礦山陶瓷過濾機過濾系統的改進及應用*

李臣文，高 航，王 劍

（青海鴻鑫礦業有限公司，青海 格爾木 816000）

1 過濾機原理結構

1.1 工作原理簡介

過濾機是源于將渾濁狀的固液混合體分離開來的目的而研發的[1]，基于這一點對理解設備的結構和功能就較為簡明。首先為分離兩種介質引入陶瓷板，陶瓷板可以粗略地理解為一道篩子，因其表面密布的微孔可將固體顆粒物和水分兩種介質分離開來。而完成這一過程就需要有設備為這一動作提供動力，這時引入的就是真空系統，真空系統通過抽走陶瓷板內腔里面的空氣來產生氣壓差，使得富含水分的渾濁礦漿吸附到陶瓷板的表面，礦質因具有大過陶瓷板微孔的體積而被隔離在陶瓷板外表，由于水與親水陶瓷板間存在的表面張力而形成毛細作用[2]，在負壓時微孔中的水分不會全部排出而形成一層水膜，板子內外的空氣則不能穿過水膜，從而達到只過水而不透氣的效果，過濾出的水分順利透過微孔過濾到儲水罐里面，而達到將礦質從礦漿中分離出來的目。其原理圖如圖1所示。

圖1 陶瓷過濾機原理圖Fig.1 Schematic diagram of ceramic filter

1.2 主要結構及功能

為持續高效完成過濾作業這一動作，還需要將附著在陶瓷板表面的干礦清理掉，并讓板子再次進行過濾動作，以及長期穩定地進行過濾作業。為此整個過濾系統還需要滾筒系統、濾液排放系統、反沖系統、聯合清洗系統、給排礦系統、攪拌系統、自動控制系統、卸料系統以及其他輔助部件[3]。

真空系統由真空泵、濾液罐及相關管路及閥門組成。真空泵運轉，在濾液罐中形成真空，濾液罐上通過管路連接至分配頭，再與陶瓷板連通。工作時可將礦漿吸附到陶瓷板上并吸至一定干燥程度，濾液經由分配頭和管路進入濾液罐。

濾液排放系統根據設定的排水周期，控制電磁閥動作，開關濾液罐下部罐子上的進氣口調控罐體內部的壓差，來控制蓄水和排水動作，或者檢測罐體內水位，當濾液到達一定液位時控制進入排水行程。

反沖系統由清洗水路、閥門、水過濾器、壓縮機、儲氣罐氣路等組成。陶瓷板在刮掉濾餅后，仍有一層精礦附著在陶瓷板上。在陶瓷板轉動到刮刀卸完料向下一點時，反沖水或者壓縮空氣通過分配頭進入陶瓷板內，向外清洗這部分礦粉。

滾筒系統主要由主軸、滾筒、傳動電機等組成。滾筒上環布管道一端與陶瓷板連接，另一端與分配頭相通。反沖水通過分配頭再經管道進入陶瓷板內部清洗陶瓷板，礦漿濾液通過管道進入分配頭再進入濾液罐（滾筒轉動到分配頭不同位置時，進行不同行程）。

聯合清洗系統由超聲波清洗機及化學清洗配合，使一些未能被反沖洗掉的附著在陶瓷板上的固態物脫離保證后續過濾效率[4]。濾板累計工作一定時間后，由于堵塞及其他物質粘附，過濾效率降低，通過超聲波的空化作用聯合清洗對陶瓷板進行還原[5]，以保障下一個周期過礦效率。其他附屬系統的設計同樣圍繞著穩定持續高效完的成過慮作業來設置增加的。過濾機基本結構如圖2所示。

圖2 陶瓷過濾機結構圖Fig.2 Structure diagram of ceramic filter

1.3 工作過程

陶瓷過濾機工作流程為通過主體結構循環往復實現過濾作業，過礦作業區域集中在一整圈的陶瓷板上。其過程主要可分為吸漿、干燥、卸料及反洗等。首先在驅動裝置帶動下，滾筒連同陶瓷板圍繞主軸轉動，在真空泵產生的負壓作用下，浸沒在礦槽中的礦漿被吸附在陶瓷過濾板表面形成一定厚度的濾餅，此為吸漿過程。當陶瓷板旋轉超出礦漿液面時，結束吸漿過程，形成的礦餅繼續受到負壓作用，其中的水分被進一步吸干，從而得到含水量較少的干礦餅，濾液則進入濾液罐中，到此結束吸干過程。卸料過程則是將附著在陶瓷板表面的礦餅去處的過程，主要通過安裝在板子兩側的刮刀來完成，吸附在陶瓷板表面的精礦轉到刮刀位置，刮刀將濾餅刮落，進入精礦池，完成卸料。最后反沖水經由分配頭進入刮掉濾餅后的陶瓷板，從內而外將殘余在陶瓷板表面的精礦沖洗掉，以此達到清潔陶瓷板表面。反沖洗結束后，陶瓷板再次在礦漿槽內，重復進行新一輪過礦行程[6]。其過程如下圖3所示。

圖3 陶瓷過濾機工作過程示意圖Fig.3 Working process schematic diagram of ceramic filter

2 故障判斷及原因分析

2.1 壓力不正常

陶瓷過濾機真空度可以直觀地從壓力表上看出，首先需要排除是否為壓力表損壞，氣管破損漏氣、脫開等原因，再次可以從以下幾方面排查。

1）真空泵循環水調節異常?？蓮挠^察真空泵出水管水量來判斷。通過檢查水閥開啟大小、水壓、泵體、管路等相關聯處來找出故障點；

2）真空管路及罐體故障。首先從真空表端可見顯示的壓力不正常，從分配頭處開始向下檢查管路，一般是連接不牢靠松脫導致的，較少情況為管路老化破損引起的泄漏。另在寒冷的作業環境中，管路會發生結冰現象，導致管路堵塞，阻斷罐子內氣體流動排出，造成排水故障。開啟真空泵時檢查罐體是否泄漏，另通過進氣口和排水口動作是否正常判斷內部翻板是否完好。如在電磁閥動作正常的情況下，排氣口打開后，正常情況下進氣情形為短暫驟降的形式，若整個排水周期期間持續向內進氣，則可判斷為罐體內部翻板破損泄漏；

3）環列管陶瓷板故障。在設備開啟反沖水的條件下，排查管路連接點及整體使用情況，查找漏點。檢查陶瓷板安裝固定是否牢靠，邊角及表面是否有破損刮傷。在使用過程中陶瓷板會松動，應及時檢查加固，檢查刮刀距離是否已調節在合適的距離范圍內以及是否松動，并做相應調整；

4）分配頭故障。分配頭常見的故障表現為安裝時涂抹使用的膠質層老化，導致分配頭松脫漏氣漏水，或是壓緊彈簧松出導致漏氣以及分配頭破損導致漏氣漏水，真空孔道與反沖孔道混通；

5）控制閥門及傳感元件故障。與罐體連接的電磁閥動作故障，排水不正常，可從儲水排水周期或者濾液液位情況觀察看出，若儲水期間進氣口進氣則控制與外界大氣相通的電池閥故障，若排水期間持續進氣則控制與真空泵連接或者上下罐連接的電磁閥故障，若儲水液位顯示與實際液位不符則液位計有故障。

2.2 除壓力顯示異常外的其他形式故障

1）真空閥無法動作。當真空壓力顯示正常，蓄排水周期行程正常，而過礦無效果，此時應該檢測真空氣動閥是否故障，先排查控制電氣電路部分，后排查氣動閥；

2）濾板堵塞。造成濾板堵塞的原因較多，現從下面幾點列舉：①首先造成開機過程中反洗系統故障，在較長時間期間持續過濾作業會導致板面表層的積礦增厚密度增高，透水透氣微孔比例下降而導致過礦效果和效率下降；②聯合清洗過程不到位。導致清洗效果不明顯的原因有超聲波未開啟、超聲波故障、清洗液位過低、清洗過程未加酸加藥、清洗時反沖水未開啟等；③濾芯堵塞或損壞。如若用于反洗的水質較差，通常會在反洗水路中增加水過濾器，以此來保證反洗效果。若濾芯缺乏維護，會導致反洗水路不通，具體可從濾前濾后壓力上看出。水質較差的情況下維護頻次需增加。同時若濾芯安裝不牢靠發生松脫時，含雜質的水就會直接進到陶瓷板內堵塞微孔；④聯合清洗過程酸藥液供給故障。具體表現有酸泵故障、酸罐破損泄漏、配酸濃度不適、反洗水壓過大等原因，酸藥不能正常供應而導致清洗效果不佳；⑤礦漿性質參數發生變化。礦漿濃細度發生變化、使用藥劑變化等。如濃度低、細度高、含泥多、藥劑粘性大等因素都會導致過濾板堵塞；⑥陶瓷板與滾筒連接部分泄漏，包括陶瓷板水嘴斷裂、膠套老化、焊口脫焊腐蝕等。導致礦漿滲入，當板子旋轉到反洗位置時，逆流進入板內，造成堵塞；

3）控制元件故障。故障報警，操作失效，控制部件不動作等情形；

4）電磁閥故障。電磁閥故障是最常見的故障之一?？蓮男钆潘芷谥兄庇^看出，因動作頻繁線圈容易燒毀，或是內部元件銹蝕和疲勞損壞導致不靈或不動作；

5）管路元件故障。連接軟管會發生松脫、老化泄漏，連接處的分配頭會漏水、漏氣、破損、裂紋、松脫。另在寒冷的作業環境中，管路會發生結冰現象等；

6）操作不當：①將滾筒旋轉速度調的太快，導致形成濾餅的時間縮短，礦餅變薄且吸干時間變短導致精礦水分超標；②攪拌未開啟，礦漿沉積在槽子底部，影響充分吸附，且容易造成設備壓死；③刮刀間隙調節不當，導致卸料異常，間隙過小時刮傷濾板，太大則導致卸料變少且反洗困難，進而影響過濾效率；④礦漿液位調節過低，板子與礦漿接觸時間和有效面積都會降低，導致形成濾餅薄影響過礦效率；⑤程序參數設置不當，參數設置應匹配不同的作業條件。在雙真空泵雙真空罐的設備系統中，設置上下罐儲水和排水周期，應當考慮下罐進入儲水周期時，下罐氣壓由大氣壓降低到小于上罐壓強（下罐作用到隔板上的氣壓略微小于上罐作用到隔板上的真空壓和水壓） 的時長，并且當上下兩罐中間隔板打開后，上罐濾液水排到下罐的時長也要一并計算進去，再結合礦漿性質考慮，把過濾機的出水量和排水時長計算在內，合理調節程序控制參數；

7）水質影響。系統中使用的水質較差時，導致濾芯堵塞頻繁，或是造成濾板堵塞，透氣透水性變差，從而導致過濾機過濾效果不佳和效率降低。

3 改進措施

3.1 真空系統結構優化

3.1.1 單泵源單罐體結構分析

源于上訴問題分析真空切式陶瓷過濾機，在真空系統結構方面有一定缺陷問題，單組罐單泵結構如圖4所示。

圖4 真空系統結構示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of vacuum system

從圖4中可以看出上罐一端4接入真空泵，一端3接入分配頭即過濾板端。上下罐有兩條通路，一條是貫穿上下罐體且在末端有翻板蓋的中間彎管，一條是有電磁閥控制通斷且在下罐處有一個三通岔口與外界相通的管路。

運行時分儲水和排水兩個行程。進行排水動作時電磁閥6關閉，電磁閥7打開，此時下罐與外界相通，外界氣體補充到下罐內，內外氣壓相等，上罐的四個開口狀態為：分配頭端3常開與陶瓷板相通、真空泵端4常開并持續為上罐形成負壓、電磁閥6端關閉從而阻斷上下罐相通，內翻板2處由于下罐氣壓為大氣壓＞上罐負壓導致翻板蓋被壓緊關閉，此時下罐體中的水由于重力作用就會推開排水口外翻板蓋8排出。

當排水行程結束后，電磁閥6打開，電磁閥7關閉，此時上罐分配頭端3和真空泵端4未發生變化，下罐因電磁閥7關閉導致外界切斷了連通，此時上下罐因為電磁閥6打開而串通，下罐的氣體迅速流入上罐，上下罐氣壓持平，內翻板2處兩側的氣壓一致，上罐的水流就會因為重力作用流入下罐，而排水口8則因為的內側氣壓小于外界大氣壓而被壓緊，排水口8被阻斷，水流積蓄在下罐體內。在兩個行程過程中儲水行程發生時，上下罐因在瞬間接通而使下罐氣流進入上罐，導致上罐氣壓升高，每個周期在切換到儲水行程時會導致真空壓下降，而上罐與分配頭相連，這就導致過濾機真空度下降、濾餅水分增大，同時影響真空泵使用壽命。

3.1.2 改進思路

由以上描述可提供兩種改進思路。

1）取消上下罐氣流串通的管路，在下罐處增加一臺真空泵，排水口用氣動閥控制開合。運行時，上罐可持續保持低壓，下罐在儲水行程時，由新增的真空泵單獨提供動能制造負壓，當上下罐氣壓相一致時，內翻板蓋兩側壓強一致，上罐水流由于重力作用流入下罐。排水行程時，下罐排水口由氣動閥控制打開，且在真空泵連接至罐體的中間處增加三通閥口，進行排水行程時打開，以免真空泵過載和減小排水阻力。此處下罐使用的真空泵為保證上罐壓力在設定壓力下工作，且排水間隔時間與水量匹配，下罐選用的真空泵功率要大于上罐；

2）排水方式改為由液位控制的排水泵排水。在罐體下部增加排水泵并由罐體內的液位控制啟停，當液位超過罐體一定高度時啟動水泵將濾液排除罐體，當液位下降到一定高度時停止排液[7]。

3.1.3 雙泵源雙罐體結構分析

雙泵源雙罐體真空系統結構如圖5所示。

圖5 雙泵源雙罐體結構示意圖Fig.5 Structure schematic diagram of dual pumps and tanks

從圖5中可以看出兩側的上罐體共同接入主真空泵，上罐的另一端接入分配頭即過濾板端。上下罐之間有一條通路，由向下的內翻板蓋隔開。兩側的下罐同時接入副真空泵，泵到兩側的罐體間都有一個電磁閥控制通斷，且下罐體與外界都有一個電磁閥控制通斷。

運行時罐體也分為儲水和排水兩個行程。左側罐進行排水動作時，右側罐進行儲水行程，兩側交叉進行排水。單從左側來看，電磁閥3關閉，電磁閥4打開，此時上罐與主泵連接，下罐與副泵連接，當下罐氣壓與上罐氣壓水壓一致時，中間內翻板2打開，上罐水因重力作用流入下罐。外翻板5則因為外界大氣壓大過罐內氣壓而緊閉。此時右側罐體進行排水行程。電磁閥9關閉，電磁閥10打開，下罐與外界相連通，下罐氣壓與大氣壓相等，下罐內上一行程儲存的水就會因重力作用沖開外翻板7，罐內濾液排出，而內翻板8則因為下罐氣壓大過上罐而緊閉。上罐濾液無法排到下罐。

從運行過程來看，主泵主要提供過濾機真空壓，兩側上罐真空壓穩定，副真空泵主要交替為左右兩側下罐提供真空壓，來保證上罐水順利流到下罐，且在不提供真空壓期間由電磁閥控制下罐與外界通連，來完成排水動作。

可以看出，左側罐的排水時間為右側罐的儲水時間，右側排水時間為左側罐儲水時間。儲水過程中，下罐先要由常壓開始減壓，一段時間后上下罐壓力相同時，上罐開始向下罐排水，待儲水周期時間結束后，即副泵電磁閥關閉時，開始進氣，當氣壓變為常壓后才開始排水。這整個時間周期內，對側罐都處于排水期間，即上罐單獨在儲水。到儲水這一側進入排水周期時，在下罐水壓還未降低和上罐相同這個時間期間，上罐仍然在儲水。當進入下半個周期時，上下罐氣壓相等，上罐濾液才開始向下泄。如果下罐排水時間過短，那么上罐的水就會滯留到下一個周期，如果下罐排水時間過長，那么對側的另外一組罐子的上罐儲水又會太多。蓄水周期由設備工況決定，其中包括礦質、供用水、過濾情況、真空泵、外部環境、設備狀態等，這些因素導致工作循環周期不能確定為一個固定值，需要動態調整，如果監管調節不當，會發生上罐或者下罐儲水量超出界限，則濾液進入真空泵內造成電機過載，燒毀電機，損毀真空泵。

3.1.4 改進辦法

想改變上訴這種情況，在原體結構體上可采取的方法有增大罐體體積（瞬排水量會增多對排水系統產生壓力）、增加副泵功率[8]、將上下罐體之間的排水口增大增多、將向外的排水口增大增多、抬高真空泵，將電磁閥改為氣動閥?；蛘邔⒏北萌∠?，改為由液位反饋控制的排水方式儲排水，增加系統穩定性。

3.2 其他結構優化

1）超聲清洗裝置結構優化。將底埋式改為可上下活動調節的支架支撐式；

2）陶瓷板安裝結構優化。將支撐桿加壓板的固定形式改為下部法蘭螺栓固定結構；

3）排水控制方式優化。將以固定時間周期控制的方式改為以實際液位為輸入信號控制；

4）反洗系統結構優化。將維護繁瑣，耗材昂貴且故障率高的水過濾器過濾清水反洗的方式，改為濾液回收和以壓力空氣及清水的混合反沖的方式；

5）卸料刮刀優化。將固定死的刮刀改為可靈活調節控制間隙的結構，優化刮刀材質；

6）配件耗材優化。優化聯合清洗使用的藥劑，減少設備腐蝕損壞。

7）管路及設備安裝結構優化。水源氣源管路增加減壓閥，穩定壓力；配酸定量自動配比；真空泵增加緩沖罐及報警反饋，減少吸水過載事故；主軸傳動及攪拌增加過載保護，避免設備損壞事故。

4 應用效果

通過優化真空系統，重新配置真空泵，優化管路及控制過程，解決真空泵頻繁燒毀問題，提升了過濾作業真空度和精礦水分指標。優化超聲波清洗系統，提高了發生器和振子盒的穩定性，提升了濾板清洗效果和效率，從而提升過濾作業效率。通過優化改造反沖系統，將水反沖改為水氣聯合反沖模式，增加減壓閥穩定反沖壓，減少單一模式下的故障率，提升反沖效果。將排液方式由單泵自動排液模式改為雙泵自動排液模式[9]，將控制模式由時間周期排液模式改為液位控制排液模式?？傊?，優化改造過后設備整體性能及穩定性明顯提升。

5 結語

1）通過將單泵單罐體自動排液結構，優化改進為雙泵雙管自動排液結構。有效提升設備真空度及穩定性，產品水分指標可增大1%～2%；

2）以時間周期的固定式排液控制模式，優化改造為濾液實際液位反饋的控制模式，減少排液故障及設備損傷，提升作業效率8%～10%；

3）將底埋固定式超聲波優，化為固定架升降式，減少故障率和維保難度，提升清洗作業質量；

4）反沖洗系統增加減壓閥、反沖氣路、濾液水回收反沖等，提升反沖效果。