董春伟 单绍雷 杨永恒 苑春晖 王树江

(长春工业大学化工学院)

伊利石矿土打浆生产设备设计*

董春伟**单绍雷 杨永恒 苑春晖 王树江

(长春工业大学化工学院)

对伊利石矿土水力打浆生产设备进行设计，确定了年处理矿土量5万吨设备的结构和参数。转筒筒体直径3m，长10m，螺旋推进板高0.5m，相邻板间距0.5m，转筒转速0.3m/s。同时，对设备主要部件进行特别说明，提出了设备制造、安装和操作时需注意的问题。设备投运后，矿土处理速度为25～30t/h，水消耗量60t/h，每小时电消耗量42.2kW·h，浆体固含量17～19g/L，30min浆液沉降物14.7g/L，浆液中伊利石粒度不大于0.125mm。整套设备协调性好，运行稳定，连续性强。

打浆过滤设备 伊利石矿土 设备设计

伊利石是一种片层状结构的硅酸盐[1]，广泛应用于陶瓷、建筑、造纸及化工等行业[2～7]。我国伊利石储藏量较大，分布范围也比较广泛，但优质矿资源已开采殆尽。伊利石多以矿石形式存在，采出后要经破碎、球磨及剥片等工序，变成细小颗粒物后再应用。吉林省延边地区经过多年勘测，发现一种不同以往的粘土状伊利石矿土，储量达1.4亿余吨，经测试，粒度小于0.150mm的伊利石占45%左右。利用伊利石的首要步骤是将它从矿土中提取出来，由于此地矿土呈粘土状，现有的矿石提取工艺不能满足提取需要。前期研究解决了小批量的生产要求[8]，但由于产能扩大，这种机器的处理量远不能满足目前处理量需要，同时还需兼顾单次装料量增加、过滤出的颗粒物分级应用及生产的连续性等，因此，笔者参考原有设备，设计出了新的打浆过滤设备。

1 设计参数与要求

设备的设计参数要求如下：

a. 矿土特点。粘性土矿，形状不规则，土块大小不均，多数为大块，易于粘附，密度在2 000～2 400kg/m3。

b. 年处理量和生产时间。年处理量5万吨；由于季节性原因，每年生产180天，每天生产12h。

c. 粒度要求。矿土中含有粒度大小不等的诸如石块、植物根茎及石英等混合物，在打浆过滤过程中，需要同步实现不同粒度颗粒之间的分离。浆液中颗粒粒度小于0.150mm(特殊要求小于0.007 5mm)和0.150～2.000mm左右的颗粒单独分离，2～10mm左右的颗粒物单独分离，直径10mm以上的(包含大石块等)在同一级中分离。

d. 浆体固含量。浆体中固含量越大，对后期操作越有利，但浆体固含量过大会造成其流动性变差，因此操作中浆体固含量不小于15g/L。

2 设备设计

2.1设备主体结构

伊利石矿土粘性较大，刚采出的矿土水含量在17%～18%左右，由于有石块等杂质，比一般粘土块硬，不易破碎，用机械粉碎手段无法粉碎。将矿土自然干燥后粉碎，一方面时间极长，块大的要两个月左右；另一方面，干燥粉碎会使粉碎后的粉料中含有较多杂质。因此，在研究的初期就决定采取水力粉碎，并制造了小批量的生产装置[8]。现根据设计参数和生产要求设计出图1所示的打浆设备(主视图)。

图1 伊利石矿土旋转打浆机主视图

设备底架主要作为支撑转筒支架的底面，并固定带动转筒转动的电机；用除铁后浆体接收斗收集伊利石浆体，并由此流入浆体接收槽；浆体除铁机利用高磁磁铁对铁氧化物、铁盐具有一定磁吸能力，从而使铁化合物从浆液中分离出去；转筒支架主要支撑转筒；石头接收斗的作用是接收从转筒出口中流出的石块，并由此流入收集车中，伊利石矿土中含有尺寸不一的石块，水冲散矿土后，细小颗粒随浆体从筒体漏浆孔流出，其他大一点的石块随筒体转动并被螺旋挡板推到转筒出口；小颗粒石块接收斗有两个，每个都与它对应的振动筛网相接，收集筛网上部筛出的细石；过滤后浆体收集斗用来收集过滤后的浆体，并由此流到浆体除铁机上；浆体收集斗用来收集从转筒外壁漏浆孔流出的浆体，并由此自流到振动筛上；转筒出口防浆溅出水晶板支架用来固定出口挡浆水晶板；出口挡浆水晶板和转筒进口挡浆板用来防止转筒内飞溅的水滴或浆体落到转筒外，影响生产操作和环境；喷水管提供打浆冲散水；转筒转动轨道是专门制作的轴承转动装置，保证转筒稳定、长时间运行，并降低转动能耗；喷水头是水喷出口，喷出后的快速水流直接冲向矿土，逐渐将矿土冲散，同时小颗粒的伊利石生成浆体；螺旋挡板主要起螺旋推进作用，即随转筒转动将投到转筒内的矿土逐渐推到转筒出口端；转筒，提供封闭的打浆环境；传送带将转筒转动驱动电机的动能传送给转筒，使转筒转动；铲车将矿土装入矿土进口滑落斗，矿土从此滑入转筒中；矿土滑落剂(水)滴漏管，从此管流出的水为矿土由滑落斗滑入转筒提供润滑剂，矿土粘性较大，装到矿土进口滑落斗会被粘住，不能进到转筒中，加水润滑会使矿土很顺畅落入转筒中；转筒转动驱动电机为转筒转动提供动力，转筒启动初期，由于启动阻力较大，有备用的辅助启动电机。

2.2相关尺寸确定

转筒直径、长度、筒内螺旋推进板间距及整体高度等参数对打浆效果、处理能力等有直接影响，因此这些数据是设备的主要数据。

2.2.1转筒直径

从生产操作角度考虑，打浆装料时要使用铲车加料，即使用铲车将矿土加到进料斗中，矿土再自动滑落到打浆桶内部。铲车铲斗宽度1.5m，为使装料有操作空间，转筒加料斗入口宽度至少要达到2.0m。考虑到加料斗出口的位置，出口宽度可收缩一些，但不能收缩过多，防止矿土块在它内部卡住，落不下去。转筒加料斗出口宽度定为1.5m。同时，转筒内螺旋推进挡板应能确保单次加入的1t左右矿土在其内部被及时推进，推进挡板径向高度定为0.5m。再考虑转筒转动，加料斗不动，二者之间要留有空隙，所以转筒内径定为3.0m。

2.2.2转筒长度

矿土块尺寸因素：矿土为粘性土块，几何尺寸不定，按最大块直径500mm的球体(个别大块可预先处理)计算，这个尺寸决定了螺旋推进板的间距至少要500mm。否则，矿土块进入不到两块螺旋推进板之间。前期工作对大块矿土进行了水力打散制浆实验，实验装置如图2所示。

图2 矿土打浆冲散实验装置

实验中矿土是否被水打散从两方面判定，一是通过打浆筒的透明盖板观察，桶内不存在伊利石块；二是观察接样烧杯，当烧杯中水的浑浊程度基本不变时，测定水的浊度，前后相邻两次测得的浊度值相近，说明打浆冲散结束。表1为不同尺寸矿土水力打散制浆实验数据。

表1 不同尺寸矿土水力打散制浆实验数据

注：矿土形状不规则，多数可近似为球状，则矿土尺寸可认为是球体直径。

表1的实验数据表明，一定尺寸的矿土水流速度越大，打散的时间越短；矿土尺寸越大，在一定水流速度下，打散时间越长；对于直径500mm的矿土块，在水流速度2m/s时10min被打散。因此，矿土在转筒内的停留时间至少要10min，此结果为转筒长度设计提供了依据。

转筒转速会影响矿土在转筒内的停留时间，转筒转速越大，矿土在转筒内的停留时间越短。当转筒直径一定、设备生产负荷一定时，转筒转速越大，电机功率越大，尤其启动初期，生产动能消耗更大。而且，转速加大，为使矿土在转筒内停留同样长的时间，转筒的长度就越长。参考商品砼搅拌机器，转筒转速定为0.3m/s，同时，配上适当功率的变频器，使转筒转速在一定程度上可适当调整。综合起来，矿土最大直径500mm，确定转筒内相邻两块螺旋推进板间距为500mm。因此，转筒每转动一圈，所用时间t为：

t=转筒周长/转筒转速=2 × 3.14 × 1.5/0.3

=31.4s

因此，转筒长度L为：

L=矿土打散耗时/转筒转动一周所用时间×

转筒转动一周矿土推进距离

=610/31.4×0.5

=9.71m≈10m

近似的，矿土在转筒转动时被螺旋推进，推进距离等于螺旋推进板的板间距之和。

2.2.3关键部件的设计

图1中诸如矿土进口滑落斗等关键部件的结构、尺寸需要进一步说明。图3为转筒筒体与螺旋推进板连接图。挡板与筒体直角连接部分要焊接径向90°的、直径100mm的管槽。此槽一方面能加强与转筒之间的强度，另一方面可减少矿土块与筒体和螺旋推进板之间的阻力，即保证矿土在径向方向上无移动而仅有轴向移动，使从喷水口喷出的水直接冲向矿土。两块相邻螺旋推进板之间轴向并排开3个漏浆孔，转筒径向方向每隔150mm(弧长)开一孔，一周均匀开设63个孔。扣除进料端0.5m用于布置传送带，出料端空0.5m以防水流失，转筒轴线方向开孔个数为：9/0.5×3=54个。所以漏浆孔总数为63×54=3402个。假定水从漏浆孔流出的速度为x，并且，转筒转动时，转筒内有矿土，底部漏浆孔被矿土(包括泥浆)挡住，上部没有浆体，每侧仅有一排漏浆孔漏浆。则漏浆总面积S=54×2×单孔面积，粗略认为连续操作过程中，单位时间流入转筒的水体积(60m3/h)为单位时间从漏浆孔流出的浆体体积。经测试，直径10～30mm的孔，固含量为20g/L的浆体自由流出速度U浆体=492mm/s，则存在：54×2×单孔面积×U浆体=60m3/h，由此可知，单孔直径r2=(6×1010mm3/3.6×103s) /(54×2 ×3.14×U浆体)，即r≈10mm。

图3 转筒筒体与螺旋推进板连接图

图4为转筒支架结构，支架主体为圆形，内部有凹槽，槽内有柱形滚珠，尺寸为DN20mm×40mm。

图4 转筒支架结构

图5为滑料斗结构，滑料斗上端的出水管上设有出水孔，其中流出水速度较慢，保持矿土滑落板润湿并满足物料可自动滑落即可。图6为转筒内喷水管相对位置图。每两块螺旋板间设置两个水喷出管，共有36个。进料端为第1个，出料端为第36个。第1个喷水管与地面垂线夹角为27°，第36个垂直地面。从第2个喷水口开始，喷水管轴线与地面垂线夹角依次递减27/(36-1)= 0.77°焊接。以保证喷出水垂直喷向转筒内的矿土块，加强喷出水的冲刷作用。

图5 滑料斗结构

图6 喷水管相对位置图

3 设备操作与运行

启动转筒转动电机，使转筒运转。开启输水泵向转筒内喷水。开启料斗加水阀门，使水从矿土滑落剂滴漏管中滴出，并全部润湿加料斗。

用铲车将矿土从加料斗加入，矿土在自身重力和水的润滑作用下滑入转筒。注意单次加料量不可太多，最大量不超过1.2t。随着转筒的转动，在螺旋挡板的作用下，矿土逐渐向转筒出口处运动。同时，从喷水口喷出的高速水流直接冲向矿土，在水的冲刷下，伊利石进入水中成为浆体，并从转筒上的漏浆孔流出。未被冲散的石头等杂质从转筒出口端自然流出，并落入接收车中，定时被移走。

流出的浆体自流到浆体收集斗并继续下流到振动筛上。经过两层振动筛，浆体再经除铁机除铁，最后经浆体接收斗流入打浆池，完成打浆、过滤过程。

经河北邢台斌盛矿山机械有限公司制造，打浆设备投入运行。将此矿土用同尺寸的球磨机处理，10h处理矿土量为18～20t，水消耗量40t，电消耗量200kW·h左右，矿土利用率90%。打浆机生产运行相关数据如下：

矿土处理能力 25～30t/h

水消耗量 60t/h

每小时电消耗量 42.2kW·h

设备负荷 4.2～5.0t

浆液固含量 17～19g/L

浆液中固体粒度 不大于0.125mm

浆液沉降物 14.7g/L

铁含量(以Fe2O3计) 2.8%

其中，设备负荷是指设备运行中所承载的矿土重量；浆液沉降物是指浆体放入1 000mL量筒中，30min后沉入量筒底部固体的干重；铁含量是占固体颗粒物的百分数。

4 注意的问题

制造中需注意的问题有：转筒筒体外径较大，要保证筒体外径均匀；转筒及其传动轮的轴线在一个平面上，并垂直底座；进料斗、筒体进出口挡水板及其支撑架不能与转筒接触。

安装中需注意的问题有：设备要建造混凝土基座，底座要固定在基座上，保证设备运行时稳固，基座建造时要与铲车装料平台兼顾，尤其二者高度与距离要特别注意；先从底座开始安装，然后支架、筒体，附件可以后安装。

运行中需注意的问题有：设备运行时，要空载启动，即不要装填矿土后转动。调节变频器时，要分段增大频率，不可将频率一次性变到最大；所有辅助设备，包括进水、过滤及除铁等机器，可随转筒启动后再启动；转筒停止后再停其他辅助设备；可用打浆喷水管和辅助的卫生打扫管清洗设备。

5 结束语

经过实验，小设备设计、运行，再到满足大生产负荷需要的设备设计、制造、安装、调试和生产运行，笔者设计的打浆生产设备能很好地满足生产需要，可连续亦可间歇操作。加料滑料斗水润滑使加料顺畅，防伊利石浆体飞溅水晶挡板的加设使生产环境整洁，固体颗粒物得到分级处理或利用。与球磨机相比，生产效率高、产物纯度高、生产能耗低。

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ProductionEquipmentDesignforIlliteClayRefining

DONG Chun-wei, SHAN Shao-lei, YANG Yong-heng, YUAN Chun-hui, WANG Shu-jiang

(SchoolofChemicalEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

*吉林省延边州科技开发项目(2014030001)。

**董春伟，男，1989年9月生，硕士研究生。吉林省长春市，130012。

TQ050.2

A

0254-6094(2016)06-0749-06

2015-11-23，

2016-09-20)

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