特种过滤机的开发及工业应用

某 选矿厂是以选铁尾矿为原料的资源综合利用型选厂，采用浮选法回收尾矿中的铜、锌等有价元素，采用磁选法回收尾矿中残留的磁性铁，除可获得经济效益外，还可有效降低尾矿中的重金属及硫化物含量，对当地环境的保护有着重要意义。选矿厂设计年处理尾矿量 680 万 t，预计年产铜、锌 4.2 万 t，年产铁 35 万 t。

选矿厂地处秘鲁南海岸线马尔科纳地区的圣尼古拉斯海湾，属沙漠地带，水资源紧张，兼顾用水成本考虑，工艺水选用海水。普通过滤机不耐海水中氯离子的腐蚀，无法应用在铁精矿脱水工艺中，急需一种既耐海水氯离子腐蚀，又耐铁精矿磨蚀的特种过滤机。

1 特种过滤机的开发

海水是自然界中储量最丰富的天然电解质，具有很强的腐蚀性，许多材料在海洋环境中会遭受不同程度的腐蚀破坏[1]。与碳钢和低合金钢相比，不锈钢表面的钝化膜具有较好的耐海水腐蚀性[2]。氯离子对不锈钢的钝化膜有腐蚀作用，海水中氯离子含量越大，钝化膜被腐蚀溶解的速度就越快。钝化膜被破坏后，变得更疏松，均匀性和稳定性变差，导致不锈钢被海水侵蚀[3]。在国内外相关标准中，并没有明确规定不锈钢在天然海水中的服役期限[4]。

虽然一些非金属材料比许多金属材料耐海水腐蚀，但从机械性能和热稳定性能方面考虑，金属材料优于非金属材料。在满足耐海水氯离子腐蚀和铁精矿磨蚀的前提下，兼顾过滤机机械结构的可靠性和生产制造的经济性，所设计的特种过滤机采用普通碳钢、超高分子量聚乙烯和增强改性聚丙烯相结合的材料。超高分子量聚乙烯和增强改性聚丙烯具有优异的耐磨性和耐腐蚀性能，在海水中的性质结构特别稳定。其中以超高分子量聚乙烯的耐磨性最好，在砂浆磨损试验中，超高分子量聚乙烯的磨损指数仅是 PA66 的1/5，是碳钢的 1/7，是黄铜的 1/27[5]。

特种过滤机是在盘式矿用过滤机[6]的基础上开发的，可以耐海水氯离子腐蚀和铁精矿磨蚀，主要由传动装置、滤盘装置、中心轴、槽体、分配头、吹风装置和导料装置等组成，结构如图 1 所示。

1.1 槽体防腐耐磨方案

槽体用于储存料浆，同时也是过滤机的主要支撑部件，其他零部件安装于其上。槽体采用下部相互独立、上部相互连通的窄槽设计，下部相互独立的结构增强了过滤机的自搅拌效果；上部相互连通保证了槽体内的料浆液位保持一致，可有效改善过滤性能。槽体采用底部进料为主、侧面进料为辅的综合进料方式，底部进料可以有效降低料浆中固体颗粒的沉淀速度，获得更好的过滤效果；侧面采用矩阵式矩形流道结构，可以增加槽体内料浆上层的质量分数，减小铁精矿快速沉淀对过滤效果的影响，同时侧面的进料方向和滤饼的形成方向一致，有利于在滤板上形成滤饼。

图1 特种过滤机的结构
Fig.1 Structure of special filter

1.传动装置 2.滤盘装置 3.中心轴 4.槽体 5.分配头 6.吹风装置 7.导料装置

在槽体的制造、安装和使用中，不易喷涂碳化硅材料，因焊接作业会不可避免地破坏碳化硅涂覆层，所以槽体的防腐蚀不能采用内部喷涂碳化硅的方案。考虑到设备需要良好的经济性和适用性，也不能采用316L 不锈钢的防腐方案。槽体需要良好的耐磨性，最终确定槽体采用普通碳钢槽体+超高分子量聚乙烯内衬的方案。槽体由碳钢槽体、4 个料槽内衬 1、3 个内衬 2 和 3 个内衬 3 组成，如图 2 所示。内衬和碳钢槽体通过强力胶和螺栓连接，内衬之间通过强力胶连接。

图2 槽体结构
Fig.2 Structure of tank

1.碳钢槽体 2.内衬 3 3.内衬 1 4.内衬 2

1.2 中心轴防腐耐磨方案

中心轴为异型轴焊接结构，是过滤机的主要部件。为保证整个滤盘的安装精度，中心轴经过精确加工，并具有很好的刚度。滤盘装置、分配头、传动装置等分别安装于其上。过滤中产生的高流速、高腐蚀性的滤液，通过中心轴的流道送至分配头处，因而需要对中心轴的流道进行防腐耐磨处理。基于不同腐蚀性环境的考虑，设计了 2 种防腐耐磨方案：一是采用超高分子量聚乙烯内衬流道的中心轴结构，在异型流道内部增加超高分子量聚乙烯内衬，比较适用于旧过滤机的防腐耐磨改造和大型防腐耐磨过滤机；二是采用超高分子量聚乙烯可拆卸流道中心轴结构，该方案的流道可拆卸，比较适用于小型过滤机。

方案 1 的中心轴结构如图 3 所示。流道内衬和流道结构一致，为了便于安装，两者之间留有间隙，可以适当填充黏稠剂。为了避免内衬被真空吸变形，在内衬内部增加一个异型支撑框架，以增强内衬的刚度和强度。理论上，超高分子量聚乙烯内衬可以更换。中心轴外部通过喷涂碳化硅涂层进行防腐耐磨处理。

图3 超高分子量聚乙烯内衬的中心轴结构
Fig.3 Structure of central shaft with UHMWPE liner

方案 2 的中心轴结构如图 4 所示，流道由 4 个异型管和 4 根短接管通过圆锥密封管螺纹连接而成，流道依靠 4 个压紧卡压紧，流道出口管通过橡胶密封套和轴颈套上短管相连，一对喉箍紧固在橡胶密封套的两端。拆下 8 个紧固螺栓和喉箍就可拆下一个流道，有利于流道的更换和维护。中心轴外部通过喷涂碳化硅涂层进行防腐耐磨处理。

图4 可卸流道的中心轴结构
Fig.4 Structure of central shaft with detachable flow passage

1.3 分配头防腐耐磨方案

过滤机通常通过分配头来控制物料过滤的工艺过程。分配头上分为吸液区、吸干区和吹风区 3 个不同的工作区，调整分区所占的角度可以调整滤饼含水率和产能。通过压紧螺栓的压紧力，来保证分配头工作面和中心轴分配垫工作面之间的有效密封；分配头端部装有橡胶挠性接头，橡胶挠性接头与外部滤液管路相连。过滤时产生的滤液都要通过分配头流道，需要对分配头流道进行防腐耐磨处理。根据不同腐蚀性环境，设计了 2 种方案：一是流道内喷涂碳化硅；二是采用超高分子量聚乙烯内衬结合碳钢外壳的分配头结构。2 种方案的分配头结构分别如图 5(a)、(b) 所示。

方案 1 的分配头结构如图 5(a) 所示。分配头加工完成后，首先对分配头的流道进行彻底的喷砂处理，然后喷涂碳化硅涂层。此方案不影响分配头的结构设计，适用于旧过滤机分配头的防腐耐磨改造。因焊接时的高温会损坏碳化硅涂层，采用此分配头在安装和使用过程中，应尽量避免焊接作业。

方案 2 的分配头结构如图 5(b) 所示。分配头分为超高分子量聚乙烯内衬和碳钢外壳两部分，内衬由超高分子量聚乙烯铸造和拼焊而成，可耐海水腐蚀和铁精矿的磨蚀；外壳由普通碳钢焊接而成，可以增强分配头的强度和刚度。内衬和外壳通过螺栓连接。

图5 分配头的结构
Fig.5 Structure of distribution head

1.4 滤盘装置防腐耐磨方案

滤盘装置是实现过滤能力的重要部件。过滤时产生的滤液都要通过滤盘进入中心轴流道，需要对滤盘装置进行防腐耐磨处理。滤盘的扇形板采用增强改性聚丙烯和 316L 不锈钢相结合的方案，扇形板的板柄和边框采用 316L 不锈钢材料，芯板采用增强改性聚丙烯材料；滤盘的其他部分如导轨、拉杆和紧固件均采用 316L 不锈钢材质。考虑到铁矿浆密度大的特性，在扇形板中间增加搅拌翼结构。搅拌翼、导轨上的搅拌翅和槽体的窄槽结构三者相结合的自搅拌作用，可以有效降低铁矿料浆快速沉淀对过滤机过滤性能的不利影响。扇形板的安装如图 6 所示。

图6 扇形板的安装
Fig.6 Installation of sector board

1.导轨 2.螺母 3.拉杆 4.扇形板 5.双头螺柱 6.压紧螺母 7.中心轴 8.密封圈

2 应用实践

该尾矿选矿厂选用 4 台 GPYK60-5 型特种过滤机，至今设备稳定运行 3 a，目前过滤机的各项性能指标均达到用户要求，铁精粉含水率控制在 10% 以下，取得了良好的经济效益。现场随机取样得到的数据如表 1 所列。采用不锈钢材料的带搅拌功能的传统60 型过滤机和 GPYK60-5 型特种过滤机的性能指标对比如表 2 所列。

通过表 1 可以看出，相同转速下，过滤机真空度越高，滤饼含水率越低；同样真空度下，过滤机转速越低，滤饼含水率越低。GPYK60-5 型特种过滤机可以满足工艺水为海水时铁精矿的过滤脱水需要。

通过表 2 可以看出，GPYK60-5 型特种过滤机在材料成本、滤饼含水率、单位能耗等各项指标方面均优于传统 60 型过滤机。特别在材料成本方面，316L不锈钢材料的价格约是普通碳钢、超高分子量聚乙烯和增强改性聚丙烯复合材料价格的 3 倍，GPYK60-5型特种过滤机的单机成本相当于传统 60 型过滤机单机成本的 50% 左右。

表1 GPYK60-5 型特种过滤机的生产数据
Tab.1 Production data of GPYK60-5 special filter

表2 特种过滤机与传统过滤机的性能指标对比
Tab.2 Comparison of special filter and common filter in performance indexes

3 结语

特种过滤机采用普通碳钢、超高分子量聚乙烯和增强改性聚丙烯相结合的材料，比不锈钢材料相对经济，实现了设备的耐海水氯离子腐蚀和铁精矿磨蚀的功能。实践证明，该特种过滤机可以满足工艺水为海水的铁精矿过滤脱水的需要。同时，特种过滤机也可以应用在酸法粉煤灰提铝环保工业、焦化厂硫泡沫分离工业、湿法炼锌工业、电镀行业、废酸回收等类似工艺条件的行业中。