于 勇
(北方重工集團(tuán)有限公司礦山機(jī)械分公司)
φ4 500 mm×4 500 mm攪拌槽的開發(fā)與應(yīng)用
于 勇
(北方重工集團(tuán)有限公司礦山機(jī)械分公司)
以為某選礦廠設(shè)計的φ4 500 mm×4 500 mm漿體輸送攪拌槽為例,介紹了漿體輸送攪拌槽的工作原理和設(shè)計方法,利用攪拌槽設(shè)計的一些經(jīng)驗公式確定主要技術(shù)參數(shù),并結(jié)合現(xiàn)場實際使用情況,驗證設(shè)計的合理性,為技術(shù)人員設(shè)計漿體輸送攪拌槽提供了參考借鑒。
攪拌槽 葉輪 轉(zhuǎn)速 功率 雷諾數(shù)
攪拌槽由于其相際接觸面積大,傳熱傳質(zhì)效率高,操作彈性大,使用范圍廣,操作穩(wěn)定等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、食品、能源、造紙、廢水處理等領(lǐng)域[1]。我國攪拌槽是70年代從法國羅賓公司引進(jìn)相關(guān)技術(shù),經(jīng)過消化吸收后開發(fā)設(shè)計出來的。由于我國對攪拌槽設(shè)備的研究比較少,相關(guān)理論和計算公式不夠詳實,目前設(shè)計的主要方法是與國外新型產(chǎn)品進(jìn)行類比,再結(jié)合實際情況,對攪拌槽進(jìn)行校核和優(yōu)化。本文以為某選礦廠設(shè)計的φ4 500 mm×4 500 mm攪拌槽為例,通過計算確定攪拌槽的葉輪直徑及主軸轉(zhuǎn)速,確定攪拌功率等技術(shù)參數(shù),同時驗證主軸轉(zhuǎn)速的合理性,結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)試驗,繪制轉(zhuǎn)速對濃度分布、細(xì)度分布、功耗影響的曲線圖,通過分析數(shù)據(jù),從而驗證技術(shù)參數(shù)的合理性。
1.1 工作原理
攪拌槽機(jī)械部分的運(yùn)動由電動機(jī)上的小皮帶輪傳至傳動軸上的大皮帶輪轉(zhuǎn)動,帶動減速器輸入軸旋轉(zhuǎn),從而使軸下端的葉輪回轉(zhuǎn)。礦漿由進(jìn)料口流到槽體內(nèi),在具有軸流式螺旋槳葉片葉輪的旋轉(zhuǎn)作用下,沿軸向從葉輪下端排出,在葉輪腔形成負(fù)壓,使礦漿從葉輪上面流入葉輪腔加以補(bǔ)充。同時,在穩(wěn)流板的導(dǎo)流作用下,礦漿在槽內(nèi)形成中心向下、四周向上的垂直循環(huán)流,礦漿發(fā)生循環(huán)運(yùn)動(見圖1)。當(dāng)?shù)V漿的上升流速度大于礦粒的沉降速度時,礦漿中的礦粒便呈懸浮狀態(tài),并保持均勻的濃度,混合均勻的懸浮液由溢流口流出。
圖1 攪拌槽的工作原理示意
1.2 攪拌槽的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成
1.2.1 攪拌槽的技術(shù)參數(shù)
φ4 500 mm×4 500 mm攪拌槽的槽體直徑為 4 500 mm、高度為4 500 mm、槽體有效容積為 65 m3,葉輪直徑為1 900 mm、轉(zhuǎn)數(shù)為55 r/min,電動機(jī)型號為YPT-315-L2-6、功率為22 kW、轉(zhuǎn)數(shù)為 990 r/min、齒輪箱型號為H3SV11、速比為31。
1.2.2 攪拌槽的結(jié)構(gòu)組成
φ4 500 mm×4 500 mm攪拌槽用于鎳精礦漿體管道輸送前的礦漿儲存,以保持礦漿均勻的懸浮,該攪拌槽由排礦閥、葉輪、擋板、槽體、主軸、聯(lián)軸器、走臺、支座、減速器、皮帶輪、電動機(jī)、溢流口等結(jié)構(gòu)組成。
2.1 葉輪直徑Di及安裝位置的確定
攪拌作用的葉輪樣式較多,大多采用渦輪葉輪,該葉輪分為2種,一種采用平直葉片,一種采用傾斜葉片。平直葉片葉輪產(chǎn)生徑向流動,物料的主流方向是徑向的,傾斜葉片葉輪產(chǎn)生軸向流動,物料的主流方向是軸向流動,軸向流動可以保持良好的固體懸浮。該設(shè)備采用傾斜葉片葉輪,通常葉輪直徑Di=0.3-0.5DT(DT為槽體內(nèi)徑),具體值根據(jù)料漿和攪拌要求決定,該攪拌槽確定葉輪直徑為 900 mm。為使礦漿保持懸浮狀態(tài),葉輪安裝在距離槽底深度的1/4處,即1 100 mm。
2.2 主軸轉(zhuǎn)速n及驗證轉(zhuǎn)速的合理性
2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速n
攪拌轉(zhuǎn)速是影響混合時間的一個重要參數(shù),Rao等[2]和Brennan等[3]考察了攪拌轉(zhuǎn)速對混合時間的影響??疾旖Y(jié)果表明:隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大,混合時間減?。粸榱耸共垠w內(nèi)的礦漿獲得良好的攪拌效果,保證礦漿的均勻性,應(yīng)選擇適宜的攪拌轉(zhuǎn)速。該攪拌槽采用等強(qiáng)度葉輪,其線速度為2~5.5 m/s,因該機(jī)采用變頻調(diào)速,故線速度為5.5 m/s,主軸轉(zhuǎn)速nm=60Vm/π·Di=55 r/min。式中,Vm為葉輪最大圓周速度,m/s;nm為主軸最高轉(zhuǎn)速,r/min;可見主軸轉(zhuǎn)速n可在0~55 r/min調(diào)速。在生產(chǎn)實際中可通過觀察礦漿的懸浮狀態(tài),適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,直到滿足漿體輸送工藝要求為止。
2.2.2 驗證轉(zhuǎn)速的合理性
上述參數(shù)確定后,在理論上可驗證,因為該礦漿黏度值很小。雷諾數(shù)Re=ρ·N·Di/u>1 000(紊流流動)。式中,ρ為料漿密度,kg/m3;N為葉輪轉(zhuǎn)速,r/s;u為料漿黏度,Pa·S;Di為葉輪直徑,m。
通過上述計算可以得出,由于上升流平均速度(200 mm/s)大于顆粒沉降速度(15.34 mm/s),顆粒能懸浮在礦漿中,并隨上升流上升,因此主軸轉(zhuǎn)速范圍合理。
2.3 攪拌功率的確定
優(yōu)化設(shè)計,取Np=0.51、ρ=1 180 kg/m3、N=0.916 7 r/min、Di=1.9 m,將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上面公式,計算得到Pg=11.5 kW。考慮電機(jī)在啟動瞬間電流比較大,電機(jī)及減速器傳動效率及礦漿濃度的變化,防止驅(qū)動裝置損壞等嚴(yán)重事故,根據(jù)實踐經(jīng)驗,選用電機(jī)功率為22 kW(或18.5 kW)。
某選礦廠鎳精礦中最大粒徑為0.20 mm,95%粒徑為0.13 mm,漿體輸送濃度為15%~20%,漿體密度為1.13~1.18 t/m3。礦漿在溫度為20 ℃時,95%粒徑單顆粒(0.13 mm)的沉降速度為 15.34 mm/s;礦漿在溫度為13.9 ℃,漿體輸送濃度為20%時,群體界面沉降速度為0.339 mm/s。在上述條件下要求攪拌槽上、下濃度分布均勻,轉(zhuǎn)速盡量低,方可進(jìn)行試驗和數(shù)據(jù)分析。
3.1 試驗數(shù)據(jù)采集、測定及分析
為便于對槽體內(nèi)的礦漿測定,將槽體取樣位置分成5個層面進(jìn)行編號(見圖2)。在現(xiàn)場給礦條件下,改變攪拌槽的主軸轉(zhuǎn)速(調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率來實現(xiàn))考核攪拌槽內(nèi)各斷面礦漿濃度和粒級分布情況及在不同轉(zhuǎn)速下對電機(jī)功率及電流的影響。
圖2 攪拌槽槽體取樣位置(單位:mm)
表1 主軸轉(zhuǎn)速對濃度、細(xì)度的影響 %
取樣位置編號不同主軸轉(zhuǎn)速下攪拌槽槽體內(nèi)不同取樣位置的濃度、細(xì)度值21.5r/min濃度細(xì)度(-0.074mm)25r/min濃度細(xì)度(-0.074mm)30r/min濃度細(xì)度(-0.074mm)16.099.82.593.02.899.028.598.07.792.417.884.0314.090.012.483.012.381.0437.463.025.865.014.475.0541.169.027.370.018.768.0
表2 不同主軸轉(zhuǎn)速下電機(jī)主參數(shù)值
表3 不同取樣處的濃度、細(xì)度分布結(jié)果
%
注:給礦濃度為27.3%,給礦礦漿細(xì)度為-0.074mm86%。
根據(jù)以上試驗測量數(shù)據(jù)作相應(yīng)的關(guān)系影響分析,主軸轉(zhuǎn)速對濃度在槽體內(nèi)分布的影響曲線見圖3,主軸轉(zhuǎn)速對礦漿細(xì)度在槽體內(nèi)分布的影響曲線見圖4,主軸轉(zhuǎn)速對電機(jī)功率的影響曲線見圖5。
圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速在不同取樣位置對礦漿濃度的影響
由圖3可見,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,轉(zhuǎn)速越高,攪拌槽內(nèi)礦漿的湍流強(qiáng)度越大,湍動能越大,攪拌槽內(nèi)的分散混合能力越強(qiáng),促使礦漿分散混合,礦漿在槽體內(nèi)濃度分布趨于均勻;轉(zhuǎn)速越小,攪拌槽底部礦漿顆粒沉積越嚴(yán)重,濃度分布不均勻程度高。
圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速在不同取樣位置對礦漿細(xì)度的影響
由圖4可見,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,流場的平均速度就越大,葉輪的剪切速率越高,湍流強(qiáng)度分布越不均勻,湍流脈動作用強(qiáng),更易形成湍流漩渦,細(xì)度分布變化越平緩;轉(zhuǎn)速越低,礦漿分層越明顯,湍流有一定規(guī)律運(yùn)動,細(xì)度分布變化越陡峭,不利于礦漿分散混勻。
圖5 不同主軸轉(zhuǎn)速對攪拌槽功率的影響
由圖5可見,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,葉輪表面料漿顆粒分布梯度迅速增大,對葉輪葉片的沖擊力加大,導(dǎo)致葉輪表面的壓力和剪切應(yīng)力增大,且剪切應(yīng)力沿著徑向變化越大所需要的攪拌功率越大,電流和電壓也隨之增大,反之功耗、電流和電壓越小。
(1)通過介紹φ4 500 mm×4 500 mm攪拌槽的工作原理,提供了設(shè)計攪拌槽所需要的經(jīng)驗公式;通過現(xiàn)場試驗可知,隨主軸轉(zhuǎn)速的增加,礦漿濃度分布趨于均勻,濃度分布變化平緩,功耗增大;隨之主軸轉(zhuǎn)速的減小,礦漿濃度分布趨于不均勻程度高,濃度分布變化陡峭,功耗減小。
(2)經(jīng)過現(xiàn)場試驗及應(yīng)用表明,該攪拌槽設(shè)計理論及方法有效保證了攪拌槽設(shè)計的可靠性,為技術(shù)人員設(shè)計攪拌槽提供了參考。
(3)隨著大型漿體輸送攪拌槽的開發(fā),攪拌槽的結(jié)構(gòu)、葉輪的形式、傳動裝置的不同,本文的理論及公式有一定的局限性,因此在設(shè)計大型漿體輸送攪拌槽時有待進(jìn)一步的研究和分析。
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2014-12-10)
于 勇(1980—),男,主任設(shè)計師,工程師,110041 遼寧省沈陽市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)開發(fā)大路16號。