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1、螺旋選礦設備概述
螺旋選礦設備（Spiral concentrator）是螺旋選礦機、螺旋溜槽、螺旋分選機的統稱。國外開發的以橢圓為截面的螺旋選礦設備稱為螺旋選礦機，我國開發的以立方拋物線為截面的螺旋選礦設備稱為螺旋溜槽，在洗煤領域則將螺旋選礦設備稱為螺旋分選機。
螺旋選礦設備是一種應用廣泛的流膜重力選礦設備，也是一種斜面流選礦設備，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鍵設備，在工業中獲得大量應用。
目前在國內金屬礦山生產中應用的螺旋溜槽絕大多數都是我國自主開發并制造的，每年還有大量螺旋溜槽出口到國外，我國的螺旋溜槽開發及應用技術水平目前處于國際前列。據粗略估算，目前在我國工業生產中應用的大小螺旋選礦設備數量可達十多萬臺套。
螺旋選礦機
2、螺旋選礦機結構與作用原理
螺旋選礦機主要由分礦器、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，可以把輸送上來的礦漿均勻分布到每個螺旋槽上端。螺旋槽通過螺栓固定在支架上，每片螺旋槽間也通過螺栓連接。截礦器安裝在螺旋槽的最底端用于分開精礦、中礦和尾礦。接礦斗安裝在截礦器下端，用于接收截礦器區分出來的各個級別的礦漿，并于其它容器或者接收設備相接。
螺旋選礦設備結構示意
3、螺旋選礦機研究進展
近幾年來，國內外對螺旋選礦機的研究主要集中在運行參數的優化、分選流態的數值模擬、礦物顆粒的運動軌跡追蹤檢測等方面。
（1）運行參數優化與結構改進
響應面法（RSM）的多參數協同優化
Tripathy等通過Box-Behnken設計與RSM結合，建立超細鉻鐵礦分選的二次響應模型，發現當給礦速率為1.2m3/h、礦漿濃度14.81%、截取器位置12cm時，可獲得51.05%的Cr2O3品位。該方法通過量化參數間交互作用，為工業參數調試提供了數學依據。
張新元等研究指出，礦物在螺旋選礦機中的受力一般包含：慣性力、阻力、重力、浮力、壓力梯度力、虛擬質量力、流體的推力、礦物間的作用力。并對不同形狀大顆粒在螺旋選礦機中的運動分析，發現球形顆粒的分選效果最好。
超極限h/D螺旋溜槽的開發
劉惠中等通過將螺旋槽徑高比（h/D）從常規0.45-0.7降至0.3，顯著提升了細粒礦物（-0.045mm）的回收率。在硫酸渣選鐵試驗中，采用“一粗二精一掃”流程，精礦產率達59.63%，Fe品位61.50%，較傳統螺旋溜槽提高15%以上。
復合力場集成設計
陳庭中等研發的離心螺旋溜槽通過調控旋轉流場強度，使顆粒離心力可動態調整。在云南大紅山赤鐵礦分選試驗中，結合磁選工藝獲得Fe品位58.71%的精礦，較單一重力分選效率提升22%。
（2）分選流態的數值模擬與驗證
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能增加20%-30%，加速粒群分帶。模擬結果顯示，顆粒運動速度極值與密度呈負相關，與實驗值吻合度達92%。
多相流模型在工業級濃度下的驗證
Dixit等利用代數滑移混合模型（ASM）模擬中等固體含量（15-20wt%）下的顆粒分離，發現粗顆粒（＞0.1mm）主要分布于槽內緣，而細粒（＜0.045mm）集中于外緣，與工業實測數據偏差小于8%。
二次環流與流場穩定性分析
Matthews等通過VOF方法與RNGk-ε湍流模型結合，發現螺旋溜槽自由表面在給礦量6m3/h時充分發展，水深模擬值與試驗值最大偏差僅1.2mm。二次環流強度隨徑向距離增加而增強，在尾礦區雷諾數可達1.2×104，驗證了紊流對細粒松散的促進作用。
4、顆粒運動軌跡追蹤與檢測技術
（1）深度學習驅動的礦物分帶識別
劉惠中等提出改進YOLOv5-CASM算法，通過Mosaic-9數據增強、卷積注意力模塊（CASM）及CIOU損失函數優化，將礦物分帶識別精度從原始模型的0.6提升至0.9，實現了分選界面的實時監測與截取器自動調節。
（2）正電子發射型顆粒追蹤技術（PEPT）的應用
李華梁等利用PEPT技術追蹤單個顆粒在螺旋溜槽內的三維運動軌跡，發現顆粒在第四圈末分離效率達峰值38.72%，驗證了螺旋圈數對分選的關鍵影響。該技術為揭示顆粒遷移機制提供了直接實驗證據。
（3）圖像處理與統計學習結合
Doheim等對比遺傳算法與邏輯回歸模型在界面檢測中的性能，發現后者在鈦鐵礦和鉻鐵礦分選場景下的檢測準確率分別達91%和85%，計算成本降低40%，為智能化分選控制奠定了基礎。
5、新型螺旋選礦機的工程應用
（1）UX7超細螺旋的工業實踐
Multotec公司開發的UX7螺旋選礦機通過優化槽面曲線，可有效回收100μm以下顆粒。在南非某鉻礦尾礦處理中，Sn回收率從常規螺旋的35%提升至48%，噸礦能耗降低0.8kWh。
（2）BL1500螺旋溜槽的規模化應用
云南昌寧錫礦采用BL1500復合曲線型螺旋溜槽，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，單機處理量達15-40t/h，較傳統設備提升30%。
6、挑戰與發展方向
（1）細粒分選精度瓶頸
現有研究對-10μm顆粒的回收率仍低于40%，需進一步開發納米氣泡浮選或磁場輔助等協同技術。
（2）實時監測系統的集成
目前圖像處理算法的響應時間（約200ms）仍滯后于工業需求，需通過邊緣計算或FPGA硬件加速實現亞秒級控制。
低碳化設計
螺旋溜槽能耗雖低（0.1-0.3kWh/t），但材料磨損導致的周期性更換（平均壽命6-8個月）仍需通過陶瓷涂層或3D打印耐磨件進一步改善。
結語
近些年來，隨著浮選、強磁選等選礦技術的發展和應用的增加，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、低耗的優點，仍然是我國礦物分離提取的一種重要選礦方法，技術仍有很大的進步空間。
參考文獻
劉惠中：螺旋選礦設備的應用現狀及展望，江西理工大學
高淑玲:基于CFD-DEM耦合的顆粒在螺旋溜槽中的運動行為模擬研究，東北大學
P Sudikondala：中等進料固體含量下螺旋選礦機的CFD建模-顆粒偏析預測
劉惠中：基于改進YOLOv5的螺旋選礦機礦物分帶圖像分割算法研究，江西理工大學
李華梁：螺旋溜槽流場特性與分離性能研究進展，江西理工大學
張新元：基于EDEM-FLUENT耦合仿真的螺旋選礦機選煤模擬，國能神東煤炭洗選中心
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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