新型礦用過(guò)濾機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王新昌，解華華，宋 虎

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

2洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

3礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

立 盤(pán)真空過(guò)濾機(jī)是金屬選礦廠(chǎng)精礦過(guò)濾應(yīng)用較多的脫水設(shè)備之一，易于實(shí)現(xiàn)大型化，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外選礦廠(chǎng)，尤其是鐵礦石選廠(chǎng)，大部分都采用了立盤(pán)真空過(guò)濾機(jī)[1]。由于鐵精礦含水率偏高，運(yùn)輸極其困難，導(dǎo)致生產(chǎn)和運(yùn)輸成本增加[2]。隨著礦物粒度越來(lái)越細(xì)，選礦產(chǎn)品的過(guò)濾變得日益困難，因此不斷適應(yīng)越來(lái)越細(xì)的物料過(guò)濾是國(guó)內(nèi)外選礦廠(chǎng)的一項(xiàng)重要任務(wù)。傳統(tǒng)礦用立盤(pán)真空過(guò)濾機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足細(xì)粒物料過(guò)濾的生產(chǎn)要求，且無(wú)法有效降低鐵精礦的含水率，亟需在傳統(tǒng)礦用立盤(pán)過(guò)濾機(jī)基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)出一種能夠處理細(xì)粒物料的新型礦用過(guò)濾機(jī)。

1 研發(fā)的必要性

1.1 市場(chǎng)需求

首鋼京唐公司選礦作業(yè)區(qū)主要處理高硫磁鐵礦，向球團(tuán)作業(yè)區(qū)供應(yīng)鐵精粉。球團(tuán)礦量需求達(dá)到 1 200萬(wàn) t，對(duì)造球所需的細(xì)鐵精粉需求量較大。目前細(xì)鐵精粉總體資源種類(lèi)較少，受市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)影響較大。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上燒結(jié)用礦粉資源供應(yīng)量多，價(jià)格也相對(duì)低廉，將燒結(jié)用礦粉用于球團(tuán)造球，不僅能彌補(bǔ)現(xiàn)有

造球用細(xì)鐵精粉的缺口，而且能降低生產(chǎn)成本。然而燒結(jié)粉粒度較粗、品位低、成球性差，需要細(xì)磨后配加以?xún)?yōu)化成球性能，才能滿(mǎn)足造球要求。對(duì)此，首鋼京唐公司進(jìn)行了 4 種燒結(jié)用礦粉的細(xì)磨造球試驗(yàn)，細(xì)磨的巴西燒結(jié)礦在 30% 配比以下，球團(tuán)焙燒和焙燒球抗壓強(qiáng)度能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。根據(jù)京唐公司球團(tuán)作業(yè)區(qū)需求及選礦作業(yè)區(qū)現(xiàn)狀，初步確定改造后選礦作業(yè)區(qū)生產(chǎn)含水率不高于 10% 的巴西燒結(jié)礦細(xì)粉100 萬(wàn) t/a。鑒于對(duì)含水率和處理細(xì)粒物料的要求，首鋼礦業(yè)公司鐵精礦過(guò)濾車(chē)間最終選用兩套針對(duì)性研發(fā)的 GPYK160-8 新型礦用過(guò)濾機(jī)系統(tǒng)。設(shè)備設(shè)計(jì)要求：給礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于 55%；給礦粒度小于 45 μm占比不低于 80%，小于 13 μm 占比不高于 20%；濾餅產(chǎn)能不低于 0.35 t/(m2·h) (干基)，濾餅含水率低于10%。

1.2 物料粒度和脫水特性研究

為保證所研發(fā)設(shè)備的有效性，首先對(duì)用戶(hù)提供的物料進(jìn)行粒度分析，結(jié)果如表 1 所列。

表1 鐵精礦物料激光粒度分析結(jié)果Tab.1 Laser particle size analysis results of iron concentrate

由表 1 可知，鐵精礦產(chǎn)品粒度組成中，顆粒小于45 μm 占比 87.2%，小于 13 μm 占比 3.94%。物料粒度較細(xì)，這是制約過(guò)濾機(jī)產(chǎn)能的關(guān)鍵，因此所開(kāi)發(fā)的過(guò)濾機(jī)必須適應(yīng)這種細(xì)粒物料。

選取新型專(zhuān)用濾布，在不同條件下進(jìn)行脫水試驗(yàn)，結(jié)果如表 2 所列。從試驗(yàn)結(jié)果可知，該物料具有一定的過(guò)濾性能，容易脫餅，并且濾餅較厚、含水率較低，產(chǎn)能較穩(wěn)定。采用帶有框架層的刮刀卸料和高壓風(fēng)反吹的綜合卸料方式，濾餅含水率為 8.63%～ 9.73%，同時(shí)濾餅的單位平均產(chǎn)能為 0.35～ 0.47 t/(m2·h)。

表2 脫水試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of dewatering test

2 新型礦用過(guò)濾機(jī)的開(kāi)發(fā)

2.1 工作原理

新型礦用過(guò)濾機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，借助真空泵的抽氣作用形成負(fù)壓，在吸液區(qū)鐵礦料漿被吸向?yàn)V布，固體顆粒在濾布上形成濾餅，濾液經(jīng)過(guò)中心軸流道，由氣水分離器排出。當(dāng)扇形板離開(kāi)料漿液面進(jìn)入吸干區(qū)時(shí)，繼續(xù)與真空相連使濾餅含水率持續(xù)降低[3]。當(dāng)扇形板進(jìn)入卸料區(qū)時(shí)，通過(guò)刮刀把一部分濾餅刮落，帶料很薄時(shí)通過(guò)濾布再生形成新的濾餅。真空泵對(duì)濾餅的形成和濾液的排放有重要影響，抽氣量的大小、真空度的高低直接影響過(guò)濾機(jī)性能。受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，濾液系統(tǒng)無(wú)法采用自排方式，而采用濾液泵強(qiáng)制排放。將氣水分離器與濾液泵相連，在氣水分離器上安裝液位計(jì)，通過(guò)濾液泵的抽吸作用達(dá)到強(qiáng)制排液目的。通過(guò)對(duì)真空泵、濾液泵的合理搭配，確定了最佳的配氣比，為過(guò)濾機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2.2 新型礦用過(guò)濾機(jī)的研發(fā)

新型礦用過(guò)濾機(jī)是在傳統(tǒng)礦用立盤(pán)過(guò)濾機(jī)[4-5]的基礎(chǔ)上，結(jié)合多項(xiàng)獨(dú)創(chuàng)的過(guò)濾技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)精礦脫水開(kāi)發(fā)的，可以處理細(xì)顆粒物料。其主要由傳動(dòng)裝置、扇形板裝置、中心軸、槽體、分配頭、吹風(fēng)裝置和卸料裝置等部分組成，如圖 1 所示。

圖1 新型礦用過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of new-type mine-used filter

2.2.1 礦漿進(jìn)料方式

礦漿顆粒的粗細(xì)是影響過(guò)濾效果的重要因素之一[6]。顆粒越細(xì)，越難過(guò)濾，濾餅越薄，不僅增加濾餅含水率，導(dǎo)致脫餅困難，過(guò)濾機(jī)產(chǎn)能下降，而且隨著礦漿黏度的增大，還會(huì)堵塞濾布，很難過(guò)濾。

礦漿由多種粒度的物料構(gòu)成，成分復(fù)雜，根據(jù)鐵精礦的分層過(guò)濾試驗(yàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的過(guò)濾方式，在同樣的過(guò)濾條件下，分層過(guò)濾能夠提高設(shè)備產(chǎn)能，降低濾餅含水率，因而新型礦用過(guò)濾機(jī)采用分層過(guò)濾方式過(guò)濾。分層過(guò)濾主要通過(guò)料漿的粗細(xì)顆粒分區(qū)進(jìn)料來(lái)實(shí)現(xiàn)。粗細(xì)顆粒分區(qū)進(jìn)料主要采用 3 處進(jìn)料相結(jié)合的方式，如圖 2 所示。

圖2 粗細(xì)顆粒分區(qū)進(jìn)料示意Fig.2 Sketch of partition feeding of coarse and fine particles

在料漿進(jìn)入過(guò)濾機(jī)前，為使物料的粗細(xì)顆粒分級(jí)，粗顆粒從過(guò)濾機(jī)的側(cè)部即卸料側(cè)給入，扇形板表面首先由粗顆粒構(gòu)成濾餅的框架層，待扇形板轉(zhuǎn)至另一側(cè)，細(xì)粒級(jí)的物料附著在框架層上，使濾布不易被堵塞，濾餅吸附得更厚。采用粗細(xì)顆粒分區(qū)進(jìn)料，能夠降低物料的快速沉淀對(duì)過(guò)濾產(chǎn)生的不良影響，提高設(shè)備產(chǎn)能且降低濾餅含水率。

槽體采用下部單槽上部貫通的結(jié)構(gòu)，可使槽體內(nèi)的料漿液位保持一致，有效地改善過(guò)濾性能。將進(jìn)料分為 3 部分：一是從底部進(jìn)料，主要進(jìn)粗細(xì)混合料；二是從卸料側(cè)的上部進(jìn)粗顆粒物料；三是從踏板側(cè)上部進(jìn)細(xì)顆粒物料。底部進(jìn)料的目的是為了將槽體內(nèi)沉淀的鐵粉沖起，增強(qiáng)過(guò)濾機(jī)的攪拌性能，所以底部進(jìn)料需要具有很高的進(jìn)料壓力；側(cè)部進(jìn)料的目的是為了增加槽體上部料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由于側(cè)部進(jìn)料的方向和濾餅的形成方向一致，因此有利于形成濾餅。由于進(jìn)料量少或者料漿不穩(wěn)定時(shí)，槽體內(nèi)液位明顯降低，導(dǎo)致扇形板不能被完全浸沒(méi)，降低了真空度。采用側(cè)部進(jìn)料可以使扇形板表面吸附的料漿均勻，維持較高的真空度，有效降低濾餅的含水率。

2.2.2 新型卸料方式

傳統(tǒng)立盤(pán)真空過(guò)濾機(jī)主要通過(guò)吹風(fēng)卸料，當(dāng)扇形板上的濾餅形成一定厚度需要脫餅時(shí)，使真空區(qū)外接壓縮空氣卸料，空氣的進(jìn)入使負(fù)壓變?yōu)槌海瑥亩鴮?duì)物料進(jìn)行振動(dòng)松脫，形成卸料。鐵精礦顆粒細(xì)，物料黏性大，需要大量高壓風(fēng)，能耗較高，采用吹風(fēng)卸料效率低，產(chǎn)能降低，需要更為有效的卸料方式。

分層過(guò)濾的濾餅框架層是粗顆粒，框架層表層是細(xì)顆粒，因此脫餅時(shí)首先通過(guò)刮刀把表面的細(xì)顆粒濾餅刮落，框架層濾餅作為毛細(xì)孔介質(zhì)進(jìn)入漿液繼續(xù)吸附礦漿，進(jìn)行循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至框架層毛細(xì)孔被堵塞，帶料很薄時(shí)，通過(guò)濾餅再生，形成新的框架層濾餅。采用刮刀卸料，濾布在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)堵塞情況，一組濾盤(pán)上的扇形板連續(xù)重生會(huì)導(dǎo)致液位大幅下降，影響過(guò)濾機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此設(shè)計(jì)了刮刀卸料和高壓風(fēng)間隔反吹綜合卸料相結(jié)合的方式。高壓風(fēng)間隔反吹系統(tǒng)采用電磁閥加接近開(kāi)關(guān)控制，主軸設(shè)置有觸點(diǎn)，每次接近開(kāi)關(guān)接觸到觸點(diǎn)即輸出一個(gè)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)第一個(gè)信號(hào)控制電磁閥第一次打開(kāi)，然后中間間隔 N 個(gè)信號(hào)控制電磁閥第二次打開(kāi)，依次執(zhí)行，直至每塊扇形板上的濾餅均被吹落。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定間隔參數(shù)，調(diào)整吹風(fēng)切換，實(shí)現(xiàn)濾布重生。傳統(tǒng)礦用立盤(pán)過(guò)濾機(jī)真空泵的配氣比都在 1.5 左右，新型過(guò)濾機(jī)通過(guò)采用刮刀卸料和高壓風(fēng)間隔反吹綜合卸料的方式，真空泵配氣比可以降到 0.5 左右，有效地降低了真空泵的能耗，而且還能保持高真空，降低了濾餅含水率。

2.2.3 新型扇形板固定結(jié)構(gòu)

扇形板固定在中心軸上，工作時(shí)隨中心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。由于受到彎矩、轉(zhuǎn)矩及剪切力等的綜合作用，為了保證整個(gè)盤(pán)面的平面度，提高運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，底部固定必須精確牢靠。

為了實(shí)現(xiàn)刮刀卸料和高壓風(fēng)間隔反吹綜合卸料，要求盤(pán)面偏擺量特別小，因此設(shè)計(jì)了一種新型扇形板固定結(jié)構(gòu)。扇形板柄根部為錐形，扇形板和中心軸依靠活接螺母緊固，待緊固到位后，扇形板和中心軸通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)中，如圖 3 所示。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便拆裝，能保證濾盤(pán)的平面度和直線(xiàn)度。

圖3 新型扇形板固定結(jié)構(gòu)Fig.3 Fixed structure of new-type sector board

3 運(yùn)行效果分析

GPYK160-8 新型礦用盤(pán)式過(guò)濾機(jī)于 2019 年 8 月投入運(yùn)行，對(duì)巴西細(xì)鐵精粉進(jìn)行脫水，目前運(yùn)行穩(wěn)定，效果較好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到用戶(hù)要求。在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣，2 臺(tái)采用單復(fù)絲濾布的新型過(guò)濾機(jī) A 和B 的濾餅含水率對(duì)比如圖 4 所示，生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表 3 所列。

圖4 2 臺(tái)礦用過(guò)濾機(jī)的濾餅含水率對(duì)比Fig.4 Comparison of filtration cakes from two mine-used filters in water content

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.3 Production data on site

需要說(shuō)明的是，筆者開(kāi)發(fā)的過(guò)濾機(jī)與傳統(tǒng)礦用盤(pán)式過(guò)濾機(jī)的主要區(qū)別在于能夠處理細(xì)顆粒物料，傳統(tǒng)礦用盤(pán)式過(guò)濾機(jī)不能處理細(xì)顆粒物料，只能處理粗顆粒物料。由于處理物料的不同，因此兩者不具有可比性。

由圖 4 和表 3 可以看出，該新型礦用過(guò)濾機(jī)性能良好：濾餅含水率在 10% 以下，產(chǎn)能在 0.35 t/(m2·h)以上，真空度達(dá)到了 0.089 MPa。可見(jiàn)該新型礦用過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)可靠，可以用于細(xì)顆粒物料脫水。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)細(xì)顆粒物料而設(shè)計(jì)的新型礦用過(guò)濾機(jī)，采用分層過(guò)濾原理、粗細(xì)顆粒分區(qū)進(jìn)料的進(jìn)料方式和刮刀卸料高壓風(fēng)反吹的綜合卸料方式，配以新型扇形板固定結(jié)構(gòu)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該新型礦用過(guò)濾機(jī)適用于細(xì)顆粒物料脫水，在細(xì)鐵精礦脫水中運(yùn)行效果良好，具有濾餅含水率低和產(chǎn)能高等特點(diǎn)，在鐵精礦的脫水行業(yè)市場(chǎng)潛力巨大。