楊曉軍，陶淵卿，呂麗珍，王慧劍，章偉達(dá)，徐水國(guó)

(浙江輕機(jī)實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 311401)

1 前言

推料離心機(jī)主要應(yīng)用于化工行業(yè)懸浮液的液、固分離，懸浮液在離心力的作用下[1]，通過過濾介質(zhì)—篩網(wǎng)，將固相顆粒截留在篩網(wǎng)上形成濾餅層[2]，液體通過濾餅層及篩網(wǎng)過濾后實(shí)現(xiàn)穿濾，濾餅則依靠推力層層推進(jìn)，在推進(jìn)的過程中再進(jìn)一步分離，最后濾餅脫離篩網(wǎng)進(jìn)入固體收集腔。在持續(xù)運(yùn)行過程中篩網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，在某些特殊物料的分離時(shí)篩網(wǎng)的磨損尤為嚴(yán)重，篩網(wǎng)的磨損不僅會(huì)導(dǎo)致篩網(wǎng)間隙的變大[3]，而且會(huì)因篩網(wǎng)表面粗糙度的下降造成推料離心機(jī)能耗的增加，不僅影響分離效果，甚至失效，同時(shí)增加能耗。圖1是篩網(wǎng)嚴(yán)重磨損后的情況，其表面有嚴(yán)重的不光滑及凹凸不平。

圖1 篩網(wǎng)磨損圖Fig.1 Screen wear diagram

為了更好地實(shí)現(xiàn)分離，延長(zhǎng)篩網(wǎng)的使用壽命，文章從推料離心機(jī)的離心分離工作原理、篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)及磨損機(jī)理著手，針對(duì)推料離心機(jī)篩網(wǎng)磨損的原因進(jìn)行分析研究及優(yōu)化應(yīng)用。

2 篩網(wǎng)磨損原因的分析研究

2.1 推料離心機(jī)的離心分離工作原理

推料離心機(jī)的工作原理如圖2，需分離的懸浮液通過進(jìn)料管自流進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓部件，在離心力的作用下，與轉(zhuǎn)鼓同步旋轉(zhuǎn)的布料加速盤將懸浮液加速并將其均勻地分布到轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)上。固體顆粒被截留在篩網(wǎng)上形成濾餅層[4]，母液則通過篩網(wǎng)間隙及轉(zhuǎn)鼓上的排液孔被排出。轉(zhuǎn)鼓部件中的推料盤、轉(zhuǎn)鼓(或雙級(jí)、多級(jí)轉(zhuǎn)鼓)不僅做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)推料盤與緊鄰轉(zhuǎn)鼓(相鄰兩轉(zhuǎn)鼓)之間還做軸向相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在不斷相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，濾餅被脈動(dòng)式層層向前推進(jìn)，并在下一級(jí)轉(zhuǎn)鼓上獲得更大的離心力，殘余的液體通過下一級(jí)轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)和下一級(jí)轉(zhuǎn)鼓上的排液孔排出，濾餅則經(jīng)上一級(jí)轉(zhuǎn)鼓脈動(dòng)式推向下一級(jí)轉(zhuǎn)鼓，由最后一級(jí)轉(zhuǎn)鼓出口處進(jìn)入固體收集槽，并經(jīng)固體出口排出機(jī)外。

圖2 推料離心機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of pusher centrifuge

2.2 推料離心機(jī)的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

推料離心機(jī)采用板狀篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)(見圖3)，該板狀篩網(wǎng)由圓筒銑制而成，篩網(wǎng)整個(gè)表面光滑連續(xù)，間隙精確且背面具有一定的契角。不僅可以控制截留效果，而且便于液體的穿濾。另一個(gè)特點(diǎn)是在濾餅與篩網(wǎng)表面接觸處，篩網(wǎng)條形狀呈凸圓弧形，有利于液體的排出[5]。從圖3可以發(fā)現(xiàn)篩網(wǎng)間隙僅由兩個(gè)尖角組成，一旦表面或側(cè)面有磨損間隙就會(huì)增大。如果篩網(wǎng)網(wǎng)條寬度磨損導(dǎo)致凸圓弧形削去甚至出現(xiàn)凹圓弧形，就會(huì)造成濾液排出效果的降低，導(dǎo)致固體殘余含濕率偏高，在后序的干燥中浪費(fèi)能耗。隨著不斷的磨損，篩網(wǎng)的間隙會(huì)越來越大，篩網(wǎng)網(wǎng)條的凹圓弧形越來越嚴(yán)重。造成母液中的含固量不斷增多，固體的殘余含濕率不斷增加，最后由于分離效果嚴(yán)重下降而導(dǎo)致篩網(wǎng)失效。

圖3 板狀篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of plate screen

2.3 篩網(wǎng)磨損的機(jī)理

磨損是指任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。摩擦是磨損的原因，而磨損是摩擦的必然結(jié)果。磨損最終將造成表層材料的損耗，導(dǎo)致篩網(wǎng)間隙的變大和接觸表面的損傷，直接影響篩網(wǎng)的使用壽命，而在使用中總是力求提高零件的耐磨性和使用周期。

磨損主要由疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損等引起[6]，推料離心機(jī)篩網(wǎng)的磨損以上四種形式磨損在不同的物料分離、不同的運(yùn)行階段中都會(huì)反映出來，文章主要分析研究討論顆粒磨損。

通常在摩擦面之間的固體磨粒對(duì)摩擦表面或者硬的固體磨粒對(duì)摩擦表面產(chǎn)生微切削和刮擦作用引起的機(jī)械磨損稱為磨粒磨損，即磨粒磨損是由顆粒的尖峰對(duì)金屬表面的微切削造成的。

推料離心機(jī)對(duì)懸浮液進(jìn)行離心分離時(shí)，固相顆粒在篩網(wǎng)表面被截留。當(dāng)不規(guī)則形狀的顆粒在到達(dá)篩網(wǎng)表面被截留時(shí)，顆粒與篩網(wǎng)表面的接觸首先是發(fā)生在篩網(wǎng)條寬度的凸圓弧形面上，且顆粒的運(yùn)動(dòng)方向與篩網(wǎng)表面接近垂直，此時(shí)顆粒與篩網(wǎng)表面產(chǎn)生了高應(yīng)力碰撞, 篩網(wǎng)表面也就受到了不規(guī)則顆粒的微切入。隨著推料過程的進(jìn)行，顆粒又在篩網(wǎng)表面作軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在該過程中盡管顆粒的運(yùn)動(dòng)方向與篩網(wǎng)接觸表面接近平行, 顆粒與篩網(wǎng)表面接觸處的應(yīng)力相對(duì)較低, 但是由于前期的微切入在篩網(wǎng)表面還是產(chǎn)生了微小的犁溝痕跡。隨著篩網(wǎng)表面的擦傷、犁溝痕跡的產(chǎn)生，篩網(wǎng)表面的粗糙度被不斷地?fù)p壞，篩網(wǎng)表面的摩擦系數(shù)也在不斷地變大，導(dǎo)致顆粒與篩網(wǎng)之間的摩擦力增加。從而導(dǎo)致推料離心機(jī)運(yùn)行的功耗也在不斷地增加，最直接的表現(xiàn)就是推料壓力的增大和運(yùn)行電流的增大。

以上分析及結(jié)合磨粒磨損機(jī)理可以看出，篩網(wǎng)磨損量主要取決于顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時(shí)作用于篩網(wǎng)表面的垂直分力大小以及篩網(wǎng)材質(zhì)的抗切入能力。

3 優(yōu)化應(yīng)用

3.1 垂直分力的優(yōu)化控制

在推料離心機(jī)對(duì)懸浮液實(shí)現(xiàn)離心分離的過程中，懸浮液是通過進(jìn)料管進(jìn)入布料加速盤實(shí)現(xiàn)被加速，且在脫離布料加速盤后以慣性速度到達(dá)篩網(wǎng)表面，因此固相顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時(shí)與篩網(wǎng)存在一定的線速度差，顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時(shí)顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差大，顆粒受到的沖擊力也大[7],固相顆粒與篩網(wǎng)之間產(chǎn)生的高應(yīng)力碰撞也大，固相顆粒作用于篩網(wǎng)表面的垂直分力也越大，不規(guī)則形狀的固相顆粒切入篩網(wǎng)表面的情況也越明顯，因此由顆粒聚集形成的濾餅在做推料運(yùn)動(dòng)時(shí)，篩網(wǎng)表面的梨溝磨損也越嚴(yán)重。所以在推料離心機(jī)對(duì)懸浮液實(shí)現(xiàn)離心分離時(shí)，對(duì)懸浮液如何實(shí)現(xiàn)更好的加速和選擇合適的轉(zhuǎn)速，以降低固相顆粒和篩網(wǎng)之間的線速度差，在應(yīng)用中是必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。

3.2 選用布料離心加速盤

通常推料離心機(jī)采用平板布料加速盤，其加速是依靠布料加速盤旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能和懸浮液內(nèi)部的摩擦力來實(shí)現(xiàn)。由于平板布料加速盤旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能是逐層向液體傳遞，在平板布料加速盤和推料盤之間的整個(gè)寬度上構(gòu)成速度梯度。這樣導(dǎo)致顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時(shí)顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差就大。

而布料離心加速盤(如圖4)就能較好的解決上述問題，懸浮液通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片使顆粒得到了很好地加速，因而減少了固相顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差，因此減小了顆粒對(duì)篩網(wǎng)表面的垂直分力，有利于減少篩網(wǎng)的磨損。

圖4 布料離心加速盤圖Fig.4 Diagram of cloth centrifugal accelerating disk

3.3 選擇合適的轉(zhuǎn)速

離心分離的效果與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，通常殘余含濕率就越低。這是由于液體穿過濾餅時(shí)主要受到離心驅(qū)動(dòng)力，轉(zhuǎn)速越高驅(qū)動(dòng)力越大，液體穿濾的速率就越大[8]；同時(shí)液體穿濾時(shí)還與濾餅層的孔隙率、物料的粘度、表面張力等因素有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高就越容易克服因這些因素所造成的阻力，液體就能更快的穿過濾餅層。

但在實(shí)際使用中并不是轉(zhuǎn)速越高越好，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)殘余含濕率有一臨界轉(zhuǎn)速，超過這個(gè)轉(zhuǎn)速，殘余含濕率變化就不大。從圖5中可以看出轉(zhuǎn)速A已經(jīng)達(dá)到最小殘余含濕率，所以，通常選擇A轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心分離。同時(shí)由于線速度與角速度成正比，在同等情況下角速度越大，線速度差就越大。因此，選擇A轉(zhuǎn)速不僅能保證殘余含濕率的最小化，而且也能減小顆粒對(duì)篩網(wǎng)表面的垂直分力，有利于減少篩網(wǎng)的磨損。

圖5 轉(zhuǎn)速—?dú)堄嗪瑵衤赎P(guān)系圖Fig.5 Relationship between rotational speed and residual moisture content

3.4 提高篩網(wǎng)表面硬度

增加篩條耐磨性才是關(guān)鍵因素[9]，提高篩網(wǎng)表面硬度，可以提升篩網(wǎng)的抗切入能力。從圖6可以看出磨粒磨損取決于磨料硬度與材質(zhì)的硬度比值，當(dāng)磨料硬度低于試件材料硬度, 即H0≤0.7H時(shí)，磨損較?。划?dāng)磨料硬度超過材料硬度后，即0.7H

圖6 相對(duì)硬度-磨損量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between relative hardness and wear

因此，提高篩網(wǎng)的表面硬度，使顆粒硬度與篩網(wǎng)硬度的比值<0.7可以減小篩網(wǎng)的磨損。通常提高篩網(wǎng)硬度的方法是選擇硬度較高的材質(zhì)或者對(duì)材質(zhì)表面進(jìn)行硬化處理。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，采用上述解決方案對(duì)篩網(wǎng)的耐磨性能的提高具有極大的幫助。通過實(shí)踐應(yīng)用，采用布料離心加速盤篩網(wǎng)壽命提高了30%，采用對(duì)篩網(wǎng)材質(zhì)表面進(jìn)行硬化處理HRC>70時(shí)篩網(wǎng)壽命提高了400%。