董春偉 單紹雷 楊永恒 苑春暉 王樹(shù)江
(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)
伊利石礦土打漿生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)*
董春偉**單紹雷 楊永恒 苑春暉 王樹(shù)江
(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)
對(duì)伊利石礦土水力打漿生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì),確定了年處理礦土量5萬(wàn)噸設(shè)備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。轉(zhuǎn)筒筒體直徑3m,長(zhǎng)10m,螺旋推進(jìn)板高0.5m,相鄰板間距0.5m,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速0.3m/s。同時(shí),對(duì)設(shè)備主要部件進(jìn)行特別說(shuō)明,提出了設(shè)備制造、安裝和操作時(shí)需注意的問(wèn)題。設(shè)備投運(yùn)后,礦土處理速度為25~30t/h,水消耗量60t/h,每小時(shí)電消耗量42.2kW·h,漿體固含量17~19g/L,30min漿液沉降物14.7g/L,漿液中伊利石粒度不大于0.125mm。整套設(shè)備協(xié)調(diào)性好,運(yùn)行穩(wěn)定,連續(xù)性強(qiáng)。
打漿過(guò)濾設(shè)備 伊利石礦土 設(shè)備設(shè)計(jì)
伊利石是一種片層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽[1],廣泛應(yīng)用于陶瓷、建筑、造紙及化工等行業(yè)[2~7]。我國(guó)伊利石儲(chǔ)藏量較大,分布范圍也比較廣泛,但優(yōu)質(zhì)礦資源已開(kāi)采殆盡。伊利石多以礦石形式存在,采出后要經(jīng)破碎、球磨及剝片等工序,變成細(xì)小顆粒物后再應(yīng)用。吉林省延邊地區(qū)經(jīng)過(guò)多年勘測(cè),發(fā)現(xiàn)一種不同以往的粘土狀伊利石礦土,儲(chǔ)量達(dá)1.4億余噸,經(jīng)測(cè)試,粒度小于0.150mm的伊利石占45%左右。利用伊利石的首要步驟是將它從礦土中提取出來(lái),由于此地礦土呈粘土狀,現(xiàn)有的礦石提取工藝不能滿足提取需要。前期研究解決了小批量的生產(chǎn)要求[8],但由于產(chǎn)能擴(kuò)大,這種機(jī)器的處理量遠(yuǎn)不能滿足目前處理量需要,同時(shí)還需兼顧單次裝料量增加、過(guò)濾出的顆粒物分級(jí)應(yīng)用及生產(chǎn)的連續(xù)性等,因此,筆者參考原有設(shè)備,設(shè)計(jì)出了新的打漿過(guò)濾設(shè)備。
設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下:
a. 礦土特點(diǎn)。粘性土礦,形狀不規(guī)則,土塊大小不均,多數(shù)為大塊,易于粘附,密度在2 000~2 400kg/m3。
b. 年處理量和生產(chǎn)時(shí)間。年處理量5萬(wàn)噸;由于季節(jié)性原因,每年生產(chǎn)180天,每天生產(chǎn)12h。
c. 粒度要求。礦土中含有粒度大小不等的諸如石塊、植物根莖及石英等混合物,在打漿過(guò)濾過(guò)程中,需要同步實(shí)現(xiàn)不同粒度顆粒之間的分離。漿液中顆粒粒度小于0.150mm(特殊要求小于0.007 5mm)和0.150~2.000mm左右的顆粒單獨(dú)分離,2~10mm左右的顆粒物單獨(dú)分離,直徑10mm以上的(包含大石塊等)在同一級(jí)中分離。
d. 漿體固含量。漿體中固含量越大,對(duì)后期操作越有利,但漿體固含量過(guò)大會(huì)造成其流動(dòng)性變差,因此操作中漿體固含量不小于15g/L。
2.1設(shè)備主體結(jié)構(gòu)
伊利石礦土粘性較大,剛采出的礦土水含量在17%~18%左右,由于有石塊等雜質(zhì),比一般粘土塊硬,不易破碎,用機(jī)械粉碎手段無(wú)法粉碎。將礦土自然干燥后粉碎,一方面時(shí)間極長(zhǎng),塊大的要兩個(gè)月左右;另一方面,干燥粉碎會(huì)使粉碎后的粉料中含有較多雜質(zhì)。因此,在研究的初期就決定采取水力粉碎,并制造了小批量的生產(chǎn)裝置[8]?,F(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)出圖1所示的打漿設(shè)備(主視圖)。
圖1 伊利石礦土旋轉(zhuǎn)打漿機(jī)主視圖
設(shè)備底架主要作為支撐轉(zhuǎn)筒支架的底面,并固定帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī);用除鐵后漿體接收斗收集伊利石漿體,并由此流入漿體接收槽;漿體除鐵機(jī)利用高磁磁鐵對(duì)鐵氧化物、鐵鹽具有一定磁吸能力,從而使鐵化合物從漿液中分離出去;轉(zhuǎn)筒支架主要支撐轉(zhuǎn)筒;石頭接收斗的作用是接收從轉(zhuǎn)筒出口中流出的石塊,并由此流入收集車中,伊利石礦土中含有尺寸不一的石塊,水沖散礦土后,細(xì)小顆粒隨漿體從筒體漏漿孔流出,其他大一點(diǎn)的石塊隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)并被螺旋擋板推到轉(zhuǎn)筒出口;小顆粒石塊接收斗有兩個(gè),每個(gè)都與它對(duì)應(yīng)的振動(dòng)篩網(wǎng)相接,收集篩網(wǎng)上部篩出的細(xì)石;過(guò)濾后漿體收集斗用來(lái)收集過(guò)濾后的漿體,并由此流到漿體除鐵機(jī)上;漿體收集斗用來(lái)收集從轉(zhuǎn)筒外壁漏漿孔流出的漿體,并由此自流到振動(dòng)篩上;轉(zhuǎn)筒出口防漿濺出水晶板支架用來(lái)固定出口擋漿水晶板;出口擋漿水晶板和轉(zhuǎn)筒進(jìn)口擋漿板用來(lái)防止轉(zhuǎn)筒內(nèi)飛濺的水滴或漿體落到轉(zhuǎn)筒外,影響生產(chǎn)操作和環(huán)境;噴水管提供打漿沖散水;轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)軌道是專門(mén)制作的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,保證轉(zhuǎn)筒穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,并降低轉(zhuǎn)動(dòng)能耗;噴水頭是水噴出口,噴出后的快速水流直接沖向礦土,逐漸將礦土沖散,同時(shí)小顆粒的伊利石生成漿體;螺旋擋板主要起螺旋推進(jìn)作用,即隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)將投到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的礦土逐漸推到轉(zhuǎn)筒出口端;轉(zhuǎn)筒,提供封閉的打漿環(huán)境;傳送帶將轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)能傳送給轉(zhuǎn)筒,使轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng);鏟車將礦土裝入礦土進(jìn)口滑落斗,礦土從此滑入轉(zhuǎn)筒中;礦土滑落劑(水)滴漏管,從此管流出的水為礦土由滑落斗滑入轉(zhuǎn)筒提供潤(rùn)滑劑,礦土粘性較大,裝到礦土進(jìn)口滑落斗會(huì)被粘住,不能進(jìn)到轉(zhuǎn)筒中,加水潤(rùn)滑會(huì)使礦土很順暢落入轉(zhuǎn)筒中;轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力,轉(zhuǎn)筒啟動(dòng)初期,由于啟動(dòng)阻力較大,有備用的輔助啟動(dòng)電機(jī)。
2.2相關(guān)尺寸確定
轉(zhuǎn)筒直徑、長(zhǎng)度、筒內(nèi)螺旋推進(jìn)板間距及整體高度等參數(shù)對(duì)打漿效果、處理能力等有直接影響,因此這些數(shù)據(jù)是設(shè)備的主要數(shù)據(jù)。
2.2.1轉(zhuǎn)筒直徑
從生產(chǎn)操作角度考慮,打漿裝料時(shí)要使用鏟車加料,即使用鏟車將礦土加到進(jìn)料斗中,礦土再自動(dòng)滑落到打漿桶內(nèi)部。鏟車鏟斗寬度1.5m,為使裝料有操作空間,轉(zhuǎn)筒加料斗入口寬度至少要達(dá)到2.0m??紤]到加料斗出口的位置,出口寬度可收縮一些,但不能收縮過(guò)多,防止礦土塊在它內(nèi)部卡住,落不下去。轉(zhuǎn)筒加料斗出口寬度定為1.5m。同時(shí),轉(zhuǎn)筒內(nèi)螺旋推進(jìn)擋板應(yīng)能確保單次加入的1t左右礦土在其內(nèi)部被及時(shí)推進(jìn),推進(jìn)擋板徑向高度定為0.5m。再考慮轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng),加料斗不動(dòng),二者之間要留有空隙,所以轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑定為3.0m。
2.2.2轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度
礦土塊尺寸因素:礦土為粘性土塊,幾何尺寸不定,按最大塊直徑500mm的球體(個(gè)別大塊可預(yù)先處理)計(jì)算,這個(gè)尺寸決定了螺旋推進(jìn)板的間距至少要500mm。否則,礦土塊進(jìn)入不到兩塊螺旋推進(jìn)板之間。前期工作對(duì)大塊礦土進(jìn)行了水力打散制漿實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。
圖2 礦土打漿沖散實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)中礦土是否被水打散從兩方面判定,一是通過(guò)打漿筒的透明蓋板觀察,桶內(nèi)不存在伊利石塊;二是觀察接樣燒杯,當(dāng)燒杯中水的渾濁程度基本不變時(shí),測(cè)定水的濁度,前后相鄰兩次測(cè)得的濁度值相近,說(shuō)明打漿沖散結(jié)束。表1為不同尺寸礦土水力打散制漿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表1 不同尺寸礦土水力打散制漿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
注:礦土形狀不規(guī)則,多數(shù)可近似為球狀,則礦土尺寸可認(rèn)為是球體直徑。
表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,一定尺寸的礦土水流速度越大,打散的時(shí)間越短;礦土尺寸越大,在一定水流速度下,打散時(shí)間越長(zhǎng);對(duì)于直徑500mm的礦土塊,在水流速度2m/s時(shí)10min被打散。因此,礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間至少要10min,此結(jié)果為轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速會(huì)影響礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速越大,礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間越短。當(dāng)轉(zhuǎn)筒直徑一定、設(shè)備生產(chǎn)負(fù)荷一定時(shí),轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速越大,電機(jī)功率越大,尤其啟動(dòng)初期,生產(chǎn)動(dòng)能消耗更大。而且,轉(zhuǎn)速加大,為使礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)停留同樣長(zhǎng)的時(shí)間,轉(zhuǎn)筒的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。參考商品砼攪拌機(jī)器,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速定為0.3m/s,同時(shí),配上適當(dāng)功率的變頻器,使轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速在一定程度上可適當(dāng)調(diào)整。綜合起來(lái),礦土最大直徑500mm,確定轉(zhuǎn)筒內(nèi)相鄰兩塊螺旋推進(jìn)板間距為500mm。因此,轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,所用時(shí)間t為:
t=轉(zhuǎn)筒周長(zhǎng)/轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速=2 × 3.14 × 1.5/0.3
=31.4s
因此,轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L為:
L=礦土打散耗時(shí)/轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用時(shí)間×
轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周礦土推進(jìn)距離
=610/31.4×0.5
=9.71m≈10m
近似的,礦土在轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被螺旋推進(jìn),推進(jìn)距離等于螺旋推進(jìn)板的板間距之和。
2.2.3關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
圖1中諸如礦土進(jìn)口滑落斗等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、尺寸需要進(jìn)一步說(shuō)明。圖3為轉(zhuǎn)筒筒體與螺旋推進(jìn)板連接圖。擋板與筒體直角連接部分要焊接徑向90°的、直徑100mm的管槽。此槽一方面能加強(qiáng)與轉(zhuǎn)筒之間的強(qiáng)度,另一方面可減少礦土塊與筒體和螺旋推進(jìn)板之間的阻力,即保證礦土在徑向方向上無(wú)移動(dòng)而僅有軸向移動(dòng),使從噴水口噴出的水直接沖向礦土。兩塊相鄰螺旋推進(jìn)板之間軸向并排開(kāi)3個(gè)漏漿孔,轉(zhuǎn)筒徑向方向每隔150mm(弧長(zhǎng))開(kāi)一孔,一周均勻開(kāi)設(shè)63個(gè)孔??鄢M(jìn)料端0.5m用于布置傳送帶,出料端空0.5m以防水流失,轉(zhuǎn)筒軸線方向開(kāi)孔個(gè)數(shù)為:9/0.5×3=54個(gè)。所以漏漿孔總數(shù)為63×54=3402個(gè)。假定水從漏漿孔流出的速度為x,并且,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)筒內(nèi)有礦土,底部漏漿孔被礦土(包括泥漿)擋住,上部沒(méi)有漿體,每側(cè)僅有一排漏漿孔漏漿。則漏漿總面積S=54×2×單孔面積,粗略認(rèn)為連續(xù)操作過(guò)程中,單位時(shí)間流入轉(zhuǎn)筒的水體積(60m3/h)為單位時(shí)間從漏漿孔流出的漿體體積。經(jīng)測(cè)試,直徑10~30mm的孔,固含量為20g/L的漿體自由流出速度U漿體=492mm/s,則存在:54×2×單孔面積×U漿體=60m3/h,由此可知,單孔直徑r2=(6×1010mm3/3.6×103s) /(54×2 ×3.14×U漿體),即r≈10mm。
圖3 轉(zhuǎn)筒筒體與螺旋推進(jìn)板連接圖
圖4為轉(zhuǎn)筒支架結(jié)構(gòu),支架主體為圓形,內(nèi)部有凹槽,槽內(nèi)有柱形滾珠,尺寸為DN20mm×40mm。
圖4 轉(zhuǎn)筒支架結(jié)構(gòu)
圖5為滑料斗結(jié)構(gòu),滑料斗上端的出水管上設(shè)有出水孔,其中流出水速度較慢,保持礦土滑落板潤(rùn)濕并滿足物料可自動(dòng)滑落即可。圖6為轉(zhuǎn)筒內(nèi)噴水管相對(duì)位置圖。每?jī)蓧K螺旋板間設(shè)置兩個(gè)水噴出管,共有36個(gè)。進(jìn)料端為第1個(gè),出料端為第36個(gè)。第1個(gè)噴水管與地面垂線夾角為27°,第36個(gè)垂直地面。從第2個(gè)噴水口開(kāi)始,噴水管軸線與地面垂線夾角依次遞減27/(36-1)= 0.77°焊接。以保證噴出水垂直噴向轉(zhuǎn)筒內(nèi)的礦土塊,加強(qiáng)噴出水的沖刷作用。
圖5 滑料斗結(jié)構(gòu)
圖6 噴水管相對(duì)位置圖
啟動(dòng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī),使轉(zhuǎn)筒運(yùn)轉(zhuǎn)。開(kāi)啟輸水泵向轉(zhuǎn)筒內(nèi)噴水。開(kāi)啟料斗加水閥門(mén),使水從礦土滑落劑滴漏管中滴出,并全部潤(rùn)濕加料斗。
用鏟車將礦土從加料斗加入,礦土在自身重力和水的潤(rùn)滑作用下滑入轉(zhuǎn)筒。注意單次加料量不可太多,最大量不超過(guò)1.2t。隨著轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng),在螺旋擋板的作用下,礦土逐漸向轉(zhuǎn)筒出口處運(yùn)動(dòng)。同時(shí),從噴水口噴出的高速水流直接沖向礦土,在水的沖刷下,伊利石進(jìn)入水中成為漿體,并從轉(zhuǎn)筒上的漏漿孔流出。未被沖散的石頭等雜質(zhì)從轉(zhuǎn)筒出口端自然流出,并落入接收車中,定時(shí)被移走。
流出的漿體自流到漿體收集斗并繼續(xù)下流到振動(dòng)篩上。經(jīng)過(guò)兩層振動(dòng)篩,漿體再經(jīng)除鐵機(jī)除鐵,最后經(jīng)漿體接收斗流入打漿池,完成打漿、過(guò)濾過(guò)程。
經(jīng)河北邢臺(tái)斌盛礦山機(jī)械有限公司制造,打漿設(shè)備投入運(yùn)行。將此礦土用同尺寸的球磨機(jī)處理,10h處理礦土量為18~20t,水消耗量40t,電消耗量200kW·h左右,礦土利用率90%。打漿機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)如下:
礦土處理能力 25~30t/h
水消耗量 60t/h
每小時(shí)電消耗量 42.2kW·h
設(shè)備負(fù)荷 4.2~5.0t
漿液固含量 17~19g/L
漿液中固體粒度 不大于0.125mm
漿液沉降物 14.7g/L
鐵含量(以Fe2O3計(jì)) 2.8%
其中,設(shè)備負(fù)荷是指設(shè)備運(yùn)行中所承載的礦土重量;漿液沉降物是指漿體放入1 000mL量筒中,30min后沉入量筒底部固體的干重;鐵含量是占固體顆粒物的百分?jǐn)?shù)。
制造中需注意的問(wèn)題有:轉(zhuǎn)筒筒體外徑較大,要保證筒體外徑均勻;轉(zhuǎn)筒及其傳動(dòng)輪的軸線在一個(gè)平面上,并垂直底座;進(jìn)料斗、筒體進(jìn)出口擋水板及其支撐架不能與轉(zhuǎn)筒接觸。
安裝中需注意的問(wèn)題有:設(shè)備要建造混凝土基座,底座要固定在基座上,保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)穩(wěn)固,基座建造時(shí)要與鏟車裝料平臺(tái)兼顧,尤其二者高度與距離要特別注意;先從底座開(kāi)始安裝,然后支架、筒體,附件可以后安裝。
運(yùn)行中需注意的問(wèn)題有:設(shè)備運(yùn)行時(shí),要空載啟動(dòng),即不要裝填礦土后轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)變頻器時(shí),要分段增大頻率,不可將頻率一次性變到最大;所有輔助設(shè)備,包括進(jìn)水、過(guò)濾及除鐵等機(jī)器,可隨轉(zhuǎn)筒啟動(dòng)后再啟動(dòng);轉(zhuǎn)筒停止后再停其他輔助設(shè)備;可用打漿噴水管和輔助的衛(wèi)生打掃管清洗設(shè)備。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),小設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行,再到滿足大生產(chǎn)負(fù)荷需要的設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行,筆者設(shè)計(jì)的打漿生產(chǎn)設(shè)備能很好地滿足生產(chǎn)需要,可連續(xù)亦可間歇操作。加料滑料斗水潤(rùn)滑使加料順暢,防伊利石漿體飛濺水晶擋板的加設(shè)使生產(chǎn)環(huán)境整潔,固體顆粒物得到分級(jí)處理或利用。與球磨機(jī)相比,生產(chǎn)效率高、產(chǎn)物純度高、生產(chǎn)能耗低。
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ProductionEquipmentDesignforIlliteClayRefining
DONG Chun-wei, SHAN Shao-lei, YANG Yong-heng, YUAN Chun-hui, WANG Shu-jiang
(SchoolofChemicalEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)
*吉林省延邊州科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2014030001)。
**董春偉,男,1989年9月生,碩士研究生。吉林省長(zhǎng)春市,130012。
TQ050.2
A
0254-6094(2016)06-0749-06
2015-11-23,
2016-09-20)
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