浮選機葉輪耐磨材質(zhì)的研究與應(yīng)用

浮選機是選礦廠常用的選礦設(shè)備，種類繁多，有充氣攪拌式浮選機、機械攪拌式浮選機、浮選柱等。對選礦廠的日常生產(chǎn)而言，浮選機的運行成本主要由能耗、設(shè)備折舊、易損件消耗組成。易損件主要是葉輪和蓋板。目前，選礦行業(yè)所用的浮選機為A型浮選機、SF型浮選機、BF型浮選機和JJF型浮選機等，其葉輪和蓋板材質(zhì)大都是橡膠，葉輪和蓋板的磨損壽命一般為3~8個月，目前凡口鉛鋅礦選礦廠年消耗葉輪、蓋板400多套。葉輪和蓋板是選礦廠主要耗材之一。隨著產(chǎn)量的逐年提高，浮選機葉輪、蓋板的消耗也會越來越多。針對以上情況，長沙礦冶研究院和凡口設(shè)計研究所對葉輪材料進(jìn)行了應(yīng)用研究，通過試驗室試驗和工業(yè)試驗，找出了一種新的耐磨材料，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有的橡膠材，即磨損性能優(yōu)于橡膠，單位時間的運行成本同樣低于丁腈橡膠。

1、浮選機葉輪和蓋板的磨損

圖1為葉輪、蓋板及礦漿流動簡圖。葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在中心區(qū)形成負(fù)壓，空氣導(dǎo)管中的空氣被吸入，礦漿從側(cè)孔或蓋板同時被吸入，形成固、液、氣三相流，在離心力的作用下，固、液、氣三相流向外運動，經(jīng)過蓋板隔柵時，流速突變，流體被分割，氣相變成微細(xì)氣泡，這種循環(huán)使固、液、氣三相輥和均勻，氣泡成彌散狀態(tài)的礦漿混和體。

由于礦漿壓力分布、運動方向、流速不同，葉輪、蓋板各個部位的磨損情況差異很大。葉輪和蓋板的磨損示意如圖2所示。葉輪的磨損主要發(fā)生在葉片的外沿迎流面（B區(qū)）、圓盤的外沿（C區(qū)）、圓盤的底部（圖1的A區(qū)）。A區(qū)礦漿流速最高，且與礦漿的相對速度最高，流線方向由于與葉輪跟隨方向轉(zhuǎn)變?yōu)榕c蓋板隔柵平行的方向，這一流向的改變，使礦漿對B區(qū)產(chǎn)生最大的磨損，首先是上沿的直角被磨掉，然后向下發(fā)展。C區(qū)磨損由礦漿與圓盤相對運動引起，也可能與間隙過小的假底摩擦引起。當(dāng)然，離中心越遠(yuǎn)，圓盤與礦漿的相對速度越高，由此引起的磨損越大。蓋板的磨損主要發(fā)生在隔柵的內(nèi)沿（D區(qū)），該區(qū)域流向發(fā)生強制變化，內(nèi)沿受強烈的沖擊，產(chǎn)生月牙型磨損。

葉片和蓋板產(chǎn)生磨損后，間隙增加，礦漿所受的切割作用下降，氣泡變粗，固、液、氣三相混合程度下降，氣泡彌散程度降低。磨損嚴(yán)重時顯著影響浮選指標(biāo)。

2、浮選機葉輪材質(zhì)的選擇

這里主要針對浮選機葉輪磨損進(jìn)行研究。

浮選機葉輪材質(zhì)的選擇應(yīng)符合下列幾個條件：①有較好的耐磨性；②20~60℃下的熱穩(wěn)定性；③有一定的沖擊強度；④原材料的價格可為生產(chǎn)接受。

3、試驗室試驗

根據(jù)資料研究及對各種材料的物理化學(xué)性能分析，認(rèn)為超高分子聚乙烯、碳化硅、硬質(zhì)合金是浮選機葉輪的選用材料。它們均具有優(yōu)秀的耐磨性能和抗腐蝕性能，超高分子聚乙烯具有較好的沖擊強度，便于拆卸和安裝。

將超高分子聚乙烯、硬質(zhì)合金、碳化硅、橡膠分別制成如圖3(a)所示的標(biāo)準(zhǔn)塊，嵌入如圖3(b)所示的磨損試驗裝置中，其核心是旋轉(zhuǎn)磨損測試平臺。磨損試驗裝置技術(shù)參數(shù)列于表1。

本試驗采用石英砂作為磨損源，與水配成質(zhì)量濃度為50%的礦漿。石英砂的粒度特性見表2。每天20h測試各試驗標(biāo)準(zhǔn)塊的磨損量。以橡膠的磨損速率為1，磨損壽命為1，各材質(zhì)葉輪磨損試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出，在相同試驗條件下，硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯的磨損壽命是橡膠的2至7.58倍。

4、工業(yè)試驗和工業(yè)應(yīng)用

4.1、葉輪工業(yè)試驗選材

硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯的磨損壽命不同，價格也格相差懸殊。以橡膠的單位體積價格為1，硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯的單位體積價格分別為106，1.875和1.175，橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯單位壽命材料消耗的費用分別為1.0，13.98，0.531和0.577。從單位經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)來分析，選用浮選機材質(zhì)優(yōu)先順序為碳化硅、超高分子聚乙烯、橡膠、硬質(zhì)合金。

對3A浮選機而言，碳化硅、硬質(zhì)合金、超高分子聚乙烯、橡膠均可做成整體結(jié)構(gòu)。但碳化硅缺乏韌性、沖擊強度很低，無法承受安裝、拆卸時的敲擊，故在工業(yè)試驗中不采用該材料；硬質(zhì)合金價格昂貴，考慮價格因素，工業(yè)應(yīng)用不可能整體采用硬質(zhì)合金，但可以考慮在葉輪關(guān)鍵部位鑲嵌少量的硬質(zhì)合金，降低成本，提高使用壽命，故在本次工業(yè)試驗中也放棄了該材料。本次工業(yè)試驗選材只選用橡膠和超高分子聚乙烯。

4.2、超高分子聚乙烯葉輪設(shè)計要點

1）葉輪采用整體成型。

2）輪轂和軸套預(yù)埋在超高分子聚乙烯中，為了防止相對運動，輪轂上預(yù)先焊接筋條。

3）成型后進(jìn)行加工，保持葉輪的靜平衡。

超高分子聚乙烯葉輪示意如圖4所示。

4.3、工業(yè)試驗

本次工業(yè)試驗采用超高分子聚乙烯葉輪和橡膠葉輪，安裝在3A浮選機上，葉輪與導(dǎo)輪之間的間隙為5.5~6.5mm，電機功率為1.5kw，在同等條件下進(jìn)行分組對比試驗。試驗地點為凡口設(shè)計研究所試驗廠；試驗時間為6個月；試驗測量浮選機的工作狀態(tài)，即浮選機空載（清水情況下）和滿載時電機電流，測量葉輪的磨損量（磨損重量），并觀察主要磨損部位。試驗結(jié)果列于表4。

工業(yè)主茅舍（6個月）后，發(fā)現(xiàn)橡膠葉輪底部嚴(yán)重扭曲變形，橡膠葉輪完全報廢，而超高分子聚乙烯葉輪保持原狀；主要磨損區(qū)域發(fā)生在：①圖2中的B區(qū)，磨成圓角，園角R均值為7mm。②葉輪外圓上下邊沿（圖2中C區(qū)的上下邊沿處），圓角半徑R均值為3mm。另外，裝用超高分子聚乙烯葉輪浮選機比裝用橡膠葉輪浮選機能明顯的降低電機電流，這在節(jié)能方面意義重大。

4.4、工業(yè)應(yīng)用

本次超高分子聚乙烯葉輪工業(yè)試驗于2000年11月在凡口科研所試驗廠完成，并于2002年至今在凡口科三所試驗廠用于工業(yè)生產(chǎn)。凡口科三所試驗廠是一個日處理能力為75t的小型選廠，在承擔(dān)該礦的選礦半工業(yè)試驗以外，也進(jìn)行日常生產(chǎn)，主要用于微細(xì)礦泥回收和流失礦回收的生產(chǎn)，杜絕選廠二次金屬流失，該廠裝用22臺3A浮選機，從近三年來該廠消耗的3A浮選機葉輪統(tǒng)計顯示，橡膠葉輪平均使用時間為151個工作日；超高分子聚乙烯葉輪平均使用時間為248個工作日。目前超高分子聚乙烯葉輪單價比橡膠葉輪高出50%，所以使用超高分子聚乙烯葉輪單價比橡膠葉輪高出50%，所以使用超高分子聚乙烯葉輪在降低備件費用上收到了一定的效果，此外由于使用超高分子聚乙烯葉輪比使用橡膠葉輪能延長葉輪使用壽命60%以上，這在減少浮選機檢修時間、提高浮選機使用率，有效降低工人勞動強度方面效果非常明顯。

5、結(jié)語

1）對浮選機葉輪材料的調(diào)研和實驗室試驗結(jié)果表明，得出橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯4種材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，試驗表明橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯4種材料的相對磨損速率之比為1:0.132:0.283:0.491；磨損壽命之比為1:7.58:3.534:2.037?？紤]價格因素理論上橡膠、硬質(zhì)合金、碳化硅、超高分子聚乙烯葉輪單位壽命材料消耗的分加盟為1,13.98,0.531,0.491。以碳化硅的運行費用最低，超高分子聚乙烯次之，但由于超高分子聚乙烯具有較好的沖擊韌性，便于安裝，故實驗室試驗結(jié)果建議浮選機葉輪選材優(yōu)先選用超高分子聚乙烯。

2）工業(yè)試驗結(jié)果表明，3A浮選機采用超高分子聚乙烯葉輪比采用橡膠葉輪能提高葉輪使用壽命60%以上，采用超高分子聚乙烯葉輪能明顯的減少備件更換次數(shù)、大幅的降低工人勞動強度。另外由于超高分子聚乙烯葉輪密度小，質(zhì)量輕，有利于浮選機能耗的降低，對3A浮選機而言，其能耗只有橡膠葉輪的81.8%。但由于人們長期的使用習(xí)慣，加上超高分子聚乙烯葉輪的市價明顯高于橡膠葉輪，另外超高分子聚乙烯葉輪用于不同型號浮選機時，對浮選指標(biāo)是否有影響等方面仍有待進(jìn)一步研究，所以目前選礦浮選機仍然大部分裝用傳統(tǒng)的橡膠葉輪。在目前全國電力供應(yīng)緊張的情況下，超高分子聚乙烯葉輪的推廣應(yīng)用在節(jié)能方面意義重大。

3）超高分子聚乙烯由于具有耐沖擊性、耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性、自潤滑性、不粘著和密度小等性能，是工程材料中的佼佼者，可以考慮作為目前在選礦行業(yè)中廣泛應(yīng)用的橡膠制品的部分替代品，以提高其使用壽命。

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