楊曉軍，陶淵卿，呂麗珍，王慧劍，章偉達(dá)，徐水國

(浙江輕機實業(yè)有限公司，浙江 杭州 311401)

1 前言

推料離心機主要應(yīng)用于化工行業(yè)懸浮液的液、固分離，懸浮液在離心力的作用下[1]，通過過濾介質(zhì)—篩網(wǎng)，將固相顆粒截留在篩網(wǎng)上形成濾餅層[2]，液體通過濾餅層及篩網(wǎng)過濾后實現(xiàn)穿濾，濾餅則依靠推力層層推進，在推進的過程中再進一步分離，最后濾餅脫離篩網(wǎng)進入固體收集腔。在持續(xù)運行過程中篩網(wǎng)會出現(xiàn)不同程度的磨損，在某些特殊物料的分離時篩網(wǎng)的磨損尤為嚴(yán)重，篩網(wǎng)的磨損不僅會導(dǎo)致篩網(wǎng)間隙的變大[3]，而且會因篩網(wǎng)表面粗糙度的下降造成推料離心機能耗的增加，不僅影響分離效果，甚至失效，同時增加能耗。圖1是篩網(wǎng)嚴(yán)重磨損后的情況，其表面有嚴(yán)重的不光滑及凹凸不平。

圖1 篩網(wǎng)磨損圖Fig.1 Screen wear diagram

為了更好地實現(xiàn)分離，延長篩網(wǎng)的使用壽命，文章從推料離心機的離心分離工作原理、篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)及磨損機理著手，針對推料離心機篩網(wǎng)磨損的原因進行分析研究及優(yōu)化應(yīng)用。

2 篩網(wǎng)磨損原因的分析研究

2.1 推料離心機的離心分離工作原理

推料離心機的工作原理如圖2，需分離的懸浮液通過進料管自流進入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓部件，在離心力的作用下，與轉(zhuǎn)鼓同步旋轉(zhuǎn)的布料加速盤將懸浮液加速并將其均勻地分布到轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)上。固體顆粒被截留在篩網(wǎng)上形成濾餅層[4]，母液則通過篩網(wǎng)間隙及轉(zhuǎn)鼓上的排液孔被排出。轉(zhuǎn)鼓部件中的推料盤、轉(zhuǎn)鼓(或雙級、多級轉(zhuǎn)鼓)不僅做同步旋轉(zhuǎn)運動，同時推料盤與緊鄰轉(zhuǎn)鼓(相鄰兩轉(zhuǎn)鼓)之間還做軸向相對往復(fù)運動。在不斷相對往復(fù)運動過程中，濾餅被脈動式層層向前推進，并在下一級轉(zhuǎn)鼓上獲得更大的離心力，殘余的液體通過下一級轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)和下一級轉(zhuǎn)鼓上的排液孔排出，濾餅則經(jīng)上一級轉(zhuǎn)鼓脈動式推向下一級轉(zhuǎn)鼓，由最后一級轉(zhuǎn)鼓出口處進入固體收集槽，并經(jīng)固體出口排出機外。

圖2 推料離心機工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of pusher centrifuge

2.2 推料離心機的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

推料離心機采用板狀篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)(見圖3)，該板狀篩網(wǎng)由圓筒銑制而成，篩網(wǎng)整個表面光滑連續(xù)，間隙精確且背面具有一定的契角。不僅可以控制截留效果，而且便于液體的穿濾。另一個特點是在濾餅與篩網(wǎng)表面接觸處，篩網(wǎng)條形狀呈凸圓弧形，有利于液體的排出[5]。從圖3可以發(fā)現(xiàn)篩網(wǎng)間隙僅由兩個尖角組成，一旦表面或側(cè)面有磨損間隙就會增大。如果篩網(wǎng)網(wǎng)條寬度磨損導(dǎo)致凸圓弧形削去甚至出現(xiàn)凹圓弧形，就會造成濾液排出效果的降低，導(dǎo)致固體殘余含濕率偏高，在后序的干燥中浪費能耗。隨著不斷的磨損，篩網(wǎng)的間隙會越來越大，篩網(wǎng)網(wǎng)條的凹圓弧形越來越嚴(yán)重。造成母液中的含固量不斷增多，固體的殘余含濕率不斷增加，最后由于分離效果嚴(yán)重下降而導(dǎo)致篩網(wǎng)失效。

圖3 板狀篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of plate screen

2.3 篩網(wǎng)磨損的機理

磨損是指任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對運動而不斷損失的現(xiàn)象。摩擦是磨損的原因，而磨損是摩擦的必然結(jié)果。磨損最終將造成表層材料的損耗，導(dǎo)致篩網(wǎng)間隙的變大和接觸表面的損傷，直接影響篩網(wǎng)的使用壽命，而在使用中總是力求提高零件的耐磨性和使用周期。

磨損主要由疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損等引起[6]，推料離心機篩網(wǎng)的磨損以上四種形式磨損在不同的物料分離、不同的運行階段中都會反映出來，文章主要分析研究討論顆粒磨損。

通常在摩擦面之間的固體磨粒對摩擦表面或者硬的固體磨粒對摩擦表面產(chǎn)生微切削和刮擦作用引起的機械磨損稱為磨粒磨損，即磨粒磨損是由顆粒的尖峰對金屬表面的微切削造成的。

推料離心機對懸浮液進行離心分離時，固相顆粒在篩網(wǎng)表面被截留。當(dāng)不規(guī)則形狀的顆粒在到達(dá)篩網(wǎng)表面被截留時，顆粒與篩網(wǎng)表面的接觸首先是發(fā)生在篩網(wǎng)條寬度的凸圓弧形面上，且顆粒的運動方向與篩網(wǎng)表面接近垂直，此時顆粒與篩網(wǎng)表面產(chǎn)生了高應(yīng)力碰撞, 篩網(wǎng)表面也就受到了不規(guī)則顆粒的微切入。隨著推料過程的進行，顆粒又在篩網(wǎng)表面作軸向相對運動，在該過程中盡管顆粒的運動方向與篩網(wǎng)接觸表面接近平行, 顆粒與篩網(wǎng)表面接觸處的應(yīng)力相對較低, 但是由于前期的微切入在篩網(wǎng)表面還是產(chǎn)生了微小的犁溝痕跡。隨著篩網(wǎng)表面的擦傷、犁溝痕跡的產(chǎn)生，篩網(wǎng)表面的粗糙度被不斷地?fù)p壞，篩網(wǎng)表面的摩擦系數(shù)也在不斷地變大，導(dǎo)致顆粒與篩網(wǎng)之間的摩擦力增加。從而導(dǎo)致推料離心機運行的功耗也在不斷地增加，最直接的表現(xiàn)就是推料壓力的增大和運行電流的增大。

以上分析及結(jié)合磨粒磨損機理可以看出，篩網(wǎng)磨損量主要取決于顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時作用于篩網(wǎng)表面的垂直分力大小以及篩網(wǎng)材質(zhì)的抗切入能力。

3 優(yōu)化應(yīng)用

3.1 垂直分力的優(yōu)化控制

在推料離心機對懸浮液實現(xiàn)離心分離的過程中，懸浮液是通過進料管進入布料加速盤實現(xiàn)被加速，且在脫離布料加速盤后以慣性速度到達(dá)篩網(wǎng)表面，因此固相顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時與篩網(wǎng)存在一定的線速度差，顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差大，顆粒受到的沖擊力也大[7],固相顆粒與篩網(wǎng)之間產(chǎn)生的高應(yīng)力碰撞也大，固相顆粒作用于篩網(wǎng)表面的垂直分力也越大，不規(guī)則形狀的固相顆粒切入篩網(wǎng)表面的情況也越明顯，因此由顆粒聚集形成的濾餅在做推料運動時，篩網(wǎng)表面的梨溝磨損也越嚴(yán)重。所以在推料離心機對懸浮液實現(xiàn)離心分離時，對懸浮液如何實現(xiàn)更好的加速和選擇合適的轉(zhuǎn)速，以降低固相顆粒和篩網(wǎng)之間的線速度差，在應(yīng)用中是必須進行優(yōu)化設(shè)計的。

3.2 選用布料離心加速盤

通常推料離心機采用平板布料加速盤，其加速是依靠布料加速盤旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的動能和懸浮液內(nèi)部的摩擦力來實現(xiàn)。由于平板布料加速盤旋轉(zhuǎn)的動能是逐層向液體傳遞，在平板布料加速盤和推料盤之間的整個寬度上構(gòu)成速度梯度。這樣導(dǎo)致顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差就大。

而布料離心加速盤(如圖4)就能較好的解決上述問題，懸浮液通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片使顆粒得到了很好地加速，因而減少了固相顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差，因此減小了顆粒對篩網(wǎng)表面的垂直分力，有利于減少篩網(wǎng)的磨損。

圖4 布料離心加速盤圖Fig.4 Diagram of cloth centrifugal accelerating disk

3.3 選擇合適的轉(zhuǎn)速

離心分離的效果與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，通常殘余含濕率就越低。這是由于液體穿過濾餅時主要受到離心驅(qū)動力，轉(zhuǎn)速越高驅(qū)動力越大，液體穿濾的速率就越大[8]；同時液體穿濾時還與濾餅層的孔隙率、物料的粘度、表面張力等因素有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高就越容易克服因這些因素所造成的阻力，液體就能更快的穿過濾餅層。

但在實際使用中并不是轉(zhuǎn)速越高越好，通過實驗發(fā)現(xiàn)殘余含濕率有一臨界轉(zhuǎn)速，超過這個轉(zhuǎn)速，殘余含濕率變化就不大。從圖5中可以看出轉(zhuǎn)速A已經(jīng)達(dá)到最小殘余含濕率，所以，通常選擇A轉(zhuǎn)速進行離心分離。同時由于線速度與角速度成正比，在同等情況下角速度越大，線速度差就越大。因此，選擇A轉(zhuǎn)速不僅能保證殘余含濕率的最小化，而且也能減小顆粒對篩網(wǎng)表面的垂直分力，有利于減少篩網(wǎng)的磨損。

圖5 轉(zhuǎn)速—殘余含濕率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between rotational speed and residual moisture content

3.4 提高篩網(wǎng)表面硬度

增加篩條耐磨性才是關(guān)鍵因素[9]，提高篩網(wǎng)表面硬度，可以提升篩網(wǎng)的抗切入能力。從圖6可以看出磨粒磨損取決于磨料硬度與材質(zhì)的硬度比值，當(dāng)磨料硬度低于試件材料硬度, 即H0≤0.7H時，磨損較??；當(dāng)磨料硬度超過材料硬度后，即0.7H

圖6 相對硬度-磨損量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between relative hardness and wear

因此，提高篩網(wǎng)的表面硬度，使顆粒硬度與篩網(wǎng)硬度的比值<0.7可以減小篩網(wǎng)的磨損。通常提高篩網(wǎng)硬度的方法是選擇硬度較高的材質(zhì)或者對材質(zhì)表面進行硬化處理。

4 結(jié)論

實踐證明，采用上述解決方案對篩網(wǎng)的耐磨性能的提高具有極大的幫助。通過實踐應(yīng)用，采用布料離心加速盤篩網(wǎng)壽命提高了30%，采用對篩網(wǎng)材質(zhì)表面進行硬化處理HRC>70時篩網(wǎng)壽命提高了400%。