新型礦用過濾機的設計及應用

王新昌，解華華，宋 虎

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

立 盤真空過濾機是金屬選礦廠精礦過濾應用較多的脫水設備之一，易于實現大型化，已經廣泛應用于國內外選礦廠，尤其是鐵礦石選廠，大部分都采用了立盤真空過濾機[1]。由于鐵精礦含水率偏高，運輸極其困難，導致生產和運輸成本增加[2]。隨著礦物粒度越來越細，選礦產品的過濾變得日益困難，因此不斷適應越來越細的物料過濾是國內外選礦廠的一項重要任務。傳統礦用立盤真空過濾機無法滿足細粒物料過濾的生產要求，且無法有效降低鐵精礦的含水率，亟需在傳統礦用立盤過濾機基礎上研究開發出一種能夠處理細粒物料的新型礦用過濾機。

1 研發的必要性

1.1 市場需求

首鋼京唐公司選礦作業區主要處理高硫磁鐵礦，向球團作業區供應鐵精粉。球團礦量需求達到 1 200萬 t，對造球所需的細鐵精粉需求量較大。目前細鐵精粉總體資源種類較少，受市場價格波動影響較大。國內外市場上燒結用礦粉資源供應量多，價格也相對低廉，將燒結用礦粉用于球團造球，不僅能彌補現有

造球用細鐵精粉的缺口，而且能降低生產成本。然而燒結粉粒度較粗、品位低、成球性差，需要細磨后配加以優化成球性能，才能滿足造球要求。對此，首鋼京唐公司進行了 4 種燒結用礦粉的細磨造球試驗，細磨的巴西燒結礦在 30% 配比以下，球團焙燒和焙燒球抗壓強度能滿足生產要求。根據京唐公司球團作業區需求及選礦作業區現狀，初步確定改造后選礦作業區生產含水率不高于 10% 的巴西燒結礦細粉100 萬 t/a。鑒于對含水率和處理細粒物料的要求，首鋼礦業公司鐵精礦過濾車間最終選用兩套針對性研發的 GPYK160-8 新型礦用過濾機系統。設備設計要求：給礦質量分數不低于 55%；給礦粒度小于 45 μm占比不低于 80%，小于 13 μm 占比不高于 20%；濾餅產能不低于 0.35 t/(m2·h) (干基)，濾餅含水率低于10%。

1.2 物料粒度和脫水特性研究

為保證所研發設備的有效性，首先對用戶提供的物料進行粒度分析，結果如表 1 所列。

表1 鐵精礦物料激光粒度分析結果Tab.1 Laser particle size analysis results of iron concentrate

由表 1 可知，鐵精礦產品粒度組成中，顆粒小于45 μm 占比 87.2%，小于 13 μm 占比 3.94%。物料粒度較細，這是制約過濾機產能的關鍵，因此所開發的過濾機必須適應這種細粒物料。

選取新型專用濾布，在不同條件下進行脫水試驗，結果如表 2 所列。從試驗結果可知，該物料具有一定的過濾性能，容易脫餅，并且濾餅較厚、含水率較低，產能較穩定。采用帶有框架層的刮刀卸料和高壓風反吹的綜合卸料方式，濾餅含水率為 8.63%～ 9.73%，同時濾餅的單位平均產能為 0.35～ 0.47 t/(m2·h)。

表2 脫水試驗結果Tab.2 Results of dewatering test

2 新型礦用過濾機的開發

2.1 工作原理

新型礦用過濾機運轉時，借助真空泵的抽氣作用形成負壓，在吸液區鐵礦料漿被吸向濾布，固體顆粒在濾布上形成濾餅，濾液經過中心軸流道，由氣水分離器排出。當扇形板離開料漿液面進入吸干區時，繼續與真空相連使濾餅含水率持續降低[3]。當扇形板進入卸料區時，通過刮刀把一部分濾餅刮落，帶料很薄時通過濾布再生形成新的濾餅。真空泵對濾餅的形成和濾液的排放有重要影響，抽氣量的大小、真空度的高低直接影響過濾機性能。受現場條件的限制，濾液系統無法采用自排方式，而采用濾液泵強制排放。將氣水分離器與濾液泵相連，在氣水分離器上安裝液位計，通過濾液泵的抽吸作用達到強制排液目的。通過對真空泵、濾液泵的合理搭配，確定了最佳的配氣比，為過濾機的設計提供了依據。

2.2 新型礦用過濾機的研發

新型礦用過濾機是在傳統礦用立盤過濾機[4-5]的基礎上，結合多項獨創的過濾技術，專門針對精礦脫水開發的，可以處理細顆粒物料。其主要由傳動裝置、扇形板裝置、中心軸、槽體、分配頭、吹風裝置和卸料裝置等部分組成，如圖 1 所示。

圖1 新型礦用過濾機的結構示意Fig.1 Structural sketch of new-type mine-used filter

2.2.1 礦漿進料方式

礦漿顆粒的粗細是影響過濾效果的重要因素之一[6]。顆粒越細，越難過濾，濾餅越薄，不僅增加濾餅含水率，導致脫餅困難，過濾機產能下降，而且隨著礦漿黏度的增大，還會堵塞濾布，很難過濾。

礦漿由多種粒度的物料構成，成分復雜，根據鐵精礦的分層過濾試驗，相對于傳統的過濾方式，在同樣的過濾條件下，分層過濾能夠提高設備產能，降低濾餅含水率，因而新型礦用過濾機采用分層過濾方式過濾。分層過濾主要通過料漿的粗細顆粒分區進料來實現。粗細顆粒分區進料主要采用 3 處進料相結合的方式，如圖 2 所示。

圖2 粗細顆粒分區進料示意Fig.2 Sketch of partition feeding of coarse and fine particles

在料漿進入過濾機前，為使物料的粗細顆粒分級，粗顆粒從過濾機的側部即卸料側給入，扇形板表面首先由粗顆粒構成濾餅的框架層，待扇形板轉至另一側，細粒級的物料附著在框架層上，使濾布不易被堵塞，濾餅吸附得更厚。采用粗細顆粒分區進料，能夠降低物料的快速沉淀對過濾產生的不良影響，提高設備產能且降低濾餅含水率。

槽體采用下部單槽上部貫通的結構，可使槽體內的料漿液位保持一致，有效地改善過濾性能。將進料分為 3 部分：一是從底部進料，主要進粗細混合料；二是從卸料側的上部進粗顆粒物料；三是從踏板側上部進細顆粒物料。底部進料的目的是為了將槽體內沉淀的鐵粉沖起，增強過濾機的攪拌性能，所以底部進料需要具有很高的進料壓力；側部進料的目的是為了增加槽體上部料漿的質量分數，由于側部進料的方向和濾餅的形成方向一致，因此有利于形成濾餅。由于進料量少或者料漿不穩定時，槽體內液位明顯降低，導致扇形板不能被完全浸沒，降低了真空度。采用側部進料可以使扇形板表面吸附的料漿均勻，維持較高的真空度，有效降低濾餅的含水率。

2.2.2 新型卸料方式

傳統立盤真空過濾機主要通過吹風卸料，當扇形板上的濾餅形成一定厚度需要脫餅時，使真空區外接壓縮空氣卸料，空氣的進入使負壓變為常壓，從而對物料進行振動松脫，形成卸料。鐵精礦顆粒細，物料黏性大，需要大量高壓風，能耗較高，采用吹風卸料效率低，產能降低，需要更為有效的卸料方式。

分層過濾的濾餅框架層是粗顆粒，框架層表層是細顆粒，因此脫餅時首先通過刮刀把表面的細顆粒濾餅刮落，框架層濾餅作為毛細孔介質進入漿液繼續吸附礦漿，進行循環運轉，直至框架層毛細孔被堵塞，帶料很薄時，通過濾餅再生，形成新的框架層濾餅。采用刮刀卸料，濾布在運行一段時間后會出現堵塞情況，一組濾盤上的扇形板連續重生會導致液位大幅下降，影響過濾機的正常運轉，因此設計了刮刀卸料和高壓風間隔反吹綜合卸料相結合的方式。高壓風間隔反吹系統采用電磁閥加接近開關控制，主軸設置有觸點，每次接近開關接觸到觸點即輸出一個接近開關信號。接近開關第一個信號控制電磁閥第一次打開，然后中間間隔 N 個信號控制電磁閥第二次打開，依次執行，直至每塊扇形板上的濾餅均被吹落。根據實際情況設定間隔參數，調整吹風切換，實現濾布重生。傳統礦用立盤過濾機真空泵的配氣比都在 1.5 左右，新型過濾機通過采用刮刀卸料和高壓風間隔反吹綜合卸料的方式，真空泵配氣比可以降到 0.5 左右，有效地降低了真空泵的能耗，而且還能保持高真空，降低了濾餅含水率。

2.2.3 新型扇形板固定結構

扇形板固定在中心軸上，工作時隨中心軸一起轉動。由于受到彎矩、轉矩及剪切力等的綜合作用，為了保證整個盤面的平面度，提高運轉的穩定性，底部固定必須精確牢靠。

為了實現刮刀卸料和高壓風間隔反吹綜合卸料，要求盤面偏擺量特別小，因此設計了一種新型扇形板固定結構。扇形板柄根部為錐形，扇形板和中心軸依靠活接螺母緊固，待緊固到位后，扇形板和中心軸通過錐形結構實現對中，如圖 3 所示。該結構簡單，方便拆裝，能保證濾盤的平面度和直線度。

圖3 新型扇形板固定結構Fig.3 Fixed structure of new-type sector board

3 運行效果分析

GPYK160-8 新型礦用盤式過濾機于 2019 年 8 月投入運行，對巴西細鐵精粉進行脫水，目前運行穩定，效果較好，各項性能指標均達到用戶要求。在現場隨機取樣，2 臺采用單復絲濾布的新型過濾機 A 和B 的濾餅含水率對比如圖 4 所示，生產數據如表 3 所列。

圖4 2 臺礦用過濾機的濾餅含水率對比Fig.4 Comparison of filtration cakes from two mine-used filters in water content

表3 現場實際生產數據Tab.3 Production data on site

需要說明的是，筆者開發的過濾機與傳統礦用盤式過濾機的主要區別在于能夠處理細顆粒物料，傳統礦用盤式過濾機不能處理細顆粒物料，只能處理粗顆粒物料。由于處理物料的不同，因此兩者不具有可比性。

由圖 4 和表 3 可以看出，該新型礦用過濾機性能良好：濾餅含水率在 10% 以下，產能在 0.35 t/(m2·h)以上，真空度達到了 0.089 MPa。可見該新型礦用過濾機結構可靠，可以用于細顆粒物料脫水。

4 結語

針對細顆粒物料而設計的新型礦用過濾機，采用分層過濾原理、粗細顆粒分區進料的進料方式和刮刀卸料高壓風反吹的綜合卸料方式，配以新型扇形板固定結構，經現場實際應用表明，該新型礦用過濾機適用于細顆粒物料脫水，在細鐵精礦脫水中運行效果良好，具有濾餅含水率低和產能高等特點，在鐵精礦的脫水行業市場潛力巨大。