大型高效自动压滤机及脱水工艺研究
发布时间：2018-4-23 6:55:59 来源： 作者：
随着易选矿产资源的逐渐枯竭，复杂难选和低品位矿石量增加，磨矿粒度变得更细，导致精矿的脱水过滤变得越来越难。为解决难过滤矿物的过滤，一种高效的压滤机被开发出来并逐渐应用到了选矿厂的精矿过滤中。由于这类压滤机在控制上都采用自动控制技术，一般称此种高效压滤机为自动压滤机。
目前在我国选矿工业中得到成功应用的自动压滤机有多种，如芬兰Larox公司开发的Lorox－PF自动压滤机和北京矿冶研究总院开发的ZYLD自动压滤机等。
北京矿冶研究总院早期研制的ZYLD自动压滤机，单块滤板面积为0.64m2，最大单机过滤面积15m2，已在陕西银矿、陕西铅铜山铅锌矿等中小型矿山得到了成功的应用，应用实践证明可以有效地处理细而黏的难过滤选矿精矿，滤饼水分明显低于真空过滤及板框压滤机。但存在单台设备过滤面积小，滤板等易损件消耗大，自动控制系统、滤板密封结构不够完善等问题，如果不进行大型化研究和性能的进一步完善，就难以适应大型矿山难过滤矿物的过滤。
为解决以上高效压滤机在工业应用中出现的问题，本项目通过对高效脱水工艺、滤板大型化、压滤机自动控制技术、压滤过程控制优化等方面的研究，在ZYLD自动压滤机的基础上开发出了新型的BPF系列自动压滤机及脱水系统，单机最大过滤面积由原来的15m2增大到60m2。
一、高效压滤脱水工艺的研究
自动压滤机一个完整的工作过程包括：滤板合拔、入料压滤、机械压榨、风干、滤板拉开、卸饼、滤布清选等。对脱水起决定作用的是“入料压滤”、“机械压榨”和“风干”这三个过程。
（一）入料压滤
滤板合拢形成滤室后，过滤浆液进入压榨板的隔膜和过滤板的滤布之间的滤室，在压力作用下，液相透过滤布形成滤液排出压机，固相被滤布截留形成滤查，逐渐增厚形成滤饼。当滤饼增厚到适当厚度时，停止压入过滤浆液。
这个过程在将液压入滤室的同时就开始了守滤作业，属于一个滤饼过滤的过程。
物料性质对此阶段的影响较大。如物料粒度、料将浓度等，其中物料粒度是最基本的，而料将浓度显著地影响过滤阻力。在低浓度时，将液中的细颗粒易使滤布孔眼堵塞。高浓度时，由于相互干扰，绝大部分颗粒不能进入滤布孔眼而在其上成拱架桥，使滤孔在较长时间内不被严重堵塞。所以预选将料浆浓缩，可以起到降低滤饼阻力，提高过滤效率的作用。
（二）压榨脱水
压榨脱水的方式有多种，应用最广泛的主要有两种方式：一种是带压榨机的机械压榨脱水，另一种是液力压榨脱水。这两种压榨方式的效果对比如图1所示，从图中可看到，机械压榨曲线明显更陡，说明滤饼经过机械压榨后，达到相同滤饼孔隙率的时间明显缩短。而液力压榨脱水要达到相近的孔隙率时间就要延长好几倍。滤饼的水分随着孔隙率的减小而降低，所以机械压榨可以明显缩短滤饼的脱水时间。
图1 机械压榨与液力压榨试验曲线
（三）风干脱水
在压榨完成后，滤饼的孔隙中仍残留有部分水分，这时将压缩空气通入滤室，穿过滤饼，进一步将滤饼中残余水分带走，这就是风干脱水。风干可分三个阶段：穿透阶段，置换阶段和蒸发阶段，各阶段的作用效果大致如图2所示。
图2 风干脱水三阶段
1－穿透阶段；2－置换阶段；3－蒸发阶段；4－气体突破点；5－平衡点
从图2中可看出，穿透阶段排液量最多。而后进入置换阶段、蒸发阶段。实际上，滤饼脱液过程无法全部排除微细孔隙中的毛细水和以水化膜形式存在于颗粒表面的液体。从图2中可看出，在穿透阶段结束后，滤饼的饱和度基本不再下降，滤饼水分已接近最终水分，而如果继续吹气风干，只会增加压缩空气的消耗量。
所以，高效的压滤脱水工艺是在“入料压滤”过程的基础上，通过增加“机械压榨”和“风干”脱水过程，以获得更低水分的滤饼和更高的作业效率。
二、大型高效自动压滤机的研究
（一）高效压滤机的设计研究
高效压滤机是实现高效压滤脱水工艺的主体，所以，它首先必须能完成上述的高效脱水工艺。BPF自动压滤机的主要脱水过程如图3所示。
图3 BPF自动压滤机脱水过程
BPF自动压滤机的“入料压滤”采用离心泵提供过滤堆动力，压力最高可达1MPa。采用的是隔膜压榨，属机械压榨的一种，如图3所示，在完成入料压滤后，压缩空气被通入到压榨板隔膜北面的压榨室，推动隔膜挤压滤饼，滤饼孔隙率迅速减小，从而起到快速脱水的作用。为了充分有效地把滤饼中的水挤压出来，压榨压力应该尽量高，考虑到密封等各方面因素，一般压榨压力控制在0.8～1.2MPa左右。完成压榨后，压缩空气从压榨板的入料品压入滤室，进入风干过程。
此外，BPF自动压滤机采用了滤板的整体拉开和合拔技术，可以明显缩短滤板合拢和拉开时间，提高单位过滤面积的处理能力。由于采用了滤板整体拉开技术，在滤板拉开后可以通过设计的高频振动卸饼装置，使得卸饼更为彻底。为强化过滤介质的再生，BPF自动压滤机还设计了一套滤布的清选系统。
正是由于采用了以上几方面的技术，使得BPF自动压滤机的作业效率明显高于普通压滤机，其主机结构如图4所示。
图4 BPF自动压滤机主机结构
1－滤板；2－振动架；3－洗布装置；4－机架；5－压紧机构
（二）高效压滤机的大型化研究
为适应大型矿山的难过滤矿物的过滤，高效压滤机的单机过滤面积必须足够大，而一味地通过增加单机滤板数量势必会造成滤板的合拢拉开等辅助时间的延长，从而降低单位时间的处理能力，所以，只有加大单块滤板的过滤面积，滤板的大型化是解决压滤机大型化的关键。
由于入料及压榨时滤室中压力最高达1MPa，所以工作过程中滤板受着巨大的压力。ZYLD压滤机滤板在工业生产中有时会因两面受力不均而造成滤板碎裂的现象，所以如果简单地加大滤板面积，碎裂头号题将更为突出。为解决这一难题，本项目主要从滤板的结构设计、滤板的材质及加工工艺、滤板的密封方式等方面开展研究。
原ZYLD自动压滤机的滤板结构设计是一面压榨腔另一面过滤腔，所以两面的工作性质不一样，这样一旦出现异常，很容易在两面产生较大的压差而将滤板剪切损坏，ZYLD自动压滤机的使用实践也证明了这一点。而新型的BPF自动压滤机彻底解决了这一问题，将压滤板拆分成了压榨板和过滤板两种板，每种板采用了双面对称的结构设计。压榨板，两面都是压榨腔；过滤板，两面都是过滤室。这样每块滤板两面的工作性质完全一致，甚至可以联通，就保证了滤板两面的受力一致，明显地改善了滤板的受力情况。
ZYLD压滤机的滤板采用的是铸铁材质，不但铸铁由于承受不了剪应力易碎裂，而且加工极为复杂繁琐，滤板加工成本高，针对以上问题，我们开发了增强聚丙烯材质滤板，采用模具压塑而成，并对增强聚丙烯材质滤板，采用模具压塑而成，并对增强聚丙烯材质滤板，采用模具压塑而成，并对增强聚丙烯过滤板进行了工业应用考察试验，实践证明，此种滤板可以解决碎裂及加工成本高的问题，但在生产应用中发现增强聚丙烯材质滤板耐磨性不及铸铁滤板，风干过程中风蚀磨损现象比较明显。针对以上实践中出现的问题，我们将金属及聚丙稀滤板的各自优点结合起来，开发了金属与增强聚丙烯组合式滤板，滤板骨架及密封面采用金属及增强聚丙烯组合式滤板，滤板骨架及密封面采用金属材质，滤道采用可方便更换的增强聚丙烯注塑件，这样既解决了过滤板耐剪应力及耐磨蚀的问题，又简化了过滤板的加工，由于采用可更换滤道，滤板寿命也可明显延长，目前已在工业中应用。
随着滤板面积的增大，密封面也相应地变大，原来ZYLD压滤机的滤板密封采用平板式橡胶隔膜密封，在滤板面积小时的相对密封是有效的，但在应用到大滤板的密封时发现矿浆泄漏几率明显比以往的小面积
滤板大，针对此情况，我们采用了新的密封结构，开发了新的橡胶隔膜，不再采用平面式密封设计，而是在滤板密封面处增加类似于迷宫式的密封设计，工业实践考察证明，新型的滤板密封方式效明显。
正是由于以上几方面的突破，使得大面积滤板的开发得以顺利进行，针对目前实际需要，设计开发了单块滤板有效过滤面积为1.0m2、1.2m2的BPF－10及BPF－12新型滤板，是原单块滤板有效过滤面积
（0.64m2）的2～4倍。
滤板大型化技术的解决，为高效压滤机的大型化奠定了基础，目前开发出的单机最大过滤面积可达60m2。已在工业中应用的最大面积的压滤机是BPF－30型，过滤面积为30m2。
（三）高效压滤机自动控制系统及过程控制的优化研究
高效压滤脱水过程除包括“入料、压榨、风干”三个主要过程外，还包括压滤机滤板的合拢、卸料、滤布清洗、滤板拉开等辅助过程，过程比较复杂，而且相关的设备除了压滤机外还有入料离心泵、皮带输
送机、滤布清洗用水泵、搅拌槽、气体压缩机和气动阀门等辅助设备，它们与压滤机之间都需要精确配合联动。所以靠人工去实现这些这程的控制和设备的联动是几乎不可能的，必须有一个高效可靠的自动控
制系统来实现。
压滤机的控制系统主要完成三方面的功能，一是压滤机本身的机械动作的精确性控制。二是对周边辅助设备的联动程序控制。三是对入料、压榨、风干、卸饼和洗布等主要和辅助脱水过程实现顺序控制和控
制参数的调整、故障监测等。
BPF自动压滤机的自动控制系统由“程序控制”、“人机交互”、“逻辑控制电路”、“信号采集”、“电气信号转换”、“执行机构”及“故障监测诊断”七大部分组成。控制参数交互界面如图5所示。
图5 BPF自动压滤机控制参数调整界面
在设备的运转过程中，当“入料浓度”等浆液条件或过滤的指标要求发生变化时，由操作人员通过图5的操作界面及时修正主要控制参数，以保证压滤脱水指标和作业效率。
目前压滤脱水过程控制参数的设定和修正主要是由操作人员根据自身的经验和知识来进行的。由于不同的人经验不同，容易导致压滤脱水作业指标和效率的波动。而压滤过程主要控制参数的最优值是保持脱
水作业高效运行的关键。显然，仅依靠操作人员的经验是不可能求得这组最优值的。
由于人工神经网络具有模拟人脑思维和自学习的功能，本项目将人工神经网络模型建模技术应用到了压滤脱水过程控制的优化研究中，首先建立起神经网络的仿值模型实现指标的预测，在此基础上研究了一
套“循序寻优”的压滤过程控制参数的寻优方法。
建模及寻优程序在MATLAB软件环境中编制运行，选用RBF（径向基函数）神经网络进行建模，结果证明模型仿真值能够很地逼近实际值，模型的逼近精度高。通过设计的寻优方法，可以相应得到不同入料
条件下的最优控制参数值。
三、工业应用
BPF自动压滤机的压滤脱不系统如图6所示，系统主要由料浆浓缩设备（可选）、入料设备、压滤机、滤饼输送及压缩空气制备设备等组成。料浆先经浓密机浓缩，然后进入搅拌槽，再由离心泵泵入压滤机进
行过滤脱水，脱水完成后，拉开滤板，启动皮带输送机将滤饼送往精矿仓，拉开完毕后，振动卸饼机构自动启动卸下残残留滤渣，随后根据控制系统的设定进行洗布或直接入入下一个压滤周期。
图6 BPF自动压滤机脱水系统
目前已有BPF－8、BPF－16、BPF－22、BPF－26、BPF－30自动压滤机在选矿厂的脱水过滤中得到成功的应用。
内蒙古某铜矿处理原矿3000t/d，磨矿细度为－74μm占85%以上，日产铜精矿200～300t，原采用的是三台外滤式真空过滤机对精矿进行过滤。为提高脱水效率，该矿厂于2005年采用了1台BPF－30自动压
机用于替代一台真空过滤机。改造后滤饼水分由原来真空过滤机的15.0%降低到8.0%左右，单位过滤面积处理能力达到350～450kg/m2·h。
四、结论
围绕我国大型矿山和难过滤矿物的脱水难题而展开的大型高效压滤机及脱水工艺的研究，通过对高效脱水工艺的研究、滤板的大型化研究、压滤自动控制系统的研究及压滤过程控制参数优化的研究，成功开
发出了一套高效的压滤脱水工艺系统和BPF自动压滤机，并在工业中得到了成功的应用，压滤滤饼水分达到8.0%左右，单位面积处理能力右达350～450kg/m2·h，指标及作业效率明显高于真空过滤及普通压滤
机，为解决我国大型矿山难过滤矿物的脱水找到了一条有效可行之路。