徐文彬，胡洪明

(1．鞍山重型礦山機(jī)器股份有限公司，遼寧 鞍山 114042； 2.鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 調(diào)兵山 112700)

高效自清分級(jí)篩的研制及工業(yè)應(yīng)用

徐文彬1，胡洪明2

(1．鞍山重型礦山機(jī)器股份有限公司，遼寧 鞍山 114042； 2.鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 調(diào)兵山 112700)

針對(duì)潮濕細(xì)粒煤干法深度篩分作業(yè)中堵孔嚴(yán)重、篩分效率低下的問題，研制出高效自清分級(jí)篩。文章詳細(xì)闡述了高效自清分級(jí)篩的研發(fā)思路、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)與技術(shù)特點(diǎn)，并介紹了該篩在小康煤礦的應(yīng)用實(shí)踐，從而為選煤廠潮濕細(xì)粒煤的干法深度篩分提供了有益參考。

干法深度篩分；潮濕細(xì)粒煤；高效自清分級(jí)篩；彈性懸臂桿篩板；篩分效率

潮濕細(xì)粒煤(外在水分為7%～14%，粒度為13～3 mm)的干法深度篩分一直以來都是國(guó)內(nèi)外煤炭篩分行業(yè)研究的技術(shù)焦點(diǎn)及難點(diǎn)問題[1]。由于細(xì)粒煤在外在水分、灰塵和粘土等作用下易相互粘結(jié)成團(tuán)，并易于粘附在篩網(wǎng)上，形成片狀糊孔或附著，因而使振動(dòng)篩的有效篩分面積逐漸減小，最終導(dǎo)致物料松散、透篩困難，篩分過程惡化，篩分效率急劇降低。因此目前的常規(guī)普通篩分設(shè)備根本無法完成對(duì)潮濕細(xì)粒煤的干法深度篩分。

1 研制背景

對(duì)于煤炭洗選，尤其是對(duì)動(dòng)力煤洗選，國(guó)內(nèi)外一般采用洗塊不洗末的原則流程[2]。但是隨著采煤機(jī)械化的發(fā)展，原煤中粉煤含量大大增加，灰分、硫含量也隨之升高，致使我國(guó)不少高硫末煤作動(dòng)力用煤時(shí)超過環(huán)保要求，必須進(jìn)行洗選。因此，如果能夠通過篩分進(jìn)一步降低動(dòng)力煤的入選粒度下限，不但能夠達(dá)到降灰、降硫的目的，而且還能大大提高洗選精煤的產(chǎn)量。此外，就選煤加工而言，煤泥水處理作業(yè)是整個(gè)選煤生產(chǎn)系統(tǒng)中成本最高、收益最小的環(huán)節(jié)[3]，如果大量細(xì)末煤和煤泥進(jìn)入到洗選系統(tǒng)，就會(huì)大大增加煤泥水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，不僅增加選煤成本，并且還會(huì)降低煤炭的洗選質(zhì)量。

就實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和分析研究結(jié)果來看，對(duì)原煤進(jìn)行干法深度篩分有利于簡(jiǎn)化選煤工藝，降低選煤成本。因此，近年來選煤生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)于細(xì)粒煤的高效篩分機(jī)需求日益顯現(xiàn)。

2 研發(fā)思路

造成原煤潮濕的原因主要有兩種:一種是地下采煤人工除塵的噴水；二是開采出來的煤露天堆放，遇到潮濕環(huán)境或雨天造成煤中水分增加。尤其是粉煤或泥質(zhì)頁巖含量高、泥化嚴(yán)重的煤，遇水后變得更加粘濕，常規(guī)振動(dòng)篩根本無法滿足篩分需求。散狀煤中水的賦存形態(tài)有三種，即結(jié)合水、內(nèi)在水和外在水。試驗(yàn)表明，不含外在水分的細(xì)顆粒煤粒子與粒子之間的作用力對(duì)透篩過程幾乎不產(chǎn)生任何影響。因此可以認(rèn)定，由外在水分引起的作用力是潮濕細(xì)粒煤篩分過程中產(chǎn)生粘附、團(tuán)聚、糊孔現(xiàn)象的主要原因[4-5]，也因此惡化了篩分過程，導(dǎo)致篩分效率很低。圖1所示為煤炭外在水分與篩分效率關(guān)系曲線。

圖1 篩分效率與煤炭外在水分關(guān)系曲線

另外，從理論上分析，目前潮濕細(xì)粒煤干法深度篩分存在一定難度的原因主要還有：由于深度篩分采用的篩孔孔徑一般較小(3～13 mm)，這不僅使篩面的開孔率降低，而且篩面的有效篩分面積也較小，從而加劇了物料在篩面上的卡孔現(xiàn)象，進(jìn)一步增加了篩分的難度。

潮濕細(xì)粒煤干法深度篩分一直是世界篩分行業(yè)的一大難題，圍繞這個(gè)技術(shù)難題，世界各國(guó)也研究出了很多新型篩分機(jī)械[5-7]。筆者根據(jù)多年的振動(dòng)篩研究及現(xiàn)場(chǎng)問題處理、數(shù)據(jù)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)分析和理論總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)得出，要想解決潮濕細(xì)粒煤的干法深度篩分問題，振動(dòng)篩分機(jī)就必須從以下六個(gè)方面進(jìn)行周全考慮[8]：有效篩分面積、振動(dòng)強(qiáng)度、篩板結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)動(dòng)軌跡、振動(dòng)方向角與篩面傾角。

2.1 有效篩分面積

振動(dòng)篩的有效篩分面積是指對(duì)物料分離有用的那部分篩面的面積。振動(dòng)篩的有效篩分面積越大，其篩分效率和處理量就越高，篩面長(zhǎng)度在篩分機(jī)的有效篩分面積中對(duì)篩分效率起著主要作用。圖2所示是常規(guī)煤炭篩分機(jī)篩面長(zhǎng)度和篩分效率關(guān)系曲線圖(試驗(yàn)條件：振次n=900 r/min；雙振幅2A=10 mm)，從圖中可以看出，篩分效率隨著篩面的長(zhǎng)度增加而變大，但是當(dāng)篩面長(zhǎng)度達(dá)到一定程度以后，對(duì)篩分效率的提高影響很小。

圖2 篩面長(zhǎng)度和篩分效率關(guān)系曲線

此外，通過試驗(yàn)也證明：對(duì)于常規(guī)的振動(dòng)分級(jí)篩，隨著煤炭分級(jí)粒度的減小(3～13 mm)、外在水分的增加(7%～14%)、料層的增厚(>80 mm)，篩分效率會(huì)急劇下降，此時(shí)篩機(jī)的篩面長(zhǎng)度對(duì)篩機(jī)的篩分效率已不構(gòu)成任何影響。當(dāng)然，料層厚度進(jìn)一步減薄(10～20 mm),篩分效率會(huì)有所提高，但在同等工況下，通過增大篩機(jī)的篩面面積來降低物料層的厚度以提高篩分效率, 顯然不是最佳的方案選擇，因?yàn)楹Y分機(jī)面積增大了，不但增加設(shè)備的制造成本，同時(shí)也增加了土建基礎(chǔ)投資。因此，單純地靠增加篩分機(jī)的有效篩分面積來提高振動(dòng)篩的篩分效率和處理量是不可取的。

2.2 振動(dòng)強(qiáng)度

2.3 篩板結(jié)構(gòu)形式

振動(dòng)篩的篩板結(jié)構(gòu)形式和安裝形式有很多種，可根據(jù)被篩分的物料性質(zhì)來選擇。篩板的選擇原則是：開孔率要高，有彈性，耐磨、耐腐蝕，拆裝方便，使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行成本低等。實(shí)踐證明，篩分機(jī)在一定的結(jié)構(gòu)原理和振動(dòng)參數(shù)下，選擇先進(jìn)結(jié)構(gòu)的篩板對(duì)于提高篩分機(jī)的篩分效率和處理量是非常關(guān)鍵的。

2.4 運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 物料在圓運(yùn)動(dòng)軌跡篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖4 物料在直線運(yùn)動(dòng)軌跡篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2.5 振動(dòng)方向角

直線振動(dòng)篩的振動(dòng)方向角(β)是振動(dòng)方向線與上層篩面間的夾角，橢圓篩則是橢圓軌跡的長(zhǎng)軸與篩面間的夾角。振動(dòng)方向角取值大小影響振動(dòng)篩的篩分效率和處理量，隨著振動(dòng)方向角的增大，篩分效率升高而處理量下降，振動(dòng)方向角取大值時(shí)，物料顆粒被拋擲到一定高度，既有利于物料顆粒的松散、分層，又有利于臨界顆粒(接近篩孔尺寸的顆粒)透篩，振動(dòng)篩的篩分效率也相應(yīng)提高，但物料的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)減慢，使處理量變小。因此，潮濕細(xì)粒煤的干法深度篩分選擇較大的振動(dòng)方向角比較合理，同時(shí)也能增加其拋射強(qiáng)度Kv。

2.6 篩面傾角

振動(dòng)篩的篩面傾角(α)就是篩面與水平面間的夾角，以給料端為基準(zhǔn)，篩面向下傾斜時(shí)篩面傾角為正，篩面向上傾斜時(shí)篩面傾角為負(fù)。篩面傾角決定物料的運(yùn)動(dòng)速度和物料的通過量，篩面傾角越大，物料運(yùn)動(dòng)速度越快，其通過量就越大，但篩分效率會(huì)隨之降低。因此，根據(jù)被篩分物料的粒度組成、外在水分、硬度、密度、形狀等來選擇合理的篩面傾角，對(duì)于提高振動(dòng)篩的篩分效率很關(guān)鍵。圖5所示為直線振動(dòng)篩用于常規(guī)原煤分級(jí)時(shí)的篩面傾角與篩分效率之間的關(guān)系曲線(試驗(yàn)條件：振次n=900 r/min；雙振幅2A=10 mm)。

圖5 篩面傾角與篩分效率關(guān)系曲線

3 高效自清分級(jí)篩

基于以上分析、試驗(yàn)與理論研究，針對(duì)“潮濕細(xì)顆粒煤干法深度篩分”的特點(diǎn)和難點(diǎn)，研制出了一種 “高效自清分級(jí)篩”，并取得了國(guó)家專利(專利號(hào)：ZL201420470605.2)。

3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

高效自清分級(jí)篩(圖6)由篩框、偏心塊式振動(dòng)器、篩面、電機(jī)傳動(dòng)裝置和減振支撐裝置五大部分組成。

該篩機(jī)連接兩片側(cè)板組成篩框，支撐篩面的橫梁采用的是矩形橫梁，矩形橫梁上的篩面支撐架與矩形橫梁間采用的是虎克鉚釘聯(lián)接(圖7)，可避免焊接聯(lián)接或螺栓聯(lián)接產(chǎn)生的應(yīng)力集中或振動(dòng)松動(dòng)；在篩框的側(cè)板上、安裝振動(dòng)器的位置裝有補(bǔ)強(qiáng)鋼板和加強(qiáng)角鋼，兩組性能相同的偏心塊式振動(dòng)器安裝在篩框的側(cè)板和補(bǔ)強(qiáng)鋼板上，中間由萬向傳動(dòng)軸連接；篩箱單側(cè)由兩臺(tái)性能相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別同時(shí)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使篩箱實(shí)現(xiàn)自同步直線運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6 高效自清分級(jí)篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖7 虎克鉚釘聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖

該篩機(jī)除了在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了特殊優(yōu)化加強(qiáng)設(shè)計(jì)外，另外一個(gè)突出特點(diǎn)是篩面采用了彈性懸臂桿篩板(專利號(hào)：ZL201420470594.8)，此篩板的結(jié)構(gòu)、原理如圖8所示。在相匹配的振動(dòng)參數(shù)下，彈性懸臂桿篩板每根懸臂桿在隨主機(jī)振動(dòng)的同時(shí)，能產(chǎn)生二次振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)篩面上堵塞的物料自清理功能，從而使振動(dòng)篩在工作過程中篩面的篩孔始終保持暢通狀態(tài)，無物料顆?？ǘ隆⒄掣浆F(xiàn)象。

1—懸臂桿；2—篩板框架立板；3—壓板；4—橡膠彈性墊；5—焊接點(diǎn)；6—方管梁；7—鎖緊螺栓組

彈性懸臂桿篩板在工作中能發(fā)揮最佳的篩分性能，除了選擇與其相匹配的振動(dòng)參數(shù)外，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上還需注意以下幾點(diǎn)：①懸臂桿的材料選擇。懸臂桿的材料必須有彈性且具有一定的剛度，同時(shí)具備耐磨、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)；②懸臂桿的長(zhǎng)度(L)。懸臂桿的長(zhǎng)度主要決定篩板的開孔率和懸臂桿發(fā)生二次振動(dòng)的幾率，要根據(jù)篩機(jī)的振幅、頻率、篩孔和入料粒度來選定；③懸臂桿的直徑φd。懸臂桿的直徑也是決定篩板的開孔率和懸臂桿發(fā)生二次振動(dòng)的幾率的參數(shù)，同時(shí)也影響篩板的使用壽命，也應(yīng)根據(jù)篩機(jī)的振幅、頻率、篩孔和入料粒度來選定；④懸臂桿的傾角(α)。從性能上分析，懸臂桿的傾角主要影響物料的移動(dòng)速度；從結(jié)構(gòu)上分析，懸臂桿的傾角取值要便于前后兩排懸臂桿的搭接，以防止在篩分時(shí)漏料；⑤前后相銜接的懸臂桿的間距h和c。間距h和c的取值，要考慮懸臂桿的二次振動(dòng)空間、篩孔尺寸大小和方管梁上表面的堆料高度； ⑥方管梁的前、后端開插桿孔φa和φb。安裝懸臂桿的方管梁水平方向前后端要根據(jù)懸臂桿的直徑開插孔φa和φb，在保證懸臂桿能夠順利穿插進(jìn)去的前提下，使孔φa>φb，因?yàn)楹蠖丝爪誦是懸臂桿的焊接固定端，前端孔φa是懸臂桿的二次振動(dòng)浮動(dòng)端；⑦橡膠彈性墊的厚度(m)。方管梁內(nèi)的橡膠彈性墊厚度是決定懸臂桿彈性、松緊程度和懸臂桿是否容易折斷的參數(shù)，其厚度需要根據(jù)懸臂桿的長(zhǎng)度和直徑來選擇。

3.2 技術(shù)參數(shù)

高效自清分級(jí)篩的技術(shù)參數(shù)是根據(jù)“潮濕細(xì)顆粒煤干法深度篩分”的難點(diǎn)問題并結(jié)合試驗(yàn)、分析結(jié)果而制定的，具體取值如表1所示。另外，根據(jù)市場(chǎng)需求，還研發(fā)了一系列不同性能參數(shù)的篩機(jī)，如表2所示。

表1 高效自清分級(jí)篩的技術(shù)參數(shù)表

表2 高效自清分級(jí)篩型號(hào)規(guī)格表

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

(1)高效自清分級(jí)篩在整體設(shè)計(jì)上采用ZL201420470605.2專利技術(shù)，結(jié)構(gòu)先進(jìn)；篩框上的零部件裝配全部采用冷鉚技術(shù)(虎克鉚釘聯(lián)接)、下橫梁采用矩形方梁結(jié)構(gòu)，可靠性高，設(shè)計(jì)使用壽命在8年以上。

(2)該分級(jí)篩的雙振幅2A=10～12 mm、振次n=970 r/min，其振動(dòng)強(qiáng)度大(5.2～6.3g)，而常規(guī)分級(jí)篩僅為3～5g。

(3)高效自清分級(jí)篩的篩板采用彈性懸臂桿篩板，此篩板在隨主機(jī)篩箱振動(dòng)的同時(shí)能產(chǎn)生二次振動(dòng)，有效清除卡堵在篩孔中的物料，具有自清理功能，因此其篩分效率高，通常在85%以上。

4 工業(yè)應(yīng)用

小康煤礦是遼寧省鐵法煤業(yè)集團(tuán)的下屬企業(yè)，年洗選動(dòng)力煤260萬t。該礦原煤煤質(zhì)特性是：原煤中末煤和煤泥含量較多，且粘濕，經(jīng)測(cè)試,外在水分在8%～12%之間。該礦原煤二次篩分車間對(duì)篩分機(jī)工況的要求為：?jiǎn)螜C(jī)處理能力300～350 t/h，分級(jí)粒度為8 mm，篩分效率≥80%。

2014年初，該礦為提高動(dòng)力煤洗選質(zhì)量、滿足集團(tuán)公司精煤戰(zhàn)略需求，同時(shí)降低洗選消耗，對(duì)原煤篩分車間的二次分級(jí)篩進(jìn)行了換型改造，選用了1臺(tái)GZFS-3048高效自清分級(jí)篩替代了原采用的YK2440圓振動(dòng)篩。

4.1 改造前的篩分機(jī)工況

改造前，原煤二次篩分機(jī)采用YK2440圓振動(dòng)篩，篩機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，采用轉(zhuǎn)桿篩板(圖9)。該篩技術(shù)參數(shù)如下：

參數(shù)

數(shù)值

篩分面積/m2

9.6

篩孔尺寸/mm

8

篩板結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)桿篩板

雙振幅/mm

9～10

振次/(r·min-1)

850

振動(dòng)強(qiáng)度/g

3.6～4.1

篩面傾角/(°)

18

圖9 轉(zhuǎn)桿篩板外形結(jié)構(gòu)圖

該篩機(jī)自安裝使用以來一直未能達(dá)到工況要求，主要問題就是粘濕細(xì)粒煤堵孔嚴(yán)重，在工作過程中約70%的篩面篩孔被堵塞，使篩面上物料層厚度堆積達(dá)250～300 mm，篩分作業(yè)的限上率嚴(yán)重超標(biāo)，篩分效率極低，使后序煤泥水處理系統(tǒng)負(fù)荷加大。

在實(shí)際生產(chǎn)中，該礦曾將該篩篩孔尺寸由8 mm改為15 mm，篩分效果雖稍有改善, 但產(chǎn)量?jī)H能達(dá)到200 t/h左右，堵孔現(xiàn)象依然是嚴(yán)重，如圖10所示。

圖10 被粘濕細(xì)粒煤堵塞的工作篩面

4.2 改造后的篩分工況

2014年3月，GZFS-3048高效自清分級(jí)篩安裝完畢開始投產(chǎn)使用，運(yùn)行初期經(jīng)過了3次振幅的調(diào)整，目的是為了使彈性懸臂桿篩板的每根懸臂桿能產(chǎn)生二次振動(dòng)，最后確定采用可使篩機(jī)獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)：雙振幅值為10.8 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為5.68g。由定量給料機(jī)為此篩分機(jī)喂料，經(jīng)取樣測(cè)試：在篩縫為8 mm時(shí)，篩機(jī)處理量達(dá)到了320 t/h，篩分效率為88.93%。

小康煤礦生產(chǎn)實(shí)踐表明：GZFS-3048高效自清分級(jí)篩彈性懸臂桿篩板實(shí)現(xiàn)了對(duì)篩面上堵塞物料的自清理功能，能使篩分機(jī)在工作過程中篩面篩孔始終保持暢通狀態(tài)，無物料顆?？ǘ?、粘附現(xiàn)象。其篩面工作狀態(tài)如圖11所示。

圖11 彈性懸臂桿篩板工作篩面實(shí)況

4.3 應(yīng)用效果

GZFS-3048高效自清分級(jí)篩自2014年3月運(yùn)行以來，未出現(xiàn)過任何重大機(jī)械故障，期間篩板更換過一次，按運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，此篩板在原煤二次篩分(給料粒度≤50 mm)作業(yè)中平均使用壽命達(dá)到8個(gè)月。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，該篩機(jī)每年維護(hù)費(fèi)用可比原篩機(jī)節(jié)約近20萬元。小康煤礦原煤中8～25 mm粒級(jí)占35%左右，通過高效自清分級(jí)篩可將這部分煤作為塊煤入選，能使末原煤的灰分下降近2.3個(gè)百分點(diǎn)，使產(chǎn)品質(zhì)量得到提高，可實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，>8 mm粒級(jí)煤作為塊煤入洗，既降低了煤泥水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，又增加了塊煤入選量，可使精煤產(chǎn)率提高約7個(gè)百分點(diǎn)，年增加收入1 500多萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，由于高效自清分級(jí)篩篩面很少需要人工清理，因而大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

5 結(jié)語

高效自清分級(jí)篩的研制，解決了潮濕細(xì)顆粒煤干法深度篩分作業(yè)中物料堵孔、篩分效率低的難題，對(duì)選煤廠擴(kuò)大入選量、提高煤質(zhì)和精煤產(chǎn)量，降低煤泥水處理系統(tǒng)負(fù)荷和選煤成本具有重要意義。該篩在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用，為選煤現(xiàn)場(chǎng)類似問題的解決提供了有益的參考。

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Development and industrial application of the high-efficiency self-cleaning sizing screen

XU Wen-bin1，HU Hong-ming2

(1.Anshan Heavy-duty Mine Machinery Co., Ltd., Anshan, Liaoning 114042, China;2.Tiefa Coal (Group) Co., Ltd., Diaobingshan, Liaoning 112700, China )

Intensive dry screening of wet small coal tends to cause severe blockage of screen openings and, hence, the decrease of screening efficiency. To cope with this problem, a high-efficiency self-cleaning sizing screen has been developed. The paper elaborates on the background of the R&D work, the screen's technical parameters, structural and technical features, and the result of field application of the screen at Xiaokang Coal Mine. The application of the screen may serve as a helpful reference for the in-depth dry screening of wet small coal in coal preparation plants.

intensive dry screening; wet small coal; high-efficiency self-cleaning sizing screen; elastic overhanging lever screenplate; screening efficiency

1001-3571(2016)01-0032-06

TD452

A

2016-01-30

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.008

徐文彬(1978—)，男，遼寧省鞍山市人，高級(jí)工程師，從事振動(dòng)篩分機(jī)械的研究、設(shè)計(jì)與選型工作。

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