机械搅拌式浮选机叶轮磨损分析与研究

工作就像开了挂……

引　言

浮游选煤是实现粒级＜0.5 mm煤泥分选的最有效方法，也是应用最广泛的方法。目前在我国应用比较多的浮选设备主要有浮选柱（床），喷射式浮选机和机械搅拌式浮选机，而机械搅拌式浮选机以处理粒级宽、选择性好、对浓度的适应性强等特点，符合我国难浮煤泥多、细泥含量高的特殊国情，在大部分炼焦煤选煤厂和部分无烟煤及动力煤选煤厂中广泛应用，获得了用户的一致认可。

机械搅拌式浮选机一般情况下为四槽一组，从入料方向看，越往后面的槽，叶轮等过流部件越容易磨损，相应的磨损程度也越严重。当第四槽不能形成足够厚度的泡沫层，无法刮出精煤产品时，则浮选机第三槽叶轮磨损最为严重。因为不同粒径的煤粒浮选速度不同，通常情况下，细粒级浮选速度快，粗粒级浮选速度较慢。原因是细粒级颗粒形成的水化膜薄，在槽内轻微碰撞就能形成矿化气泡，而粗粒级形成的水化膜厚，必须经过反复并且多次碰撞才能形成矿化气泡，这样就造成了越往浮选机后面磨损程度越严重的现象了。

一、叶轮磨损的判断方法

通常情况下，我们可以从以下四个方面来判断浮选机叶轮是否已经磨损：

1、搅拌电机电流下降

在浮选机搅拌机构进气管开孔程度相同的情况下，如果某一槽搅拌电机电流下降明显，则表明此槽内叶轮已经严重磨损。因为叶轮磨损后质量会变小，这样电流也会相应减小。

2、浮选药剂消耗明显增大

叶轮一旦磨损，气泡和煤粒之间的碰撞强度就会减弱，煤粒形成的水化膜就无法被打破，致使煤粒的“诱导时间”变长，进而无法形成足够厚度的泡沫层、精煤产品减少，此时为了保证精煤产率，就必须增加药剂添加量来诱使煤粒上的水化层变薄，也就间接地减小了气泡和煤粒的碰撞强度。

3、精煤灰分增高，尾煤灰分降低

叶轮磨损后，叶轮和定子之间的轴向间隙就会增大，结构参数被改变，导致在高度方向上产生“流体涡旋”，这样细小的高灰煤泥就容易被带到矿化泡沫中，从而进入精煤产品中，增加浮选精煤灰分；同时粗颗粒煤泥受到“涡旋”离心力的影响，下沉到槽体底面，被矿浆流带到浮选尾矿，进而形成降低尾矿灰分的颗粒。

4、充气量减小

由于磨损，叶轮的结构参数被破坏，叶轮腔中不能形成足够的负压，导致浮选机充气量减小，难以形成足够厚度的泡沫层，精煤产率降低。

二、叶轮磨损的主要因素

2.1 矿浆浓度、流速和冲蚀角度

通常情况下，随矿浆浓度的降低，固体颗粒对材料的冲刷作用减弱，叶轮的使用寿命提高；反之，随浓度的增加，颗粒的冲刷作用增强，叶轮的寿命降低。而随矿浆流速的增加，固体颗粒对材料表面冲刷次数增多，叶轮的使用寿命降低。实验表明，随矿浆冲击角度的减小，有效参与冲蚀磨损的磨料增加，切削作用增强，磨损速率增加，在冲击角为90度和30度时，材料的磨损速率最大。

2.2 粒度和硬度

矿浆中固体的粒度和硬度也会对材料的磨损产生很大影响。粒度越大、硬度越高，叶轮受到的冲蚀磨损越严重，使用寿命越短；相反，粒度越小、硬度越低，叶轮越不容易磨损。所以浮选机在使用过程中要注意尽量减少粒度大的和硬度高的颗粒进入浮选环节作业，严格控制0.5mm以上的粒级和减少入浮矿浆中的矸石含量，同时也要控制浮选入料浓度在80-100g/l的最佳工艺范围内。

三、叶轮磨损的主要部位

浮选机叶轮的磨损，主要包括两方面内容：冲蚀磨损和腐蚀磨损。由于我国绝大多数选煤厂的生产用水属于中性（PH=7）或接近中性，因此几乎没有腐蚀的影响，但在个别地区选煤厂入洗高硫煤时，矿浆呈现酸性，这时会对浮选机产生一定的腐蚀作用，需研究耐腐蚀的叶轮、定子等过流部件，以满足生产要求。但在大多数情况下，浮选机叶轮的磨损以冲蚀影响为主，故其磨损过程符合流体冲蚀磨损规律。

机械搅拌式浮选机对煤泥的分选主要是靠叶轮的旋转做功来实现的，故叶轮是浮选机的核心部件，它和定子、盖板及锁紧螺母组成浮选机的过流部件，它也是浮选机中最容易磨损且磨损程度最大的部件。研究浮选机过流件的磨损，实质就是研究浮选机叶轮的磨损。

图1 叶轮磨损部位分布图

考察工业现场磨损后的浮选机叶轮，大体可以分析总结出叶轮的磨损主要发生在以下几个部位（一些由于铸造过程中产生缺陷导致的磨损不在本文讨论范围内，暂时可以忽略），如图1，双层叶轮上隔板的下表面Ⅰ；下层叶片顶部Ⅱ和Ⅲ；上隔板的上表面靠近中心部位Ⅳ、同一流道内上隔板叶轮边缘处Ⅴ和Ⅵ；下隔板上表面流道出口处Ⅶ。

四、叶轮磨损的机理分析

浮选机的叶轮处在一个及其复杂的煤粒、气泡、油滴三相混合体之中，其结构被上层隔板分成上下两层，叶轮和定子及盖板间有一定间隙，高速旋转时叶轮腔内产生一定的负压，一部分矿浆通过叶轮下吸口进入叶轮腔，从下层流道排出；另一部分矿浆通过上吸口进入叶轮腔，从上层通道导出。叶轮这样的工作过程，决定了不同的部位磨损程度、磨损快慢不一样。

叶轮上隔板的下表面靠近中心位置处Ⅰ。由于下层矿浆进入叶轮腔后，通过螺母导流，以近90度的角度直接冲击到Ⅰ处，根据冲蚀磨损理论，冲蚀角在90度附近时，冲蚀率最高，显然此处最先受到矿浆冲蚀磨损而逐渐变薄，如图2。

图2 叶轮上隔板的下表面靠近中心位置处Ⅰ磨损图

叶轮上隔板下表面和下层叶片交汇处Ⅱ和Ⅲ。由于下层矿浆通过吸浆管后以旋转状态进入叶轮腔，此时同一流道内，旋转方向前部Ⅱ的矿浆量多余后部Ⅲ的矿浆量，即下层叶片的顶部Ⅱ和Ⅲ过早的被冲刷成一道道深沟（如图3），时间一长，下层叶片和上层隔板分离，下层隔板脱落（如图4）。

图3  叶轮上隔板下表面和下层叶片交汇处Ⅱ和Ⅲ磨损图

图4 下层隔板脱落后的叶轮图

叶轮上隔板上表面靠近中心位置处Ⅳ。由于矿浆进入上层叶轮腔近90度直接冲刷叶轮上隔板上表面，造成中心位置Ⅳ处磨损严重，同时结合上隔板下表面的Ⅰ处磨损，时间一长，上隔板容易在靠近中心的位置形成环状的磨损带，造成上、下隔板脱落的磨损现象，如图5。

图5 上、下层隔板脱落后的叶轮图

叶轮上隔板上表面同一流道沿半径增大方向Ⅴ和Ⅵ处。矿浆是煤粒、油滴、气泡三相组成的混合体，在离心力和惯性力的作用下，矿浆在叶轮流道内的分布是不均匀的，顺着叶轮的旋转方向后部Ⅴ处的固体含量要多于前部Ⅵ处，从Ⅴ处到Ⅵ处固体含量逐渐减少，Ⅴ处更多的是固体颗粒，而Ⅵ处更多的是气体，同时Ⅴ处的压力也高于Ⅵ处，显然Ⅴ处磨损的要比Ⅵ处快并且严重。

叶轮下隔板半径增大方向Ⅶ处。浮选机叶轮下层为矿浆的主要通道，经过此处的矿浆量远远大于从叶轮上吸口进入上层叶轮腔的矿浆量。叶轮以一定速度旋转，矿浆从中心运动到周边，随着叶轮半径的增大，速度和压力也不断加大，相应的磨损现象在叶轮周边就越容易发生，如图6。

图6  叶轮下隔板半径增大方向Ⅶ处

五、提高叶轮使用寿命的方法

浮选机的叶轮在工作时主要受到矿浆的冲蚀而磨损，不同部位磨损程度有很大差异。从上面分析可知，叶轮主要有七处易受到磨损而影响使用效果，我们可以从改变叶轮的局部形状和选择可靠的耐磨材质两个方面入手来提高叶轮的使用寿命。

5.1 结构改变

针对叶轮的七处磨损部位，结合铸造件的工艺特点，我们只在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四处主要部位做结构改进，其余三处由于磨损速度较慢对叶轮影响较小，不考虑结构改变。针对Ⅰ和Ⅳ处，我们可以将叶轮的上隔板下表面做适当加厚处理，如图7虚线所示，在上隔板的下表面，沿叶轮边缘向中心做一定角度的直线，这样，越接近中心，隔板就越厚，相应的就增加了易损部位的厚度，延长了磨损时间。

Ⅱ和Ⅲ处也是通过适当的增加厚度即增大叶片的倒角来提高磨损强度的，即在叶轮下层弯曲叶片的顶部增加过渡圆角处理，保证Ⅱ和Ⅲ处有一定的厚度，使之不易磨损。如图7。

图7 结构改进后的叶轮

5.2 材料选择

叶轮主要受到流体冲蚀而磨损，而影响冲蚀磨损的决定性因素就是材料的硬度，所以选择合适的材料是解决叶轮磨损的关键所在。通过选取尼龙、聚氨酯、超高分子聚乙烯、喷涂聚氨酯弹性体、合金铸钢、高铬合金等六种材质，在实验室的条件下进行加速磨损实验测算其磨损速率，最后得出高铬合金材质的叶轮使用时间最长，最耐磨，在工业现场中，同等工况条件下，高铬合金材料的使用寿命是普通合金铸钢的3-4倍。普通材质（合金铸钢）和耐磨材质（高铬合金）使用两年后的磨损对比情况，如图8和图9。

图8 普通材质（合金铸钢）使用两年后磨损图（局部）

图9 耐磨材质（高铬合金）使用两年后磨损图

结　语

1、可以通过浮选机搅拌电机的电流、药剂消耗、精（尾）矿灰分和充气量等四个方面来判断浮选机叶轮是否存在磨损。

2、叶轮受流体冲蚀影响而磨损，主要发生在7个部位，可以归纳为4个集中区域。

3、提高叶轮使用寿命的方法有两种：结构改变和材料选择。通过工业现场应用表明高铬合金耐磨材质的使用寿命是普通合金铸钢的3-4倍，可见通过选取适宜的材料，可以有效提高叶轮使用寿命，是解决叶轮磨损简单可靠的方法。

作者简介

张鹏（1978—），男，河北唐山人，副研究员，硕士，主要从事浮选机的设计、研发工作。