新型矿用过滤机的设计及应用

2021-07-28王新昌解华华

矿山机械 2021年7期

王新昌，解华华，宋虎

1中信重工机械股份有限公司河南洛阳 471039

2洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳 471039

3矿山重型装备国家重点实验室河南洛阳 471039

立盘真空过滤机是金属选矿厂精矿过滤应用较多的脱水设备之一，易于实现大型化，已经广泛应用于国内外选矿厂，尤其是铁矿石选厂，大部分都采用了立盘真空过滤机[1]。由于铁精矿含水率偏高，运输极其困难，导致生产和运输成本增加[2]。随着矿物粒度越来越细，选矿产品的过滤变得日益困难，因此不断适应越来越细的物料过滤是国内外选矿厂的一项重要任务。传统矿用立盘真空过滤机无法满足细粒物料过滤的生产要求，且无法有效降低铁精矿的含水率，亟需在传统矿用立盘过滤机基础上研究开发出一种能够处理细粒物料的新型矿用过滤机。

1 研发的必要性

1.1 市场需求

首钢京唐公司选矿作业区主要处理高硫磁铁矿，向球团作业区供应铁精粉。球团矿量需求达到 1 200万 t，对造球所需的细铁精粉需求量较大。目前细铁精粉总体资源种类较少，受市场价格波动影响较大。国内外市场上烧结用矿粉资源供应量多，价格也相对低廉，将烧结用矿粉用于球团造球，不仅能弥补现有

造球用细铁精粉的缺口，而且能降低生产成本。然而烧结粉粒度较粗、品位低、成球性差，需要细磨后配加以优化成球性能，才能满足造球要求。对此，首钢京唐公司进行了 4 种烧结用矿粉的细磨造球试验，细磨的巴西烧结矿在 30% 配比以下，球团焙烧和焙烧球抗压强度能满足生产要求。根据京唐公司球团作业区需求及选矿作业区现状，初步确定改造后选矿作业区生产含水率不高于 10% 的巴西烧结矿细粉100 万 t/a。鉴于对含水率和处理细粒物料的要求，首钢矿业公司铁精矿过滤车间最终选用两套针对性研发的 GPYK160-8 新型矿用过滤机系统。设备设计要求：给矿质量分数不低于 55%；给矿粒度小于 45 µm占比不低于 80%，小于 13 µm 占比不高于 20%；滤饼产能不低于 0.35 t/(m2·h) (干基)，滤饼含水率低于10%。

1.2 物料粒度和脱水特性研究

为保证所研发设备的有效性，首先对用户提供的物料进行粒度分析，结果如表 1 所列。

表1 铁精矿物料激光粒度分析结果Tab.1 Laser particle size analysis results of iron concentrate

由表 1 可知，铁精矿产品粒度组成中，颗粒小于45 µm 占比 87.2%，小于 13 µm 占比 3.94%。物料粒度较细，这是制约过滤机产能的关键，因此所开发的过滤机必须适应这种细粒物料。

选取新型专用滤布，在不同条件下进行脱水试验，结果如表 2 所列。从试验结果可知，该物料具有一定的过滤性能，容易脱饼，并且滤饼较厚、含水率较低，产能较稳定。采用带有框架层的刮刀卸料和高压风反吹的综合卸料方式，滤饼含水率为 8.63%～ 9.73%，同时滤饼的单位平均产能为 0.35～ 0.47 t/(m2·h)。

表2 脱水试验结果Tab.2 Results of dewatering test

2 新型矿用过滤机的开发

2.1 工作原理

新型矿用过滤机运转时，借助真空泵的抽气作用形成负压，在吸液区铁矿料浆被吸向滤布，固体颗粒在滤布上形成滤饼，滤液经过中心轴流道，由气水分离器排出。当扇形板离开料浆液面进入吸干区时，继续与真空相连使滤饼含水率持续降低[3]。当扇形板进入卸料区时，通过刮刀把一部分滤饼刮落，带料很薄时通过滤布再生形成新的滤饼。真空泵对滤饼的形成和滤液的排放有重要影响，抽气量的大小、真空度的高低直接影响过滤机性能。受现场条件的限制，滤液系统无法采用自排方式，而采用滤液泵强制排放。将气水分离器与滤液泵相连，在气水分离器上安装液位计，通过滤液泵的抽吸作用达到强制排液目的。通过对真空泵、滤液泵的合理搭配，确定了最佳的配气比，为过滤机的设计提供了依据。

2.2 新型矿用过滤机的研发

新型矿用过滤机是在传统矿用立盘过滤机[4-5]的基础上，结合多项独创的过滤技术，专门针对精矿脱水开发的，可以处理细颗粒物料。其主要由传动装置、扇形板装置、中心轴、槽体、分配头、吹风装置和卸料装置等部分组成，如图 1 所示。

图1 新型矿用过滤机的结构示意Fig.1 Structural sketch of new-type mine-used filter

2.2.1 矿浆进料方式

矿浆颗粒的粗细是影响过滤效果的重要因素之一[6]。颗粒越细，越难过滤，滤饼越薄，不仅增加滤饼含水率，导致脱饼困难，过滤机产能下降，而且随着矿浆黏度的增大，还会堵塞滤布，很难过滤。

矿浆由多种粒度的物料构成，成分复杂，根据铁精矿的分层过滤试验，相对于传统的过滤方式，在同样的过滤条件下，分层过滤能够提高设备产能，降低滤饼含水率，因而新型矿用过滤机采用分层过滤方式过滤。分层过滤主要通过料浆的粗细颗粒分区进料来实现。粗细颗粒分区进料主要采用 3 处进料相结合的方式，如图 2 所示。

图2 粗细颗粒分区进料示意Fig.2 Sketch of partition feeding of coarse and fine particles

在料浆进入过滤机前，为使物料的粗细颗粒分级，粗颗粒从过滤机的侧部即卸料侧给入，扇形板表面首先由粗颗粒构成滤饼的框架层，待扇形板转至另一侧，细粒级的物料附着在框架层上，使滤布不易被堵塞，滤饼吸附得更厚。采用粗细颗粒分区进料，能够降低物料的快速沉淀对过滤产生的不良影响，提高设备产能且降低滤饼含水率。

槽体采用下部单槽上部贯通的结构，可使槽体内的料浆液位保持一致，有效地改善过滤性能。将进料分为 3 部分：一是从底部进料，主要进粗细混合料；二是从卸料侧的上部进粗颗粒物料；三是从踏板侧上部进细颗粒物料。底部进料的目的是为了将槽体内沉淀的铁粉冲起，增强过滤机的搅拌性能，所以底部进料需要具有很高的进料压力；侧部进料的目的是为了增加槽体上部料浆的质量分数，由于侧部进料的方向和滤饼的形成方向一致，因此有利于形成滤饼。由于进料量少或者料浆不稳定时，槽体内液位明显降低，导致扇形板不能被完全浸没，降低了真空度。采用侧部进料可以使扇形板表面吸附的料浆均匀，维持较高的真空度，有效降低滤饼的含水率。

2.2.2 新型卸料方式

传统立盘真空过滤机主要通过吹风卸料，当扇形板上的滤饼形成一定厚度需要脱饼时，使真空区外接压缩空气卸料，空气的进入使负压变为常压，从而对物料进行振动松脱，形成卸料。铁精矿颗粒细，物料黏性大，需要大量高压风，能耗较高，采用吹风卸料效率低，产能降低，需要更为有效的卸料方式。

分层过滤的滤饼框架层是粗颗粒，框架层表层是细颗粒，因此脱饼时首先通过刮刀把表面的细颗粒滤饼刮落，框架层滤饼作为毛细孔介质进入浆液继续吸附矿浆，进行循环运转，直至框架层毛细孔被堵塞，带料很薄时，通过滤饼再生，形成新的框架层滤饼。采用刮刀卸料，滤布在运行一段时间后会出现堵塞情况，一组滤盘上的扇形板连续重生会导致液位大幅下降，影响过滤机的正常运转，因此设计了刮刀卸料和高压风间隔反吹综合卸料相结合的方式。高压风间隔反吹系统采用电磁阀加接近开关控制，主轴设置有触点，每次接近开关接触到触点即输出一个接近开关信号。接近开关第一个信号控制电磁阀第一次打开，然后中间间隔 N 个信号控制电磁阀第二次打开，依次执行，直至每块扇形板上的滤饼均被吹落。根据实际情况设定间隔参数，调整吹风切换，实现滤布重生。传统矿用立盘过滤机真空泵的配气比都在 1.5 左右，新型过滤机通过采用刮刀卸料和高压风间隔反吹综合卸料的方式，真空泵配气比可以降到 0.5 左右，有效地降低了真空泵的能耗，而且还能保持高真空，降低了滤饼含水率。

2.2.3 新型扇形板固定结构

扇形板固定在中心轴上，工作时随中心轴一起转动。由于受到弯矩、转矩及剪切力等的综合作用，为了保证整个盘面的平面度，提高运转的稳定性，底部固定必须精确牢靠。

为了实现刮刀卸料和高压风间隔反吹综合卸料，要求盘面偏摆量特别小，因此设计了一种新型扇形板固定结构。扇形板柄根部为锥形，扇形板和中心轴依靠活接螺母紧固，待紧固到位后，扇形板和中心轴通过锥形结构实现对中，如图 3 所示。该结构简单，方便拆装，能保证滤盘的平面度和直线度。