大型高效自動壓濾機及脫水工藝研究
發布時間：2018-4-23 6:55:59 來源： 作者：
隨著易選礦產資源的逐漸枯竭，復雜難選和低品位礦石量增加，磨礦粒度變得更細，導致精礦的脫水過濾變得越來越難。為解決難過濾礦物的過濾，一種高效的壓濾機被開發出來并逐漸應用到了選礦廠的精礦過濾中。由于這類壓濾機在控制上都采用自動控制技術，一般稱此種高效壓濾機為自動壓濾機。
目前在我國選礦工業中得到成功應用的自動壓濾機有多種，如芬蘭Larox公司開發的Lorox－PF自動壓濾機和北京礦冶研究總院開發的ZYLD自動壓濾機等。
北京礦冶研究總院早期研制的ZYLD自動壓濾機，單塊濾板面積為0.64m2，最大單機過濾面積15m2，已在陜西銀礦、陜西鉛銅山鉛鋅礦等中小型礦山得到了成功的應用，應用實踐證明可以有效地處理細而黏的難過濾選礦精礦，濾餅水分明顯低于真空過濾及板框壓濾機。但存在單臺設備過濾面積小，濾板等易損件消耗大，自動控制系統、濾板密封結構不夠完善等問題，如果不進行大型化研究和性能的進一步完善，就難以適應大型礦山難過濾礦物的過濾。
為解決以上高效壓濾機在工業應用中出現的問題，本項目通過對高效脫水工藝、濾板大型化、壓濾機自動控制技術、壓濾過程控制優化等方面的研究，在ZYLD自動壓濾機的基礎上開發出了新型的BPF系列自動壓濾機及脫水系統，單機最大過濾面積由原來的15m2增大到60m2。
一、高效壓濾脫水工藝的研究
自動壓濾機一個完整的工作過程包括：濾板合拔、入料壓濾、機械壓榨、風干、濾板拉開、卸餅、濾布清選等。對脫水起決定作用的是“入料壓濾”、“機械壓榨”和“風干”這三個過程。
（一）入料壓濾
濾板合攏形成濾室后，過濾漿液進入壓榨板的隔膜和過濾板的濾布之間的濾室，在壓力作用下，液相透過濾布形成濾液排出壓機，固相被濾布截留形成濾查，逐漸增厚形成濾餅。當濾餅增厚到適當厚度時，停止壓入過濾漿液。
這個過程在將液壓入濾室的同時就開始了守濾作業，屬于一個濾餅過濾的過程。
物料性質對此階段的影響較大。如物料粒度、料將濃度等，其中物料粒度是最基本的，而料將濃度顯著地影響過濾阻力。在低濃度時，將液中的細顆粒易使濾布孔眼堵塞。高濃度時，由于相互干擾，絕大部分顆粒不能進入濾布孔眼而在其上成拱架橋，使濾孔在較長時間內不被嚴重堵塞。所以預選將料漿濃縮，可以起到降低濾餅阻力，提高過濾效率的作用。
（二）壓榨脫水
壓榨脫水的方式有多種，應用最廣泛的主要有兩種方式：一種是帶壓榨機的機械壓榨脫水，另一種是液力壓榨脫水。這兩種壓榨方式的效果對比如圖1所示，從圖中可看到，機械壓榨曲線明顯更陡，說明濾餅經過機械壓榨后，達到相同濾餅孔隙率的時間明顯縮短。而液力壓榨脫水要達到相近的孔隙率時間就要延長好幾倍。濾餅的水分隨著孔隙率的減小而降低，所以機械壓榨可以明顯縮短濾餅的脫水時間。
圖1 機械壓榨與液力壓榨試驗曲線
（三）風干脫水
在壓榨完成后，濾餅的孔隙中仍殘留有部分水分，這時將壓縮空氣通入濾室，穿過濾餅，進一步將濾餅中殘余水分帶走，這就是風干脫水。風干可分三個階段：穿透階段，置換階段和蒸發階段，各階段的作用效果大致如圖2所示。
圖2 風干脫水三階段
1－穿透階段；2－置換階段；3－蒸發階段；4－氣體突破點；5－平衡點
從圖2中可看出，穿透階段排液量最多。而后進入置換階段、蒸發階段。實際上，濾餅脫液過程無法全部排除微細孔隙中的毛細水和以水化膜形式存在于顆粒表面的液體。從圖2中可看出，在穿透階段結束后，濾餅的飽和度基本不再下降，濾餅水分已接近最終水分，而如果繼續吹氣風干，只會增加壓縮空氣的消耗量。
所以，高效的壓濾脫水工藝是在“入料壓濾”過程的基礎上，通過增加“機械壓榨”和“風干”脫水過程，以獲得更低水分的濾餅和更高的作業效率。
二、大型高效自動壓濾機的研究
（一）高效壓濾機的設計研究
高效壓濾機是實現高效壓濾脫水工藝的主體，所以，它首先必須能完成上述的高效脫水工藝。BPF自動壓濾機的主要脫水過程如圖3所示。
圖3 BPF自動壓濾機脫水過程
BPF自動壓濾機的“入料壓濾”采用離心泵提供過濾堆動力，壓力最高可達1MPa。采用的是隔膜壓榨，屬機械壓榨的一種，如圖3所示，在完成入料壓濾后，壓縮空氣被通入到壓榨板隔膜北面的壓榨室，推動隔膜擠壓濾餅，濾餅孔隙率迅速減小，從而起到快速脫水的作用。為了充分有效地把濾餅中的水擠壓出來，壓榨壓力應該盡量高，考慮到密封等各方面因素，一般壓榨壓力控制在0.8～1.2MPa左右。完成壓榨后，壓縮空氣從壓榨板的入料品壓入濾室，進入風干過程。
此外，BPF自動壓濾機采用了濾板的整體拉開和合拔技術，可以明顯縮短濾板合攏和拉開時間，提高單位過濾面積的處理能力。由于采用了濾板整體拉開技術，在濾板拉開后可以通過設計的高頻振動卸餅裝置，使得卸餅更為徹底。為強化過濾介質的再生，BPF自動壓濾機還設計了一套濾布的清選系統。
正是由于采用了以上幾方面的技術，使得BPF自動壓濾機的作業效率明顯高于普通壓濾機，其主機結構如圖4所示。
圖4 BPF自動壓濾機主機結構
1－濾板；2－振動架；3－洗布裝置；4－機架；5－壓緊機構
（二）高效壓濾機的大型化研究
為適應大型礦山的難過濾礦物的過濾，高效壓濾機的單機過濾面積必須足夠大，而一味地通過增加單機濾板數量勢必會造成濾板的合攏拉開等輔助時間的延長，從而降低單位時間的處理能力，所以，只有加大單塊濾板的過濾面積，濾板的大型化是解決壓濾機大型化的關鍵。
由于入料及壓榨時濾室中壓力最高達1MPa，所以工作過程中濾板受著巨大的壓力。ZYLD壓濾機濾板在工業生產中有時會因兩面受力不均而造成濾板碎裂的現象，所以如果簡單地加大濾板面積，碎裂頭號題將更為突出。為解決這一難題，本項目主要從濾板的結構設計、濾板的材質及加工工藝、濾板的密封方式等方面開展研究。
原ZYLD自動壓濾機的濾板結構設計是一面壓榨腔另一面過濾腔，所以兩面的工作性質不一樣，這樣一旦出現異常，很容易在兩面產生較大的壓差而將濾板剪切損壞，ZYLD自動壓濾機的使用實踐也證明了這一點。而新型的BPF自動壓濾機徹底解決了這一問題，將壓濾板拆分成了壓榨板和過濾板兩種板，每種板采用了雙面對稱的結構設計。壓榨板，兩面都是壓榨腔；過濾板，兩面都是過濾室。這樣每塊濾板兩面的工作性質完全一致，甚至可以聯通，就保證了濾板兩面的受力一致，明顯地改善了濾板的受力情況。
ZYLD壓濾機的濾板采用的是鑄鐵材質，不但鑄鐵由于承受不了剪應力易碎裂，而且加工極為復雜繁瑣，濾板加工成本高，針對以上問題，我們開發了增強聚丙烯材質濾板，采用模具壓塑而成，并對增強聚丙烯材質濾板，采用模具壓塑而成，并對增強聚丙烯材質濾板，采用模具壓塑而成，并對增強聚丙烯過濾板進行了工業應用考察試驗，實踐證明，此種濾板可以解決碎裂及加工成本高的問題，但在生產應用中發現增強聚丙烯材質濾板耐磨性不及鑄鐵濾板，風干過程中風蝕磨損現象比較明顯。針對以上實踐中出現的問題，我們將金屬及聚丙稀濾板的各自優點結合起來，開發了金屬與增強聚丙烯組合式濾板，濾板骨架及密封面采用金屬及增強聚丙烯組合式濾板，濾板骨架及密封面采用金屬材質，濾道采用可方便更換的增強聚丙烯注塑件，這樣既解決了過濾板耐剪應力及耐磨蝕的問題，又簡化了過濾板的加工，由于采用可更換濾道，濾板壽命也可明顯延長，目前已在工業中應用。
隨著濾板面積的增大，密封面也相應地變大，原來ZYLD壓濾機的濾板密封采用平板式橡膠隔膜密封，在濾板面積小時的相對密封是有效的，但在應用到大濾板的密封時發現礦漿泄漏幾率明顯比以往的小面積
濾板大，針對此情況，我們采用了新的密封結構，開發了新的橡膠隔膜，不再采用平面式密封設計，而是在濾板密封面處增加類似于迷宮式的密封設計，工業實踐考察證明，新型的濾板密封方式效明顯。
正是由于以上幾方面的突破，使得大面積濾板的開發得以順利進行，針對目前實際需要，設計開發了單塊濾板有效過濾面積為1.0m2、1.2m2的BPF－10及BPF－12新型濾板，是原單塊濾板有效過濾面積
（0.64m2）的2～4倍。
濾板大型化技術的解決，為高效壓濾機的大型化奠定了基礎，目前開發出的單機最大過濾面積可達60m2。已在工業中應用的最大面積的壓濾機是BPF－30型，過濾面積為30m2。
（三）高效壓濾機自動控制系統及過程控制的優化研究
高效壓濾脫水過程除包括“入料、壓榨、風干”三個主要過程外，還包括壓濾機濾板的合攏、卸料、濾布清洗、濾板拉開等輔助過程，過程比較復雜，而且相關的設備除了壓濾機外還有入料離心泵、皮帶輸
送機、濾布清洗用水泵、攪拌槽、氣體壓縮機和氣動閥門等輔助設備，它們與壓濾機之間都需要精確配合聯動。所以靠人工去實現這些這程的控制和設備的聯動是幾乎不可能的，必須有一個高效可靠的自動控
制系統來實現。
壓濾機的控制系統主要完成三方面的功能，一是壓濾機本身的機械動作的精確性控制。二是對周邊輔助設備的聯動程序控制。三是對入料、壓榨、風干、卸餅和洗布等主要和輔助脫水過程實現順序控制和控
制參數的調整、故障監測等。
BPF自動壓濾機的自動控制系統由“程序控制”、“人機交互”、“邏輯控制電路”、“信號采集”、“電氣信號轉換”、“執行機構”及“故障監測診斷”七大部分組成。控制參數交互界面如圖5所示。
圖5 BPF自動壓濾機控制參數調整界面
在設備的運轉過程中，當“入料濃度”等漿液條件或過濾的指標要求發生變化時，由操作人員通過圖5的操作界面及時修正主要控制參數，以保證壓濾脫水指標和作業效率。
目前壓濾脫水過程控制參數的設定和修正主要是由操作人員根據自身的經驗和知識來進行的。由于不同的人經驗不同，容易導致壓濾脫水作業指標和效率的波動。而壓濾過程主要控制參數的最優值是保持脫
水作業高效運行的關鍵。顯然，僅依靠操作人員的經驗是不可能求得這組最優值的。
由于人工神經網絡具有模擬人腦思維和自學習的功能，本項目將人工神經網絡模型建模技術應用到了壓濾脫水過程控制的優化研究中，首先建立起神經網絡的仿值模型實現指標的預測，在此基礎上研究了一
套“循序尋優”的壓濾過程控制參數的尋優方法。
建模及尋優程序在MATLAB軟件環境中編制運行，選用RBF（徑向基函數）神經網絡進行建模，結果證明模型仿真值能夠很地逼近實際值，模型的逼近精度高。通過設計的尋優方法，可以相應得到不同入料
條件下的最優控制參數值。
三、工業應用
BPF自動壓濾機的壓濾脫不系統如圖6所示，系統主要由料漿濃縮設備（可選）、入料設備、壓濾機、濾餅輸送及壓縮空氣制備設備等組成。料漿先經濃密機濃縮，然后進入攪拌槽，再由離心泵泵入壓濾機進
行過濾脫水，脫水完成后，拉開濾板，啟動皮帶輸送機將濾餅送往精礦倉，拉開完畢后，振動卸餅機構自動啟動卸下殘殘留濾渣，隨后根據控制系統的設定進行洗布或直接入入下一個壓濾周期。
圖6 BPF自動壓濾機脫水系統
目前已有BPF－8、BPF－16、BPF－22、BPF－26、BPF－30自動壓濾機在選礦廠的脫水過濾中得到成功的應用。
內蒙古某銅礦處理原礦3000t/d，磨礦細度為－74μm占85%以上，日產銅精礦200～300t，原采用的是三臺外濾式真空過濾機對精礦進行過濾。為提高脫水效率，該礦廠于2005年采用了1臺BPF－30自動壓
機用于替代一臺真空過濾機。改造后濾餅水分由原來真空過濾機的15.0%降低到8.0%左右，單位過濾面積處理能力達到350～450kg/m2·h。
四、結論
圍繞我國大型礦山和難過濾礦物的脫水難題而展開的大型高效壓濾機及脫水工藝的研究，通過對高效脫水工藝的研究、濾板的大型化研究、壓濾自動控制系統的研究及壓濾過程控制參數優化的研究，成功開
發出了一套高效的壓濾脫水工藝系統和BPF自動壓濾機，并在工業中得到了成功的應用，壓濾濾餅水分達到8.0%左右，單位面積處理能力右達350～450kg/m2·h，指標及作業效率明顯高于真空過濾及普通壓濾
機，為解決我國大型礦山難過濾礦物的脫水找到了一條有效可行之路。