浮選機(jī)葉輪耐磨材質(zhì)的研究與應(yīng)用

浮選機(jī)是選礦廠常用的選礦設(shè)備，種類繁多，有充氣攪拌式浮選機(jī)、機(jī)械攪拌式浮選機(jī)、浮選柱等。對(duì)選礦廠的日常生產(chǎn)而言，浮選機(jī)的運(yùn)行成本主要由能耗、設(shè)備折舊、易損件消耗組成。易損件主要是葉輪和蓋板。目前，選礦行業(yè)所用的浮選機(jī)為A型浮選機(jī)、SF型浮選機(jī)、BF型浮選機(jī)和JJF型浮選機(jī)等，其葉輪和蓋板材質(zhì)大都是橡膠，葉輪和蓋板的磨損壽命一般為3~8個(gè)月，目前凡口鉛鋅礦選礦廠年消耗葉輪、蓋板400多套。葉輪和蓋板是選礦廠主要耗材之一。隨著產(chǎn)量的逐年提高，浮選機(jī)葉輪、蓋板的消耗也會(huì)越來越多。針對(duì)以上情況，長(zhǎng)沙礦冶研究院和凡口設(shè)計(jì)研究所對(duì)葉輪材料進(jìn)行了應(yīng)用研究，通過試驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)，找出了一種新的耐磨材料，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有的橡膠材，即磨損性能優(yōu)于橡膠，單位時(shí)間的運(yùn)行成本同樣低于丁腈橡膠。

1、浮選機(jī)葉輪和蓋板的磨損

圖1為葉輪、蓋板及礦漿流動(dòng)簡(jiǎn)圖。葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在中心區(qū)形成負(fù)壓，空氣導(dǎo)管中的空氣被吸入，礦漿從側(cè)孔或蓋板同時(shí)被吸入，形成固、液、氣三相流，在離心力的作用下，固、液、氣三相流向外運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過蓋板隔柵時(shí)，流速突變，流體被分割，氣相變成微細(xì)氣泡，這種循環(huán)使固、液、氣三相輥和均勻，氣泡成彌散狀態(tài)的礦漿混和體。

由于礦漿壓力分布、運(yùn)動(dòng)方向、流速不同，葉輪、蓋板各個(gè)部位的磨損情況差異很大。葉輪和蓋板的磨損示意如圖2所示。葉輪的磨損主要發(fā)生在葉片的外沿迎流面（B區(qū)）、圓盤的外沿（C區(qū)）、圓盤的底部（圖1的A區(qū)）。A區(qū)礦漿流速最高，且與礦漿的相對(duì)速度最高，流線方向由于與葉輪跟隨方向轉(zhuǎn)變?yōu)榕c蓋板隔柵平行的方向，這一流向的改變，使礦漿對(duì)B區(qū)產(chǎn)生最大的磨損，首先是上沿的直角被磨掉，然后向下發(fā)展。C區(qū)磨損由礦漿與圓盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起，也可能與間隙過小的假底摩擦引起。當(dāng)然，離中心越遠(yuǎn)，圓盤與礦漿的相對(duì)速度越高，由此引起的磨損越大。蓋板的磨損主要發(fā)生在隔柵的內(nèi)沿（D區(qū)），該區(qū)域流向發(fā)生強(qiáng)制變化，內(nèi)沿受強(qiáng)烈的沖擊，產(chǎn)生月牙型磨損。

葉片和蓋板產(chǎn)生磨損后，間隙增加，礦漿所受的切割作用下降，氣泡變粗，固、液、氣三相混合程度下降，氣泡彌散程度降低。磨損嚴(yán)重時(shí)顯著影響浮選指標(biāo)。

2、浮選機(jī)葉輪材質(zhì)的選擇

這里主要針對(duì)浮選機(jī)葉輪磨損進(jìn)行研究。

浮選機(jī)葉輪材質(zhì)的選擇應(yīng)符合下列幾個(gè)條件：①有較好的耐磨性；②20~60℃下的熱穩(wěn)定性；③有一定的沖擊強(qiáng)度；④原材料的價(jià)格可為生產(chǎn)接受。

3、試驗(yàn)室試驗(yàn)

根據(jù)資料研究及對(duì)各種材料的物理化學(xué)性能分析，認(rèn)為超高分子聚乙烯、碳化硅、硬質(zhì)合金是浮選機(jī)葉輪的選用材料。它們均具有優(yōu)秀的耐磨性能和抗腐蝕性能，超高分子聚乙烯具有較好的沖擊強(qiáng)度，便于拆卸和安裝。

將超高分子聚乙烯、硬質(zhì)合金、碳化硅、橡膠分別制成如圖3(a)所示的標(biāo)準(zhǔn)塊，嵌入如圖3(b)所示的磨損試驗(yàn)裝置中，其核心是旋轉(zhuǎn)磨損測(cè)試平臺(tái)。磨損試驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)列于表1。

本試驗(yàn)采用石英砂作為磨損源，與水配成質(zhì)量濃度為50%的礦漿。石英砂的粒度特性見表2。每天20h測(cè)試各試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)塊的磨損量。以橡膠的磨損速率為1，磨損壽命為1，各材質(zhì)葉輪磨損試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，在相同試驗(yàn)條件下，硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯的磨損壽命是橡膠的2至7.58倍。

4、工業(yè)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用

4.1、葉輪工業(yè)試驗(yàn)選材

硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯的磨損壽命不同，價(jià)格也格相差懸殊。以橡膠的單位體積價(jià)格為1，硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯的單位體積價(jià)格分別為106，1.875和1.175，橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯單位壽命材料消耗的費(fèi)用分別為1.0，13.98，0.531和0.577。從單位經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)來分析，選用浮選機(jī)材質(zhì)優(yōu)先順序?yàn)樘蓟?、超高分子聚乙烯、橡膠、硬質(zhì)合金。

對(duì)3A浮選機(jī)而言，碳化硅、硬質(zhì)合金、超高分子聚乙烯、橡膠均可做成整體結(jié)構(gòu)。但碳化硅缺乏韌性、沖擊強(qiáng)度很低，無(wú)法承受安裝、拆卸時(shí)的敲擊，故在工業(yè)試驗(yàn)中不采用該材料；硬質(zhì)合金價(jià)格昂貴，考慮價(jià)格因素，工業(yè)應(yīng)用不可能整體采用硬質(zhì)合金，但可以考慮在葉輪關(guān)鍵部位鑲嵌少量的硬質(zhì)合金，降低成本，提高使用壽命，故在本次工業(yè)試驗(yàn)中也放棄了該材料。本次工業(yè)試驗(yàn)選材只選用橡膠和超高分子聚乙烯。

4.2、超高分子聚乙烯葉輪設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）葉輪采用整體成型。

2）輪轂和軸套預(yù)埋在超高分子聚乙烯中，為了防止相對(duì)運(yùn)動(dòng)，輪轂上預(yù)先焊接筋條。

3）成型后進(jìn)行加工，保持葉輪的靜平衡。

超高分子聚乙烯葉輪示意如圖4所示。

4.3、工業(yè)試驗(yàn)

本次工業(yè)試驗(yàn)采用超高分子聚乙烯葉輪和橡膠葉輪，安裝在3A浮選機(jī)上，葉輪與導(dǎo)輪之間的間隙為5.5~6.5mm，電機(jī)功率為1.5kw，在同等條件下進(jìn)行分組對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為凡口設(shè)計(jì)研究所試驗(yàn)廠；試驗(yàn)時(shí)間為6個(gè)月；試驗(yàn)測(cè)量浮選機(jī)的工作狀態(tài)，即浮選機(jī)空載（清水情況下）和滿載時(shí)電機(jī)電流，測(cè)量葉輪的磨損量（磨損重量），并觀察主要磨損部位。試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

工業(yè)主茅舍（6個(gè)月）后，發(fā)現(xiàn)橡膠葉輪底部嚴(yán)重扭曲變形，橡膠葉輪完全報(bào)廢，而超高分子聚乙烯葉輪保持原狀；主要磨損區(qū)域發(fā)生在：①圖2中的B區(qū)，磨成圓角，園角R均值為7mm。②葉輪外圓上下邊沿（圖2中C區(qū)的上下邊沿處），圓角半徑R均值為3mm。另外，裝用超高分子聚乙烯葉輪浮選機(jī)比裝用橡膠葉輪浮選機(jī)能明顯的降低電機(jī)電流，這在節(jié)能方面意義重大。

4.4、工業(yè)應(yīng)用

本次超高分子聚乙烯葉輪工業(yè)試驗(yàn)于2000年11月在凡口科研所試驗(yàn)廠完成，并于2002年至今在凡口科三所試驗(yàn)廠用于工業(yè)生產(chǎn)。凡口科三所試驗(yàn)廠是一個(gè)日處理能力為75t的小型選廠，在承擔(dān)該礦的選礦半工業(yè)試驗(yàn)以外，也進(jìn)行日常生產(chǎn)，主要用于微細(xì)礦泥回收和流失礦回收的生產(chǎn)，杜絕選廠二次金屬流失，該廠裝用22臺(tái)3A浮選機(jī)，從近三年來該廠消耗的3A浮選機(jī)葉輪統(tǒng)計(jì)顯示，橡膠葉輪平均使用時(shí)間為151個(gè)工作日；超高分子聚乙烯葉輪平均使用時(shí)間為248個(gè)工作日。目前超高分子聚乙烯葉輪單價(jià)比橡膠葉輪高出50%，所以使用超高分子聚乙烯葉輪單價(jià)比橡膠葉輪高出50%，所以使用超高分子聚乙烯葉輪在降低備件費(fèi)用上收到了一定的效果，此外由于使用超高分子聚乙烯葉輪比使用橡膠葉輪能延長(zhǎng)葉輪使用壽命60%以上，這在減少浮選機(jī)檢修時(shí)間、提高浮選機(jī)使用率，有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度方面效果非常明顯。

5、結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)浮選機(jī)葉輪材料的調(diào)研和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，得出橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯4種材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，試驗(yàn)表明橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯4種材料的相對(duì)磨損速率之比為1:0.132:0.283:0.491；磨損壽命之比為1:7.58:3.534:2.037?？紤]價(jià)格因素理論上橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯葉輪單位壽命材料消耗的分加盟為1,13.98,0.531,0.491。以碳化硅的運(yùn)行費(fèi)用最低，超高分子聚乙烯次之，但由于超高分子聚乙烯具有較好的沖擊韌性，便于安裝，故實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果建議浮選機(jī)葉輪選材優(yōu)先選用超高分子聚乙烯。

2）工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，3A浮選機(jī)采用超高分子聚乙烯葉輪比采用橡膠葉輪能提高葉輪使用壽命60%以上，采用超高分子聚乙烯葉輪能明顯的減少備件更換次數(shù)、大幅的降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。另外由于超高分子聚乙烯葉輪密度小，質(zhì)量輕，有利于浮選機(jī)能耗的降低，對(duì)3A浮選機(jī)而言，其能耗只有橡膠葉輪的81.8%。但由于人們長(zhǎng)期的使用習(xí)慣，加上超高分子聚乙烯葉輪的市價(jià)明顯高于橡膠葉輪，另外超高分子聚乙烯葉輪用于不同型號(hào)浮選機(jī)時(shí)，對(duì)浮選指標(biāo)是否有影響等方面仍有待進(jìn)一步研究，所以目前選礦浮選機(jī)仍然大部分裝用傳統(tǒng)的橡膠葉輪。在目前全國(guó)電力供應(yīng)緊張的情況下，超高分子聚乙烯葉輪的推廣應(yīng)用在節(jié)能方面意義重大。

3）超高分子聚乙烯由于具有耐沖擊性、耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性、自潤(rùn)滑性、不粘著和密度小等性能，是工程材料中的佼佼者，可以考慮作為目前在選礦行業(yè)中廣泛應(yīng)用的橡膠制品的部分替代品，以提高其使用壽命。

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