高效自清分級篩的研制及工業(yè)應(yīng)用

徐文彬，胡洪明

(1．鞍山重型礦山機器股份有限公司，遼寧 鞍山 114042； 2.鐵法煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 調(diào)兵山 112700)

高效自清分級篩的研制及工業(yè)應(yīng)用

徐文彬1，胡洪明2

(1．鞍山重型礦山機器股份有限公司，遼寧 鞍山 114042； 2.鐵法煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 調(diào)兵山 112700)

針對潮濕細粒煤干法深度篩分作業(yè)中堵孔嚴重、篩分效率低下的問題，研制出高效自清分級篩。文章詳細闡述了高效自清分級篩的研發(fā)思路、結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)與技術(shù)特點，并介紹了該篩在小康煤礦的應(yīng)用實踐，從而為選煤廠潮濕細粒煤的干法深度篩分提供了有益參考。

干法深度篩分；潮濕細粒煤；高效自清分級篩；彈性懸臂桿篩板；篩分效率

潮濕細粒煤(外在水分為7%～14%，粒度為13～3 mm)的干法深度篩分一直以來都是國內(nèi)外煤炭篩分行業(yè)研究的技術(shù)焦點及難點問題[1]。由于細粒煤在外在水分、灰塵和粘土等作用下易相互粘結(jié)成團，并易于粘附在篩網(wǎng)上，形成片狀糊孔或附著，因而使振動篩的有效篩分面積逐漸減小，最終導(dǎo)致物料松散、透篩困難，篩分過程惡化，篩分效率急劇降低。因此目前的常規(guī)普通篩分設(shè)備根本無法完成對潮濕細粒煤的干法深度篩分。

1 研制背景

對于煤炭洗選，尤其是對動力煤洗選，國內(nèi)外一般采用洗塊不洗末的原則流程[2]。但是隨著采煤機械化的發(fā)展，原煤中粉煤含量大大增加，灰分、硫含量也隨之升高，致使我國不少高硫末煤作動力用煤時超過環(huán)保要求，必須進行洗選。因此，如果能夠通過篩分進一步降低動力煤的入選粒度下限，不但能夠達到降灰、降硫的目的，而且還能大大提高洗選精煤的產(chǎn)量。此外，就選煤加工而言，煤泥水處理作業(yè)是整個選煤生產(chǎn)系統(tǒng)中成本最高、收益最小的環(huán)節(jié)[3]，如果大量細末煤和煤泥進入到洗選系統(tǒng)，就會大大增加煤泥水處理系統(tǒng)的負荷，不僅增加選煤成本，并且還會降低煤炭的洗選質(zhì)量。

就實際生產(chǎn)經(jīng)驗和分析研究結(jié)果來看，對原煤進行干法深度篩分有利于簡化選煤工藝，降低選煤成本。因此，近年來選煤生產(chǎn)實踐對于細粒煤的高效篩分機需求日益顯現(xiàn)。

2 研發(fā)思路

造成原煤潮濕的原因主要有兩種:一種是地下采煤人工除塵的噴水；二是開采出來的煤露天堆放，遇到潮濕環(huán)境或雨天造成煤中水分增加。尤其是粉煤或泥質(zhì)頁巖含量高、泥化嚴重的煤，遇水后變得更加粘濕，常規(guī)振動篩根本無法滿足篩分需求。散狀煤中水的賦存形態(tài)有三種，即結(jié)合水、內(nèi)在水和外在水。試驗表明，不含外在水分的細顆粒煤粒子與粒子之間的作用力對透篩過程幾乎不產(chǎn)生任何影響。因此可以認定，由外在水分引起的作用力是潮濕細粒煤篩分過程中產(chǎn)生粘附、團聚、糊孔現(xiàn)象的主要原因[4-5]，也因此惡化了篩分過程，導(dǎo)致篩分效率很低。圖1所示為煤炭外在水分與篩分效率關(guān)系曲線。

圖1 篩分效率與煤炭外在水分關(guān)系曲線

另外，從理論上分析，目前潮濕細粒煤干法深度篩分存在一定難度的原因主要還有：由于深度篩分采用的篩孔孔徑一般較小(3～13 mm)，這不僅使篩面的開孔率降低，而且篩面的有效篩分面積也較小，從而加劇了物料在篩面上的卡孔現(xiàn)象，進一步增加了篩分的難度。

潮濕細粒煤干法深度篩分一直是世界篩分行業(yè)的一大難題，圍繞這個技術(shù)難題，世界各國也研究出了很多新型篩分機械[5-7]。筆者根據(jù)多年的振動篩研究及現(xiàn)場問題處理、數(shù)據(jù)試驗、結(jié)構(gòu)分析和理論總結(jié)的經(jīng)驗得出，要想解決潮濕細粒煤的干法深度篩分問題，振動篩分機就必須從以下六個方面進行周全考慮[8]：有效篩分面積、振動強度、篩板結(jié)構(gòu)形式、運動軌跡、振動方向角與篩面傾角。

2.1 有效篩分面積

振動篩的有效篩分面積是指對物料分離有用的那部分篩面的面積。振動篩的有效篩分面積越大，其篩分效率和處理量就越高，篩面長度在篩分機的有效篩分面積中對篩分效率起著主要作用。圖2所示是常規(guī)煤炭篩分機篩面長度和篩分效率關(guān)系曲線圖(試驗條件：振次n=900 r/min；雙振幅2A=10 mm)，從圖中可以看出，篩分效率隨著篩面的長度增加而變大，但是當(dāng)篩面長度達到一定程度以后，對篩分效率的提高影響很小。

圖2 篩面長度和篩分效率關(guān)系曲線

此外，通過試驗也證明：對于常規(guī)的振動分級篩，隨著煤炭分級粒度的減小(3～13 mm)、外在水分的增加(7%～14%)、料層的增厚(>80 mm)，篩分效率會急劇下降，此時篩機的篩面長度對篩機的篩分效率已不構(gòu)成任何影響。當(dāng)然，料層厚度進一步減薄(10～20 mm),篩分效率會有所提高，但在同等工況下，通過增大篩機的篩面面積來降低物料層的厚度以提高篩分效率, 顯然不是最佳的方案選擇，因為篩分機面積增大了，不但增加設(shè)備的制造成本，同時也增加了土建基礎(chǔ)投資。因此，單純地靠增加篩分機的有效篩分面積來提高振動篩的篩分效率和處理量是不可取的。

2.2 振動強度

2.3 篩板結(jié)構(gòu)形式

振動篩的篩板結(jié)構(gòu)形式和安裝形式有很多種，可根據(jù)被篩分的物料性質(zhì)來選擇。篩板的選擇原則是：開孔率要高，有彈性，耐磨、耐腐蝕，拆裝方便，使用壽命長、運行成本低等。實踐證明，篩分機在一定的結(jié)構(gòu)原理和振動參數(shù)下，選擇先進結(jié)構(gòu)的篩板對于提高篩分機的篩分效率和處理量是非常關(guān)鍵的。

2.4 運動軌跡

圖3 物料在圓運動軌跡篩面上的運動狀態(tài)

圖4 物料在直線運動軌跡篩面上的運動狀態(tài)

2.5 振動方向角

直線振動篩的振動方向角(β)是振動方向線與上層篩面間的夾角，橢圓篩則是橢圓軌跡的長軸與篩面間的夾角。振動方向角取值大小影響振動篩的篩分效率和處理量，隨著振動方向角的增大，篩分效率升高而處理量下降，振動方向角取大值時，物料顆粒被拋擲到一定高度，既有利于物料顆粒的松散、分層，又有利于臨界顆粒(接近篩孔尺寸的顆粒)透篩，振動篩的篩分效率也相應(yīng)提高，但物料的運動速度相對減慢，使處理量變小。因此，潮濕細粒煤的干法深度篩分選擇較大的振動方向角比較合理，同時也能增加其拋射強度Kv。

2.6 篩面傾角

振動篩的篩面傾角(α)就是篩面與水平面間的夾角，以給料端為基準(zhǔn)，篩面向下傾斜時篩面傾角為正，篩面向上傾斜時篩面傾角為負。篩面傾角決定物料的運動速度和物料的通過量，篩面傾角越大，物料運動速度越快，其通過量就越大，但篩分效率會隨之降低。因此，根據(jù)被篩分物料的粒度組成、外在水分、硬度、密度、形狀等來選擇合理的篩面傾角，對于提高振動篩的篩分效率很關(guān)鍵。圖5所示為直線振動篩用于常規(guī)原煤分級時的篩面傾角與篩分效率之間的關(guān)系曲線(試驗條件：振次n=900 r/min；雙振幅2A=10 mm)。

圖5 篩面傾角與篩分效率關(guān)系曲線

3 高效自清分級篩

基于以上分析、試驗與理論研究，針對“潮濕細顆粒煤干法深度篩分”的特點和難點，研制出了一種 “高效自清分級篩”，并取得了國家專利(專利號：ZL201420470605.2)。

3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

高效自清分級篩(圖6)由篩框、偏心塊式振動器、篩面、電機傳動裝置和減振支撐裝置五大部分組成。

該篩機連接兩片側(cè)板組成篩框，支撐篩面的橫梁采用的是矩形橫梁，矩形橫梁上的篩面支撐架與矩形橫梁間采用的是虎克鉚釘聯(lián)接(圖7)，可避免焊接聯(lián)接或螺栓聯(lián)接產(chǎn)生的應(yīng)力集中或振動松動；在篩框的側(cè)板上、安裝振動器的位置裝有補強鋼板和加強角鋼，兩組性能相同的偏心塊式振動器安裝在篩框的側(cè)板和補強鋼板上，中間由萬向傳動軸連接；篩箱單側(cè)由兩臺性能相同的電機驅(qū)動，分別同時反向運轉(zhuǎn)，從而使篩箱實現(xiàn)自同步直線運動軌跡。

圖6 高效自清分級篩結(jié)構(gòu)簡圖

圖7 虎克鉚釘聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖

該篩機除了在結(jié)構(gòu)上進行了特殊優(yōu)化加強設(shè)計外，另外一個突出特點是篩面采用了彈性懸臂桿篩板(專利號：ZL201420470594.8)，此篩板的結(jié)構(gòu)、原理如圖8所示。在相匹配的振動參數(shù)下，彈性懸臂桿篩板每根懸臂桿在隨主機振動的同時，能產(chǎn)生二次振動，可實現(xiàn)對篩面上堵塞的物料自清理功能，從而使振動篩在工作過程中篩面的篩孔始終保持暢通狀態(tài)，無物料顆粒卡堵、粘附現(xiàn)象。

1—懸臂桿；2—篩板框架立板；3—壓板；4—橡膠彈性墊；5—焊接點；6—方管梁；7—鎖緊螺栓組

彈性懸臂桿篩板在工作中能發(fā)揮最佳的篩分性能，除了選擇與其相匹配的振動參數(shù)外，在設(shè)計結(jié)構(gòu)上還需注意以下幾點：①懸臂桿的材料選擇。懸臂桿的材料必須有彈性且具有一定的剛度，同時具備耐磨、使用壽命長的特點；②懸臂桿的長度(L)。懸臂桿的長度主要決定篩板的開孔率和懸臂桿發(fā)生二次振動的幾率，要根據(jù)篩機的振幅、頻率、篩孔和入料粒度來選定；③懸臂桿的直徑φd。懸臂桿的直徑也是決定篩板的開孔率和懸臂桿發(fā)生二次振動的幾率的參數(shù)，同時也影響篩板的使用壽命，也應(yīng)根據(jù)篩機的振幅、頻率、篩孔和入料粒度來選定；④懸臂桿的傾角(α)。從性能上分析，懸臂桿的傾角主要影響物料的移動速度；從結(jié)構(gòu)上分析，懸臂桿的傾角取值要便于前后兩排懸臂桿的搭接，以防止在篩分時漏料；⑤前后相銜接的懸臂桿的間距h和c。間距h和c的取值，要考慮懸臂桿的二次振動空間、篩孔尺寸大小和方管梁上表面的堆料高度； ⑥方管梁的前、后端開插桿孔φa和φb。安裝懸臂桿的方管梁水平方向前后端要根據(jù)懸臂桿的直徑開插孔φa和φb，在保證懸臂桿能夠順利穿插進去的前提下，使孔φa>φb，因為后端孔φb是懸臂桿的焊接固定端，前端孔φa是懸臂桿的二次振動浮動端；⑦橡膠彈性墊的厚度(m)。方管梁內(nèi)的橡膠彈性墊厚度是決定懸臂桿彈性、松緊程度和懸臂桿是否容易折斷的參數(shù)，其厚度需要根據(jù)懸臂桿的長度和直徑來選擇。

3.2 技術(shù)參數(shù)

高效自清分級篩的技術(shù)參數(shù)是根據(jù)“潮濕細顆粒煤干法深度篩分”的難點問題并結(jié)合試驗、分析結(jié)果而制定的，具體取值如表1所示。另外，根據(jù)市場需求，還研發(fā)了一系列不同性能參數(shù)的篩機，如表2所示。

表1 高效自清分級篩的技術(shù)參數(shù)表

表2 高效自清分級篩型號規(guī)格表

3.3 技術(shù)特點

(1)高效自清分級篩在整體設(shè)計上采用ZL201420470605.2專利技術(shù)，結(jié)構(gòu)先進；篩框上的零部件裝配全部采用冷鉚技術(shù)(虎克鉚釘聯(lián)接)、下橫梁采用矩形方梁結(jié)構(gòu)，可靠性高，設(shè)計使用壽命在8年以上。

(2)該分級篩的雙振幅2A=10～12 mm、振次n=970 r/min，其振動強度大(5.2～6.3g)，而常規(guī)分級篩僅為3～5g。

(3)高效自清分級篩的篩板采用彈性懸臂桿篩板，此篩板在隨主機篩箱振動的同時能產(chǎn)生二次振動，有效清除卡堵在篩孔中的物料，具有自清理功能，因此其篩分效率高，通常在85%以上。

4 工業(yè)應(yīng)用

小康煤礦是遼寧省鐵法煤業(yè)集團的下屬企業(yè)，年洗選動力煤260萬t。該礦原煤煤質(zhì)特性是：原煤中末煤和煤泥含量較多，且粘濕，經(jīng)測試,外在水分在8%～12%之間。該礦原煤二次篩分車間對篩分機工況的要求為：單機處理能力300～350 t/h，分級粒度為8 mm，篩分效率≥80%。

2014年初，該礦為提高動力煤洗選質(zhì)量、滿足集團公司精煤戰(zhàn)略需求，同時降低洗選消耗，對原煤篩分車間的二次分級篩進行了換型改造，選用了1臺GZFS-3048高效自清分級篩替代了原采用的YK2440圓振動篩。

4.1 改造前的篩分機工況

改造前，原煤二次篩分機采用YK2440圓振動篩，篩機運動軌跡為圓形，采用轉(zhuǎn)桿篩板(圖9)。該篩技術(shù)參數(shù)如下：

參數(shù)

數(shù)值

篩分面積/m2

9.6

篩孔尺寸/mm

8

篩板結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)桿篩板

雙振幅/mm

9～10

振次/(r·min-1)

850

振動強度/g

3.6～4.1

篩面傾角/(°)

18

圖9 轉(zhuǎn)桿篩板外形結(jié)構(gòu)圖

該篩機自安裝使用以來一直未能達到工況要求，主要問題就是粘濕細粒煤堵孔嚴重，在工作過程中約70%的篩面篩孔被堵塞，使篩面上物料層厚度堆積達250～300 mm，篩分作業(yè)的限上率嚴重超標(biāo)，篩分效率極低，使后序煤泥水處理系統(tǒng)負荷加大。

在實際生產(chǎn)中，該礦曾將該篩篩孔尺寸由8 mm改為15 mm，篩分效果雖稍有改善, 但產(chǎn)量僅能達到200 t/h左右，堵孔現(xiàn)象依然是嚴重，如圖10所示。

圖10 被粘濕細粒煤堵塞的工作篩面

4.2 改造后的篩分工況

2014年3月，GZFS-3048高效自清分級篩安裝完畢開始投產(chǎn)使用，運行初期經(jīng)過了3次振幅的調(diào)整，目的是為了使彈性懸臂桿篩板的每根懸臂桿能產(chǎn)生二次振動，最后確定采用可使篩機獲得最佳運行狀態(tài)的參數(shù)：雙振幅值為10.8 mm、振動強度為5.68g。由定量給料機為此篩分機喂料，經(jīng)取樣測試：在篩縫為8 mm時，篩機處理量達到了320 t/h，篩分效率為88.93%。

小康煤礦生產(chǎn)實踐表明：GZFS-3048高效自清分級篩彈性懸臂桿篩板實現(xiàn)了對篩面上堵塞物料的自清理功能，能使篩分機在工作過程中篩面篩孔始終保持暢通狀態(tài)，無物料顆?？ǘ隆⒄掣浆F(xiàn)象。其篩面工作狀態(tài)如圖11所示。

圖11 彈性懸臂桿篩板工作篩面實況

4.3 應(yīng)用效果

GZFS-3048高效自清分級篩自2014年3月運行以來，未出現(xiàn)過任何重大機械故障，期間篩板更換過一次，按運行時間計算，此篩板在原煤二次篩分(給料粒度≤50 mm)作業(yè)中平均使用壽命達到8個月。經(jīng)初步統(tǒng)計，該篩機每年維護費用可比原篩機節(jié)約近20萬元。小康煤礦原煤中8～25 mm粒級占35%左右，通過高效自清分級篩可將這部分煤作為塊煤入選，能使末原煤的灰分下降近2.3個百分點，使產(chǎn)品質(zhì)量得到提高，可實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益；同時，>8 mm粒級煤作為塊煤入洗，既降低了煤泥水處理系統(tǒng)的負荷，又增加了塊煤入選量，可使精煤產(chǎn)率提高約7個百分點，年增加收入1 500多萬元，經(jīng)濟效益顯著。此外，由于高效自清分級篩篩面很少需要人工清理，因而大大降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。

5 結(jié)語

高效自清分級篩的研制，解決了潮濕細顆粒煤干法深度篩分作業(yè)中物料堵孔、篩分效率低的難題，對選煤廠擴大入選量、提高煤質(zhì)和精煤產(chǎn)量，降低煤泥水處理系統(tǒng)負荷和選煤成本具有重要意義。該篩在工業(yè)現(xiàn)場的成功應(yīng)用，為選煤現(xiàn)場類似問題的解決提供了有益的參考。

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Development and industrial application of the high-efficiency self-cleaning sizing screen

XU Wen-bin1，HU Hong-ming2

(1.Anshan Heavy-duty Mine Machinery Co., Ltd., Anshan, Liaoning 114042, China;2.Tiefa Coal (Group) Co., Ltd., Diaobingshan, Liaoning 112700, China )

Intensive dry screening of wet small coal tends to cause severe blockage of screen openings and, hence, the decrease of screening efficiency. To cope with this problem, a high-efficiency self-cleaning sizing screen has been developed. The paper elaborates on the background of the R&D work, the screen's technical parameters, structural and technical features, and the result of field application of the screen at Xiaokang Coal Mine. The application of the screen may serve as a helpful reference for the in-depth dry screening of wet small coal in coal preparation plants.

intensive dry screening; wet small coal; high-efficiency self-cleaning sizing screen; elastic overhanging lever screenplate; screening efficiency

1001-3571(2016)01-0032-06

TD452

A

2016-01-30

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.008

徐文彬(1978—)，男，遼寧省鞍山市人，高級工程師，從事振動篩分機械的研究、設(shè)計與選型工作。

E-mail：xuwb76@163.com Tel：13478059088