一种尾矿叶轮刮板式浮选机的综合控制开发

罗继军

（陕西国防工业职业技术学院 陕西 西安 710300）

1 引言

目前在矿业选矿中最常用的选矿-提纯方法有以下四个方法：①重力选矿法（简称重选法）；②浮游选矿法（简称浮选法）；③磁选法；④化学选矿与化学提纯。其中，重选是根据相对密度（或密度）不同的矿物在介质（水、空气或重介质)中运动速度和运动轨迹的不同，而达到分选的方法。矿物分为强磁性矿物、弱磁性矿物和非磁性矿物。磁选是根据矿石中矿物选性差异，在不均匀磁场中实现矿物分离的选矿方法。化学选矿是利用化学作用将矿石中的有用成分提取出来，或将矿石或矿物中的有害杂质除去的方法，这种方法可以起到机械选矿方法难以达到的效果，但成本相对较高。浮选设备包括浮选机和浮选辅助设备(搅拌槽和给药机等)，通过搅拌和充气，使欲浮目的矿物附着于气泡上形成矿化泡沫层，泡沫用刮板刮出或以自溢的方式溢出，即得泡沫产品，而非泡沫产品则自槽底排出，效率高，对环境较为友好，故较为常用。

浮选设备包括浮选机和浮选辅助设备(搅拌槽和给药机等)，浮选机是浮选工艺中重要的设备，决定着浮选进程和主要工艺指标。其工作原理是通过搅拌和充气，使欲浮目的矿物附着于气泡上形成矿化泡沫层，泡沫用刮板刮出或以自溢的方式溢出，即得泡沫产品，而非泡沫产品则自槽底排出。浮选技术经济指标的好坏，与所用浮选机的性能密切相关。故浮选机是矿业生产中精矿主要提纯，形成高精度矿物产品的主要机械，浮选机由三相异步电动机启动后，带动主动轮，并通过叶轮开始旋转，由叶轮旋转所产生的离心，在浮选机腔室底部产生工作负压[1]。其工作方法是一方面将原料和相关药剂混合，经预处理使两者充分混合后送入浮选机的第一室的槽底下，在槽底部由叶轮旋转在腔式中产生负压，使得在第一室槽底下和槽中的混合物分别由第一腔室中叶轮的下吸口和上吸口进入混合区。在原料进入混合区的同时，带动空气沿导气套筒进入混合区，使三者在混合区内进行充分混合，而另一方面通过搅拌使混合物中产生气泡并将气泡粉碎，在定子和扰流板的作用下，使混合物均匀地散布于浮选机槽体截面，同时使其不断向上移动进入分离区。在分离区中，通过富集过程，是混合物表面形成泡沫层，通过刮泡机构的重复进给运动将其排出，产生精煤泡沫[2]。

2 结构设计与工作过程

2.1 结构总成

本文通过借鉴设计一种尾矿叶轮刮板式浮选机，工作过程大致为以下步骤：（1）将原料和相关药剂混合，经预处理使两者充分混合后送入浮选机的第一室的槽底下，在槽底部由叶轮旋转在腔式中产生负压，使得在第一室槽底下和槽中的混合物分别由第一腔室中叶轮的下吸口和上吸口进入混合区。在原料进入混合区的同时，带动空气沿导气套筒进入混合区，使三者在混合区内进行充分混合[3]。通过浮选机叶轮旋转产生离心力，使混合物进入矿化区。通过搅拌使混合物中产生气泡并将气泡粉碎，在定子和扰流板的作用下，使混合物均匀地散布于浮选机槽体截面，同时使其不断向上移动进入分离区。在分离区中，通过富集过程，使混合物表面形成泡沫层，通过刮泡机构的重复进给运动将其排出，产生精煤泡沫。（2）在腔室槽底上面未被吸入的混合物中的煤渣将再次经历吸入，混合、矿化和分离等过程，进入新的浮选循环。在腔室槽底下未吸入的混合物，将通过预先设计的矿箱进入浮选机第二室的槽底下，完成浮选工作[4]。

2.2 工作过程

首先将粗矿粉与水溶液充分混合后经给矿箱、给矿管送入到设备中，此时液位不断升高，当液位升高至一定位置时，液位传感器感应后启动电机，经三角皮带带动，左皮带罩和右皮带罩内的从动带轮开始旋转，这时给矿箱底部的叶轮开始高速旋转并产生振动，在底部形成大量丰富且细腻的气泡，这些气泡和相对粘稠的矿浆形成黑色的泡沫群，此时刮板附件、刮板传动装置和刮板带罩带动整个刮板开始逆时针旋转，旋转过程中将浮在表面的矿浆泡沫刮出，这些刮出的泡沫就是经过烘干、成型后就成为了精矿的主要原料，其余的矿浆与矿渣经尾矿箱、中矿管继续回流搅拌，与此同时，外界不断通过给矿箱、给矿管将新的矿浆注入，继续进行发生负压气泡、搅拌矿浆、刮板输出精矿浆、余浆回流搅拌的过程，直至将较大的矿粉颗粒和杂质经尾矿管排除，形成粗矿浆，这些粗矿浆经风干、硬化后作为一些粗矿料可以用于一些民用生产中，通过周而复始的运行，经浮选机形成了粗、精两种矿料基础，用于不同的工业、民用生产中。

2.3 工作参数选择

如表1所示，具体结构参数内容为：

表1 尾矿叶轮刮板式浮选机主要参数

（1）有效容积“m3”：浮选机正常工作时，所能装下的矿浆体积，有效容积越大，处理能力就越强，刮板输送的精矿浆就越多，但是过大的有效容积会造成设备体积过大，矿浆还未形成丰富的泡沫就被刮出，影响精矿浆的质量，本文所设计的浮选机主要用于小型矿场，有效容积定于20 m3。

（2）处理能力“m3/min”：浮选机在正常工作时，单位时间内通过浮选机的矿浆体积，经与设备的有效容积经过计算为16.8 m3/min，而其处理能力范围经西门子MM420变频器调节可调整范围在5～20 m3/min之间。

（3）叶轮直径“mm”：叶轮的大小与浮选机的搅拌强度和充气性能有关，经计算查找手册为700 mm。

（4）叶轮转速“r·p·m”：叶轮转速越高，搅拌强度越大，矿浆与气泡混合程度越好[5]，但是叶轮的转速过大，可能导致已经附着在气泡上的疏水性颗粒被脱落，导致液面和泡沫层的紊动，从何使浮选指标变差，相对折中的转速为180 r·p·m，由电机带动减速器调整。

（5）搅拌电机功率“kw”：大规格的浮选机选用大功率的搅拌用电机功率，小规格的浮选机选用小功率搅拌用电机功率，本文选用30 kw三相异步电机。

（6）刮板电机功率“kw”：刮板功率较小，且随浮选机规格增大而波动不大，一般都为1.5 kw左右[6]。

3 控制系统设计

3.1 整体控制设计

设备整体采用西门子PLC控制系统（西门子公司提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。S3、S5系列PLC已逐步退出市场，停止生产，而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而TDC系统沿用SIMADYN D技术内核，是对S7系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统最尖端，功能最强的可编程控制器），稳定可靠，采用触摸屏配合MCGS组态软件进行监控并实时反馈，操作更加方便、运行监控过程更加直观，在主要位置上安装热传感器、接近开关、速度继电器等窗安装之后可以保证准确的定位，在过载、短路、强力矩冲击等情况下实现自动报警、自动停机甚至自动断电等保护功能，特别是加装缺料报警装置，减低损耗。总控制柜接线如图1所示[7]。

图1 电气柜内部接线图

3.2 搅拌电机与刮板电机控制

控制系统均采用PLC控制，结合液位传感器、行程开关、热继电器等输入装置，考虑过载、颠覆力矩、冲击载荷等因素，将搅拌电机PLC外部接线，刮板用电机PLC外部接线，将其控制过程分为两个PLC单独控制主要考虑到实际运行过程中出现一个故障，另外一个不会受到影响，也可以根据实际情况选用更高等级PLC加扩展模块（主要包括数字量模块，模拟量模块，运动控制模块和通讯模块等；另外，CU扩展卡插槽内可扩展存储卡或电池卡或时钟电池卡）。

4 结语

浮选机是浮选工艺中重要的设备，决定着浮选进程和主要工艺指标，本文通过借鉴设计一种尾矿叶轮刮板式浮选机，并进行了综合控制开发，整体采用西门子PLC控制系统，采用触摸屏配合MCGS组态软件进行监控并实时反馈，操作更加方便、运行监控过程更加直观，运行更加安全稳定，具有良好的应用价值。