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(jì)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(jì)方法，利用攪拌槽設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)公式確定主要技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，為技術(shù)人員設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)出來的。由于我國對(duì)攪拌槽設(shè)備的研究比較少，相關(guān)理論和計(jì)算公式不夠詳實(shí)，目前設(shè)計(jì)的主要方法是與國外新型產(chǎn)品進(jìn)行類比，再結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)攪拌槽進(jìn)行校核和優(yōu)化。本文以為某選礦廠設(shè)計(jì)的φ4 500 mm×4 500 mm攪拌槽為例，通過計(jì)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(shí)驗(yàn)證主軸轉(zhuǎn)速的合理性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，繪制轉(zhuǎn)速對(duì)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(yàn)證技術(shù)參數(shù)的合理性。

1 攪拌槽的工作原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 工作原理

攪拌槽機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)上的小皮帶輪傳至傳動(dòng)軸上的大皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)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(shí)，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(dòng)(見圖1)。當(dāng)?shù)V漿的上升流速度大于礦粒的沉降速度時(shí)，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(dòng)機(jī)型號(hào)為YPT-315-L2-6、功率為22 kW、轉(zhuǎn)數(shù)為 990 r/min、齒輪箱型號(hào)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(chǔ)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(tái)、支座、減速器、皮帶輪、電動(dòng)機(jī)、溢流口等結(jié)構(gòu)組成。

2 技術(shù)參數(shù)的確定

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(dòng)，物料的主流方向是徑向的，傾斜葉片葉輪產(chǎn)生軸向流動(dòng)，物料的主流方向是軸向流動(dòng)，軸向流動(dòng)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(yàn)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(shí)間的一個(gè)重要參數(shù)，Rao等[2]和Brennan等[3]考察了攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)混合時(shí)間的影響。考察結(jié)果表明：隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大，混合時(shí)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(shí)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(yàn)證轉(zhuǎn)速的合理性

上述參數(shù)確定后，在理論上可驗(yàn)證，因?yàn)樵摰V漿黏度值很小。雷諾數(shù)Re=ρ·N·Di/u>1 000(紊流流動(dòng))。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(jì)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(jì)，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(jì)算得到Pg=11.5 kW?？紤]電機(jī)在啟動(dòng)瞬間電流比較大，電機(jī)及減速器傳動(dòng)效率及礦漿濃度的變化，防止驅(qū)動(dòng)裝置損壞等嚴(yán)重事故，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選用電機(jī)功率為22 kW(或18.5 kW)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

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(shí)，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(shí)，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(yàn)和數(shù)據(jù)分析。

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、測(cè)定及分析

為便于對(duì)槽體內(nèi)的礦漿測(cè)定，將槽體取樣位置分成5個(gè)層面進(jìn)行編號(hào)(見圖2)。在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn))考核攪拌槽內(nèi)各斷面礦漿濃度和粒級(jí)分布情況及在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)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(duì)濃度、細(xì)度的影響 %

取樣位置編號(hào)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(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)作相應(yīng)的關(guān)系影響分析，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)濃度在槽體內(nèi)分布的影響曲線見圖3，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)，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(duì)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(duì)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。

4 結(jié) 論

(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(jì)攪拌槽所需要的經(jīng)驗(yàn)公式；通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用表明，該攪拌槽設(shè)計(jì)理論及方法有效保證了攪拌槽設(shè)計(jì)的可靠性，為技術(shù)人員設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)大型漿體輸送攪拌槽時(shí)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(jì)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(hào)。