（矿物加工工程专业论文）跳汰机新型排料装置及回控机构的研究与设计.pdf

摘要 摘要 跳汰选煤是我国煤炭冼选加： 的主要疗法之一，在重选中占据主要地位，也是我国可持续 发展战略要求，是充分利用和节约煤炭能源的主要手段。跳汰理论的研究已经有1 4 0 多年的历 史，本论文主要阐述了跳汰分层和分离理论，并根据跳汰产品分离的三项基本原则，我们对原 有的排料装嚣进行的科学的改进。 排燃是跳汰机的重要部件。分撇不仅与原煤能否j i | 页j | 啪嵫比重分层，而目还与最 终产品的排卸方式有关。如果排料不当便会造成床层过厚或排空，都会使已分层的物料混乱， 从而影响毙5 扣彭& 果。因此，踟捌喇装置对于 蘸高斟允刮嘲珈盘哩能力有j e 常重要的意义。 我们在原有的排料装置基6 出上，新增了铲板系统强行分善n 产品，并利用精煤y 射线灰分 在线检澳9 仪和d j o y z 电控液压执行机构对可调铲板位置微调，设计出回控机构，达到精确保 证产品质量和最大回收率要求，增加经济效益。 用s 0 射w b l 恼三维设计软件建立了整悯激柳新型 粥机构和回j 蝴的三维篝褥模 型和装配体模型，同时利用。嘀m 陶p 瑚s 插件工具对零部件进行受力分析和 a 嘶m a 弧l 枷o n 工男对运动末f l 构进行运动仿真分析和检查构件干 劈情况，对检查和改进设计 瞅的大量的帮助，确保b 酣的合理性和可靠性，再稠串面瞄博喇封备孵骅胡体 翮暂设 计，以i 巍足实际加工、制造要求，提高和优化了整个设计效率。 整个设讨布臼勾是以可编程麟女器p i 为楱i ) 的馔嘲智能控制系统下进行工作，文章还简 述整个模特b 控制系统方案，最后对研究渫题进行了总结和展望。 图表【1 1 关键词：跳汰机分层过程新型排料装簧可调铲板灰分回控 分壹瞧号：中图分；类号：1 1 ) 4 5 5 垫墨 一 a b s t r a c t j 适酶塔i s 瞰eo f t b e 删加l p o m tm e l i 剃sms e 华幽。0 a 1 ，i s 龇珥i 聊m 朗s u r et o e c c 眺c o a le n e 蝌吣枷i s 船嘲l 】e s c0 f l h e 唧蝴l e 抵，e 1 0 舯咖啦嘲舯1 kp a l e r 。即豳妇c o 日l d e l 跚【l i 】= l a 曲na n ds e p a 洳h j i 蹴p c e s s 油g 幻1 4 0 脚r e s 唧h o f j 秘吨擀a | 1 d 佩吣她岫d i 9 c h a 咎e q 删0 n b a s i so f 廿1 e n 氍e l e r n 础哪 p f i i 】c i p l e s o f m es e l 删p r i ) d u c t s i ) i s c 姆出哳c e a r ev 可缸l p 删叫o f 恤j i g 窖c lt h ep 嘣醯o no f 鲁蹴i si _ e i 蒯o no f 酬e 删c 粤耐时a n d m 础o f l 】l l i h l 鼬d y 出姆o f p 玎) d i 】吣i f 硅1 e m 妇i s j l i l 滞1 0 d i s c g e ，a 【】dc 趾蜥i 】go 删c k 0 ra 啷姆o f b e d f i o 呱s o ，锄锄1 e i g e 盘；t l i d 妇：l c eo f c l a s s i 五砌 l 痢e 】a n d a 鼢e 仃鳅0 f 黜观o f d i 衄呼鲥c e so f j i 胖i s l l e c e 唧t 0c o a l 珥d c e s s w cd e 她龇v c l 科蜘t 】枷鼢删d i s c l 姆由v 沁盘w i m a na d j u s 洲es h 0 v e l p a n d 恤p 陆锄a c t t d 倒益姗e d l y0 0 日l 鲫u p s 概蛳e 1 1 d a n d 讹蜥a 啪o f 耐删l l s 【雠t 0 怕衄釉vr a d i a l 伽艋a s l l 慨幻c k a nc o a la n dd k - y z t y p e e l 魄i c 鲫删姆枷c 埘垤瑚d l i 峨s o t l l e p 雠c a n 涨妇q u a 晦a n d 妇删v e f 疵o f 矗1 1 e 碑o d 耐，a n d 佃c r 髓s e e c 0 i 蛆m i c 删l w e b 删a us o l i d m o d e l so f t h ep 吨a n d 孤舶出l 遮0 fd i s 姆掣s 咖w i 血3 ds 0 渊l ( s ，a n d 删归鲰脚衄j i l a c to f 妇o f 肿谳c 耐洳e s sa b d 妇l i 蹴a n d d 础删钟j 删酾c e s 1 1 】a c 龇釉删黼僦舾僦胁v v e 鳓e a s i l y 恤 m a i l k 嘁m 印o f p a 豳s o w e i l l 州血e 埘1 0 l e d e 蝠弘p 。o e 鹤 t h c 小船遮j i i m ) d u c c s 面q 母也e 砌k 群熟c e 呦删掣虮越证c 0 啦锄d 弘d s 娜 幻s u 晒e c t 曲】d y i i i f 嘶r ea l l a s l f i g u r e 7 4 】t a b l e ( 1 】 k e y w o r d s ：j i g 留日d d 锄面咄p l o c e s s 艘w 惦d i s c i l a 曜j l l b 矗丽c e删l 】s 协执： 酊v e lp l 纰e a 出南。d b a c k c 0 幢m l 毋咖 c h 蛔e 赡b 妇删叫o g 1 d _ 4 5 5 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵垄王 太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：力孕 签字日期：矽饵钥3 日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞煎垄王态堂有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于安徽理工 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和惜阅。本人授权塞徽堡墨盔堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本 人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安 徽理工大学。 学位论文作者签名磊平 签字日期：- z 年月8 日 导师签名： 签字日期：菘石二够月3 日 粤l 寰 引言 选煤是提高煤炭质量的重要手段。在我国提出的洁净煤战略中，作为煤炭加工利用的基 础，煤炭洗选加工是煤炭工业凋整产业和产品结构、促进产品质量升级、拓宽煤炭市场、提 高煤炭利用率的重要途径，是解决煤炭歼发利用中对环境污染的有效对策，也是煤炭工业实 施可持绣锄鲁的重要组成部分。 在跳汰排料过程中，重产品层的高度是一个重要的参数，无论何种排 毕方式，都是寻求 是通过检测而得到的重产品厚度与排卸位黄有直接或问接的对应关系，这种关系的好坏直接 决定了产品分离的精度与效率。 综观跳汰机排料装置结构研究的发展，其主攻方向是如何稳定床层厚度和分选密度又能 保证良好的分层效果。这个问题长期未能得到圆满解决，其中个重要原因就是对跳、威产品 分离的基础研究还不深入。大量实践可以证明，在目前跳汰机结构性能和操作制度下，分层 已不是难题，而最大困难在于怎样将已经分层好的物料精确而且快速连续地分离成所需的产 品。并保持床层的稳定。 最终产品的排卸方式很大程度影响眺汰分选精度。如果排料不当便会造成床层过厚或排 空，都会使己分层的物料混乱，从而影响其分选效果。因此，t 躞捌姒滞喇漆瞧餐对于提高 跳汰机的分选精度和处理能力有非常重要的意义。 国内外，删歙澎嘣 l l 鞘莉豇舔琉改趟研究( 其中绝大多都是从重产鼍删 卸角度出发) 包括： 浮标重产物床层厚度传感器、由微电脑控制的调节器和电液转换系统、能同时改变排料闸门 和开启度和跳汰坎板高度的液繇统，控翱l 系统还设有手动变换器，在手动状态下可用手动 按扭改变排料闸门，腹间隙和跳汰枫坎板的位置等等。 本论文醪谬渤改进h 料装罱是从轻产物排放角度出发，即要保证床层稳定又实现跳汰产 品分离的三项基本原则。对跳汰机排杜 口的床层分制青猊进徜蔷般分析，确定理论上的产品 分害峨位置，在该位置匕将产品强行分割成轻、重产物，并即b 排出；我1 门根据在线精煤灰 分值与产品要求的偏差率变化大小，对铲板高度傲调，满足产品质量和产率最大化要求。 新型排料装置及回控系统产生的预期理论效果有： 从经济效率指标上讲，通过尉本产品分离装置的研究，开发床层厚度涣临嘣渚i 和在线灰 分测试装锭，通过所测灰分实时控制铲板的位簧，通过所测床层厚度实日槛制闸门的- 丌度。 达至崞、重产品分离和排卸不破坏分层好了的床层，并减少污染量。6 l 而提高眺汰处理能力 和产品分选回收率壤大化的目的。 从具体措施上讲。确定新型排料装置铲板的位置和闸门的开度并寻找它们之问的内在关 系及其规律性，并设计了能在跳汰垂直交变水流的作用下进行动作的随动铲板，采用能够随 蜜鲤j ： 等硕撇 床层厚度变化而上下运动的可调铲板，稳定和统_ 眺汰产品分选密度的分界线。达到提高分 选精度的目的。 但是，由于资金、时阍的因素，课题中研究设计的新型排料装置各零猕能实际靓睦 加工出来，新型排料装雹及回控系统尚未进行试验过程，所以对实际效果无法验证。 2 绪论 1 绪论 1 1 煤炭的现状与选煤的意义叫4 】 我国煤炭资源总量丰富，品种多样，已经成为世界一隅大的煤炭生产囡和消费国，煤炭 f = = 仅为相关行业提供的自勘骄嘛性晡l 会，而目在我因经济发展中长期发挥着基础作甩和支柱 作用。进入2 l 世纪，全国经济进入结构优化和产品升级的新阶段，随着经济的快速发展， 经济结构、产业结构和能源生产消费结构调整进一步加决，国内能源总需求继续增加。 “十五”期问，“西电东输”和“西气东送”两项宏伟工程的建成投产，新型高徽吉净 能源的逐渐广泛采用，必将会对我国能源消费结构产生重大影响，煤炭在一次能源消费中的 比重必将逐年_ f 5 晕。但由于国内能源资源赋存条件和国际能源市场变化，再加上新型洁净能 源，如天然气、核能等在工业中未得到广泛的应用，在未来较长的时期里，煤炭仍然是我国 最主要的能源消费产品，消费比例仍然会在5 0 以上。同时，为适应环保和可持续发展要 求。以及产品质量要求的多样性和市场竞争力，迫使进一步加大煤炭的加工利用水平。 煤炭洗选加工的主要任务是除去原煤中的杂质，降低煤炭中的灰分和硫分，是煤炭工业 调整产业和产品结构、促进产品质量升级、拓宽煤炭市场、提高煤炭利用率的重要途径，是 解决煤炭开发利用中对环境污染的有效对策，减轻运输压力、节约经济，也是煤炭工业可持 续发展战略的重要组成部分。 1 2 铡涮i i 捌襞中的地1 空2 】 选煤的崩谢良多，有重选、浮选、j 姚、电选等，其中重选是种应用最早最广泛的方 法，跳汰分选法是重脚中最常用的方法之- 。跳淤进矿的优点在于：工艺、勰简单，设 备操作维修方便，处理能力犬，有足够的分选精度。 目前，跳汰选煤占的比重很大。全世界每年入选原煤中，有5 0 左右是采用跳汰处理； 我国跳汰选煤占入选原煤量的6 0 。另外跳汰选煤处理粒度级疑陂宽，在0 5 1 5 哳蛐范 围；即可不分级入选，也可分级入选；适麻f 生较强，除极难选煤，均可优先考虑舜硼跳汰分 选方法处理。 1 3 跳汰机的开发与研究现状【l j f 2 l f l 2 l 跳汰机是实现以流体( 水、空气、悬浮液等) 为角卷介质，以高压气体和液体为动力， 使物料在垂直上升交变介质流中，按密度差异进行分选的一种分选设备。本篇论文仪涉及水 介质黟瞅滞l 。跳汰机主要有机体、风阀、排料装置和自动控制系统等组成。 3 安目里ja s 颚 说文 随着科技的发展和产品质量要求的提高，跳汰机机械机构、控制系统、检测装置、辅助 设备等都得到了很大的改进和完善。目前对跳汰机的研究，主要从以下几个方面： 1 跳汰机风阀的研究 跳汰机风阀有作往复运动的滑动风阀( 立式风阀) ，作回转运动的旋转风阀( 卧式风阀) ， 电控气动风阀( 电磁风阀) 。由于电磁风阀可以实现无极调整跳汰频率和周期，进气、排气 变换速度极快，对于不同的原煤适应性强。另外，它还有启动快、进气猛、使床层起振爆发 力强、松散度变化规律容易调节的优点，为跳汰机的大型化和跳汰制度自动化创造了方便的 条件。因此，被认为是跳汰机风阀控制的首选设备。 2 跳汰机排料装鼍的研究 跳汰机产品分离技术可分为三种方法：闸门排料、透筛j j 料和综合排料。前两种是产 品分离的基本方法，综合排料多指 工床层排料和闸门排料的综合应用。 在立式闸门排料方式中都使用了溢流堰，溢流堰有高堰式、半堰式和无堰式。目前研究 最多的是随动溢流堰，羊啁这种溢流堰能实现产品动态分离。 3 夥嘲浏幽翅 j 翌自动化研究 对跳汰机实现自动化控制是提高跳汰机分选效果，是跳汰机大型化，洗煤厂全面自动化 发展的必然趋势，也是现代瓤子技术发震的必然结果。 1 4 问题的提出和依据f 6 h 9 1 跳汰分选过程主要有两部分组成：物料的分层和产品的分离。目前，啄煤分层的理论 分析较深入细致，己经提出了几种分层理论模型，但产品分离的理论基础尚不完善。 现代眺汰机分离的最新技术，大多集中在排料装置结构上的改进和采用不同的工艺自 动控皋帔术e 。通常认为跳汰产品的分离，使墼产物的排放速度与床层的分层速度及矸石( 中 煤) 层的水平移动速度相适应，若重产物排放过瞰h 出现堆积，不但影响整个床层松散情况， 使得正常分层难以进行，而且污染精煤，影响精煤质量；着重产物排放速度过快，又导致矸 石( 中煤) 层过薄，甚至出现排空，使整个床层处于i 生度松散的不稳定状态，会使原本分层 好的床层遭到破坏，精煤损影艮大。 现代跳汰机产品分离理论的研究表明，跳汰产品分离技术必须遵循以下三个基本原 则： ( 1 ) 密集同密度各粒级粒群的分布中心。 ( 2 ) 稳定跳汰产品分选密度的分界线。 ( 3 ) 统跳汰产品分选密度的分离线。 针对如何稳定床层厚度和分选密度，怎样将已经分层好的物料精确而快速连续地分离 4 绪论 成所需的产品，我们根据多年的研究和丰富的阅历，对传统的排料装置进行改进，设计h 了 新型排料装胃。 1 、 化而上 套装置更好的实现对排料道附近已经分层好的而尚未达到排料道e 方的轻、重产物进行强制 切割分离，喇氐了排料道e 方分布状况不稳定对产品分离的影响，实现了水平运动的物料在 水平方向上进行分离，提高了产品的分选精度和产率。大体上解决了跳汰物料水平移动与垂 直分离的矛盾。 2 、探讨采用模糊控制方法对铲板的深入床层的高度，已经其与排料铲板的开度的比例 关系进行调节，以便更好的适应床层物料的变化。传统跳汰机排料控制都是通过浮标来适时 反映当前床层状态，进而控审州 料托板的动作。跳汰机排料过程是典型的大滞后、非线性的 复杂系统，存在许多不确定因数，很难建立准确的数学模型，模糊控制正适合于这种状况。 模糊控老师0 用计算机将人的控制经验及推理过程纳入自动控制策略，从而能够更好的稳定床 层，及时目连续的排出重产物。 3 、探讨利用y 射线灰分在线测灰系统，将精煤参i 分值引入跳汰机控审蜻询皴行回控， 这就使得精煤产品既符合要求又使产量获得最大化。回控过程中可能出现两种情况：一是煤 质突然变化等原因使糟煤灰分变化很大，回控系统将变化疽反映给跳汰机控制系统，对排料 铲板和托板进行褥调节，适应煤魇变化，达到产品要求；二是糟煤获分比产品灰分略高或略 低，可j 西过对铲板深入高度进行镯阚，使得产品产量最糨确、最大量。 为了达到t 述h 点要求，珥沁k 要利用计算胡和先进的控制技术，而且设计出合理有效 排料装置和回控机构，都是非常必要的。 本课题来源于安徽省教育厅重点课题“跳汰帆新型排料装置”。在此之前，我们其他成 员已经作了数据采集、方案探讨、实验室备验，本论文将对其改进和回控r l 构的设计进行研 究和试验。 ；趟理：墙啊撇 2 跳汰分层理论及产品分离理论 跳汰选煤是重力选煤中应用最广泛的种方法，跳汰理论研究至今已经有一百多年历史 了，前人对于跳汰分层机理作了大量的研究，提出了不少理论见解。虽然它们对生产起了一 定的指导作用，但由于跳汰渤及因数复杂，加之i 钡临寻锻的不完善，迄今尚未建立完整 周密的理论体系。尽管如此，这些假说和理论模型对我f 弼f 究跳汰理论奠定了基础和指明了 方向，对我们改进跳汰机提供了依据。 2 1 概迸1 】嘲 1 2 】 跳汰分层理论 跳姗是物j 恤直e 升的变速介痢窥中，按密度差撇分选自虢疆呈，物料的粒度 和形状的差异列选矿结果有一定的影响。本论文所研究和阐述的跳汰是以水为介质的水力跳 汰。 被选物料给到尉酞机筛板匕，同时从尉欧杌f 高剃筛板给入个t 下蚕变水流，物料 在水流作用下进行分选。首先，在e 升水摊用下，床层逐渐松教、悬浮，这时床层中的矿 粒按照其本身自咻争陛( 矿j | 直的密度、粒度和形状) 锄此作相对运动进行分层。升水流结柬 后，在沐止期间以及下降 蚴嘲间，床删紧密，并魈戴断允层。待全韶阱靖b 沉降到 筛面上以后，床层又恢复了紧密状态，这时大部分矿粒彼此间失去了相列运动的可能性，分 层几乎停止。只有那些极细的矿粒，尚能穿过床层缝隙继续向下运动并继续分层。下降水流 结柬后，分层暂告终止。完成了个跳汰周期的分层过程。物辩在每个跳汰厨期中，仅能受 到一定的分选作用，经多次重复后分层逐渐完善，最后，密度低的矿粒集中在最上层，密度 高的矿粒集中在最下层。所以说，物料在跳汰过程中分层的主要原因是矿粒自身的性质差异， 碍以实现的客观条件是垂直升降的交变水流。 在物料给入眺汰乳蝴的同时，伴随物料也给入了一定量的水平水流。水平水流的主 要作用是润湿和运输，润湿是为了防i e 干物料迸入水中后结团；运输是将分层之后，居于上 层的低密度物料冲带而走，从溢流堰排出。 尉瞅松款分j 勖愧主要有嗍点：一是从个另燃懒差异( 速度、力b 速度) 中探 讨的分层原因，谓之动力学体系学说；另种是从床层整体的内在不平衡因数( 位能差，悬 浮液密度差等) 中寻找分层依据，称之为静力学体系学说。 6 22 1 自由沉降分层理论1 2 1 1 1 2 l 单个颗粒在无限宽广的介质中沉降，称为自由沉降，这是最简单的沉降运动形式。矿 粒在介质中运动要受到介质阻力( 包括压差阻力、摩擦阻力) 作用。介质阻力的形式与流体 的绕流流态即雷诺数r e 有关。 当矿粒尺寸微小或矿粒相对于介质的运动的速度较小，且其形状又易于流体绕流，附 面层没有分瘟；时，摩擦阻力占优势，压差阻力可忽略( r ，1 ) ，运用斯托克斯公式计算，即 式中 冗。：3 掣咖如。= 等 ( 2 叫) r ，一一介质对矿粒的摩擦阻力，n “一一介质的动力粘度，p s v 一一矿粒的相对速度，m s 。 当矿粒尺寸较粉尘大，速度也稍大时，且矿粒沉降后部开始出现附砸层分离，其粘性摩 擦阻力和压差阻力是相同的数量级( 1 r c 5 0 0 ) ，此时过渡区阻力用阿连公式计算，即 或 胄。= 1 2 5 万以再一，“ 耻景 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 当矿粒尺寸或矿粒的相对速度较大，且形状又不易使介质绕流，导致较早的发生附面 层分离，在矿粒尾部全部形成漩涡区( 5 ( 0 6 ! j ! i l ，v 。= v d 。， d m 故 铲等州 c z l 根据颗* 劫c 降术速v 。= v 。得个别公式可求得等沉比的通式： ：虹：纽掣：2 二掣 ( 2 枷) q d ，2 2 ( 万i p ) “ 由于等沉e | = i 匣式中包含阻力系数1 l r ，故无法直接计算，但两个等沉比颗粒必0 i 在同性 质阻力范围内，对形状不规则得颗粒困嬷系数x 考虑在内。 按斯托克斯公式求e 。，对形状不规则的矿粒，当v 。= v 。，时，即 = 豪= 2 ( 辫r c z 堋， 按阿连公式求p 。同理得： ；磬= 等厂 c z 叫a ， 按牛顿一雷廷智公式求p 。同理得： r 象= 2 ( 等 c z q s ， j 蚧别公式求p 。得统一形式为： 铲等= 时 篝 ” c z 堋， 式中，指数m 、n 与颗粒运动时的雷诺数有关。 可见，粒度d v 大，速度亦大，财雷诺数就大，式中台指数m 和n 也撼睦罂霆大。e 。 的大小在一定程度上反映了馕个等沉颗粒密度匕的差异的划、：同矿石中不i 司密度矿粒的 。越大就越易分选。同时e 。大小也随着介质密度p 的增大而增大，且p 。还是阻力系数1 i r 的函数。理论和实践坶证明，e 。将随矿粒粒度变缎而减小，口。越大就意味揪的粒级范 围就越宽。 按颗粒自由沉降速度差分层学说是由雷廷智蕺早提出的，他认为在垂壹流中，床层分层 按轻、重矿物颗粒的自由沉降速度差进行。在紊流条件下，球形颗粒的沉降末速为 圹s m 孕龇。，= 等，懈同 姗i ：娟幻嗽 样重要的影响。r 、o 切乔特将一腻改写为v 。= 爿孑：出关系后，并予以延伸，给出 小同密度颗粒在同介质中沉降时，沉降速度随粒度变化的关系，如图l 所示。由图可见， 同粒度颗粒高密度沉降速度快沉在下部，低密度i 薯在高密度上部，高密度颗粒随粒度减小速 度降低与低密度大颗粒形成等沉颗粒。要使两密度不同的粒群在沉降中达到分层，必须使给 料中最大颗粒与最小颗粒的粒度比小于等沉颗粒的等沉比。 vo l v 0 2 x ；门。 图l 不同密度颗粒的沉降速度隧粒度变化关系图 f ；g 1r e l a t i v ef i g u r eo fs u b s i d e d v e l o c i t ya n dg r a n u l 鱼r i l yo fd i f f c r e n td e 玎s i t yp 8 r t i c 】e s 按颗粒自由沉降速度差分层学说观点，要求煤爹旅入洗前严踟彬彬物l 从而导致生产 流程复杂化，但对宽级别入选煤有较好的效果。但在实际跳汰过程中，入料并非单体颗粒， 介质也非无限和镕争止的，颗粒沉降既不是自由的、沉降泰速幽髟鞑至0 或根本不出现，所以 用单体颗粒自由沉降规律来解释跳汰过程是不合实际的，只能作为粗浅的认识。 实陌翘铘过程中，并非单个颗粒在无限介质中自由沉降，而是矿粒成群她在有限介质空 f 剐旱沉降，这种沉 肇形式称为干扰沉降。干扰沉降时，其沉降速度除受到自由沉降因数支配 外，还受容器器壁及周围颗粒所引起的附加因数的影响。附加因数有：( 1 ) 流体介质的粘 滞性增加，引起盼介质阻力变大。( 2 ) 颗粒沉降时与介质的相对速度增大。导致沉降阻力增 大。( 3 ) 在某种特定情况下，颗粒沉降受到的浮力作用变大。( 4 ) 由于颗粒之间、颗粒与器 壁之间摩擦碰撞产生的机械阻力。 门罗等人在研究跳汰过程中颗粒之间的相对运动，认为对于每个颗粒在粒群中上升或下 降时，相当于在周围颗粒组成的细管中运动。门罗研究了这种干扰沉降的规律。 门罗试验是将直径为2 1 6 r n m 的球体( 雷诺数在适合于牛顿一雷廷智公式的范围内) 放在窄管中进行的，提m 了卜列经验公式。 v 。一 t 一( “5 1 t z 卅， 式q 1 ， v 【l 和球体自由沉降和干扰沉降的术速度： d 和d 球体和窄管的直径。 门罗公式表明：球体干扰沉降速度与自由沉降速度成线性函数关系，且随尉淋与窄管的 直径比值的增减而变化。介质为无限空间时，d 值为无限大，比瞧d 仍趋近于0 ，球体获得 自由沉降条件。当球体直径越接近于窄管直径时，其干扰沉降末速就越低。 窄管沉降理论对认识重选过程的启发是，颗粒干扰沉降末速度随床层容积浓度天变化。 丑= 矿。矿1 0 0 ( 2 一1 8 ) u 一一悬浮液中固体颗# 立所占体积。 罩亚申柯根据物体在介质中的有效重力和介质的动压力平衡即可维持悬浮原理，利用均 匀粒群( 密度、粒度均相同的粒群) 在上升水流中的悬浮研究千扰沉降规律。 当粒群在某一e 丹流速达至擐绽：悬浮液时，其中每个颗粒的受力，应有c 祧。，由此 可求出颗粒f 弓戈沉降速度v 。为： v g =，掣g 、j6 y g p 。( 2 1 9 ) 式中，y 。一颗粒干扰沉降时的阻力系数。 单亚申桐通过干扰沉降管的大量试验，算出矿粒在不同v g 下的 与v g 的对应值，即 缈，：! ! - ( 2 2 0 ) 眠。石万 皑叫 代入e 式得： 、堕竺型g ( 1 一 、6 即 一 令6 l = 1 一五，疗= 2 贝0 v。=vo 口” n 值求法n ，利用v g 经验公式。变换坐标求得。 同样，干扰沉降也具有等沉现象，将一 目粒度不同、密度不同的粒群规入e 升介质流中， 等到沉降稳定，各颗粒按照干扰沉i 绎术速度的大小而分层，各窄层中同样有不同粒度的等沉 安l 籀理f 炎溯剥磁- 文 颗粒，它们的粒度之比称为干扰沉降等沉比。以e g 表示，即g ，= ! d ，2 因是等沉颗粒，所以 v o l ( 1 一丑1 ) = v 。2 ( 1 一 2 ) “2 ( 2 2 2 ) 若两异类粒群的颗粒的自由沉降是在同一阻力范围内则，n 1 = m = n 。故， 铲等= “( 普 “ c z 峭， 参考自由沉降系列公式得： 铲e 。( 旨) ”确( 甜 c z 哨， 对于涡流压差阻力范围内取n = 2 3 9 ，在摩擦阻力范围内取n 叫7 8 。 两种颗粒在混杂状态时，相对于同样大小得颗粒闻隙，粒度小的容积浓度小，松散度越 大，而粒痘大得容积浓度大，松散度小，故总是 ( 1 一 2 ) ( 1 一九1 ) ，即0 2 e l ，则e e 勖。 于扰沉降等沉比总是大于自由沉降等沉比，耳随容积浓度的减小而降低。 为了解释矿石可按宽级别( 给料上下限粒度比大于自由沉降等沉比) 入选闯题，门罗 提出了按莉甑隧麟分层学说。劂宜懒獭为，。= v 。( 1 一五) 一，干扰 沉懒比e 。= e 。( 鲁 ”，由于e g 如由此可说明在础降梆，可以分选宽级 别物料的事实，且说明了随粒群容积浓度的增大，按密度分层的效果会越好。 这。擎黼由a a 赫尔蜊寺和r t 汉考克提出，里亚申柯荏试验的基础e 进哆进 行了验眩他们将混杂的床层视作由局部重矿物悬浮体和局部轻矿物悬浮体 城，在密度方 面具有与均质介质相同的性质。在重力作用下，悬浮体存在着静力不平衡，就像油和水混合 在起，最终导致按密度分层，即在上升水流作用下，密度高的悬浮液集中在下层，而密度 低的集中在上层。局部轻矿物和重矿物悬浮体的密度分别是： p ，l = 五l ( 万1 一p ) + p 和 p ，2 = 冀2 ( 艿2 一户) + p 按此学说实现_ i ：f 分层( 重矿物在下) 的条件是 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 五2 ( 占! 一p ) + p 五l ( 占】一p ) + p ( 2 2 7 ) 以某种方式改变 ，与x2 的相对值，使 五2 ( 占2 一p ) + p 五，占 ( 2 3 7 ) 从位能分层观点来说，床层在跳l 灰过程中，由不同密度颗粒所组成的粒群，其散密度 6 的不间，是分层的基本依攒，散密度高者处于最低层。粒群的散密度是矿粒的密度6 和 粒群在自然堆积状态下的固体容积浓度 的乘积。 又是矿粒形成及粒群粒度组成的函数； 所以，跳汰分层的结果，不仅取决于矿粒的密度，而且还与矿粒的粒度组成和形状有关。在 自然堆积分层时，若粒度相同而密度不同的矿粒，高密度矿粒位于下层，低密度在匕层：若 密度相同而粒度不同，分层结果自然是粒度大的在下层，粒度小的在上层。在实际跳汰过程 中，虽然原料中各矿粒的粒度差别很大，但是各个鬣晓级粒度组成基本上是相近的。因此可 以说，矿粒比较严格的按密度分层。根据位能假说，跳汰时床层中如果人为地加入些高密 度细矿粒，则出于它们在分层中可填充到重矿粒的空隙中，从而提高重矿粒床层的容积浓度， 导致位能差增大，更利于加速分层和提高分层效果。 分层自奇位能学说完全不涉及流体力学因数的影响，只就分层前后床层内部能量的变化， 说明了分层的趋势，因而属于静力学体系学蜕。这理论除了跳汰以外，其他莺选分层过程 都可借此学说予以解释，故将迈耶尔位能学说视为重选基本原理。但这一学说是在理想情况 下的。 2 3 2 分屡过程动力学访垆【1 2 l 当床层中颗粒运动盹作用在颗粒e 的力有：重力与水的浮力，水流与周围床层对运动颗 粒的作用力r 水流加速度惯性力r 1 ，及水流与颗粒阀相对加速度产生的惯性力r 2 故颗粒 的运动方程为： p ，矿= ! ；= 矿p ，一p ) g 犬胄1 月2 ( 2 3 8 ) “l 式中， v 为颗粒的体积； p 。，p 为颗粒与水介质的密度； v 为颗粒获得的运动速度”。 颗粒在垂宜交交流中运动分层，所受至u 的作用力有：矿粒在介质中的重力、介质阻力、 介质被带动作加速运动的附自惯性阻力、介质本身作自嘲鳝动的附加推力及床层中与其他颗 粒相对运动产生的摩擦阻力朝械阻力等。这些力关系又很复杂。维诺格拉道夫以数学的 形式，对各项刚数加以 9 嘧，列出力学：微分_ 方 呈式。 l 、床层l 】颗粒在垂直交变流中的受力分析 假定耿作用在颗粒i _ = 的力，其作用方向以向f 为萨、向上为负。则各项作用力可表述为： ；趟哩啊学费吲孜： ( 1 ) 矿粒在介质中的重力g 0 ，因其方向向下，故为f 。即， g 。：互拿l ( 万一p ) g ( 2 3 9 ) o ( 2 ) 矿粒与水困有丰目对运动而引起的介质阻力r l 。当水流超越矿粒运动时，表现为 介质推动矿粒运动的动压力。即 是l = 一d ；p ：p ( 2 4 0 ) 式中，v c 为相对运动速度，它等于矿粒速度v 与水流速度u 之差。介质阻力r 1 的方向与v c 方向相反，而v c 的方向又是变化的，当颗粒相对于介质的v c 方向向下时，r i 为负；v c 方向 向上时，r l 为正。矿粒不论是在静止、匕升或下降水流中，其沉降时所受到的介质阻力的 方向，最终都是向上的，故该项取负。 ( 3 ) 由于介质作加速运动，其加速度所产生的惯性力作用在矿粒上，称为介质流对矿 粒的附加推力f l 。f 1 的方向与介质加速度方向相同，其值等于矿粒排开同体积液体的质量 与该液体女畦基度a 的乘积，即 鼻：竺箬妒n ( 2 4 1 ) 矿粒所受到的介质附加阻力f l 与矿粒在介质中所受浮力的原理相似，区别仅在于浮力是由 于介质的勤加速度所引起的，丽惯性力f l 则是由于介质运动的加速度n 所产生的。 ( 4 ) 由于矿 睦在介质中作加速运动，势必带动周围部分介质也随其作自碗邑运动，于是 这部分介鹾便产生了与其方向相反的惯性力，此力反作甩于矿粒匕。因此矿粒受到个附加 惯性阻力r 尽的作用，即 r g 一，等p 等 ( 2 _ 4 2 ) 式中，卜为附加质量系数。 附加惯性阻力k 的方向，与相对加速度方向相反。由于相对加速度无论在静止、上升或 下b 轿质流中，最终都是向下的，故相对加速度的方向也是向下的，则为负。 ( 5 ) 床层中矿粒运动时，要受到机械阻力马。机械阻力玛的大小不仅与床层的松散 度有关，而且还受矿粒自身粒度和形状的影响。当床层处于悬浮松散状态时，r 只能表现在 局部矿粒问的摩擦与碰撞匕，运动颗粒的动能被消耗。当床层紧密时，通遗莉凇涧豹直接传 递，阻力便来自床层整体，因而玛达到极大，而且粒度不同的颗粒所受的机械阻力r 也不 同。基于玛复杂性，当前没有数学表达式可以表达，因此这里不将它计入。 2 、i 广粒在垂直交交介质流中运动微分方程式的建立 这不考虑机械阻力作用，就其他几种阻力加以合并，得矿粒在跳汰过程中受力方程式 为： m 等2g i ，仙+ 鼻地 ( 2 _ 4 3 ) 或 孚艿警= 孚c j 刊g 叫w p 孚刖一，等p 等c z 叫， e 式只表示单个颗粒在垂直方向上的受力情况，但是也可将它视作为某种同性质颗粒的运 动微分方程式，可用以分析跳汰床层的分层机理。方程两边除以颗j 陵的质量m ：! 錾万，得 运动微分方程式为： 警= 孚苫一鲁孑一，予等 c z 嗡， m 6 6 兀d ，? 5 一鑫7 j 6蠡 “一 从e 式可以看出，在垂直交变介质流中，矿粒运动的加速度，除机械阻力的因数外， 主要由四种加速度合成的。t 式右边第一项，是矿粒在水介质中的重力加速度，即初加速度； 第二项是介质阻力所引起的介励喇渡：第三项是由介质自喇渡所引起的蠼性阻力加速度； 第四项是矿粒运动导致周围部分介质也作加速运动而产生的附加惯性阻力加速度。此式比较 全面地考虑了各种动力学因数的影响，但也明显鲰翦三个方面的缺陷：( 1 ) 忽视了床层悬浮 体内压力变大这个重要因数：( 2 ) 没有注意由于床后薹麟体密度增大，使得蹶 立所受浮力也 增大这一事实；( 3 ) 以水流速度( 即使是颗粒蚓隙的平均水流速度) 和加速度表征介质阻力 或附加推力的作用，是不够确切的，因颗粒i 叫隙的水速分布是很不均匀的，比实际作用大的 多。 总之，对跳汰过程中颗粒运动微分方程的分析，可归纳两个要点： ( 1 ) 矿j 眩运动状态除与密度有关外，还与粒度和形状有关。而粒度及形状的影响仅体 瑚在介质阻力加速度匕，其数值与相对加速度的平方成正比，因此尽量减小矿粒与介质之间 的相列适耐b 枣度是很重要的。 ( 2 ) 介质的运动状态( 速度和加速度) 对矿粒的运动或者对床层分层有重要影响，因 i 幽黼理l 台当的水速和加速度可对床层分屡戗造有利条件。 2 4 斟昧分选的影晌因梨1 】闭【1 2 i 影q 自跳汰分选的因素很多，按其机冉料寺点分为：入料数质量特性的工艺因素；表征压 缩空气和筛下水参数的水动力因素；主要与跳汰产品排卸方法有关的结构因素。如图3 所示。 安鼗哩1 失靴舞 = 敞 l 、八料 原煤入料影响因素不可调因素：粒度、筛分组成、浮沉组成，和可调因素：单位负荷。 物料颗粒在各自的平衡层运动时，粒度越大，受周围颗粒的不良影响越小。随粒度的 减小，其单位表面积增大，与表面积成正比的粘着力的作用也相对增大，与质量成正比的重 力的影响却相对减小。这样，小颗粒按密度分选效率刚氐，所以说跳汰分选的总效率与各粒 级的含量有关。末煤量越大，它们按密度分选精度越低，粒度和密度相差不大的粒群分选精 度会明显下降。此外，跳太铆勘撇随着靴负荷的增加而下降，而单位负荷过小，则不 经济，分选i 桃，匡墼酶虬入料性质的变比影响跳涝潍帔的变化，影响产品的质量和产率， 还破坏跳汰床层结构的稳定性。 因此，要控制给料，即使入料陡晚毗的波动尽量小，入冼喇某应均质化，对于几种 性质差另| j 较大的原煤硎酉己j 觥的剜去，即可黯葛允选效率又鼹高了经济效益。再有给 料速度要均匀，不可忽多忽少，是对跳汰床层的稳定性的可靠保证。还有，应注意伴随入料 给入冲水，使原煤润湿，以免结团，影响分选。 可调因素 、? 不可调因素 i 筛下水 图3影响分选的因素 f i g 3 i n f l u e n c ef a c t o r so fs e p a r a t j o n 惦 2 、物释 分层j 到6 、汰审0 度 跳汰过程要按密度分层，就是要使跳汰制度应能保持颗粒的密度在分层中起决定作用。 尽量限制粒度和形状对分层的作用。跳汰制度包括：跳汰频率、跳汰振幅、跳汰周期、风量 和水量等因素。 跳汰脉动水流的振幅决定了床层在上冲期i 甸扬起的高度和跳汰床层的松散条件。床层 必须饧起的高度与给料的粒度和床层的厚度有关，粒度大、床层厚，要求较大的水流振幅， 以得到较好的松散分层。 在风压4 渡的条件f ，降低频率，脉动水流的振幅呵增大，床层松散也增大。用低频 ( 3 5 4 0 移洳血) 大振幅眺汰，床层松散度较大，分层较快，跳汰机处理量大。但此时速 度因素、粒度和形状因素对分选效果的影响较大，操作时，对风水制度和给料量的变化相当 敏感，很难操作，故只适用于分级块煤分选和易选煤分选。高频( 5 0 6 0 次佃i 1 1 ) 跳汰时， 工f 仁稳定，加速度影响大，粒度和形状影嘛较小，细粒能力较强，故产品质鸯好而稳定。所 以可以说，只要风压、风量和风闽构造等条件许可，能达到所需的床层松散度要求，把跳汰 频率提高些是有好处的。 跳汰周期是指脉动水流变化的时间，取决于风阀周期特性，它与跳汰频率相对应的。 频率只能通过改变风阀转速来调节。振幅主要通过改变风压、j 地璧、风阀的进、排气 孔面积及频率等控制调节。 通常根据所要求的床层松散度来调节用风量。一般从入料到排料，各段风室的风量依 次减小。通常筛下空气室跳汰机用的风压为o 0 2 5 o 0 3 5 m 阻。 跳汰机用水量包括筛下顶水和冲水。冲水用量是以使给料口的原煤充分润湿为准。筛 瞅的作用是 充筛下水量的短缺，城小跳汰室和空气室的液位差，其目的是增加空气室 内压缩空气的有效压力。顶水的分配也是由入料至! | j | 制套分室依次减小。通常项水用量占总 水量的7 0 8 0 以上。 通过调整筛板倾角和风水量可以控制床层水平移动速度，使它与床层按密度分层速度 相适应，使物料至! 幽 料闸门时按密度分好层次；并使旰石和中煤床层的水平一定速度与原 煤中矸石和中煤含量相适应，以保持适当的重产物来层厚度；同时延宽度和长度各点上的水 平移动速度应基本致，否则同样造成局部床屡厚薄不均，破坏分层。 3 、产品的排卸方式 最终产晶的分选精度与产品排卸方式有关，按密度分好层次的床层，应及时、连续、 合理地排出跳汰机。产品的排卸方式应尽量不破坏分层，并减少污染。 产品的排卸方式决定了产品的分离效果，产品的分离对生产表现在三个方面：1 、为物 料进一步分层创造了条件；2 、分离速度矗接影响跳汰机的处理量：3 、对产品的质量和回收 姗f 火辫则淑 率有商接影响。 跳汰产品的分离理论 2 5 跳汰产品的分离理论基础蚴 跳汰过程主要由两部分组成：入料分层和产品分离。入料的精确分层是产品分离的前 提；及时、合理的产品分离既给入料精确分层创造必要条件，也提高了跳汰机的处理量和产 品质量。 在产品分离的过程中要求满足以下原则： l 、各粒级的分选密度符合最大回收率原则； 2 、在产品分离过程中不产生或少产生新污染； 3 、 尽量减少床层波动，保持分选密度相对稳定性； 4 、在产品质量符合要求的情况下，适当增加分离速度。 跳动嘛层的分布规律性，奠定了跳汰机产品分离理论的基础。跳涝沫层分布性赓可用 正态函数密度曲线表征，其表达式： 1二! ! = g ! ： 厂( x ) = 产p 2 一 ( 2 4 6 ) oqz 西 式中 ，( x ) 概率密度函数： 工髓机变量( 床层深度) ； 叮任随机变量偏离中值的坛潍离差； 数学期望，随机变量的平均值； e 自然对数的底。 如图4 所黍正态密度函数是壕钟形曲线，根据它讨论j 戳赶i 壹程，可以看出，正态 密度函数曲线的最高峰就是某筛分浮沉级粒群盔跳汰床层中的分布中心，是该粒群最密集 的集中点。以此为界向两侧扩展时，该粒群的数量以单调函数的形式i 赵速下降。在x 盯处 曲线有拐点，拐点之内曲线向下弯曲，拐点以外曲线向两侧延伸，表现为横坐标的渐近线。 可见正态密度函数是一条以数学期望为轴的对称曲线。但由于在跳汰过程中存在着工程因 素，例如液流的穿隙流动引起的系统误差，颗粒之间的相对运动造成的各种随机误差等，用 它柬表征跳汰床层分布时，其对称性有定偏离，但已证明不影响对其统计规律的认识。 一3 口 一2 0 一1 d 0 1 口 2 a3 口 圈4正态密度函数曲线 f i g 4d e n s i t y1 u n c t i o nc u r v eo fn o r m a ls c h o o j 正态密度函数中，数学期望是一个重要特征量，在跳汰来层中它标志着某一同性( 密 度和黻等物理性质相同) 粒群的分布中心。从各筛分浮沉级的分布中心相对位置可以判断 出它们对产品分离的影响。设有口、6 、c 三个正态分布粒群。其分布中心之间的关系如图 5 所示，离分柿中心距离较远的臼、c 两粒群之间相互污染机会很小，而口与6 和6 与c 分 布中心距离较近，关系凳切，正态分布曲线部分相交，表明粒群之间存在污染。而且相交部 分越多污染越严重。由此可知，入选物料中颗粒密度越凌近，不仅在物料分层中不易分开， 而且在产品分离中( 已经分层就绪的颗粒) 也容易重新污染。 p 一f f 。皑b c 义义。 图5三个粒群间分布中心的关系 f i g 5 r e l 8 t i 0 1 l so fd i s t r i b u i i n gc e n t e ro ft h r e ek i n d so fp a r t i c i e s 正奄密度函数的另一个特征是标准离差。在床层分布中它表征某一筛分浮沉级粒群的 离敝程度。由图6 可见标准离差决定着瞌线的形状。其值越大曲线越平缓，越小曲线则越陡 峭。如果两个颗粒群的分布中心的距离为固定值。仅仅由于标准离差的增大，曲线变得平缓， 可使本i 湘交的曲线变得相交，或相交不多的曲线变为大量相交，它们由互不污染而变为互 相污染，或者使本来污染不大的粒群之间污染严重起来。如图，当标准离差盯；0 2 5 时，a g 嘲鲤i ：起闭 嗽文 和b 两条益线并不相交，当仃= o 5 时已经在2 0 处相交了。随着。增大，两粒群出不污染 到有污染以至更大污染。在跳汰过程中标准离差虽然主要决定于物料分层因素( 包括原煤陛 质、跳汰机工作性能、工艺参数、操作水平等) ，但产品分离技术对分离精度有不可忽视的 影响。 p o ，o ( z ) 、( a )， ( b ) 一。= 一么u 心二i l 一3 一己一1 0 i 已 34 3 2