XJM-KS60型浮選機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉萬超

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

隨著采煤機(jī)械化程度的提高，原煤中煤泥含量越來越高，而浮選是目前煤泥分選的最有效方法。在眾多煤泥浮選設(shè)備中，以天地科技股份有限公司唐山分公司XJM-S系列浮選機(jī)的市場(chǎng)占有率最高。近年來，選煤廠大型化發(fā)展的趨勢(shì)[1，2]迫切需要選煤設(shè)備大型化。為此，天地科技股份有限公司唐山分公司研究人員通過采用模擬放大方法，在單槽容積為45 m3的基礎(chǔ)上，研制成功了XJM-KS60型浮選機(jī)，并在潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)選煤廠成功投入應(yīng)用。

1 XJM-KS60型浮選機(jī)設(shè)計(jì)方法

采用模擬放大方法[3]設(shè)計(jì)了XJM-KS60型浮選機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

1.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用幾何相似準(zhǔn)則來確定XJM-KS60浮選機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：

(1)

式中：De為槽體當(dāng)量圓面積直徑，m；D為葉輪直徑，m；V為槽體容積，m3；H為槽體深度，m；式中的幾個(gè)常數(shù)是XJM系列浮選機(jī)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

設(shè)定浮選機(jī)槽體容積V=60 m3時(shí)，由方程組(1)可計(jì)算得到：D=1.25 m，De=5.5 m，H=2.1 m。

XJM-KS60型浮選機(jī)浮選槽水平斷面采用圓形結(jié)構(gòu)，故槽體內(nèi)徑為De=5.5 m。

1.2 動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

采用運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似準(zhǔn)則[4]來確定XJM-KS60型浮選機(jī)的動(dòng)力參數(shù):

(2)

式中: 常數(shù)為XJM系列浮選機(jī)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；U2為葉輪圓周線速度，m/s；NQa為氣流數(shù)，無因次；Qa為充氣量，m3/s；Np為功率因數(shù)，無因次；N為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s；P為攪拌功率，kW；ρ為礦漿的密度，103kg/m3。

將式(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)值帶入式(2)，可以得到：N=U2/(πD)=2.46 r/s(即147 r/min)；Qa=0.07×ND3=0.336 m3/s；P=1.70×(ρN3D5)=77.23 kW。

計(jì)算得單位面積充氣速率qa=4Qa/(πD2e)×60=0.85 m3/(m2·min)。

將以上參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總，可以得到表1所示的XJM-KS60型浮選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表1 XJM-KS60型浮選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2 XJM-KS60型浮選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

XJM-KS60型浮選機(jī)主要由礦化器、驅(qū)動(dòng)裝置、攪拌機(jī)構(gòu)、槽體、尾礦箱、假底穩(wěn)流板、刮泡機(jī)構(gòu)、走臺(tái)等組成[5]，其常規(guī)配置是4個(gè)槽體，為了清晰表達(dá)，將尾礦箱和礦化器布置在同一槽體內(nèi)，見圖1。

1—礦化器；2—驅(qū)動(dòng)裝置；3—攪拌機(jī)構(gòu)；4—槽體；5—尾礦箱；6—假底穩(wěn)流板；7—刮泡機(jī)構(gòu)；8—走臺(tái)

2.1 礦化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦化器由壓力室、混合室、噴射器、藥劑霧化器、壓力表等組成，其中壓力室和混合室由螺栓相連接，見圖2。在工作過程中，礦漿以0.08～0.15 MPa的壓力給到礦化器的壓力室，在均勻分布的礦化噴嘴噴出形成射流產(chǎn)生“文丘里管”效應(yīng)[6]，在噴嘴附近形成一定的真空度，將藥劑和空氣從吸入管吸入，并在吸入管中霧化，然后隨同高速礦漿一同進(jìn)入喉管；在喉管內(nèi)，空氣、霧化藥劑和礦漿通過礦漿流的相互撞擊來傳遞能量并混合，在混合過程中產(chǎn)生大量紊態(tài)渦流，強(qiáng)渦流使空氣、霧化藥劑和礦漿充分混合，從而實(shí)現(xiàn)精煤顆粒的預(yù)礦化，之后預(yù)礦化礦漿直接由入料管進(jìn)入浮選機(jī)分選。

1—壓力室；2—入料口；3—噴嘴；4—混合室；5—大錐板；6—霧化器；7—大錐管；8—法蘭

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)裝置(圖3)主要由電機(jī)、小皮帶輪、調(diào)整螺栓、電機(jī)座、皮帶輪罩、大皮帶輪、三角皮帶等組成。考慮到使用、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝檢修的方便，電機(jī)安裝形式選用V1[7]，電機(jī)座采用具有調(diào)節(jié)皮帶松緊功能的結(jié)構(gòu)。

1—電機(jī)；2—小皮帶輪；3—調(diào)整螺栓；4—電機(jī)座；5—皮帶輪罩；6—大皮帶輪；7—三角皮帶

2.3 槽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

XJM-KS60型浮選機(jī)槽體為圓形，由Q235鋼板彎制，采用內(nèi)置式精礦溜槽。其槽體主要由筒體、小溜槽、大溜槽、放礦口、減速機(jī)座板、精礦出料口等組成，如圖4所示。為了解決圓柱形槽體浮選機(jī)強(qiáng)行刮泡的難題，在槽體中間增設(shè)兩個(gè)溜槽，呈“一”字形分布，省去了方形浮選機(jī)兩側(cè)的溜槽，溜槽兩側(cè)增設(shè)刮泡機(jī)構(gòu)，共用中間的溜槽，并在槽體筒壁上增設(shè)精礦出口法蘭，現(xiàn)場(chǎng)只需用管道將精礦出口和精礦池連接即可。

1—槽體；2—小溜槽；3—大溜槽；4—放礦口；5—減速機(jī)座板；6—精礦出料口

2.4 攪拌機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攪拌機(jī)構(gòu)由皮帶輪、攪拌軸承座、吸氣管、套管架體、軸、上調(diào)節(jié)環(huán)、鐘形罩、葉輪、定子、定子蓋板、特殊螺母等組成[8]，見圖5。

1—大皮帶輪；2—軸承座；3—吸氣管；4—加藥管；5—套管架體；6—軸；7—鐘形罩；8—上調(diào)節(jié)環(huán)；9—定子蓋板；10—葉輪；11—特殊螺母；12—定子

攪拌機(jī)構(gòu)的核心部件是葉輪、定子組。XJM-KS60型浮選機(jī)采用分體式葉輪定子結(jié)構(gòu)，這也是本浮選機(jī)設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，可為浮選機(jī)的制作、運(yùn)輸、安裝及檢修帶來很大的方便。葉輪為傘形結(jié)構(gòu)，分上、下兩層葉片，并通過和有導(dǎo)流功能的特殊螺母組合安裝，將葉輪腔體分成吸氣室和吸漿室；定子蓋板也呈傘形結(jié)構(gòu)，傘形面上設(shè)有20個(gè)礦漿循環(huán)孔，葉輪與定子蓋板的軸向間隙為10±2 mm，可通過增減軸承座與套管架體之間的墊片來調(diào)整間隙；定子周邊設(shè)有均勻分布的與徑向成60°角的20塊導(dǎo)向葉片，起到均勻?qū)Я骱头€(wěn)流作用，葉輪與定子的徑向間隙也為10±2 mm。

此外，上調(diào)節(jié)環(huán)是由兩個(gè)半環(huán)構(gòu)成，便于安裝和調(diào)換，它的作用是調(diào)節(jié)葉輪上腔體的循環(huán)量和充氣量；鐘形罩呈“喇叭口”狀，作用是將空氣導(dǎo)入葉輪上腔體的負(fù)壓區(qū)；吸氣管安裝在套管架體上，起吸入空氣的作用，調(diào)節(jié)風(fēng)片用于調(diào)節(jié)吸氣量；加藥管安裝在套管架體上，并和吸氣管左右分布，用于點(diǎn)式加藥。

2.5 刮泡機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮泡機(jī)構(gòu)用于刮取精煤泡沫，在槽體上部?jī)?nèi)置溜槽兩側(cè)對(duì)稱安裝。刮泡機(jī)構(gòu)由減速機(jī)、聯(lián)軸器、刮板、十字卡板、刮泡軸、軸承座等組成(圖6)。刮板由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠卡板與軸連接，兩套刮泡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向相反，同時(shí)將精煤泡沫刮入內(nèi)置溜槽。XJM-KS60型浮選機(jī)刮泡軸未設(shè)軸間聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，不存在傳統(tǒng)浮選機(jī)刮泡軸同心度不好的問題。

1—減速機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—刮板；4—十字卡板；5—刮泡軸；6—軸承座

2.6 假底穩(wěn)流板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

假底穩(wěn)流裝板(圖7)的結(jié)構(gòu)組成為：在距槽底上面一定高處安裝一假底鋼板，假底鋼板四周與槽壁有一定距離。在假底上焊有20塊具一定彎曲弧度的導(dǎo)流板，并與定子的20塊導(dǎo)向葉片相對(duì)應(yīng)[9]，起到延長(zhǎng)導(dǎo)流距離的作用；在導(dǎo)向板對(duì)應(yīng)葉輪出料高度增焊耐磨板；為了防止導(dǎo)向板根部焊接點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間沖刷而失去導(dǎo)流功能，增加3道閉環(huán)加強(qiáng)筋。此外，還設(shè)有錐形吸漿管，布置在假底鋼板中心和葉輪下吸口大小相配套，用來吸入假底下面的礦漿。與以往傳統(tǒng)的直筒型吸漿管相比，采用錐形吸漿管能減弱礦漿在真底正中形成的“漩渦”效應(yīng)。

1—假底鋼板；2—導(dǎo)向板；3—加強(qiáng)筋；4—吸漿管；5—耐磨鋼板

2.7 尾礦箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮選機(jī)尾礦箱上裝有液位調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)尾礦閘板的升降高度來控制浮選機(jī)槽內(nèi)液位[5]。XJM-KS60型浮選機(jī)采用絲杠升降機(jī)(圖8)來提升尾礦閘板，并通過技術(shù)改造，為絲杠升降機(jī)配備了就地控制箱，固定在升降機(jī)體上。此方式提升閘板的優(yōu)點(diǎn)是：升降機(jī)機(jī)構(gòu)外形尺寸小，提升力大，穩(wěn)定可靠，操作方便，既可電動(dòng)也可手動(dòng)，既可就地控制，也能納入全廠集控。

1—電機(jī)；2—蝸輪蝸桿變速箱；3—齒輪減速箱；4—電控箱；5—手輪

尾礦閘板采用新型迂回式閘板(圖9)，這種設(shè)計(jì)不僅擺脫了浮選機(jī)槽體寬度的限制，還較大程度地延長(zhǎng)了過流長(zhǎng)度，從而降低了閘板處過流斷面高度，使得礦漿平穩(wěn)溢流，降低了尾礦對(duì)箱體的沖擊，延長(zhǎng)了尾礦箱的使用壽命。

1—閘板鋼板； 2—溢流槽；3—連接板

3 槽底的有限元分析

傳統(tǒng)的XJM系列方槽浮選機(jī)槽底采用8～10 mm厚的鋼板網(wǎng)格狀布置雙面斷續(xù)焊，四角有座板；XJM-KS60型浮選機(jī)槽底為圓形，在改用輻射狀網(wǎng)格的前提下，增加座板數(shù)量至16塊，為了校核槽底的強(qiáng)度，進(jìn)行了有限元分析，其等效應(yīng)力云圖如圖10所示，位移矢量和圖如圖11所示。

圖10 等效應(yīng)力云圖

圖11 位移矢量和圖

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：σmax=91.90 MPa<[σ]，滿足強(qiáng)度要求[10]。由圖11可知，最大位移矢量和為0.440 mm，位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)許可的5 mm，說明結(jié)構(gòu)剛度較好。

4 產(chǎn)品檢驗(yàn)與清水性能試驗(yàn)

XJM-KS60型浮選機(jī)樣機(jī)試制并安裝后，委托國(guó)家選煤機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了產(chǎn)品檢驗(yàn)和清水試驗(yàn)。檢驗(yàn)方法符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3686.2—1999《煤用浮選機(jī)清水試驗(yàn)方法》及相關(guān)文件的規(guī)定。XJM-KS60型浮選機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)與清水試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 XJM-KS60型浮選機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)和清水試驗(yàn)結(jié)果

此外，該機(jī)外觀無缺陷，槽體密封沒有滲漏現(xiàn)象，其他各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。

5 工業(yè)應(yīng)用

潞安礦業(yè)集團(tuán)公司司馬選煤廠是一座設(shè)計(jì)能力為2.00 Mt/a的礦井型選煤廠，后通過整改和優(yōu)化，具備3.00 Mt/a的生產(chǎn)潛力，入選煤種為瘦煤、貧瘦煤，在煤泥浮選工藝環(huán)節(jié)，該廠原配置4臺(tái)WPF-5000型微泡浮選機(jī)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該微泡浮選機(jī)對(duì)>0.3 mm粒級(jí)較粗煤粒浮選效果不佳，其最佳浮選粒度上限為0.3 mm，并且當(dāng)入料濃度較高(>100 g/L)時(shí)，浮選效果較差，僅在入料濃度在80 g/L左右時(shí)，才能較好地進(jìn)行浮選作業(yè)。

為此，在不改變司馬選煤廠原浮選車間土建和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，采用四臺(tái)XJM-KS60型浮選機(jī)對(duì)四臺(tái)微泡浮選機(jī)進(jìn)行了替換改造。四臺(tái)XJM-KS60型浮選機(jī)采用 “2+2”組合方式布置，即2臺(tái)為一組，可以2組并聯(lián)使用，也可4臺(tái)串聯(lián)成一組使用，綜合礦漿處理能力為1 500 m3/h。

2012年10月，四臺(tái)XJM-KS60型浮選機(jī)在司馬選煤廠安裝調(diào)試成功。由表3的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，XJM-KS60型浮選機(jī)投產(chǎn)后，礦漿處理能力達(dá)1 500 m3/h，在入料灰分增加1.74個(gè)百分點(diǎn)的情況下，精煤灰分為9.34%(僅提高了0.98個(gè)百分點(diǎn)，但可滿足精煤灰分<9.5%的要求)，精煤產(chǎn)率和尾煤灰分大幅提高，精煤產(chǎn)率提高了36.69個(gè)百分點(diǎn)，尾煤灰分增加25.02個(gè)百分點(diǎn)，浮選完善指標(biāo)提高了20.36個(gè)百分點(diǎn)。

表3 原微泡浮選機(jī)與XJM-KS60型浮選機(jī)分選指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of the performances of the micro-bubble type flotation cell originally usedand the XJM-KS 60 flotation cell %

此外，XJM-KS60型浮選機(jī)在節(jié)約用電方面成效也很顯著：改造后浮選系統(tǒng)(含浮選入料泵)裝機(jī)功率為707.60 kW，比原來的1 883 kW減少1 175.40 kW，裝機(jī)功率降低62.42%，每年可節(jié)約用電約370.25萬kW·h，每度電價(jià)按0.5元計(jì)算，那么每年可節(jié)省電費(fèi)185.13萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

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