董春偉 單紹雷 楊永恒 苑春暉 王樹江

(長春工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

伊利石礦土打漿生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)*

董春偉**單紹雷 楊永恒 苑春暉 王樹江

(長春工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

對伊利石礦土水力打漿生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了年處理礦土量5萬噸設(shè)備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。轉(zhuǎn)筒筒體直徑3m，長10m，螺旋推進(jìn)板高0.5m，相鄰板間距0.5m，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速0.3m/s。同時(shí)，對設(shè)備主要部件進(jìn)行特別說明，提出了設(shè)備制造、安裝和操作時(shí)需注意的問題。設(shè)備投運(yùn)后，礦土處理速度為25～30t/h，水消耗量60t/h，每小時(shí)電消耗量42.2kW·h，漿體固含量17～19g/L，30min漿液沉降物14.7g/L，漿液中伊利石粒度不大于0.125mm。整套設(shè)備協(xié)調(diào)性好，運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)性強(qiáng)。

打漿過濾設(shè)備 伊利石礦土 設(shè)備設(shè)計(jì)

伊利石是一種片層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽[1]，廣泛應(yīng)用于陶瓷、建筑、造紙及化工等行業(yè)[2～7]。我國伊利石儲(chǔ)藏量較大，分布范圍也比較廣泛，但優(yōu)質(zhì)礦資源已開采殆盡。伊利石多以礦石形式存在，采出后要經(jīng)破碎、球磨及剝片等工序，變成細(xì)小顆粒物后再應(yīng)用。吉林省延邊地區(qū)經(jīng)過多年勘測，發(fā)現(xiàn)一種不同以往的粘土狀伊利石礦土，儲(chǔ)量達(dá)1.4億余噸，經(jīng)測試，粒度小于0.150mm的伊利石占45%左右。利用伊利石的首要步驟是將它從礦土中提取出來，由于此地礦土呈粘土狀，現(xiàn)有的礦石提取工藝不能滿足提取需要。前期研究解決了小批量的生產(chǎn)要求[8]，但由于產(chǎn)能擴(kuò)大，這種機(jī)器的處理量遠(yuǎn)不能滿足目前處理量需要，同時(shí)還需兼顧單次裝料量增加、過濾出的顆粒物分級應(yīng)用及生產(chǎn)的連續(xù)性等，因此，筆者參考原有設(shè)備，設(shè)計(jì)出了新的打漿過濾設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)與要求

設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下：

a. 礦土特點(diǎn)。粘性土礦，形狀不規(guī)則，土塊大小不均，多數(shù)為大塊，易于粘附，密度在2 000～2 400kg/m3。

b. 年處理量和生產(chǎn)時(shí)間。年處理量5萬噸；由于季節(jié)性原因，每年生產(chǎn)180天，每天生產(chǎn)12h。

c. 粒度要求。礦土中含有粒度大小不等的諸如石塊、植物根莖及石英等混合物，在打漿過濾過程中，需要同步實(shí)現(xiàn)不同粒度顆粒之間的分離。漿液中顆粒粒度小于0.150mm(特殊要求小于0.007 5mm)和0.150～2.000mm左右的顆粒單獨(dú)分離，2～10mm左右的顆粒物單獨(dú)分離，直徑10mm以上的(包含大石塊等)在同一級中分離。

d. 漿體固含量。漿體中固含量越大，對后期操作越有利，但漿體固含量過大會(huì)造成其流動(dòng)性變差，因此操作中漿體固含量不小于15g/L。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1設(shè)備主體結(jié)構(gòu)

伊利石礦土粘性較大，剛采出的礦土水含量在17%～18%左右，由于有石塊等雜質(zhì)，比一般粘土塊硬，不易破碎，用機(jī)械粉碎手段無法粉碎。將礦土自然干燥后粉碎，一方面時(shí)間極長，塊大的要兩個(gè)月左右；另一方面，干燥粉碎會(huì)使粉碎后的粉料中含有較多雜質(zhì)。因此，在研究的初期就決定采取水力粉碎，并制造了小批量的生產(chǎn)裝置[8]?，F(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)出圖1所示的打漿設(shè)備(主視圖)。

圖1 伊利石礦土旋轉(zhuǎn)打漿機(jī)主視圖

設(shè)備底架主要作為支撐轉(zhuǎn)筒支架的底面，并固定帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)；用除鐵后漿體接收斗收集伊利石漿體，并由此流入漿體接收槽；漿體除鐵機(jī)利用高磁磁鐵對鐵氧化物、鐵鹽具有一定磁吸能力，從而使鐵化合物從漿液中分離出去；轉(zhuǎn)筒支架主要支撐轉(zhuǎn)筒；石頭接收斗的作用是接收從轉(zhuǎn)筒出口中流出的石塊，并由此流入收集車中，伊利石礦土中含有尺寸不一的石塊，水沖散礦土后，細(xì)小顆粒隨漿體從筒體漏漿孔流出，其他大一點(diǎn)的石塊隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)并被螺旋擋板推到轉(zhuǎn)筒出口；小顆粒石塊接收斗有兩個(gè)，每個(gè)都與它對應(yīng)的振動(dòng)篩網(wǎng)相接，收集篩網(wǎng)上部篩出的細(xì)石；過濾后漿體收集斗用來收集過濾后的漿體，并由此流到漿體除鐵機(jī)上；漿體收集斗用來收集從轉(zhuǎn)筒外壁漏漿孔流出的漿體，并由此自流到振動(dòng)篩上；轉(zhuǎn)筒出口防漿濺出水晶板支架用來固定出口擋漿水晶板；出口擋漿水晶板和轉(zhuǎn)筒進(jìn)口擋漿板用來防止轉(zhuǎn)筒內(nèi)飛濺的水滴或漿體落到轉(zhuǎn)筒外，影響生產(chǎn)操作和環(huán)境；噴水管提供打漿沖散水；轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)軌道是專門制作的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，保證轉(zhuǎn)筒穩(wěn)定、長時(shí)間運(yùn)行，并降低轉(zhuǎn)動(dòng)能耗；噴水頭是水噴出口，噴出后的快速水流直接沖向礦土，逐漸將礦土沖散，同時(shí)小顆粒的伊利石生成漿體；螺旋擋板主要起螺旋推進(jìn)作用，即隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)將投到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的礦土逐漸推到轉(zhuǎn)筒出口端；轉(zhuǎn)筒，提供封閉的打漿環(huán)境；傳送帶將轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)能傳送給轉(zhuǎn)筒，使轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)；鏟車將礦土裝入礦土進(jìn)口滑落斗，礦土從此滑入轉(zhuǎn)筒中；礦土滑落劑(水)滴漏管，從此管流出的水為礦土由滑落斗滑入轉(zhuǎn)筒提供潤滑劑，礦土粘性較大，裝到礦土進(jìn)口滑落斗會(huì)被粘住，不能進(jìn)到轉(zhuǎn)筒中，加水潤滑會(huì)使礦土很順暢落入轉(zhuǎn)筒中；轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)筒啟動(dòng)初期，由于啟動(dòng)阻力較大，有備用的輔助啟動(dòng)電機(jī)。

2.2相關(guān)尺寸確定

轉(zhuǎn)筒直徑、長度、筒內(nèi)螺旋推進(jìn)板間距及整體高度等參數(shù)對打漿效果、處理能力等有直接影響，因此這些數(shù)據(jù)是設(shè)備的主要數(shù)據(jù)。

2.2.1轉(zhuǎn)筒直徑

從生產(chǎn)操作角度考慮，打漿裝料時(shí)要使用鏟車加料，即使用鏟車將礦土加到進(jìn)料斗中，礦土再自動(dòng)滑落到打漿桶內(nèi)部。鏟車鏟斗寬度1.5m，為使裝料有操作空間，轉(zhuǎn)筒加料斗入口寬度至少要達(dá)到2.0m。考慮到加料斗出口的位置，出口寬度可收縮一些，但不能收縮過多，防止礦土塊在它內(nèi)部卡住，落不下去。轉(zhuǎn)筒加料斗出口寬度定為1.5m。同時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)螺旋推進(jìn)擋板應(yīng)能確保單次加入的1t左右礦土在其內(nèi)部被及時(shí)推進(jìn)，推進(jìn)擋板徑向高度定為0.5m。再考慮轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，加料斗不動(dòng)，二者之間要留有空隙，所以轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑定為3.0m。

2.2.2轉(zhuǎn)筒長度

礦土塊尺寸因素：礦土為粘性土塊，幾何尺寸不定，按最大塊直徑500mm的球體(個(gè)別大塊可預(yù)先處理)計(jì)算，這個(gè)尺寸決定了螺旋推進(jìn)板的間距至少要500mm。否則，礦土塊進(jìn)入不到兩塊螺旋推進(jìn)板之間。前期工作對大塊礦土進(jìn)行了水力打散制漿實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 礦土打漿沖散實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中礦土是否被水打散從兩方面判定，一是通過打漿筒的透明蓋板觀察，桶內(nèi)不存在伊利石塊；二是觀察接樣燒杯，當(dāng)燒杯中水的渾濁程度基本不變時(shí)，測定水的濁度，前后相鄰兩次測得的濁度值相近，說明打漿沖散結(jié)束。表1為不同尺寸礦土水力打散制漿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 不同尺寸礦土水力打散制漿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：礦土形狀不規(guī)則，多數(shù)可近似為球狀，則礦土尺寸可認(rèn)為是球體直徑。

表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一定尺寸的礦土水流速度越大，打散的時(shí)間越短；礦土尺寸越大，在一定水流速度下，打散時(shí)間越長；對于直徑500mm的礦土塊，在水流速度2m/s時(shí)10min被打散。因此，礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間至少要10min，此結(jié)果為轉(zhuǎn)筒長度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速會(huì)影響礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速越大，礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間越短。當(dāng)轉(zhuǎn)筒直徑一定、設(shè)備生產(chǎn)負(fù)荷一定時(shí)，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速越大，電機(jī)功率越大，尤其啟動(dòng)初期，生產(chǎn)動(dòng)能消耗更大。而且，轉(zhuǎn)速加大，為使礦土在轉(zhuǎn)筒內(nèi)停留同樣長的時(shí)間，轉(zhuǎn)筒的長度就越長。參考商品砼攪拌機(jī)器，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速定為0.3m/s，同時(shí)，配上適當(dāng)功率的變頻器，使轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速在一定程度上可適當(dāng)調(diào)整。綜合起來，礦土最大直徑500mm，確定轉(zhuǎn)筒內(nèi)相鄰兩塊螺旋推進(jìn)板間距為500mm。因此，轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，所用時(shí)間t為：

t=轉(zhuǎn)筒周長/轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速=2 × 3.14 × 1.5/0.3

=31.4s

因此，轉(zhuǎn)筒長度L為：

L=礦土打散耗時(shí)/轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用時(shí)間×

轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周礦土推進(jìn)距離

=610/31.4×0.5

=9.71m≈10m

近似的，礦土在轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被螺旋推進(jìn)，推進(jìn)距離等于螺旋推進(jìn)板的板間距之和。

2.2.3關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

圖1中諸如礦土進(jìn)口滑落斗等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、尺寸需要進(jìn)一步說明。圖3為轉(zhuǎn)筒筒體與螺旋推進(jìn)板連接圖。擋板與筒體直角連接部分要焊接徑向90°的、直徑100mm的管槽。此槽一方面能加強(qiáng)與轉(zhuǎn)筒之間的強(qiáng)度，另一方面可減少礦土塊與筒體和螺旋推進(jìn)板之間的阻力，即保證礦土在徑向方向上無移動(dòng)而僅有軸向移動(dòng)，使從噴水口噴出的水直接沖向礦土。兩塊相鄰螺旋推進(jìn)板之間軸向并排開3個(gè)漏漿孔，轉(zhuǎn)筒徑向方向每隔150mm(弧長)開一孔，一周均勻開設(shè)63個(gè)孔?？鄢M(jìn)料端0.5m用于布置傳送帶，出料端空0.5m以防水流失，轉(zhuǎn)筒軸線方向開孔個(gè)數(shù)為：9/0.5×3=54個(gè)。所以漏漿孔總數(shù)為63×54=3402個(gè)。假定水從漏漿孔流出的速度為x，并且，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)有礦土，底部漏漿孔被礦土(包括泥漿)擋住，上部沒有漿體，每側(cè)僅有一排漏漿孔漏漿。則漏漿總面積S=54×2×單孔面積，粗略認(rèn)為連續(xù)操作過程中，單位時(shí)間流入轉(zhuǎn)筒的水體積(60m3/h)為單位時(shí)間從漏漿孔流出的漿體體積。經(jīng)測試，直徑10～30mm的孔，固含量為20g/L的漿體自由流出速度U漿體=492mm/s，則存在：54×2×單孔面積×U漿體=60m3/h，由此可知，單孔直徑r2=(6×1010mm3/3.6×103s) /(54×2 ×3.14×U漿體)，即r≈10mm。

圖3 轉(zhuǎn)筒筒體與螺旋推進(jìn)板連接圖

圖4為轉(zhuǎn)筒支架結(jié)構(gòu)，支架主體為圓形，內(nèi)部有凹槽，槽內(nèi)有柱形滾珠，尺寸為DN20mm×40mm。

圖4 轉(zhuǎn)筒支架結(jié)構(gòu)

圖5為滑料斗結(jié)構(gòu)，滑料斗上端的出水管上設(shè)有出水孔，其中流出水速度較慢，保持礦土滑落板潤濕并滿足物料可自動(dòng)滑落即可。圖6為轉(zhuǎn)筒內(nèi)噴水管相對位置圖。每兩塊螺旋板間設(shè)置兩個(gè)水噴出管，共有36個(gè)。進(jìn)料端為第1個(gè)，出料端為第36個(gè)。第1個(gè)噴水管與地面垂線夾角為27°，第36個(gè)垂直地面。從第2個(gè)噴水口開始，噴水管軸線與地面垂線夾角依次遞減27/(36-1)= 0.77°焊接。以保證噴出水垂直噴向轉(zhuǎn)筒內(nèi)的礦土塊，加強(qiáng)噴出水的沖刷作用。

圖5 滑料斗結(jié)構(gòu)

圖6 噴水管相對位置圖

3 設(shè)備操作與運(yùn)行

啟動(dòng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使轉(zhuǎn)筒運(yùn)轉(zhuǎn)。開啟輸水泵向轉(zhuǎn)筒內(nèi)噴水。開啟料斗加水閥門，使水從礦土滑落劑滴漏管中滴出，并全部潤濕加料斗。

用鏟車將礦土從加料斗加入，礦土在自身重力和水的潤滑作用下滑入轉(zhuǎn)筒。注意單次加料量不可太多，最大量不超過1.2t。隨著轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，在螺旋擋板的作用下，礦土逐漸向轉(zhuǎn)筒出口處運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，從噴水口噴出的高速水流直接沖向礦土，在水的沖刷下，伊利石進(jìn)入水中成為漿體，并從轉(zhuǎn)筒上的漏漿孔流出。未被沖散的石頭等雜質(zhì)從轉(zhuǎn)筒出口端自然流出，并落入接收車中，定時(shí)被移走。

流出的漿體自流到漿體收集斗并繼續(xù)下流到振動(dòng)篩上。經(jīng)過兩層振動(dòng)篩，漿體再經(jīng)除鐵機(jī)除鐵，最后經(jīng)漿體接收斗流入打漿池，完成打漿、過濾過程。

經(jīng)河北邢臺(tái)斌盛礦山機(jī)械有限公司制造，打漿設(shè)備投入運(yùn)行。將此礦土用同尺寸的球磨機(jī)處理，10h處理礦土量為18～20t，水消耗量40t，電消耗量200kW·h左右，礦土利用率90%。打漿機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

礦土處理能力 25～30t/h

水消耗量 60t/h

每小時(shí)電消耗量 42.2kW·h

設(shè)備負(fù)荷 4.2～5.0t

漿液固含量 17～19g/L

漿液中固體粒度 不大于0.125mm

漿液沉降物 14.7g/L

鐵含量(以Fe2O3計(jì)) 2.8%

其中，設(shè)備負(fù)荷是指設(shè)備運(yùn)行中所承載的礦土重量；漿液沉降物是指漿體放入1 000mL量筒中，30min后沉入量筒底部固體的干重；鐵含量是占固體顆粒物的百分?jǐn)?shù)。

4 注意的問題

制造中需注意的問題有：轉(zhuǎn)筒筒體外徑較大，要保證筒體外徑均勻；轉(zhuǎn)筒及其傳動(dòng)輪的軸線在一個(gè)平面上，并垂直底座；進(jìn)料斗、筒體進(jìn)出口擋水板及其支撐架不能與轉(zhuǎn)筒接觸。

安裝中需注意的問題有：設(shè)備要建造混凝土基座，底座要固定在基座上，保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)穩(wěn)固，基座建造時(shí)要與鏟車裝料平臺(tái)兼顧，尤其二者高度與距離要特別注意；先從底座開始安裝，然后支架、筒體，附件可以后安裝。

運(yùn)行中需注意的問題有：設(shè)備運(yùn)行時(shí)，要空載啟動(dòng)，即不要裝填礦土后轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)變頻器時(shí)，要分段增大頻率，不可將頻率一次性變到最大；所有輔助設(shè)備，包括進(jìn)水、過濾及除鐵等機(jī)器，可隨轉(zhuǎn)筒啟動(dòng)后再啟動(dòng)；轉(zhuǎn)筒停止后再停其他輔助設(shè)備；可用打漿噴水管和輔助的衛(wèi)生打掃管清洗設(shè)備。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，小設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行，再到滿足大生產(chǎn)負(fù)荷需要的設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行，筆者設(shè)計(jì)的打漿生產(chǎn)設(shè)備能很好地滿足生產(chǎn)需要，可連續(xù)亦可間歇操作。加料滑料斗水潤滑使加料順暢，防伊利石漿體飛濺水晶擋板的加設(shè)使生產(chǎn)環(huán)境整潔，固體顆粒物得到分級處理或利用。與球磨機(jī)相比，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)物純度高、生產(chǎn)能耗低。

[1] Wattanasiriwech D，Wattanasiriwech S.Fluxing Action of Illite and Microcline in a Triaxial Porcelain Body[J].Journal of the European Ceramic Society，2011，31(8)：1371～1376.

[2] 石俊，余志偉，鄭舉功，等.改性伊利石增強(qiáng)軟質(zhì)PVC力學(xué)性能研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，37(1)：84～87.

[3] Chen T，Wang H，Li T，et al.New Insights into the Formation of Diagenetic Illite from TEM Studies[J].American Mineralogist，2013，98：879～887.

[4] Konan K L，Peyratout C，Smith A，et al.Surface Modifications of Illite in Concentrated Lime Solutions Investigated by Pyridine Adsorption[J].Journal of Colloid and Interface Science，2012，382(1)：17～21.

[5] Larson T E，Breecker D O.Adsorption Isotope Effects for Carbon Dioxide from Illite and Quartz-packed Column Experiments[J].Chemical Geology，2014，370：58～68.

[6] Benedicto A，Degueldre C，Missana T.Gallium Sorption on Montmorillonite and Illite Colloids：Experimental Study and Modelling by Ionic Exchange and Surface Complexation[J].Applied Geochemistry，2014，40：43～50.

[7] Kim J，Jeong E，Lee Y S.Direct Fluorination as a Novel Organophilic Modification Method for the Preparation of Illite/Polypropylene Nanocomposites[J].J Mater Sci，2012，47(2)：1046～1053.

[8] 劉桂英，王樹江.一種伊利石礦土打漿過濾設(shè)備[P].中國：CN203790661U，2014-08-27.

ProductionEquipmentDesignforIlliteClayRefining

DONG Chun-wei, SHAN Shao-lei, YANG Yong-heng, YUAN Chun-hui, WANG Shu-jiang

(SchoolofChemicalEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

*吉林省延邊州科技開發(fā)項(xiàng)目(2014030001)。

**董春偉，男，1989年9月生，碩士研究生。吉林省長春市，130012。

TQ050.2

A

0254-6094(2016)06-0749-06

2015-11-23，

2016-09-20)

(Continued on Page 758)