特種過濾機的開發及工業應用

張 宏，宋劉書，路光遠，解華華，宋 虎

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3山東法正工程質量檢測有限公司 山東菏澤 274000

某 選礦廠是以選鐵尾礦為原料的資源綜合利用型選廠，采用浮選法回收尾礦中的銅、鋅等有價元素，采用磁選法回收尾礦中殘留的磁性鐵，除可獲得經濟效益外，還可有效降低尾礦中的重金屬及硫化物含量，對當地環境的保護有著重要意義。選礦廠設計年處理尾礦量 680 萬t，預計年產銅、鋅 4.2 萬 t，年產鐵 35 萬t。

選礦廠地處秘魯南海岸線馬爾科納地區的圣尼古拉斯海灣，屬沙漠地帶，水資源緊張，兼顧用水成本考慮，工藝水選用海水。普通過濾機不耐海水中氯離子的腐蝕，無法應用在鐵精礦脫水工藝中，急需一種既耐海水氯離子腐蝕，又耐鐵精礦磨蝕的特種過濾機。

1 特種過濾機的開發

海水是自然界中儲量最豐富的天然電解質，具有很強的腐蝕性，許多材料在海洋環境中會遭受不同程度的腐蝕破壞[1]。與碳鋼和低合金鋼相比，不銹鋼表面的鈍化膜具有較好的耐海水腐蝕性[2]。氯離子對不銹鋼的鈍化膜有腐蝕作用，海水中氯離子含量越大，鈍化膜被腐蝕溶解的速度就越快。鈍化膜被破壞后，變得更疏松，均勻性和穩定性變差，導致不銹鋼被海水侵蝕[3]。在國內外相關標準中，并沒有明確規定不銹鋼在天然海水中的服役期限[4]。

雖然一些非金屬材料比許多金屬材料耐海水腐蝕，但從機械性能和熱穩定性能方面考慮，金屬材料優于非金屬材料。在滿足耐海水氯離子腐蝕和鐵精礦磨蝕的前提下，兼顧過濾機機械結構的可靠性和生產制造的經濟性，所設計的特種過濾機采用普通碳鋼、超高分子量聚乙烯和增強改性聚丙烯相結合的材料。超高分子量聚乙烯和增強改性聚丙烯具有優異的耐磨性和耐腐蝕性能，在海水中的性質結構特別穩定。其中以超高分子量聚乙烯的耐磨性最好，在砂漿磨損試驗中，超高分子量聚乙烯的磨損指數僅是 PA66 的1/5，是碳鋼的 1/7，是黃銅的 1/27[5]。

特種過濾機是在盤式礦用過濾機[6]的基礎上開發的，可以耐海水氯離子腐蝕和鐵精礦磨蝕，主要由傳動裝置、濾盤裝置、中心軸、槽體、分配頭、吹風裝置和導料裝置等組成，結構如圖 1 所示。

1.1 槽體防腐耐磨方案

槽體用于儲存料漿，同時也是過濾機的主要支撐部件，其他零部件安裝于其上。槽體采用下部相互獨立、上部相互連通的窄槽設計，下部相互獨立的結構增強了過濾機的自攪拌效果；上部相互連通保證了槽體內的料漿液位保持一致，可有效改善過濾性能。槽體采用底部進料為主、側面進料為輔的綜合進料方式，底部進料可以有效降低料漿中固體顆粒的沉淀速度，獲得更好的過濾效果；側面采用矩陣式矩形流道結構，可以增加槽體內料漿上層的質量分數，減小鐵精礦快速沉淀對過濾效果的影響，同時側面的進料方向和濾餅的形成方向一致，有利于在濾板上形成濾餅。

圖1 特種過濾機的結構Fig.1 Structure of special filter

在槽體的制造、安裝和使用中，不易噴涂碳化硅材料，因焊接作業會不可避免地破壞碳化硅涂覆層，所以槽體的防腐蝕不能采用內部噴涂碳化硅的方案。考慮到設備需要良好的經濟性和適用性，也不能采用316L 不銹鋼的防腐方案。槽體需要良好的耐磨性，最終確定槽體采用普通碳鋼槽體+超高分子量聚乙烯內襯的方案。槽體由碳鋼槽體、4 個料槽內襯 1、3 個內襯 2 和 3 個內襯 3 組成，如圖 2 所示。內襯和碳鋼槽體通過強力膠和螺栓連接，內襯之間通過強力膠連接。

圖2 槽體結構Fig.2 Structure of tank

1.2 中心軸防腐耐磨方案

中心軸為異型軸焊接結構，是過濾機的主要部件。為保證整個濾盤的安裝精度，中心軸經過精確加工，并具有很好的剛度。濾盤裝置、分配頭、傳動裝置等分別安裝于其上。過濾中產生的高流速、高腐蝕性的濾液，通過中心軸的流道送至分配頭處，因而需要對中心軸的流道進行防腐耐磨處理。基于不同腐蝕性環境的考慮，設計了 2 種防腐耐磨方案：一是采用超高分子量聚乙烯內襯流道的中心軸結構，在異型流道內部增加超高分子量聚乙烯內襯，比較適用于舊過濾機的防腐耐磨改造和大型防腐耐磨過濾機；二是采用超高分子量聚乙烯可拆卸流道中心軸結構，該方案的流道可拆卸，比較適用于小型過濾機。

方案 1 的中心軸結構如圖 3 所示。流道內襯和流道結構一致，為了便于安裝，兩者之間留有間隙，可以適當填充黏稠劑。為了避免內襯被真空吸變形，在內襯內部增加一個異型支撐框架，以增強內襯的剛度和強度。理論上，超高分子量聚乙烯內襯可以更換。中心軸外部通過噴涂碳化硅涂層進行防腐耐磨處理。

圖3 超高分子量聚乙烯內襯的中心軸結構Fig.3 Structure of central shaft with UHMWPE liner

方案 2 的中心軸結構如圖 4 所示，流道由 4 個異型管和 4 根短接管通過圓錐密封管螺紋連接而成，流道依靠 4 個壓緊卡壓緊，流道出口管通過橡膠密封套和軸頸套上短管相連，一對喉箍緊固在橡膠密封套的兩端。拆下 8 個緊固螺栓和喉箍就可拆下一個流道，有利于流道的更換和維護。中心軸外部通過噴涂碳化硅涂層進行防腐耐磨處理。

圖4 可卸流道的中心軸結構Fig.4 Structure of central shaft with detachable flow passage

1.3 分配頭防腐耐磨方案

過濾機通常通過分配頭來控制物料過濾的工藝過程。分配頭上分為吸液區、吸干區和吹風區 3 個不同的工作區，調整分區所占的角度可以調整濾餅含水率和產能。通過壓緊螺栓的壓緊力，來保證分配頭工作面和中心軸分配墊工作面之間的有效密封；分配頭端部裝有橡膠撓性接頭，橡膠撓性接頭與外部濾液管路相連。過濾時產生的濾液都要通過分配頭流道，需要對分配頭流道進行防腐耐磨處理。根據不同腐蝕性環境，設計了 2 種方案：一是流道內噴涂碳化硅；二是采用超高分子量聚乙烯內襯結合碳鋼外殼的分配頭結構。2 種方案的分配頭結構分別如圖 5(a)、(b) 所示。

方案 1 的分配頭結構如圖 5(a) 所示。分配頭加工完成后，首先對分配頭的流道進行徹底的噴砂處理，然后噴涂碳化硅涂層。此方案不影響分配頭的結構設計，適用于舊過濾機分配頭的防腐耐磨改造。因焊接時的高溫會損壞碳化硅涂層，采用此分配頭在安裝和使用過程中，應盡量避免焊接作業。

方案 2 的分配頭結構如圖 5(b) 所示。分配頭分為超高分子量聚乙烯內襯和碳鋼外殼兩部分，內襯由超高分子量聚乙烯鑄造和拼焊而成，可耐海水腐蝕和鐵精礦的磨蝕；外殼由普通碳鋼焊接而成，可以增強分配頭的強度和剛度。內襯和外殼通過螺栓連接。

圖5 分配頭的結構Fig.5 Structure of distribution head

1.4 濾盤裝置防腐耐磨方案

濾盤裝置是實現過濾能力的重要部件。過濾時產生的濾液都要通過濾盤進入中心軸流道，需要對濾盤裝置進行防腐耐磨處理。濾盤的扇形板采用增強改性聚丙烯和 316L 不銹鋼相結合的方案，扇形板的板柄和邊框采用 316L 不銹鋼材料，芯板采用增強改性聚丙烯材料；濾盤的其他部分如導軌、拉桿和緊固件均采用 316L 不銹鋼材質。考慮到鐵礦漿密度大的特性，在扇形板中間增加攪拌翼結構。攪拌翼、導軌上的攪拌翅和槽體的窄槽結構三者相結合的自攪拌作用，可以有效降低鐵礦料漿快速沉淀對過濾機過濾性能的不利影響。扇形板的安裝如圖 6 所示。

2 應用實踐

該尾礦選礦廠選用 4 臺 GPYK60-5 型特種過濾機，至今設備穩定運行 3 a，目前過濾機的各項性能指標均達到用戶要求，鐵精粉含水率控制在 10% 以下，取得了良好的經濟效益。現場隨機取樣得到的數據如表 1 所列。采用不銹鋼材料的帶攪拌功能的傳統60 型過濾機和 GPYK60-5 型特種過濾機的性能指標對比如表 2 所列。

通過表 1 可以看出，相同轉速下，過濾機真空度越高，濾餅含水率越低；同樣真空度下，過濾機轉速越低，濾餅含水率越低。GPYK60-5 型特種過濾機可以滿足工藝水為海水時鐵精礦的過濾脫水需要。

通過表 2 可以看出，GPYK60-5 型特種過濾機在材料成本、濾餅含水率、單位能耗等各項指標方面均優于傳統 60 型過濾機。特別在材料成本方面，316L不銹鋼材料的價格約是普通碳鋼、超高分子量聚乙烯和增強改性聚丙烯復合材料價格的 3 倍，GPYK60-5型特種過濾機的單機成本相當于傳統 60 型過濾機單機成本的 50% 左右。

表1 GPYK60-5 型特種過濾機的生產數據Tab.1 Production data of GPYK60-5 special filter

表2 特種過濾機與傳統過濾機的性能指標對比Tab.2 Comparison of special filter and common filter in performance indexes

3 結語

特種過濾機采用普通碳鋼、超高分子量聚乙烯和增強改性聚丙烯相結合的材料，比不銹鋼材料相對經濟，實現了設備的耐海水氯離子腐蝕和鐵精礦磨蝕的功能。實踐證明，該特種過濾機可以滿足工藝水為海水的鐵精礦過濾脫水的需要。同時，特種過濾機也可以應用在酸法粉煤灰提鋁環保工業、焦化廠硫泡沫分離工業、濕法煉鋅工業、電鍍行業、廢酸回收等類似工藝條件的行業中。