董春偉 單紹雷 楊永恒 苑春暉 王樹江

(長春工業(yè)大學化工學院)

伊利石礦土打漿生產(chǎn)設備設計*

董春偉**單紹雷 楊永恒 苑春暉 王樹江

(長春工業(yè)大學化工學院)

對伊利石礦土水力打漿生產(chǎn)設備進行設計，確定了年處理礦土量5萬噸設備的結構和參數(shù)。轉筒筒體直徑3m，長10m，螺旋推進板高0.5m，相鄰板間距0.5m，轉筒轉速0.3m/s。同時，對設備主要部件進行特別說明，提出了設備制造、安裝和操作時需注意的問題。設備投運后，礦土處理速度為25～30t/h，水消耗量60t/h，每小時電消耗量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。整套設備協(xié)調性好，運行穩(wěn)定，連續(xù)性強。

打漿過濾設備 伊利石礦土 設備設計

伊利石是一種片層狀結構的硅酸鹽[1]，廣泛應用于陶瓷、建筑、造紙及化工等行業(yè)[2～7]。我國伊利石儲藏量較大，分布范圍也比較廣泛，但優(yōu)質礦資源已開采殆盡。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，變成細小顆粒物后再應用。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，儲量達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)能擴大，這種機器的處理量遠不能滿足目前處理量需要，同時還需兼顧單次裝料量增加、過濾出的顆粒物分級應用及生產(chǎn)的連續(xù)性等，因此，筆者參考原有設備，設計出了新的打漿過濾設備。

1 設計參數(shù)與要求

設備的設計參數(shù)要求如下：

a. 礦土特點。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左右的顆粒單獨分離，2～10mm左右的顆粒物單獨分離，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造成其流動性變差，因此操作中漿體固含量不小于15g/L。

2 設備設計

2.1設備主體結構

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，比一般粘土塊硬，不易破碎，用機械粉碎手段無法粉碎。將礦土自然干燥后粉碎，一方面時間極長，塊大的要兩個月左右；另一方面，干燥粉碎會使粉碎后的粉料中含有較多雜質。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)設計參數(shù)和生產(chǎn)要求設計出圖1所示的打漿設備(主視圖)。

圖1 伊利石礦土旋轉打漿機主視圖

設備底架主要作為支撐轉筒支架的底面，并固定帶動轉筒轉動的電機；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；轉筒支架主要支撐轉筒；石頭接收斗的作用是接收從轉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，細小顆粒隨漿體從筒體漏漿孔流出，其他大一點的石塊隨筒體轉動并被螺旋擋板推到轉筒出口；小顆粒石塊接收斗有兩個，每個都與它對應的振動篩網(wǎng)相接，收集篩網(wǎng)上部篩出的細石；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上；漿體收集斗用來收集從轉筒外壁漏漿孔流出的漿體，并由此自流到振動篩上；轉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筒進口擋漿板用來防止轉筒內飛濺的水滴或漿體落到轉筒外，影響生產(chǎn)操作和環(huán)境；噴水管提供打漿沖散水；轉筒轉動軌道是專門制作的軸承轉動裝置，保證轉筒穩(wěn)定、長時間運行，并降低轉動能耗；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，同時小顆粒的伊利石生成漿體；螺旋擋板主要起螺旋推進作用，即隨轉筒轉動將投到轉筒內的礦土逐漸推到轉筒出口端；轉筒，提供封閉的打漿環(huán)境；傳送帶將轉筒轉動驅動電機的動能傳送給轉筒，使轉筒轉動；鏟車將礦土裝入礦土進口滑落斗，礦土從此滑入轉筒中；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筒提供潤滑劑，礦土粘性較大，裝到礦土進口滑落斗會被粘住，不能進到轉筒中，加水潤滑會使礦土很順暢落入轉筒中；轉筒轉動驅動電機為轉筒轉動提供動力，轉筒啟動初期，由于啟動阻力較大，有備用的輔助啟動電機。

2.2相關尺寸確定

轉筒直徑、長度、筒內螺旋推進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)是設備的主要數(shù)據(jù)。

2.2.1轉筒直徑

從生產(chǎn)操作角度考慮，打漿裝料時要使用鏟車加料，即使用鏟車將礦土加到進料斗中，礦土再自動滑落到打漿桶內部。鏟車鏟斗寬度1.5m，為使裝料有操作空間，轉筒加料斗入口寬度至少要達到2.0m?？紤]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，防止礦土塊在它內部卡住，落不下去。轉筒加料斗出口寬度定為1.5m。同時，轉筒內螺旋推進擋板應能確保單次加入的1t左右礦土在其內部被及時推進，推進擋板徑向高度定為0.5m。再考慮轉筒轉動，加料斗不動，二者之間要留有空隙，所以轉筒內徑定為3.0m。

2.2.2轉筒長度

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(個別大塊可預先處理)計算，這個尺寸決定了螺旋推進板的間距至少要500mm。否則，礦土塊進入不到兩塊螺旋推進板之間。前期工作對大塊礦土進行了水力打散制漿實驗，實驗裝置如圖2所示。

圖2 礦土打漿沖散實驗裝置

實驗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，桶內不存在伊利石塊；二是觀察接樣燒杯，當燒杯中水的渾濁程度基本不變時，測定水的濁度，前后相鄰兩次測得的濁度值相近，說明打漿沖散結束。表1為不同尺寸礦土水力打散制漿實驗數(shù)據(jù)。

表1 不同尺寸礦土水力打散制漿實驗數(shù)據(jù)

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

表1的實驗數(shù)據(jù)表明，一定尺寸的礦土水流速度越大，打散的時間越短；礦土尺寸越大，在一定水流速度下，打散時間越長；對于直徑500mm的礦土塊，在水流速度2m/s時10min被打散。因此，礦土在轉筒內的停留時間至少要10min，此結果為轉筒長度設計提供了依據(jù)。

轉筒轉速會影響礦土在轉筒內的停留時間，轉筒轉速越大，礦土在轉筒內的停留時間越短。當轉筒直徑一定、設備生產(chǎn)負荷一定時，轉筒轉速越大，電機功率越大，尤其啟動初期，生產(chǎn)動能消耗更大。而且，轉速加大，為使礦土在轉筒內停留同樣長的時間，轉筒的長度就越長。參考商品砼攪拌機器，轉筒轉速定為0.3m/s，同時，配上適當功率的變頻器，使轉筒轉速在一定程度上可適當調整。綜合起來，礦土最大直徑500mm，確定轉筒內相鄰兩塊螺旋推進板間距為500mm。因此，轉筒每轉動一圈，所用時間t為：

t=轉筒周長/轉筒轉速=2 × 3.14 × 1.5/0.3

=31.4s

因此，轉筒長度L為：

L=礦土打散耗時/轉筒轉動一周所用時間×

轉筒轉動一周礦土推進距離

=610/31.4×0.5

=9.71m≈10m

近似的，礦土在轉筒轉動時被螺旋推進，推進距離等于螺旋推進板的板間距之和。

2.2.3關鍵部件的設計

圖1中諸如礦土進口滑落斗等關鍵部件的結構、尺寸需要進一步說明。圖3為轉筒筒體與螺旋推進板連接圖。擋板與筒體直角連接部分要焊接徑向90°的、直徑100mm的管槽。此槽一方面能加強與轉筒之間的強度，另一方面可減少礦土塊與筒體和螺旋推進板之間的阻力，即保證礦土在徑向方向上無移動而僅有軸向移動，使從噴水口噴出的水直接沖向礦土。兩塊相鄰螺旋推進板之間軸向并排開3個漏漿孔，轉筒徑向方向每隔150mm(弧長)開一孔，一周均勻開設63個孔?？鄢M料端0.5m用于布置傳送帶，出料端空0.5m以防水流失，轉筒軸線方向開孔個數(shù)為：9/0.5×3=54個。所以漏漿孔總數(shù)為63×54=3402個。假定水從漏漿孔流出的速度為x，并且，轉筒轉動時，轉筒內有礦土，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，粗略認為連續(xù)操作過程中，單位時間流入轉筒的水體積(60m3/h)為單位時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 轉筒筒體與螺旋推進板連接圖

圖4為轉筒支架結構，支架主體為圓形，內部有凹槽，槽內有柱形滾珠，尺寸為DN20mm×40mm。

圖4 轉筒支架結構

圖5為滑料斗結構，滑料斗上端的出水管上設有出水孔，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滑落即可。圖6為轉筒內噴水管相對位置圖。每兩塊螺旋板間設置兩個水噴出管，共有36個。進料端為第1個，出料端為第36個。第1個噴水管與地面垂線夾角為27°，第36個垂直地面。從第2個噴水口開始，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筒內的礦土塊，加強噴出水的沖刷作用。

圖5 滑料斗結構

圖6 噴水管相對位置圖

3 設備操作與運行

啟動轉筒轉動電機，使轉筒運轉。開啟輸水泵向轉筒內噴水。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筒。注意單次加料量不可太多，最大量不超過1.2t。隨著轉筒的轉動，在螺旋擋板的作用下，礦土逐漸向轉筒出口處運動。同時，從噴水口噴出的高速水流直接沖向礦土，在水的沖刷下，伊利石進入水中成為漿體，并從轉筒上的漏漿孔流出。未被沖散的石頭等雜質從轉筒出口端自然流出，并落入接收車中，定時被移走。

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

經(jīng)河北邢臺斌盛礦山機械有限公司制造，打漿設備投入運行。將此礦土用同尺寸的球磨機處理，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%。打漿機生產(chǎn)運行相關數(shù)據(jù)如下：

礦土處理能力 25～30t/h

水消耗量 60t/h

每小時電消耗量 42.2kW·h

設備負荷 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) 2.8%

其中，設備負荷是指設備運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數(shù)。

4 注意的問題

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

安裝中需注意的問題有：設備要建造混凝土基座，底座要固定在基座上，保證設備運行時穩(wěn)固，基座建造時要與鏟車裝料平臺兼顧，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。

運行中需注意的問題有：設備運行時，要空載啟動，即不要裝填礦土后轉動。調節(jié)變頻器時，要分段增大頻率，不可將頻率一次性變到最大；所有輔助設備，包括進水、過濾及除鐵等機器，可隨轉筒啟動后再啟動；轉筒停止后再停其他輔助設備；可用打漿噴水管和輔助的衛(wèi)生打掃管清洗設備。

5 結束語

經(jīng)過實驗，小設備設計、運行，再到滿足大生產(chǎn)負荷需要的設備設計、制造、安裝、調試和生產(chǎn)運行，筆者設計的打漿生產(chǎn)設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。與球磨機相比，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)物純度高、生產(chǎn)能耗低。

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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)

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