煤泥分選分級聯動系統設計及研究

李 亮，周 偉，劉亮亮，李建波，王淑杰

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

浮選在選礦方法中占據重要地位，應用范圍廣，效率高且能將低品質礦石分選為高品質精礦，從而擴大礦物資源范圍，浮選機則是實現浮選的必要設備[1-2].煤泥浮選尾礦處理相當復雜，從中分級過濾出細粒煤泥更是困難，傳統的干法處理流程是先將其烘干再用套篩逐級篩分，工序復雜，時間長，且無法實現一次性分級篩分出不同粒級的煤泥顆粒。因此，提出并設計一種煤泥分選分級聯動系統，包括聯選式浮選機及分級組件(振動疊篩)，立足于處理大批量的實驗樣品，分選分級出各級別的細顆粒煤泥，不需烘干，有助于降低勞動強度，節約生產成本。

1 聯動設備的結構及工作流程

煤泥分選分級聯動系統裝配圖見圖1，該系統包括聯選式浮選機及分級組件振動疊篩，主要實現煤樣大批量的浮選工作及尾礦的分選分級工作。聯選柱式攪拌浮選機包括加藥系統、補水系統、攪拌轉子機構、旋轉刮泡機構；煤泥分級組件(振動疊篩)主要結構為漏斗形箱體、橋接斜抽插式濾網、振動電機及減震彈簧部件；加藥系統主要由藥劑槽、精準量筒、導管以及精密控制閥構成；補水系統的主要部件為清水槽、電磁閥、導管；攪拌轉子機構由轉子和開孔的蓋板組成；旋轉刮泡機構包含小電機及其下方刮泡葉輪；分級組件(振動疊篩)中漏斗形箱體，便于入料與出料，具有傾斜角的抽插式濾網便于每級物料的收集，可以隨時更換，減少維修維護時間，提高工作效率；振動電機及減震彈簧部件結構，可使物料顆粒增加翻滾和松散次數，驅使卡在篩孔內的煤粒跳出，提高篩分效率。

1—電機 2—旋轉刮泡器 3—精礦刮泡槽 4—礦漿槽 5—入料閥門 6—入料導管 7—錐齒輪 8—精密量筒 9—藥劑槽 10—補水槽 11—加藥閥1 12—加水閥 13—加水導管 14—傳感器 15—擋板 16—蓋板 17—入料攪拌區 18—轉子軸 19—加藥閥2 20—出料閥 21—攪拌桶 22—攪拌葉輪 23—篩分入料口 24—0.5 mm過濾篩 25—0.25 mm過濾篩 26—0.125 mm過濾篩 27—0.075 mm過濾篩 28—0.075 mm過濾篩 29—0.045 mm過濾篩 30—0.045 mm過濾篩 31—一級物料收集口 32—二級物料收集口 33—三級物料收集口 34—四級物料傳輸口 35—四級物料收集口 36—五級物料傳輸口 37—振動電機 38—減震彈簧 39—底座 40—五級物料收集口 41—-0.045 mm物料收集口

浮選工作時，控制系統發出指令打開礦漿槽導管的入料閥門，關閉出料閥門，重力勢能將礦漿槽中的礦漿壓入浮選機攪拌中心，底部傳感器感受到液面的上升，立即輸出信號給控制系統，從而發出指令使得攪拌轉子機構工作，同時加藥系統接受到指令，根據歷史數據的收集與分析，計算出最佳藥劑配比，定量給入浮選藥劑，在攪拌過程中，加藥系統通過檢測礦漿藥劑含量，在計算藥劑缺量的基礎上，使用計量泵添加浮選藥劑，攪拌一段時間后，旋轉刮泡器運轉進行精礦的收集。隨著刮泡任務的進行，水分流失，頂部傳感器采集到液面的下降，發出指令，補水系統進行自動加水，使得浮選機完成持續的精礦收集任務，浮選完成后，立即打開出料閥門放出尾礦。

煤泥水尾礦從入料口排入，跌落在傾斜角為3°的一級0.5 mm的過濾篩，煤粒的重力和外加振動電機所產生的激振力使得大顆粒煤粒從0.5 mm級過濾口排出，而-0.5 mm級別的顆粒進入到傾斜角為3°的二級0.25 mm過濾倉中，0.5～0.25 mm的顆粒則會從0.25 mm二級過濾口排出，當-0.25 mm的煤粒進入傾斜角為3°的三級0.125 mm過濾倉時，考慮其粒級的細小程度，特設計兩端過濾篩，強烈的激振力實現±0.125 mm粒級煤粒的精細篩分，同樣的四級0.075 mm和五級0.045 mm粒級也使用了兩段篩，實現煤粒的精準篩分，一次性從煤泥中分級出+0.5 mm、0.25～0.5 mm、0.125～0.25 mm、0.075～0.125 mm、0.045～0.075 mm及-0.045 mm顆粒。

2 浮選設備組件的設計

1)浮選機主體的設計。

浮選機主體示意圖見圖2，機械攪拌式浮選機通過傳動系統，將動力源輸送給轉子，帶動轉子葉輪高速旋轉，其轉子葉輪將礦漿高速甩出定子傘型罩，在定子下方形成負壓，使得空氣壓入達到吸氣效果，吸入空氣量比較穩定，提供的氣泡sauter直徑不僅較大，而且分布均勻；槽體設計成圓筒形其工作效率高，且便于放置等三角的轉子，更有利于槽體液體的平穩，同時擴大了工作區域的面積，攪拌和捕捉區域得到增大，延長了浮選時間，提高浮選效率[3].

圖2 浮選機主體示意圖

2)加藥系統。

藥劑槽位于浮選機的中上方，密封性良好的圓柱形箱體可以防止藥劑的蒸發與泄露，旁側連接著精確量筒和精密控制閥，加藥導管直通浮選中心，便于藥劑與煤漿充分接觸，提高浮選效果。浮選藥劑的添加是在測量礦漿藥劑含量及計算浮選藥劑缺量基礎上，使用計量泵自動添加藥劑，其自動控制添加過程如下：通過預先浮選試驗，探究礦漿性質，在滿足浮選精煤產品質量的條件下，分析藥劑量與入浮礦漿濃度的關系，模擬出相關的數學模型；藥劑自動添加調節控制過程中，檢測礦漿濃度及入浮煤泥量，經數學模型以及函數關系變換，在滿足精煤產品質量的情況下，確定藥劑給定量。控制系統經過與實際測量的加藥反饋信號比較，運算處理并輸出指令信號，控制加藥電磁閥工作。礦漿藥劑含量由泡沫層厚度反映，傳感器根據煤漿、礦化泡沫層和空氣的導電率不同，得到3種介質的相界面，從而求出浮選煤漿液面和泡沫層厚度。

3)補水系統。

水槽位于浮選機的左上方，用于平衡右側電機的重心，使得整個浮選機結構更加緊湊，減少附加建筑面積的使用。持續的刮泡環節是通過補加清水實現，濃度調節過程如下：浮選泡沫體由大量大小不一、形狀各異、灰度值不同的礦化氣泡構成，其中包含大量與浮選過程變量及浮選結果相關的信息，泡沫圖像上有許多特征參數，通過分析與研究各特征參數的物理意義及其隨浮選時間(泡沫紋理)的變化關系，采用圖像監控，電磁流量計與濃度計檢測礦漿濃度信號，在此條件下，獲得浮選環節所要求的浮選濃度，經數學模型以及函數關系變換，模擬計算該情況下入浮煤泥水流量。傳感器濃度信號經采集、算法運算模擬處理分析后，通過算法運算獲得加水量，中心控制系統輸出指令信號傳遞給加水電磁閥，使得閥門動作。

4)攪拌轉子機構。

機械攪拌式浮選機在進行攪拌負壓吸氣過程中，其吸入空氣量深受“定子—轉子”結構差異的影響，高速葉輪產生的剪切力則決定著礦漿混合程度，影響著浮選效果，浮選設備組件的等三角轉子作用范圍全面覆蓋于攪拌區，使得對礦漿攪拌更加充分，提高浮選效率。轉子葉輪雙層傘形的結構能夠形成煤漿“w”型的路徑，吸收上下葉輪的空氣并進入葉輪腔，增加了空氣和礦漿混合程度，提高了浮選速度和選擇性，葉輪形狀的結構也能夠促進礦化氣泡的上浮，提高葉輪的處理能力。在蓋板上開有4個循環孔，作為礦漿循環使用，定子和轉子產生高強度的剪切力，促進了煤漿和藥劑反應，增大了煤粒與氣泡碰撞的幾率，使得微小氣泡在環形區域礦化。

5)旋轉刮泡機構。

旋轉刮泡器的刮泡液面與傳感器位于同一水平線上，便于信號的收集與傳送。連續不斷的刮泡不僅節省人力提高工作效率，而且具有良好的可靠性與高度靈活性，保證精煤泡沫及時刮出，提升精煤抽出率。

6)煤泥水收集攪拌桶。

浮選尾礦進入煤泥水收集攪拌桶進行攪拌，為之后的分級過濾篩分做好鋪墊，使得進入分級篩分疊篩時，物料不易結塊、堆積，防止給下一步帶來困難。

3 分級工序設備組件的設計

1)疊篩箱體的設計。

分級組件振動疊篩箱體為圓柱形(圖3)，考慮入料方便與充分篩分，將入料口放置于箱體的左上方與煤泥水收集攪拌桶相連接，而箱底為倒三角漏斗形，便于煤泥水的排出，每級的出料口置于篩網傾角最下端，方便于每級物料的收集以及防止物料的堆積。

圖3 組件疊篩示意圖

篩分組件和攪拌桶間采用柔性連接，避免振動篩的振動對浮選機的影響；同時篩分組件可以作為獨立系統進行工作。

2)篩網的設計。

分級疊篩開有篩分入料口，分級疊篩內部從上至下設置有至少一組過濾模塊，一組過濾模塊包括至少兩層過濾篩；每組過濾模塊均包括位于最下層的末端過濾篩和位于末端過濾篩上方的上層過濾篩；相鄰兩層過濾篩的篩面形成開口朝上的夾角，且該相鄰篩網的上層過濾篩的出料口承接下層過濾篩的進料口；上層過濾篩下表面連接細粒顆粒的橋接漏斗，橋接漏斗的出口貫穿當前過濾模塊的末端過濾篩，上層過濾篩的篩下直接輸送至最下層過濾篩的下方，進行輸出，從而增加了過濾效率。由于0.075 mm和0.045 mm級別的顆粒過于細小，采用兩段篩，分別設計物料傳輸中轉口，對極細煤粒顆粒進行兩次篩分處理，實現顆粒的精準篩分。篩網橋接裝配圖見圖4.

圖4 篩網橋接裝配圖

3)振動電機及減震彈簧的設計。

為了降低整個裝置的重心，提高裝置的穩定性和工作時的安全性，將振動電機置于對稱中心的左右下方兩側[4-6]，分級疊篩的振動軌跡為垂直面上直線型。兩臺相同型號的振動電機分別安裝在疊篩的左右下方，使兩個轉軸處于互相平行的位置，工作時電機轉向相反，振動疊篩產生直線形振動，使物料不斷地翻滾和松散，驅使卡在篩孔內的物料跳出，具有防止篩孔堵塞，篩分效率高，處理能力可調等優點。

實踐證明，增加振動強度可以提高疊篩的脫介、脫水和篩分效率，但增加振動強度帶來的加速度和慣性力的增大會顯著降低篩子的使用壽命。為了提高裝置的安全性，以及裝置和篩網的使用壽命，還要保證篩分疊篩運轉的穩定性，將減震彈簧放置在裝置的底座中[7]，降低裝置的重心。

4 結 語

對于煤泥分選回收，目前尚缺乏單一、有效的分選分級設備實現一次性分選出不同級別的物料，設計的煤泥分選分級組件及其系統有望于解決干法分選過于繁雜的工藝流程問題，實現快速一次性的分選分級出+0.5 mm、0.25～0.5 mm、0.125～0.25 mm、0.075～0.125 mm、0.045～0.075 mm及-0.045 mm顆粒。該系統能夠對浮選尾礦粒徑、灰度進行分析，以確定浮選效果，同時作為一個組件，還可以用于煤樣的篩分實驗。