斜板濃密機(jī)底流采用倒虹吸方式排放減小閥門磨損的研究

謝坪全，韓曉熠，肖東升，郭 強(qiáng)

（云南科力環(huán)保股份公司，云南 昆明 650031）

1 斜板濃密機(jī)的工作原理

斜板是斜窄流設(shè)備的簡(jiǎn)稱，斜窄流是“斜窄上升流”的簡(jiǎn)稱，其定義為“在斜置、斷面窄小而規(guī)整不變的通道內(nèi)上升的連續(xù)流”。在水介質(zhì)懸浮液的斜窄流中，密度大于或小于介質(zhì)的顆粒能數(shù)十倍地縮短沉落或浮起的距離和時(shí)間，為淺層沉降原理。這是斜窄流過程能加速沉降或上浮，能對(duì)沉降或上浮增效的原因，其作用機(jī)理可按圖1闡釋。

圖1 斜窄流沉降的增效作用示意圖

圖1 中，AA′及CC′代表斜窄流的頂板及底板；?為其斜長(zhǎng)即斜板長(zhǎng)；d為斜窄流厚度即板間距；α為斜窄流及板面的斜置傾角。設(shè)A處有一沉降末速為νs的固粒，隨線速度的斜窄流上升，只要νs及的合速度vo與CC′的交點(diǎn)在C′之下，固粒即可沉落到底板。而圖的右下端所示普通重力沉降中，固粒的νs值必須大于液流垂直升速νc，方得沉降。由此導(dǎo)出，斜窄流中固體垂直向上的分速度與νc之比：

2 斜板濃密機(jī)特點(diǎn)

斜板濃密機(jī)由于占地空間小，操作步驟簡(jiǎn)單，低能耗與高效率特點(diǎn)，因此在礦山冶金、煤炭、市政等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。斜板濃密機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井分級(jí)濃縮處理與廢水處理，由于其應(yīng)用淺層沉降原理，可以通過應(yīng)用空間縮小占地面積，所以斜板濃密機(jī)的高度比較高，礦口與底流口的高差在8m左右，這樣會(huì)使液壓影響底流排放效果，從而導(dǎo)致礦井流經(jīng)底流閥門的速度加快，礦砂會(huì)不斷磨損閥門，從而導(dǎo)致閥門報(bào)廢率和更換率比較高，相應(yīng)增加應(yīng)用成本。因此，基于流體力學(xué)角度，通過倒虹吸方式將底流排出，以此處理底流閥門磨損問題[1]。

應(yīng)用特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：第一，通道集成模式：不同沉降通道的進(jìn)料、分級(jí)濃縮、溢流以及排砂功能均相同，能夠確保各級(jí)濃縮通道作業(yè)的穩(wěn)定性。第二，斜板組模塊化：由相同斜板組模塊的優(yōu)化組合，能夠形成總沉降面積。第三，可以應(yīng)用抗靜電、耐磨損能力強(qiáng)的分子材料為基料進(jìn)行加工，表面光滑，細(xì)泥無法粘接和堆積在斜板板面上。第四，能夠按照礦漿的不同性質(zhì)和粒度大小，對(duì)斜板通道進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，以此發(fā)揮出設(shè)備的作用價(jià)值。第五，為了防止底流閥門與管道堵塞，需要應(yīng)用無障礙排放設(shè)計(jì)，異地降低堵塞與磨損率，實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用效果。

3 斜板濃密機(jī)底部設(shè)置倒虹吸排放系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

對(duì)于斜板濃密機(jī)來說，為了減小占地空間和利用空間，通常都會(huì)增加設(shè)備高度。箱斗內(nèi)流壓差會(huì)加快底流礦漿流經(jīng)底流閥的速度，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損問題。按照流體力學(xué)伯努利理，對(duì)到虹吸裝置排放底流進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將底流礦漿的速度水頭轉(zhuǎn)化為位置水頭。在密封管道內(nèi)，流體處于定常流動(dòng)狀態(tài)，遵循能量守恒定律，可以使壓強(qiáng)水頭、速度水頭以及位置水頭相互轉(zhuǎn)換。

圖2 斜板濃密機(jī)箱斗立面示意圖

注：a—最高液面；c—最低液面；a與c平面高差為H；b與c平面高差為h

從圖2能夠看出，最低液面內(nèi)只包含壓強(qiáng)水頭，b平面內(nèi)包含速度水頭、壓強(qiáng)水頭與位置水頭。流體離開b平面后，壓強(qiáng)水頭會(huì)轉(zhuǎn)化為速度水頭。將礦漿流速設(shè)計(jì)為V，此時(shí)只包含速度水頭和位置水頭。假設(shè)流體從a到b的損失水頭為h損，按照伯努利定理得以下方程：

從上述公式能夠看出，當(dāng)斜板濃密機(jī)高度不變時(shí)，倒虹吸底流排放口位置越高，底流速度就越?。煌ㄟ^對(duì)排放口高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)底流排放量和速度。正是由于存在損失水頭，則倒虹吸底流排放口位置差別不大。

4 試驗(yàn)研究

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，礦漿流速和性質(zhì)會(huì)對(duì)斜板濃密機(jī)底流閥門磨損造成一定影響。由于閥門已經(jīng)承受長(zhǎng)時(shí)間磨損，實(shí)驗(yàn)室短期間不能準(zhǔn)確測(cè)量閥門磨損情況。所以此次研究從控制礦漿流速角度，對(duì)閥門磨損程度進(jìn)行判斷。

4.1 小型試驗(yàn)研究

（1）設(shè)備優(yōu)化配置。在實(shí)驗(yàn)室開展小型試驗(yàn)，選擇鈦鐵礦砂礦為處理物料。實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備包括斜板濃密機(jī)、攪拌桶。小型斜板濃密機(jī)的高度為3m。倒虹吸管為塑料軟管，內(nèi)徑為30mm，內(nèi)部設(shè)有鋼絲，能夠?qū)Ω叨冗M(jìn)行調(diào)節(jié)，便于觀察。

（2）礦石性質(zhì)：此次所選擇的樣品為紅土砂礦，通過X射線衍射分析、電子探針分析以及顯微鏡分析，該礦物主要成分為鈦鐵礦金屬氧化物、褐鐵礦和赤鐵礦，含有少量鋯石、金紅石和白鈦石,；脈石礦物為黏土、蛇紋石以及石英。

（3）試驗(yàn)結(jié)果與分析：斜板濃密機(jī)的給礦漿濃度為9%，濃縮后由透明軟管產(chǎn)生倒虹吸排出，對(duì)軟管出口高度進(jìn)行調(diào)整，有助于改變底流濃度和礦漿量。結(jié)果如表1所示。

表1 小型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)能夠看出，采用常規(guī)方式排放底流礦漿，流速比較快，為倒虹吸排出法的五倍左右。通過倒虹吸排放方式，底流排放速度會(huì)逐漸平緩，能夠明顯降低斜板濃密機(jī)高液位差。倒虹吸管出口高度影響比較小。

從整個(gè)試驗(yàn)可以看出，通過倒虹吸進(jìn)行底流排放，通過小液位差就能夠虹吸粗礦粒，因粗礦粒的沉降方向與底流礦漿的流向不一致，可以起到防堵效果。

4.2 工業(yè)試驗(yàn)

第一，礦石性質(zhì)：該鉬礦尾礦礦物組成包括角閃石、長(zhǎng)石、高嶺石、磁鐵礦、鈦鐵礦以及方解石和云母。

第二，試驗(yàn)結(jié)果與分析：通過檢測(cè)結(jié)果能夠看出，工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果基本等同于小型試驗(yàn)結(jié)果，滿足伯努利定理。底流通過倒虹吸排出法，能夠確保排放過程的通暢性，底流出口所排出的礦漿流速平緩，可以自由調(diào)節(jié)，且穩(wěn)定性高。

5 工業(yè)應(yīng)用

某鈦鐵礦的礦石硬度比較高，斜板濃密機(jī)的底流閥門磨損嚴(yán)重。該斜板濃密機(jī)的高度為9m，所應(yīng)用的耐磨閥門僅可以運(yùn)行兩周。設(shè)備優(yōu)化改造應(yīng)用3m倒虹吸排放管，并且在排放管上設(shè)置3個(gè)出口閥門，不同閥門之間的距離在50cm。設(shè)備運(yùn)行之后，底流排放閥門液位差為2.8m，經(jīng)過優(yōu)化改造后，明顯降低了底流礦漿對(duì)閥門的沖擊力。在實(shí)施優(yōu)化改造后，底流閥為全開狀態(tài)，明顯降低了礦漿流速，因此有效控制了底流閥門磨損情況，延長(zhǎng)了閥門的使用壽命，可以實(shí)現(xiàn)超過2個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行效果。將倒虹吸排放管應(yīng)用到底流閥之后，能夠使底流自動(dòng)流入到下段工序，不需要設(shè)置底流泵，節(jié)約了能耗，同時(shí)有效提高了閥門的使用周期。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究以及工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，能夠證實(shí)斜板濃密機(jī)應(yīng)用倒虹吸排放管的效果，能夠穩(wěn)定可靠地排放出底流礦漿，明顯降低了底流礦漿流經(jīng)閥門的速度，相應(yīng)降低了底流閥門的磨損程度，延長(zhǎng)使用壽命，為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本。