于 勇 馬學(xué)毅

(北方重工集團有限公司礦山機械分公司)

大型漿體輸送攪拌槽槽體的設(shè)計

于 勇 馬學(xué)毅

(北方重工集團有限公司礦山機械分公司)

以某選礦廠φ12.7 m×13 m大型攪拌槽為例，結(jié)合設(shè)計與實踐，介紹了大型攪拌槽槽體的設(shè)計要點和計算方法，為技術(shù)人員設(shè)計大型攪拌槽槽體提供了參考借鑒。

攪拌槽 筒體 擋板 底板

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，操作穩(wěn)定等優(yōu)點而廣泛應(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]。我國攪拌槽從70年代開始引進國外相關(guān)技術(shù)，經(jīng)消化吸收后開發(fā)設(shè)計出來，其規(guī)格主要是φ5 m以下的藥劑攪拌槽和礦漿攪拌槽。隨著漿體管道輸送技術(shù)的發(fā)展，小型攪拌槽處理量已不能滿足設(shè)計要求，大型攪拌槽逐步被開發(fā)設(shè)計出來。目前，齊大山選廠的φ16 m×16 m攪拌槽為國內(nèi)最大規(guī)格，太鋼尖山鐵礦的φ12.6 m×12.6 m攪拌槽是國內(nèi)首例用于鐵精礦管道輸送工程的，這2種規(guī)格的攪拌槽槽體都是國內(nèi)制作，核心部件傳動裝置(驅(qū)動裝置和葉輪)均是國外進口，其價格昂貴，成本較高。為此，本文以某選礦廠φ12.7 m×13 m大型攪拌槽為例，介紹槽體的設(shè)計要點和計算方法，該大型攪拌槽主要用于輸送前的鐵精礦漿的儲存、攪拌和混勻，該大型攪拌槽整機均由國內(nèi)加工制造，擺脫了進口傳動裝置和葉輪的困局，并在選礦廠一次試車成功，達到了漿體輸送的工藝要求。

1 大型攪拌槽的工作原理及工藝條件

1.1 攪拌槽的工作原理

攪拌槽內(nèi)的礦漿受雙葉輪的推動力與攪拌作用，使中心部位礦漿由上向下流動，并向周邊擴散，遇到阻尼板后使礦流的旋轉(zhuǎn)運動減弱并產(chǎn)生紊流，形成充分混合懸浮的力場，使礦漿得以均勻混合。大型攪拌槽的主要特點有：①有效容積大(400～700 m3)，占地面積小，可節(jié)省投資、節(jié)約能源；②減速箱采用平面二次包絡(luò)蝸桿蝸輪傳動，效率高；③攪拌葉輪有螺旋槳式和斜槳式2種，可根據(jù)作用不同和需要的攪拌強度選定；④筒體和葉輪有耐磨防腐襯料。

1.2 攪拌槽的工藝條件

φ12.7 m×13 m攪拌槽用于鐵礦漿管道輸送前的礦漿儲存，保持礦漿均勻的懸浮。槽體直徑為12.7 m，高度為13 m，有效容積為1 319 m3。物料為磨細后鐵精尾礦，礦漿濃度為36%，給礦量為 850 m3/h，干礦量為395.83 t/h，尾礦密度為 2.875 t/m3，室外安裝，具有每天24 h連續(xù)處理礦漿的能力，全年作業(yè)率≥98%。

2 槽體設(shè)計

攪拌槽槽體采用不同厚度的鋼板拼接而成，槽體內(nèi)設(shè)有擋板，擋板的作用是防止槽體內(nèi)的礦漿形成圍繞槽體中心環(huán)流運動，促使礦漿自下向上的循環(huán)流動，從而礦漿沿槽體上下形成濃度均勻分布，同時可減小礦漿對槽體內(nèi)壁的磨損。橋架采用整體桁架式結(jié)構(gòu)，并配有電動葫蘆及軌道，以便維修使用。槽體底部設(shè)置下部支座，用于防止主軸偏心引起較大的振動。

2.1 筒體設(shè)計

在設(shè)計攪拌槽的筒體時主要考慮的因素有：①受槽體內(nèi)物料運動及攪拌裝置葉輪旋轉(zhuǎn)引起的動載荷影響，壁板要有足夠的強度及剛度；②壁板腐蝕裕量；③焊接形式。

攪拌槽壁板受礦漿運動的影響，壓力和動載荷為距底板最大，并逐漸向上減小，壁板采用不同厚度鋼板制作，因此應(yīng)以最底鋼板厚度為基礎(chǔ)進行設(shè)計。鋼板材質(zhì)選用Q235-B，每端鋼板的設(shè)計計算可按下式[2]計算：

(1)

式中，Pc為計算壓力，MPa；Di為筒體內(nèi)直徑，mm；[σ]t為設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，mm；δ為筒體的計算厚度，mm。

根據(jù)公式(1)計算，Pc=0.25 MPa，Di=1.27×104mm，[σ]t=132 MPa，φ=0.7 mm，經(jīng)計算槽體最底端筒體鋼板厚度為17 mm。

根據(jù)槽體內(nèi)儲液、液面以上蒸汽、大氣環(huán)境的影響和工藝條件，每層壁板的腐蝕裕量取2 mm，由于在工程實際中鋼板焊接及安裝的影響，并查機械材料手冊，鋼板厚度δ為20 mm。筒體高度方向分7段，底板向上3段鋼板寬度為1 800 mm，每端鋼板厚度分別為δ20 mm，δ20 mm，δ18 mm，后4段鋼板寬度為1 900 mm，每端鋼板厚度分別為δ16 mm，δ16 mm，δ14 mm，δ14 mm。筒體鋼板拼接形式和焊接要求按圖紙要求標準執(zhí)行，特別是對筒體的圓度和垂直度精度要求。鋼板對接焊縫錯邊量<3 mm，筒壁垂直度<20 mm，同時為防止筒體變形，減小攪拌槽運行時對槽體的振動，根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗，橫焊質(zhì)量較難掌握，橫焊容易產(chǎn)生氣孔等特點，故對筒體焊接順序和焊接方法確定如下方案。

鋼板長度方向拼接的縱向焊縫全部采用全焊透形式(見圖1，焊接破口參數(shù)值見表1。)，并且上下鋼板的縱向焊縫相互錯開500 mm以上。槽體高度方向壁板組立方法由上向下逐圈焊接，先組立槽體最上面環(huán)形壁板，待整圈環(huán)形壁板組立好后，整體頂起，按此方法依次交替進行，直到最底層壁板組立焊接完畢。環(huán)形焊縫全部采用全焊透形式，槽底壁板內(nèi)部對齊方式見圖2。槽體焊縫進行100%目視檢驗，焊縫質(zhì)量等級按ISO 5817—2003C級執(zhí)行，焊縫進行泄露檢驗，避免出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

圖1 縱向焊縫破口形式(單位：mm)

表1 焊接破口參數(shù)值 mm

注：a、b見圖1所示。

圖2 環(huán)向焊縫破口形式(單位：mm)

2.2 擋板設(shè)計

擋板是一種重要的槽體附件，擋板的結(jié)構(gòu)形式有豎式擋板、底擋板和指形擋板等3種， 其中豎式擋板最為常用，一般是指長條形的豎向固定在槽體內(nèi)壁上的板。礦漿在葉輪的作用下，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)方向一起運動，在離心力的作用下礦漿從槽體底部中心自下向上循環(huán)運動， 通常稱為“打漩區(qū)”。由于不能形成一定流向的紊流，因此需加入一定數(shù)量的擋板。擋板把礦漿切向運動改變?yōu)閺较蜻\動和軸向運動。加強提高葉輪的剪切性能，可使礦漿形成大小循環(huán)，從而改善礦漿的攪拌效果。擋板的結(jié)構(gòu)和數(shù)量是影響混合效果的主要因素。擋板數(shù)量過多將減少槽體內(nèi)礦漿的流動方向，降低了礦漿的流速，把攪拌混合限制在部分區(qū)域內(nèi)，達不到良好的混合效果。擋板的安裝方式不是隨意的，它們都會影響流型和動力消耗。適當?shù)膿醢鍡l件所提供的流型能夠帶動全槽的物料運動，確保充分混合；而過多的擋板，即攪拌槽的過擋板化，將減少總體流動，并將混合局限在局部區(qū)域，導(dǎo)致不良的混合性能[3]。

擋板寬度Wb為槽體內(nèi)壁直徑的1/2～1/12， 當攪拌槽體直徑D≤1 000 mm時，擋板數(shù)量為2～4塊，D>1 000 mm時，擋板數(shù)量為4～6塊。當?shù)V漿中含有固定微?；蝠ざ容^大時，豎擋板應(yīng)離開內(nèi)壁一段距離，以避免固體微粒的堆積或物料的黏附，經(jīng)過實踐，間隙一般選取為0.2Wb[4]。

根據(jù)上述理論，槽體內(nèi)擋板數(shù)量為6塊，采用沿圓周方向均布，寬度Wb=1/2～1/12，攪拌槽直徑D=12.7 m，擋板最小寬度為6 350 mm，擋板最大寬度為1 058 mm，所以擋板寬度為1 025～6 350 mm。根據(jù)實際經(jīng)驗，將擋板寬度調(diào)整為Wb=1 000 mm時，擋板與槽體的間隙S=0.2Wb=200 mm，所以相應(yīng)擋板的寬度應(yīng)為800 mm。擋板在攪拌槽體內(nèi)的高度，一般擋板上緣與攪拌槽體內(nèi)的液面平齊，當?shù)V漿內(nèi)含有輕質(zhì)易浮而不易混合的固體時，擋板上緣可低于礦漿液面100～150 mm。擋板下緣一般與槽體底板距離為200 mm。如果希望將槽體底部介質(zhì)中的較重物料沉降分離出來，則可將擋板下緣設(shè)置得高于攪拌葉輪，從而使槽體底部維持水平回轉(zhuǎn)流，以有利于較重物體的沉降。

2.3 槽體底板設(shè)計

徑向槽體底板的徑向?qū)挾葢?yīng)確保在槽體壁內(nèi)側(cè)至槽體底其余部分搭接接頭之間提供至少600 mm的寬度，環(huán)形槽體底板伸出槽體壁的寬度應(yīng)符合API STANDARD 650中的規(guī)定。環(huán)形邊緣板需要有更大的徑向?qū)挾?，環(huán)形邊緣板的環(huán)應(yīng)具有圓形外緣，也可以用對接的整塊底板代替邊緣板，但在管壁內(nèi)側(cè)可以是正多邊形，邊數(shù)與環(huán)形邊緣板的塊數(shù)相等，各塊環(huán)形邊緣板之間應(yīng)符合API STANDARD 650中焊接的規(guī)定。環(huán)形槽體底板其采用以中間六邊形底板為中心，并輻射6塊相應(yīng)鋼板的布置形式(見圖3)，其材質(zhì)為Q235-A。其中正六邊形底板見圖4，輻射6塊底板見圖5。

圖3 槽體底板布置形式

圖4 底板1

圖5 底板2

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

目前，該攪拌槽已在某選礦廠成功安裝、運行。經(jīng)過半年的運行，其狀態(tài)良好且效果顯著，同時槽體上安裝的傳動裝置及攪拌軸未出現(xiàn)擺動，槽體未出現(xiàn)震動及滲漏現(xiàn)象，通過多次抽取礦漿進行工藝指標分析，完全滿足漿體輸送的要求。

4 結(jié) 語

以φ12.7 m×13 m大型漿體輸送攪拌槽為例，介紹了攪拌槽槽體的設(shè)計方法并提供了槽體壁厚計算相應(yīng)的計算公式。通過現(xiàn)場實際安裝及應(yīng)用表明，該攪拌槽的設(shè)計理論及方法有效保證了攪拌槽設(shè)計的可靠性，為該類攪拌槽槽體的設(shè)計提供了參考借鑒。

[1] 張慶華，毛在砂，楊 超，等.一種計算攪拌槽混合時間的新方法[J].化工學(xué)報，2007，58(8)：1891-1896．

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化委員會.NB/T 47003.1—2009 鋼制焊接常壓容器[S].北京：中國人民共和國發(fā)展和改革委員會，2010.

[3] 佟立軍.機械攪拌槽擋板的研究[J].有色設(shè)備，2005(3):17-19.

[4] 鐘國英.大型攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的探索[J].南方農(nóng)機，2007(1):40-41.

2015-01-27)

于 勇(1980—)，男，主任，工程師，110041 遼寧省沈陽市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)開發(fā)大路16號。