近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤炭洗選加工業(yè)取得了較大的進(jìn)步。全國(guó)選煤廠的入洗能力不斷提高，目前原煤的入洗比例達(dá)到32%左右。同時(shí)為了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和出口的需要，對(duì)精煤的質(zhì)量也提出了更高的要求。因此浮選精煤的水分成為當(dāng)今選煤廠迫切需要解決的問(wèn)題。沉降過(guò)濾式離心機(jī)是一種新型和高效的細(xì)粒煤脫水設(shè)備，在選煤廠主要用于煤泥的脫水。它具有產(chǎn)品水分低，處理能力大，占地面積小，沒(méi)有輔助設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)單和適應(yīng)物料濃度變化范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
1 沉降過(guò)濾式離心機(jī)的工作原理
待分離的礦漿在離心機(jī)內(nèi)分別經(jīng)歷了離心沉降和離心過(guò)濾兩個(gè)過(guò)程。這種離心機(jī)主要由呈柱錐形的沉降轉(zhuǎn)鼓、圓柱形過(guò)濾轉(zhuǎn)鼓、與沉降過(guò)濾轉(zhuǎn)鼓形狀相配的螺旋輸送器和行星差速器組成。主電動(dòng)機(jī)通過(guò)膠帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，在行星差速器的作用下，差速器的輸出軸帶動(dòng)螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但有一定的差轉(zhuǎn)速。礦漿由進(jìn)料管通過(guò)位于螺旋輸送器內(nèi)筒上的加速器加速后，進(jìn)入沉降轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的柱錐交界處，轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的比重力高幾百倍的離心力，使固相顆粒從液體里分離出來(lái)，并沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，該過(guò)程稱為離心沉降。經(jīng)初步脫水后的固相由螺旋推送器推送到帶篩網(wǎng)的過(guò)濾段，在離心力的作用下經(jīng)過(guò)進(jìn)一步過(guò)濾脫水后由排料口排出，這一過(guò)程稱為離心過(guò)濾。
2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效果的影響
沉降過(guò)濾式離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)確定的，因此在實(shí)際操作過(guò)程中是不可變更的參數(shù)。沉降過(guò)濾式離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與生產(chǎn)能力及分離效果密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括沉降段轉(zhuǎn)鼓直徑D與長(zhǎng)度L1、錐段轉(zhuǎn)鼓的半錐角a、過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓的直徑Dg與長(zhǎng)度Lg、篩縫寬度b、螺旋葉片的導(dǎo)程S等。
2.1 沉降段轉(zhuǎn)鼓直徑D與長(zhǎng)度L1
轉(zhuǎn)鼓直徑D表征了這類離心機(jī)的生產(chǎn)能力，直徑越大則生產(chǎn)能力越大。國(guó)內(nèi)用于選煤廠的離心機(jī)直徑在900～1400mm，直徑900mm離心機(jī)的生產(chǎn)能力在10～20t/h，而直徑增大到1400mm時(shí)，生產(chǎn)能力則可增大到50～60t/h，L1的大小決定分離液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間的長(zhǎng)短，L1大則分離液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間就長(zhǎng)，離心液中帶走的固體顆粒就越少。
2.2 半錐角a
半錐角a是指轉(zhuǎn)鼓錐段母線與軸線的夾角。較大的錐角有利于固相的脫水，但是要增大軸向推力、輸渣功率、增加螺旋葉片的磨損并使輸渣效率降低。由于煤漿中的固相顆粒相對(duì)較大，屬于比較容易輸送的物料，一般取a=10～15°。
2.3 過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓的直徑Dg與長(zhǎng)度Lg
過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓的直徑與溢流圓環(huán)直徑有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)略小于溢流圓環(huán)直徑。過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)度Lg長(zhǎng)，固相在過(guò)濾段的停留時(shí)間就越長(zhǎng)，容易得到較干的煤泥濾餅。美國(guó)BIRD公司生產(chǎn)的SB6400離心機(jī)的Lg=1128mm，與沉降段轉(zhuǎn)鼓的直徑（1118mm）相仿，對(duì)浮選精煤脫水后的產(chǎn)品水分為18.5%。而國(guó)產(chǎn)WLG900×1800Ⅱ型離心機(jī)（以下簡(jiǎn)稱G900Ⅱ）的Lg=552mm，其長(zhǎng)度與沉降段轉(zhuǎn)鼓直徑的比值為0.61，對(duì)浮選精煤脫水后的產(chǎn)品水分為15.54%?？梢?jiàn)對(duì)浮選精煤這種礦漿，過(guò)長(zhǎng)的Lg尺寸對(duì)降低產(chǎn)品水分的作用不明顯。
2.4 篩網(wǎng)材料與篩縫寬度b
安裝在過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的篩網(wǎng)是沉降過(guò)濾式離心機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵易損部件，進(jìn)口離心機(jī)的篩網(wǎng)多用碳化鎢材料制成，耐磨性好，使用壽命可達(dá)15000h；國(guó)產(chǎn)G900×1800型離心機(jī)（以下簡(jiǎn)稱G900）所用篩網(wǎng)采用不銹鋼材料，壽命只有1000h，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的G900Ⅱ型離心機(jī)，篩網(wǎng)采用高鋁陶瓷材料，其耐磨系數(shù)為碳化鎢的1/6.5，價(jià)格為碳化鎢的1/6，有論文分析高鋁陶瓷濾網(wǎng)的使用壽命可達(dá)6000h。
濾網(wǎng)篩縫的寬度也是影響過(guò)濾效果的一個(gè)重要參數(shù)，篩縫過(guò)大有可能跑料，使產(chǎn)品回收率降低；篩縫過(guò)小，增大過(guò)濾比阻，增加產(chǎn)品的水分。BIRD公司生產(chǎn)的SB6400離心機(jī)的碳化鎢篩網(wǎng)縫隙為0.38mm，國(guó)產(chǎn)離心機(jī)的篩網(wǎng)縫隙為0.2～0.5mm，多少離心機(jī)篩縫在0.35mm。
2.5 螺旋葉片的導(dǎo)程S
螺旋葉片的導(dǎo)程影響到固相在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間、輸送效率、輸送功率、螺旋輸送器所受的軸向力和葉片的磨損。螺旋導(dǎo)程較大時(shí)，可減少輸送功率、軸向力和葉片的磨損。缺點(diǎn)是固相在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間短，可能達(dá)不到煤泥脫水所必需的時(shí)間，輸送效率低。導(dǎo)程過(guò)小會(huì)引起煤泥在螺旋葉片間搭橋，使螺旋通道堵塞，造成分離過(guò)程不能進(jìn)行。G900Ⅱ型離心機(jī)的導(dǎo)程為305mm，約為轉(zhuǎn)鼓直徑的1/3，在過(guò)濾轉(zhuǎn)鼓內(nèi)走的路程不到2圈。
3 操作參數(shù)對(duì)分離效果的影響
沉降過(guò)濾式離心機(jī)的操作參數(shù)是操作者根據(jù)煤漿情況進(jìn)行調(diào)節(jié)的，操作參數(shù)主要包括分離因數(shù)Fr（即轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速ng）、螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓間的差轉(zhuǎn)速△n、處理量Q和液層深度h等。根據(jù)被分離物料的具體情況，選用合適的操作參數(shù)，除了可以得到理想的分離效果外，還可以起到較好的節(jié)能作用。
3.1 分離因數(shù)Fr
分離因數(shù)Fr是轉(zhuǎn)鼓中離心力場(chǎng)強(qiáng)弱的標(biāo)志，它的物理意義是離心加速度與重力加速度之比，即Fr=rw2/g。
式中，r為沉降段圓柱轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)半徑，m；w為轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；g為重力加速度，g=9.18m/s2。
Fr大，可以提高分離效果，增加生產(chǎn)能力，但同時(shí)也增加了機(jī)器的功率消耗、磨損及轉(zhuǎn)鼓壁上的應(yīng)力。轉(zhuǎn)速越高，消耗的功率越大。由于選煤廠煤漿的固液相重度差較大，固相顆粒比較疏松，因此所用的沉降過(guò)濾離心機(jī)的分離因數(shù)都比較低，而國(guó)產(chǎn)離心機(jī)的Fr比進(jìn)口離心機(jī)要更低一些。
3.2 差速器△n
螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓間的差轉(zhuǎn)速△n是由行星差速器產(chǎn)生的，目前用于這類離心機(jī)的差速器有漸開(kāi)線行星齒輪差速器和擺線針輪差速器兩種。漸開(kāi)線行星齒輪差速器具有傳遞功率大、傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，用于選煤廠的較多。擺線針輪差速器體積小、質(zhì)量輕，產(chǎn)品較成熟，在中小型離心機(jī)上用的較多。
差速較大，有利于提高輸送固相物料的能力，減輕差速器負(fù)載，但是過(guò)大的差轉(zhuǎn)速，會(huì)減少產(chǎn)品在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間，增加產(chǎn)品的水分，因此差轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在一個(gè)合適的范圍。
由于差速器的速比是固定不變的，因此，差轉(zhuǎn)速△n也常用轉(zhuǎn)差率a表示， 即a=△n/ng×100%。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，沉降過(guò)濾離心機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般在1.8%～2.5%之間。
3.3 處理量Q
離心機(jī)的處理量一般是指機(jī)器單位時(shí)間的進(jìn)料流量，它是表示生產(chǎn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，合適的處理量應(yīng)認(rèn)為是在滿足產(chǎn)品分離要求下的進(jìn)料量。處理量還與進(jìn)料濃度有關(guān)，選煤廠常按進(jìn)料干煤量（t/h）計(jì)。給料量小，生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟(jì)性差；給料量過(guò)大，有可能達(dá)不到分離要求。通常，機(jī)器安裝后，要根據(jù)被分離物料的具體情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的進(jìn)料量來(lái)分析分離效果，從而確定該離心機(jī)的處理量。
3.4 液層深度h
液層深度h可由位于轉(zhuǎn)鼓大端蓋上的溢流孔的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。液層深度大，螺旋葉片對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液池的擾動(dòng)小，有利于降低離心液濃度從而獲得較高的回收率。由于這種離心機(jī)上增加了過(guò)濾段，產(chǎn)品的脫水主要在過(guò)濾段完成，因此在實(shí)際使用過(guò)程中，可以選用較高的液層深度。
4 進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)離心機(jī)分離效果的比較
20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)選煤廠多采用盤(pán)式真空過(guò)濾機(jī)進(jìn)行煤泥脫水，生產(chǎn)能力低，產(chǎn)品的水分比較高。從20世紀(jì)80年代初，我國(guó)開(kāi)始研制沉降過(guò)濾式離心機(jī)，由于受制造技術(shù)的制約，生產(chǎn)的離心機(jī)使用壽命短，螺旋和濾網(wǎng)磨損快，檢修困難，影響了國(guó)產(chǎn)離心機(jī)的推廣應(yīng)用。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)先后從美國(guó)DMI公司、BIRD公司和德國(guó)KHD公司引進(jìn)了多臺(tái)不同型號(hào)的沉降過(guò)濾式離心機(jī)，應(yīng)用于國(guó)內(nèi)部分選煤廠，取得了較好的效果。進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)離心機(jī)分離效果的比較見(jiàn)下表：
型號(hào) | 物料 | Q/t/h | -0.044*/% | 入料灰分/% | 產(chǎn)品水分/% | 離心液濃度/g/L | 濾液濃度/g/L |
SB6400 | 原生煤泥 | 35-45 | 32.66 | 17.13 | 19.60 | 40-70 | 275-310 |
LWZ1200 | 原生煤泥 | 30-40 | 20.38 | 40.12 | 15.70 | 187（含濾液） | |
SB6400 | 浮選精煤 | 35-45 | 22.74 | 20.13 | 18.50 | 40-70 | 275-310 |
WLG900 | 浮選精煤 | 11-14 | 43-53 | 10.19 | 20-24 | 109.00 | 446.00 |
WLG900Ⅱ | 浮選精煤 | 29.30 | 18.44 | 21.09 | 10.27 | 20.22 | |
WLG1100 | 浮選精煤 | 21.16 | 42.80 | 7.76 | 22.12 | 75.69 | 375.12 |
*指入料中小于0.044mm粒級(jí)所占的百分含量
由上表可以看出，對(duì)原生煤泥，國(guó)產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口機(jī)的生產(chǎn)能力相近，其中產(chǎn)品水分國(guó)產(chǎn)設(shè)備要優(yōu)于進(jìn)口機(jī)，其余分離效果由于入料性能不一，不能作簡(jiǎn)單的比較。對(duì)浮選精煤，美國(guó)SB6400型與國(guó)產(chǎn)的WLG1100型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑相近，但生產(chǎn)能力要比國(guó)產(chǎn)機(jī)高近50%，產(chǎn)品水分比國(guó)產(chǎn)設(shè)備低18%左右，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)離心機(jī)與進(jìn)口設(shè)備還存在較大的差距。
5 結(jié)論
（1）深入研究了被分離物料的性質(zhì)，分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，提出了適合中國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)參數(shù)。
（2）提高離心機(jī)分離因數(shù)的難度在于制造技術(shù)，重點(diǎn)要解決主軸的支承和潤(rùn)滑問(wèn)題，在制造過(guò)程中要確保主要零部件加工和整機(jī)組裝的同軸度，提高轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器組件的動(dòng)平衡精度。
（3）加強(qiáng)對(duì)篩網(wǎng)、螺旋輸送器葉片等易磨損件的研究，提高易磨損件的使用壽命。
（4）差速器是沉降過(guò)濾式離心機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，建議采用2-2K-H型漸開(kāi)線行星齒輪差速器，以提高整機(jī)的工作可靠性。
（5）離心機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和調(diào)節(jié)差速用的輔電機(jī)可采用變頻調(diào)速，既可以降低起動(dòng)功率，也可以根據(jù)物料情況，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和差速器。增加差速器轉(zhuǎn)臂的扭矩測(cè)量裝置和進(jìn)料閥自動(dòng)控制系統(tǒng)，以便在機(jī)器超載時(shí)起自動(dòng)保護(hù)作用，確保機(jī)器的安全運(yùn)行。
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