特種過濾機(jī)的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用

張 宏，宋劉書，路光遠(yuǎn)，解華華，宋 虎

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

3山東法正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 山東菏澤 274000

某 選礦廠是以選鐵尾礦為原料的資源綜合利用型選廠，采用浮選法回收尾礦中的銅、鋅等有價(jià)元素，采用磁選法回收尾礦中殘留的磁性鐵，除可獲得經(jīng)濟(jì)效益外，還可有效降低尾礦中的重金屬及硫化物含量，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的保護(hù)有著重要意義。選礦廠設(shè)計(jì)年處理尾礦量 680 萬(wàn)t，預(yù)計(jì)年產(chǎn)銅、鋅 4.2 萬(wàn) t，年產(chǎn)鐵 35 萬(wàn)t。

選礦廠地處秘魯南海岸線馬爾科納地區(qū)的圣尼古拉斯海灣，屬沙漠地帶，水資源緊張，兼顧用水成本考慮，工藝水選用海水。普通過濾機(jī)不耐海水中氯離子的腐蝕，無(wú)法應(yīng)用在鐵精礦脫水工藝中，急需一種既耐海水氯離子腐蝕，又耐鐵精礦磨蝕的特種過濾機(jī)。

1 特種過濾機(jī)的開發(fā)

海水是自然界中儲(chǔ)量最豐富的天然電解質(zhì)，具有很強(qiáng)的腐蝕性，許多材料在海洋環(huán)境中會(huì)遭受不同程度的腐蝕破壞[1]。與碳鋼和低合金鋼相比，不銹鋼表面的鈍化膜具有較好的耐海水腐蝕性[2]。氯離子對(duì)不銹鋼的鈍化膜有腐蝕作用，海水中氯離子含量越大，鈍化膜被腐蝕溶解的速度就越快。鈍化膜被破壞后，變得更疏松，均勻性和穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致不銹鋼被海水侵蝕[3]。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有明確規(guī)定不銹鋼在天然海水中的服役期限[4]。

雖然一些非金屬材料比許多金屬材料耐海水腐蝕，但從機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性能方面考慮，金屬材料優(yōu)于非金屬材料。在滿足耐海水氯離子腐蝕和鐵精礦磨蝕的前提下，兼顧過濾機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性和生產(chǎn)制造的經(jīng)濟(jì)性，所設(shè)計(jì)的特種過濾機(jī)采用普通碳鋼、超高分子量聚乙烯和增強(qiáng)改性聚丙烯相結(jié)合的材料。超高分子量聚乙烯和增強(qiáng)改性聚丙烯具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性能，在海水中的性質(zhì)結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定。其中以超高分子量聚乙烯的耐磨性最好，在砂漿磨損試驗(yàn)中，超高分子量聚乙烯的磨損指數(shù)僅是 PA66 的1/5，是碳鋼的 1/7，是黃銅的 1/27[5]。

特種過濾機(jī)是在盤式礦用過濾機(jī)[6]的基礎(chǔ)上開發(fā)的，可以耐海水氯離子腐蝕和鐵精礦磨蝕，主要由傳動(dòng)裝置、濾盤裝置、中心軸、槽體、分配頭、吹風(fēng)裝置和導(dǎo)料裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

1.1 槽體防腐耐磨方案

槽體用于儲(chǔ)存料漿，同時(shí)也是過濾機(jī)的主要支撐部件，其他零部件安裝于其上。槽體采用下部相互獨(dú)立、上部相互連通的窄槽設(shè)計(jì)，下部相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了過濾機(jī)的自攪拌效果；上部相互連通保證了槽體內(nèi)的料漿液位保持一致，可有效改善過濾性能。槽體采用底部進(jìn)料為主、側(cè)面進(jìn)料為輔的綜合進(jìn)料方式，底部進(jìn)料可以有效降低料漿中固體顆粒的沉淀速度，獲得更好的過濾效果；側(cè)面采用矩陣式矩形流道結(jié)構(gòu)，可以增加槽體內(nèi)料漿上層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減小鐵精礦快速沉淀對(duì)過濾效果的影響，同時(shí)側(cè)面的進(jìn)料方向和濾餅的形成方向一致，有利于在濾板上形成濾餅。

圖1 特種過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of special filter

在槽體的制造、安裝和使用中，不易噴涂碳化硅材料，因焊接作業(yè)會(huì)不可避免地破壞碳化硅涂覆層，所以槽體的防腐蝕不能采用內(nèi)部噴涂碳化硅的方案?？紤]到設(shè)備需要良好的經(jīng)濟(jì)性和適用性，也不能采用316L 不銹鋼的防腐方案。槽體需要良好的耐磨性，最終確定槽體采用普通碳鋼槽體+超高分子量聚乙烯內(nèi)襯的方案。槽體由碳鋼槽體、4 個(gè)料槽內(nèi)襯 1、3 個(gè)內(nèi)襯 2 和 3 個(gè)內(nèi)襯 3 組成，如圖 2 所示。內(nèi)襯和碳鋼槽體通過強(qiáng)力膠和螺栓連接，內(nèi)襯之間通過強(qiáng)力膠連接。

圖2 槽體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of tank

1.2 中心軸防腐耐磨方案

中心軸為異型軸焊接結(jié)構(gòu)，是過濾機(jī)的主要部件。為保證整個(gè)濾盤的安裝精度，中心軸經(jīng)過精確加工，并具有很好的剛度。濾盤裝置、分配頭、傳動(dòng)裝置等分別安裝于其上。過濾中產(chǎn)生的高流速、高腐蝕性的濾液，通過中心軸的流道送至分配頭處，因而需要對(duì)中心軸的流道進(jìn)行防腐耐磨處理?；诓煌g性環(huán)境的考慮，設(shè)計(jì)了 2 種防腐耐磨方案：一是采用超高分子量聚乙烯內(nèi)襯流道的中心軸結(jié)構(gòu)，在異型流道內(nèi)部增加超高分子量聚乙烯內(nèi)襯，比較適用于舊過濾機(jī)的防腐耐磨改造和大型防腐耐磨過濾機(jī)；二是采用超高分子量聚乙烯可拆卸流道中心軸結(jié)構(gòu)，該方案的流道可拆卸，比較適用于小型過濾機(jī)。

方案 1 的中心軸結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。流道內(nèi)襯和流道結(jié)構(gòu)一致，為了便于安裝，兩者之間留有間隙，可以適當(dāng)填充黏稠劑。為了避免內(nèi)襯被真空吸變形，在內(nèi)襯內(nèi)部增加一個(gè)異型支撐框架，以增強(qiáng)內(nèi)襯的剛度和強(qiáng)度。理論上，超高分子量聚乙烯內(nèi)襯可以更換。中心軸外部通過噴涂碳化硅涂層進(jìn)行防腐耐磨處理。

圖3 超高分子量聚乙烯內(nèi)襯的中心軸結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of central shaft with UHMWPE liner

方案 2 的中心軸結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，流道由 4 個(gè)異型管和 4 根短接管通過圓錐密封管螺紋連接而成，流道依靠 4 個(gè)壓緊卡壓緊，流道出口管通過橡膠密封套和軸頸套上短管相連，一對(duì)喉箍緊固在橡膠密封套的兩端。拆下 8 個(gè)緊固螺栓和喉箍就可拆下一個(gè)流道，有利于流道的更換和維護(hù)。中心軸外部通過噴涂碳化硅涂層進(jìn)行防腐耐磨處理。

圖4 可卸流道的中心軸結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of central shaft with detachable flow passage

1.3 分配頭防腐耐磨方案

過濾機(jī)通常通過分配頭來控制物料過濾的工藝過程。分配頭上分為吸液區(qū)、吸干區(qū)和吹風(fēng)區(qū) 3 個(gè)不同的工作區(qū)，調(diào)整分區(qū)所占的角度可以調(diào)整濾餅含水率和產(chǎn)能。通過壓緊螺栓的壓緊力，來保證分配頭工作面和中心軸分配墊工作面之間的有效密封；分配頭端部裝有橡膠撓性接頭，橡膠撓性接頭與外部濾液管路相連。過濾時(shí)產(chǎn)生的濾液都要通過分配頭流道，需要對(duì)分配頭流道進(jìn)行防腐耐磨處理。根據(jù)不同腐蝕性環(huán)境，設(shè)計(jì)了 2 種方案：一是流道內(nèi)噴涂碳化硅；二是采用超高分子量聚乙烯內(nèi)襯結(jié)合碳鋼外殼的分配頭結(jié)構(gòu)。2 種方案的分配頭結(jié)構(gòu)分別如圖 5(a)、(b) 所示。

方案 1 的分配頭結(jié)構(gòu)如圖 5(a) 所示。分配頭加工完成后，首先對(duì)分配頭的流道進(jìn)行徹底的噴砂處理，然后噴涂碳化硅涂層。此方案不影響分配頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適用于舊過濾機(jī)分配頭的防腐耐磨改造。因焊接時(shí)的高溫會(huì)損壞碳化硅涂層，采用此分配頭在安裝和使用過程中，應(yīng)盡量避免焊接作業(yè)。

方案 2 的分配頭結(jié)構(gòu)如圖 5(b) 所示。分配頭分為超高分子量聚乙烯內(nèi)襯和碳鋼外殼兩部分，內(nèi)襯由超高分子量聚乙烯鑄造和拼焊而成，可耐海水腐蝕和鐵精礦的磨蝕；外殼由普通碳鋼焊接而成，可以增強(qiáng)分配頭的強(qiáng)度和剛度。內(nèi)襯和外殼通過螺栓連接。

圖5 分配頭的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of distribution head

1.4 濾盤裝置防腐耐磨方案

濾盤裝置是實(shí)現(xiàn)過濾能力的重要部件。過濾時(shí)產(chǎn)生的濾液都要通過濾盤進(jìn)入中心軸流道，需要對(duì)濾盤裝置進(jìn)行防腐耐磨處理。濾盤的扇形板采用增強(qiáng)改性聚丙烯和 316L 不銹鋼相結(jié)合的方案，扇形板的板柄和邊框采用 316L 不銹鋼材料，芯板采用增強(qiáng)改性聚丙烯材料；濾盤的其他部分如導(dǎo)軌、拉桿和緊固件均采用 316L 不銹鋼材質(zhì)?？紤]到鐵礦漿密度大的特性，在扇形板中間增加攪拌翼結(jié)構(gòu)。攪拌翼、導(dǎo)軌上的攪拌翅和槽體的窄槽結(jié)構(gòu)三者相結(jié)合的自攪拌作用，可以有效降低鐵礦料漿快速沉淀對(duì)過濾機(jī)過濾性能的不利影響。扇形板的安裝如圖 6 所示。

2 應(yīng)用實(shí)踐

該尾礦選礦廠選用 4 臺(tái) GPYK60-5 型特種過濾機(jī)，至今設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行 3 a，目前過濾機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到用戶要求，鐵精粉含水率控制在 10% 以下，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣得到的數(shù)據(jù)如表 1 所列。采用不銹鋼材料的帶攪拌功能的傳統(tǒng)60 型過濾機(jī)和 GPYK60-5 型特種過濾機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)比如表 2 所列。

通過表 1 可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，過濾機(jī)真空度越高，濾餅含水率越低；同樣真空度下，過濾機(jī)轉(zhuǎn)速越低，濾餅含水率越低。GPYK60-5 型特種過濾機(jī)可以滿足工藝水為海水時(shí)鐵精礦的過濾脫水需要。

通過表 2 可以看出，GPYK60-5 型特種過濾機(jī)在材料成本、濾餅含水率、單位能耗等各項(xiàng)指標(biāo)方面均優(yōu)于傳統(tǒng) 60 型過濾機(jī)。特別在材料成本方面，316L不銹鋼材料的價(jià)格約是普通碳鋼、超高分子量聚乙烯和增強(qiáng)改性聚丙烯復(fù)合材料價(jià)格的 3 倍，GPYK60-5型特種過濾機(jī)的單機(jī)成本相當(dāng)于傳統(tǒng) 60 型過濾機(jī)單機(jī)成本的 50% 左右。

表1 GPYK60-5 型特種過濾機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Production data of GPYK60-5 special filter

表2 特種過濾機(jī)與傳統(tǒng)過濾機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of special filter and common filter in performance indexes

3 結(jié)語(yǔ)

特種過濾機(jī)采用普通碳鋼、超高分子量聚乙烯和增強(qiáng)改性聚丙烯相結(jié)合的材料，比不銹鋼材料相對(duì)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的耐海水氯離子腐蝕和鐵精礦磨蝕的功能。實(shí)踐證明，該特種過濾機(jī)可以滿足工藝水為海水的鐵精礦過濾脫水的需要。同時(shí)，特種過濾機(jī)也可以應(yīng)用在酸法粉煤灰提鋁環(huán)保工業(yè)、焦化廠硫泡沫分離工業(yè)、濕法煉鋅工業(yè)、電鍍行業(yè)、廢酸回收等類似工藝條件的行業(yè)中。