江西理工大學(xué)
張新元：基于EDEM-FLUENT耦合仿真的螺旋選礦機(jī)選煤模擬，國(guó)能神東煤炭洗選中心
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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