斜板浓密机底流采用倒虹吸方式排放减小阀门磨损的研究

谢坪全，韩晓熠，肖东升，郭 强

（云南科力环保股份公司，云南 昆明 650031）

1 斜板浓密机的工作原理

斜板是斜窄流设备的简称，斜窄流是“斜窄上升流”的简称，其定义为“在斜置、断面窄小而规整不变的通道内上升的连续流”。在水介质悬浮液的斜窄流中，密度大于或小于介质的颗粒能数十倍地缩短沉落或浮起的距离和时间，为浅层沉降原理。这是斜窄流过程能加速沉降或上浮，能对沉降或上浮增效的原因，其作用机理可按图1阐释。

图1 斜窄流沉降的增效作用示意图

图1 中，AA′及CC′代表斜窄流的顶板及底板；ℓ为其斜长即斜板长；d为斜窄流厚度即板间距；α为斜窄流及板面的斜置倾角。设A处有一沉降末速为νs的固粒，随线速度的斜窄流上升，只要νs及的合速度vo与CC′的交点在C′之下，固粒即可沉落到底板。而图的右下端所示普通重力沉降中，固粒的νs值必须大于液流垂直升速νc，方得沉降。由此导出，斜窄流中固体垂直向上的分速度与νc之比：

2 斜板浓密机特点

斜板浓密机由于占地空间小，操作步骤简单，低能耗与高效率特点，因此在矿山冶金、煤炭、市政等领域得以广泛应用。斜板浓密机能够实现矿井分级浓缩处理与废水处理，由于其应用浅层沉降原理，可以通过应用空间缩小占地面积，所以斜板浓密机的高度比较高，矿口与底流口的高差在8m左右，这样会使液压影响底流排放效果，从而导致矿井流经底流阀门的速度加快，矿砂会不断磨损阀门，从而导致阀门报废率和更换率比较高，相应增加应用成本。因此，基于流体力学角度，通过倒虹吸方式将底流排出，以此处理底流阀门磨损问题[1]。

应用特点主要表现在以下方面：第一，通道集成模式：不同沉降通道的进料、分级浓缩、溢流以及排砂功能均相同，能够确保各级浓缩通道作业的稳定性。第二，斜板组模块化：由相同斜板组模块的优化组合，能够形成总沉降面积。第三，可以应用抗静电、耐磨损能力强的分子材料为基料进行加工，表面光滑，细泥无法粘接和堆积在斜板板面上。第四，能够按照矿浆的不同性质和粒度大小，对斜板通道进行变形设计，以此发挥出设备的作用价值。第五，为了防止底流阀门与管道堵塞，需要应用无障碍排放设计，异地降低堵塞与磨损率，实现最佳应用效果。

3 斜板浓密机底部设置倒虹吸排放系统的理论基础

对于斜板浓密机来说，为了减小占地空间和利用空间，通常都会增加设备高度。箱斗内流压差会加快底流矿浆流经底流阀的速度，出现严重磨损问题。按照流体力学伯努利理，对到虹吸装置排放底流进行优化设计，将底流矿浆的速度水头转化为位置水头。在密封管道内，流体处于定常流动状态，遵循能量守恒定律，可以使压强水头、速度水头以及位置水头相互转换。

图2 斜板浓密机箱斗立面示意图

注：a—最高液面；c—最低液面；a与c平面高差为H；b与c平面高差为h

从图2能够看出，最低液面内只包含压强水头，b平面内包含速度水头、压强水头与位置水头。流体离开b平面后，压强水头会转化为速度水头。将矿浆流速设计为V，此时只包含速度水头和位置水头。假设流体从a到b的损失水头为h损，按照伯努利定理得以下方程：

从上述公式能够看出，当斜板浓密机高度不变时，倒虹吸底流排放口位置越高，底流速度就越小；通过对排放口高度进行调节，能够进一步调节底流排放量和速度。正是由于存在损失水头，则倒虹吸底流排放口位置差别不大。

4 试验研究

在实际生产过程中，矿浆流速和性质会对斜板浓密机底流阀门磨损造成一定影响。由于阀门已经承受长时间磨损，实验室短期间不能准确测量阀门磨损情况。所以此次研究从控制矿浆流速角度，对阀门磨损程度进行判断。

4.1 小型试验研究

（1）设备优化配置。在实验室开展小型试验，选择钛铁矿砂矿为处理物料。实验所需设备包括斜板浓密机、搅拌桶。小型斜板浓密机的高度为3m。倒虹吸管为塑料软管，内径为30mm，内部设有钢丝，能够对高度进行调节，便于观察。

（2）矿石性质：此次所选择的样品为红土砂矿，通过X射线衍射分析、电子探针分析以及显微镜分析，该矿物主要成分为钛铁矿金属氧化物、褐铁矿和赤铁矿，含有少量锆石、金红石和白钛石,；脉石矿物为黏土、蛇纹石以及石英。

（3）试验结果与分析：斜板浓密机的给矿浆浓度为9%，浓缩后由透明软管产生倒虹吸排出，对软管出口高度进行调整，有助于改变底流浓度和矿浆量。结果如表1所示。

表1 小型试验测试结果

从表1数据能够看出，采用常规方式排放底流矿浆，流速比较快，为倒虹吸排出法的五倍左右。通过倒虹吸排放方式，底流排放速度会逐渐平缓，能够明显降低斜板浓密机高液位差。倒虹吸管出口高度影响比较小。

从整个试验可以看出，通过倒虹吸进行底流排放，通过小液位差就能够虹吸粗矿粒，因粗矿粒的沉降方向与底流矿浆的流向不一致，可以起到防堵效果。

4.2 工业试验

第一，矿石性质：该钼矿尾矿矿物组成包括角闪石、长石、高岭石、磁铁矿、钛铁矿以及方解石和云母。

第二，试验结果与分析：通过检测结果能够看出，工业试验结果基本等同于小型试验结果，满足伯努利定理。底流通过倒虹吸排出法，能够确保排放过程的通畅性，底流出口所排出的矿浆流速平缓，可以自由调节，且稳定性高。

5 工业应用

某钛铁矿的矿石硬度比较高，斜板浓密机的底流阀门磨损严重。该斜板浓密机的高度为9m，所应用的耐磨阀门仅可以运行两周。设备优化改造应用3m倒虹吸排放管，并且在排放管上设置3个出口阀门，不同阀门之间的距离在50cm。设备运行之后，底流排放阀门液位差为2.8m，经过优化改造后，明显降低了底流矿浆对阀门的冲击力。在实施优化改造后，底流阀为全开状态，明显降低了矿浆流速，因此有效控制了底流阀门磨损情况，延长了阀门的使用寿命，可以实现超过2个月的稳定运行效果。将倒虹吸排放管应用到底流阀之后，能够使底流自动流入到下段工序，不需要设置底流泵，节约了能耗，同时有效提高了阀门的使用周期。

6 结论

通过试验研究以及工业应用实践，能够证实斜板浓密机应用倒虹吸排放管的效果，能够稳定可靠地排放出底流矿浆，明显降低了底流矿浆流经阀门的速度，相应降低了底流阀门的磨损程度，延长使用寿命，为企业节约了生产成本。