礦山陶瓷過濾機過濾系統(tǒng)的改進及應(yīng)用*

李臣文，高 航，王 劍

（青海鴻鑫礦業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000）

1 過濾機原理結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理簡介

過濾機是源于將渾濁狀的固液混合體分離開來的目的而研發(fā)的[1]，基于這一點對理解設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能就較為簡明。首先為分離兩種介質(zhì)引入陶瓷板，陶瓷板可以粗略地理解為一道篩子，因其表面密布的微孔可將固體顆粒物和水分兩種介質(zhì)分離開來。而完成這一過程就需要有設(shè)備為這一動作提供動力，這時引入的就是真空系統(tǒng)，真空系統(tǒng)通過抽走陶瓷板內(nèi)腔里面的空氣來產(chǎn)生氣壓差，使得富含水分的渾濁礦漿吸附到陶瓷板的表面，礦質(zhì)因具有大過陶瓷板微孔的體積而被隔離在陶瓷板外表，由于水與親水陶瓷板間存在的表面張力而形成毛細作用[2]，在負壓時微孔中的水分不會全部排出而形成一層水膜，板子內(nèi)外的空氣則不能穿過水膜，從而達到只過水而不透氣的效果，過濾出的水分順利透過微孔過濾到儲水罐里面，而達到將礦質(zhì)從礦漿中分離出來的目。其原理圖如圖1所示。

圖1 陶瓷過濾機原理圖Fig.1 Schematic diagram of ceramic filter

1.2 主要結(jié)構(gòu)及功能

為持續(xù)高效完成過濾作業(yè)這一動作，還需要將附著在陶瓷板表面的干礦清理掉，并讓板子再次進行過濾動作，以及長期穩(wěn)定地進行過濾作業(yè)。為此整個過濾系統(tǒng)還需要滾筒系統(tǒng)、濾液排放系統(tǒng)、反沖系統(tǒng)、聯(lián)合清洗系統(tǒng)、給排礦系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)以及其他輔助部件[3]。

真空系統(tǒng)由真空泵、濾液罐及相關(guān)管路及閥門組成。真空泵運轉(zhuǎn)，在濾液罐中形成真空，濾液罐上通過管路連接至分配頭，再與陶瓷板連通。工作時可將礦漿吸附到陶瓷板上并吸至一定干燥程度，濾液經(jīng)由分配頭和管路進入濾液罐。

濾液排放系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的排水周期，控制電磁閥動作，開關(guān)濾液罐下部罐子上的進氣口調(diào)控罐體內(nèi)部的壓差，來控制蓄水和排水動作，或者檢測罐體內(nèi)水位，當濾液到達一定液位時控制進入排水行程。

反沖系統(tǒng)由清洗水路、閥門、水過濾器、壓縮機、儲氣罐氣路等組成。陶瓷板在刮掉濾餅后，仍有一層精礦附著在陶瓷板上。在陶瓷板轉(zhuǎn)動到刮刀卸完料向下一點時，反沖水或者壓縮空氣通過分配頭進入陶瓷板內(nèi)，向外清洗這部分礦粉。

滾筒系統(tǒng)主要由主軸、滾筒、傳動電機等組成。滾筒上環(huán)布管道一端與陶瓷板連接，另一端與分配頭相通。反沖水通過分配頭再經(jīng)管道進入陶瓷板內(nèi)部清洗陶瓷板，礦漿濾液通過管道進入分配頭再進入濾液罐（滾筒轉(zhuǎn)動到分配頭不同位置時，進行不同行程）。

聯(lián)合清洗系統(tǒng)由超聲波清洗機及化學(xué)清洗配合，使一些未能被反沖洗掉的附著在陶瓷板上的固態(tài)物脫離保證后續(xù)過濾效率[4]。濾板累計工作一定時間后，由于堵塞及其他物質(zhì)粘附，過濾效率降低，通過超聲波的空化作用聯(lián)合清洗對陶瓷板進行還原[5]，以保障下一個周期過礦效率。其他附屬系統(tǒng)的設(shè)計同樣圍繞著穩(wěn)定持續(xù)高效完的成過慮作業(yè)來設(shè)置增加的。過濾機基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 陶瓷過濾機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of ceramic filter

1.3 工作過程

陶瓷過濾機工作流程為通過主體結(jié)構(gòu)循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)過濾作業(yè)，過礦作業(yè)區(qū)域集中在一整圈的陶瓷板上。其過程主要可分為吸漿、干燥、卸料及反洗等。首先在驅(qū)動裝置帶動下，滾筒連同陶瓷板圍繞主軸轉(zhuǎn)動，在真空泵產(chǎn)生的負壓作用下，浸沒在礦槽中的礦漿被吸附在陶瓷過濾板表面形成一定厚度的濾餅，此為吸漿過程。當陶瓷板旋轉(zhuǎn)超出礦漿液面時，結(jié)束吸漿過程，形成的礦餅繼續(xù)受到負壓作用，其中的水分被進一步吸干，從而得到含水量較少的干礦餅，濾液則進入濾液罐中，到此結(jié)束吸干過程。卸料過程則是將附著在陶瓷板表面的礦餅去處的過程，主要通過安裝在板子兩側(cè)的刮刀來完成，吸附在陶瓷板表面的精礦轉(zhuǎn)到刮刀位置，刮刀將濾餅刮落，進入精礦池，完成卸料。最后反沖水經(jīng)由分配頭進入刮掉濾餅后的陶瓷板，從內(nèi)而外將殘余在陶瓷板表面的精礦沖洗掉，以此達到清潔陶瓷板表面。反沖洗結(jié)束后，陶瓷板再次在礦漿槽內(nèi)，重復(fù)進行新一輪過礦行程[6]。其過程如下圖3所示。

圖3 陶瓷過濾機工作過程示意圖Fig.3 Working process schematic diagram of ceramic filter

2 故障判斷及原因分析

2.1 壓力不正常

陶瓷過濾機真空度可以直觀地從壓力表上看出，首先需要排除是否為壓力表損壞，氣管破損漏氣、脫開等原因，再次可以從以下幾方面排查。

1）真空泵循環(huán)水調(diào)節(jié)異常?？蓮挠^察真空泵出水管水量來判斷。通過檢查水閥開啟大小、水壓、泵體、管路等相關(guān)聯(lián)處來找出故障點；

2）真空管路及罐體故障。首先從真空表端可見顯示的壓力不正常，從分配頭處開始向下檢查管路，一般是連接不牢靠松脫導(dǎo)致的，較少情況為管路老化破損引起的泄漏。另在寒冷的作業(yè)環(huán)境中，管路會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致管路堵塞，阻斷罐子內(nèi)氣體流動排出，造成排水故障。開啟真空泵時檢查罐體是否泄漏，另通過進氣口和排水口動作是否正常判斷內(nèi)部翻板是否完好。如在電磁閥動作正常的情況下，排氣口打開后，正常情況下進氣情形為短暫驟降的形式，若整個排水周期期間持續(xù)向內(nèi)進氣，則可判斷為罐體內(nèi)部翻板破損泄漏；

3）環(huán)列管陶瓷板故障。在設(shè)備開啟反沖水的條件下，排查管路連接點及整體使用情況，查找漏點。檢查陶瓷板安裝固定是否牢靠，邊角及表面是否有破損刮傷。在使用過程中陶瓷板會松動，應(yīng)及時檢查加固，檢查刮刀距離是否已調(diào)節(jié)在合適的距離范圍內(nèi)以及是否松動，并做相應(yīng)調(diào)整；

4）分配頭故障。分配頭常見的故障表現(xiàn)為安裝時涂抹使用的膠質(zhì)層老化，導(dǎo)致分配頭松脫漏氣漏水，或是壓緊彈簧松出導(dǎo)致漏氣以及分配頭破損導(dǎo)致漏氣漏水，真空孔道與反沖孔道混通；

5）控制閥門及傳感元件故障。與罐體連接的電磁閥動作故障，排水不正常，可從儲水排水周期或者濾液液位情況觀察看出，若儲水期間進氣口進氣則控制與外界大氣相通的電池閥故障，若排水期間持續(xù)進氣則控制與真空泵連接或者上下罐連接的電磁閥故障，若儲水液位顯示與實際液位不符則液位計有故障。

2.2 除壓力顯示異常外的其他形式故障

1）真空閥無法動作。當真空壓力顯示正常，蓄排水周期行程正常，而過礦無效果，此時應(yīng)該檢測真空氣動閥是否故障，先排查控制電氣電路部分，后排查氣動閥；

2）濾板堵塞。造成濾板堵塞的原因較多，現(xiàn)從下面幾點列舉：①首先造成開機過程中反洗系統(tǒng)故障，在較長時間期間持續(xù)過濾作業(yè)會導(dǎo)致板面表層的積礦增厚密度增高，透水透氣微孔比例下降而導(dǎo)致過礦效果和效率下降；②聯(lián)合清洗過程不到位。導(dǎo)致清洗效果不明顯的原因有超聲波未開啟、超聲波故障、清洗液位過低、清洗過程未加酸加藥、清洗時反沖水未開啟等；③濾芯堵塞或損壞。如若用于反洗的水質(zhì)較差，通常會在反洗水路中增加水過濾器，以此來保證反洗效果。若濾芯缺乏維護，會導(dǎo)致反洗水路不通，具體可從濾前濾后壓力上看出。水質(zhì)較差的情況下維護頻次需增加。同時若濾芯安裝不牢靠發(fā)生松脫時，含雜質(zhì)的水就會直接進到陶瓷板內(nèi)堵塞微孔；④聯(lián)合清洗過程酸藥液供給故障。具體表現(xiàn)有酸泵故障、酸罐破損泄漏、配酸濃度不適、反洗水壓過大等原因，酸藥不能正常供應(yīng)而導(dǎo)致清洗效果不佳；⑤礦漿性質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化。礦漿濃細度發(fā)生變化、使用藥劑變化等。如濃度低、細度高、含泥多、藥劑粘性大等因素都會導(dǎo)致過濾板堵塞；⑥陶瓷板與滾筒連接部分泄漏，包括陶瓷板水嘴斷裂、膠套老化、焊口脫焊腐蝕等。導(dǎo)致礦漿滲入，當板子旋轉(zhuǎn)到反洗位置時，逆流進入板內(nèi)，造成堵塞；

3）控制元件故障。故障報警，操作失效，控制部件不動作等情形；

4）電磁閥故障。電磁閥故障是最常見的故障之一?？蓮男钆潘芷谥兄庇^看出，因動作頻繁線圈容易燒毀，或是內(nèi)部元件銹蝕和疲勞損壞導(dǎo)致不靈或不動作；

5）管路元件故障。連接軟管會發(fā)生松脫、老化泄漏，連接處的分配頭會漏水、漏氣、破損、裂紋、松脫。另在寒冷的作業(yè)環(huán)境中，管路會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象等；

6）操作不當：①將滾筒旋轉(zhuǎn)速度調(diào)的太快，導(dǎo)致形成濾餅的時間縮短，礦餅變薄且吸干時間變短導(dǎo)致精礦水分超標；②攪拌未開啟，礦漿沉積在槽子底部，影響充分吸附，且容易造成設(shè)備壓死；③刮刀間隙調(diào)節(jié)不當，導(dǎo)致卸料異常，間隙過小時刮傷濾板，太大則導(dǎo)致卸料變少且反洗困難，進而影響過濾效率；④礦漿液位調(diào)節(jié)過低，板子與礦漿接觸時間和有效面積都會降低，導(dǎo)致形成濾餅薄影響過礦效率；⑤程序參數(shù)設(shè)置不當，參數(shù)設(shè)置應(yīng)匹配不同的作業(yè)條件。在雙真空泵雙真空罐的設(shè)備系統(tǒng)中，設(shè)置上下罐儲水和排水周期，應(yīng)當考慮下罐進入儲水周期時，下罐氣壓由大氣壓降低到小于上罐壓強（下罐作用到隔板上的氣壓略微小于上罐作用到隔板上的真空壓和水壓） 的時長，并且當上下兩罐中間隔板打開后，上罐濾液水排到下罐的時長也要一并計算進去，再結(jié)合礦漿性質(zhì)考慮，把過濾機的出水量和排水時長計算在內(nèi)，合理調(diào)節(jié)程序控制參數(shù)；

7）水質(zhì)影響。系統(tǒng)中使用的水質(zhì)較差時，導(dǎo)致濾芯堵塞頻繁，或是造成濾板堵塞，透氣透水性變差，從而導(dǎo)致過濾機過濾效果不佳和效率降低。

3 改進措施

3.1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 單泵源單罐體結(jié)構(gòu)分析

源于上訴問題分析真空切式陶瓷過濾機，在真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面有一定缺陷問題，單組罐單泵結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of vacuum system

從圖4中可以看出上罐一端4接入真空泵，一端3接入分配頭即過濾板端。上下罐有兩條通路，一條是貫穿上下罐體且在末端有翻板蓋的中間彎管，一條是有電磁閥控制通斷且在下罐處有一個三通岔口與外界相通的管路。

運行時分儲水和排水兩個行程。進行排水動作時電磁閥6關(guān)閉，電磁閥7打開，此時下罐與外界相通，外界氣體補充到下罐內(nèi)，內(nèi)外氣壓相等，上罐的四個開口狀態(tài)為：分配頭端3常開與陶瓷板相通、真空泵端4常開并持續(xù)為上罐形成負壓、電磁閥6端關(guān)閉從而阻斷上下罐相通，內(nèi)翻板2處由于下罐氣壓為大氣壓＞上罐負壓導(dǎo)致翻板蓋被壓緊關(guān)閉，此時下罐體中的水由于重力作用就會推開排水口外翻板蓋8排出。

當排水行程結(jié)束后，電磁閥6打開，電磁閥7關(guān)閉，此時上罐分配頭端3和真空泵端4未發(fā)生變化，下罐因電磁閥7關(guān)閉導(dǎo)致外界切斷了連通，此時上下罐因為電磁閥6打開而串通，下罐的氣體迅速流入上罐，上下罐氣壓持平，內(nèi)翻板2處兩側(cè)的氣壓一致，上罐的水流就會因為重力作用流入下罐，而排水口8則因為的內(nèi)側(cè)氣壓小于外界大氣壓而被壓緊，排水口8被阻斷，水流積蓄在下罐體內(nèi)。在兩個行程過程中儲水行程發(fā)生時，上下罐因在瞬間接通而使下罐氣流進入上罐，導(dǎo)致上罐氣壓升高，每個周期在切換到儲水行程時會導(dǎo)致真空壓下降，而上罐與分配頭相連，這就導(dǎo)致過濾機真空度下降、濾餅水分增大，同時影響真空泵使用壽命。

3.1.2 改進思路

由以上描述可提供兩種改進思路。

1）取消上下罐氣流串通的管路，在下罐處增加一臺真空泵，排水口用氣動閥控制開合。運行時，上罐可持續(xù)保持低壓，下罐在儲水行程時，由新增的真空泵單獨提供動能制造負壓，當上下罐氣壓相一致時，內(nèi)翻板蓋兩側(cè)壓強一致，上罐水流由于重力作用流入下罐。排水行程時，下罐排水口由氣動閥控制打開，且在真空泵連接至罐體的中間處增加三通閥口，進行排水行程時打開，以免真空泵過載和減小排水阻力。此處下罐使用的真空泵為保證上罐壓力在設(shè)定壓力下工作，且排水間隔時間與水量匹配，下罐選用的真空泵功率要大于上罐；

2）排水方式改為由液位控制的排水泵排水。在罐體下部增加排水泵并由罐體內(nèi)的液位控制啟停，當液位超過罐體一定高度時啟動水泵將濾液排除罐體，當液位下降到一定高度時停止排液[7]。

3.1.3 雙泵源雙罐體結(jié)構(gòu)分析

雙泵源雙罐體真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙泵源雙罐體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure schematic diagram of dual pumps and tanks

從圖5中可以看出兩側(cè)的上罐體共同接入主真空泵，上罐的另一端接入分配頭即過濾板端。上下罐之間有一條通路，由向下的內(nèi)翻板蓋隔開。兩側(cè)的下罐同時接入副真空泵，泵到兩側(cè)的罐體間都有一個電磁閥控制通斷，且下罐體與外界都有一個電磁閥控制通斷。

運行時罐體也分為儲水和排水兩個行程。左側(cè)罐進行排水動作時，右側(cè)罐進行儲水行程，兩側(cè)交叉進行排水。單從左側(cè)來看，電磁閥3關(guān)閉，電磁閥4打開，此時上罐與主泵連接，下罐與副泵連接，當下罐氣壓與上罐氣壓水壓一致時，中間內(nèi)翻板2打開，上罐水因重力作用流入下罐。外翻板5則因為外界大氣壓大過罐內(nèi)氣壓而緊閉。此時右側(cè)罐體進行排水行程。電磁閥9關(guān)閉，電磁閥10打開，下罐與外界相連通，下罐氣壓與大氣壓相等，下罐內(nèi)上一行程儲存的水就會因重力作用沖開外翻板7，罐內(nèi)濾液排出，而內(nèi)翻板8則因為下罐氣壓大過上罐而緊閉。上罐濾液無法排到下罐。

從運行過程來看，主泵主要提供過濾機真空壓，兩側(cè)上罐真空壓穩(wěn)定，副真空泵主要交替為左右兩側(cè)下罐提供真空壓，來保證上罐水順利流到下罐，且在不提供真空壓期間由電磁閥控制下罐與外界通連，來完成排水動作。

可以看出，左側(cè)罐的排水時間為右側(cè)罐的儲水時間，右側(cè)排水時間為左側(cè)罐儲水時間。儲水過程中，下罐先要由常壓開始減壓，一段時間后上下罐壓力相同時，上罐開始向下罐排水，待儲水周期時間結(jié)束后，即副泵電磁閥關(guān)閉時，開始進氣，當氣壓變?yōu)槌汉蟛砰_始排水。這整個時間周期內(nèi)，對側(cè)罐都處于排水期間，即上罐單獨在儲水。到儲水這一側(cè)進入排水周期時，在下罐水壓還未降低和上罐相同這個時間期間，上罐仍然在儲水。當進入下半個周期時，上下罐氣壓相等，上罐濾液才開始向下泄。如果下罐排水時間過短，那么上罐的水就會滯留到下一個周期，如果下罐排水時間過長，那么對側(cè)的另外一組罐子的上罐儲水又會太多。蓄水周期由設(shè)備工況決定，其中包括礦質(zhì)、供用水、過濾情況、真空泵、外部環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等，這些因素導(dǎo)致工作循環(huán)周期不能確定為一個固定值，需要動態(tài)調(diào)整，如果監(jiān)管調(diào)節(jié)不當，會發(fā)生上罐或者下罐儲水量超出界限，則濾液進入真空泵內(nèi)造成電機過載，燒毀電機，損毀真空泵。

3.1.4 改進辦法

想改變上訴這種情況，在原體結(jié)構(gòu)體上可采取的方法有增大罐體體積（瞬排水量會增多對排水系統(tǒng)產(chǎn)生壓力）、增加副泵功率[8]、將上下罐體之間的排水口增大增多、將向外的排水口增大增多、抬高真空泵，將電磁閥改為氣動閥?；蛘邔⒏北萌∠?，改為由液位反饋控制的排水方式儲排水，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1）超聲清洗裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將底埋式改為可上下活動調(diào)節(jié)的支架支撐式；

2）陶瓷板安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將支撐桿加壓板的固定形式改為下部法蘭螺栓固定結(jié)構(gòu)；

3）排水控制方式優(yōu)化。將以固定時間周期控制的方式改為以實際液位為輸入信號控制；

4）反洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將維護繁瑣，耗材昂貴且故障率高的水過濾器過濾清水反洗的方式，改為濾液回收和以壓力空氣及清水的混合反沖的方式；

5）卸料刮刀優(yōu)化。將固定死的刮刀改為可靈活調(diào)節(jié)控制間隙的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化刮刀材質(zhì)；

6）配件耗材優(yōu)化。優(yōu)化聯(lián)合清洗使用的藥劑，減少設(shè)備腐蝕損壞。

7）管路及設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。水源氣源管路增加減壓閥，穩(wěn)定壓力；配酸定量自動配比；真空泵增加緩沖罐及報警反饋，減少吸水過載事故；主軸傳動及攪拌增加過載保護，避免設(shè)備損壞事故。

4 應(yīng)用效果

通過優(yōu)化真空系統(tǒng)，重新配置真空泵，優(yōu)化管路及控制過程，解決真空泵頻繁燒毀問題，提升了過濾作業(yè)真空度和精礦水分指標。優(yōu)化超聲波清洗系統(tǒng)，提高了發(fā)生器和振子盒的穩(wěn)定性，提升了濾板清洗效果和效率，從而提升過濾作業(yè)效率。通過優(yōu)化改造反沖系統(tǒng)，將水反沖改為水氣聯(lián)合反沖模式，增加減壓閥穩(wěn)定反沖壓，減少單一模式下的故障率，提升反沖效果。將排液方式由單泵自動排液模式改為雙泵自動排液模式[9]，將控制模式由時間周期排液模式改為液位控制排液模式?？傊瑑?yōu)化改造過后設(shè)備整體性能及穩(wěn)定性明顯提升。

5 結(jié)語

1）通過將單泵單罐體自動排液結(jié)構(gòu)，優(yōu)化改進為雙泵雙管自動排液結(jié)構(gòu)。有效提升設(shè)備真空度及穩(wěn)定性，產(chǎn)品水分指標可增大1%～2%；

2）以時間周期的固定式排液控制模式，優(yōu)化改造為濾液實際液位反饋的控制模式，減少排液故障及設(shè)備損傷，提升作業(yè)效率8%～10%；

3）將底埋固定式超聲波優(yōu)，化為固定架升降式，減少故障率和維保難度，提升清洗作業(yè)質(zhì)量；

4）反沖洗系統(tǒng)增加減壓閥、反沖氣路、濾液水回收反沖等，提升反沖效果。