卧式螺旋卸料沉浆离心机的设计与分析

新型卧式螺旋卸料沉降离心机的设计与分析
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鞍山钢铁学院 黄秋波　高兴岐　曾好平
摘　要　结合研究设计新型螺旋卸料沉降离心机的工作实践, 阐述了目前工业生产中较广泛应用的卧式螺旋卸料沉降离心机存在的缺点, 提出了“零转差”螺旋卸料沉降离心机的设想, 并对研制成功的这种离心机的结构原理及特点进行了论述。

关键词　卧螺离心机　零转差　结构
1　概述
1954年出现了螺旋卸料沉降离心机,由于它独具连续操作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点而得到了迅速发展,在四十多年的发展中,结构、性能、参数变化很大,分离质量、生产能力不断提高,应用范围更加广泛,在离心机领域内一直占有重要地位。

在各种国际展览会上,各种各样的螺旋卸料离心机,是离心机中最引人注目的机型,具有良好的发展前景。

2　卧螺离心机存在的问题
如图1所示,卧螺离心机主要由柱—锥形转
鼓、螺旋推料器、差速器、传动装置、机壳和机座
等部件组成。

图1　卧螺离心机
常用的卧螺离心机是逆流型的,结构原理如图2所示,供给液从转筒的中央投入,流体的流
动方向和被分离的固体物质的流向相反,离心沉降在转鼓壁上的固体颗粒被螺旋推料器反向推送,在穿过澄清的分离液的过程中,通过冲击力
X 收稿日期:1998-11-10
很强的原液输入口,由于悬浮液在这里进入液池时引起液体飞溅,使已经沉降于鼓壁的微细颗粒因搅动重新浮起、扩散、混合,所以影响分离效率[1]。

图2　逆流式卧螺离心机原理针对逆流式卧螺离心机存在的问题,我们根
据国外对卧螺离心机研究的最新发展趋势,于1992年成功地试制了并流式卧螺离心机。

并流
式卧螺离心机结构原理如图3所示,原液从转鼓一端(圆柱端)投入,一边流向转鼓的中央,一边离心沉降。

分离出来的固体通过螺旋推料器与液体朝同一方向传送,通过没有冲击流的圆柱转鼓,再从锥鼓末端排出。

分离液通过螺旋推料器中央的排出管道回到圆柱转鼓端排出。

由于原液的入口由转鼓中央改为转鼓端部,消除了逆流式的乱流区域,扩大了沉降面积,悬浮液在机内停留时间增长,从而使分离效率得到提高[1]。

但该机在用于含极细碳渣的悬浮液的澄清时,清液的澄清度仍不能满足要求,可见,对固相颗粒较细、固液相比重差小的较难分离的物料,尤其是对分离滤液澄清度要求较高的悬浮液,普通卧螺离心
机的分离效果并不理想。

图3　并流式卧螺离心机原理
针对实际使用中存在的问题, 通过资料分
析、实验机和实物的对比实验, 找出了影响分离
效果的主要原因, 为了适应难以分离或对清液澄
清度要求较高的物料分离, 提出了“零转差”卧
螺离心机的设想, 并在并流式卧螺离心机上改制
成功。

3　“零转差”卧螺离心机结构原理
图4　零转差并流式卧螺离心机的结构
螺旋卸料沉降式离心机是利用螺旋与转鼓的转速差达到连续卸料的目的, 但螺旋叶片对液
层的扰动, 降低了澄清效果。

实验证明, 差转速
越大, 澄清效果越差。

所以, 无论是并流式还是逆流式卧螺离心机, 由于螺旋与转鼓之间有相
对运动, 进入转鼓的液体除沿转鼓轴向作层流运动外, 处于螺旋转鼓外壁处的液体还具有与螺
旋一样的相对于转鼓的角速度和轴向速度
[ 2]。

螺旋的搅动产生湍流, 使已经沉降的粒子重新浮起。

为避免螺旋相对转鼓旋转 造成的不良效果, 在现有并流式卧螺离心机的基础上, 对其结构进行了部分改进设计, 改进设计后的“零转差”卧螺离心机如图4 所示, 主要由柱—锥形转鼓、螺旋推料器、特制摆线针轮差速器、传动装置、机壳和机座等部件组成。

转鼓通过两端主轴承水平安装在机座上, 并通过连接盘与差速器针齿壳相连。

螺旋推料器的两端通过两个轴承同心安装在转鼓内,并通过外花键与差速器输出轴内花键相连。

特制差速器是将摆线针轮差速器与超越离合器制成一体, 其运动如图 5 所示, 差速器的针齿壳通过压盖与离合器的外套连接,
差速器的输入轴与离合器星轮用键连
接。

传动装置采用两种速比的带传动,
分别用
主辅电动机驱动。

主电动机通过带传动带动差
速器针齿壳, 辅助电动机通过带传动带动差速器
输入轴。

离合器的作用是当外套为主动时, 可带
动星轮与其同速旋转, 当星轮转速高于外套转
速时, 外套与星轮自动脱开, 各自以自己的速度
回转。

这种离心机的工作方式是连续进料、分离、排液与卸渣交替进行。

供入悬浮液并进
行固液分离过程中,采用“零转差”工作,辅助电动机不开动,主电动机通过带传动带动差速器针齿壳,通过离合器的作用使差速器整体旋转,如图5
所示。

图5　特制差速器的运动
n 4=d Ⅰ
d Ⅱn Ⅰ
n 1=n 2=n H n 3=n 4　n 5=n 6
由　i H
45=
n 4-n H n 5-n H =z 5
z 4
得　(n 4-n H )z 4=(n 5-n H )z 5当　n 4=n H 时,若使等式成立,则
n 5=n H 即:n 4=n 5=n 6=n H =d Ⅰ
d
Ⅱn Ⅰ
此时差转速　$n =n 4-n 6=0
由于差速器内部无相对运动,不起差速作用,转鼓和螺旋叶片以相同的速度同向旋转。

在分离过程中,同时并连续进料和排出分离液。

当沉降在转鼓内的沉渣层积累到一定厚度时,停止供料和排液,并在全速运转条件下起动辅助电动机,通过另一套带传动带动差速器输入轴。

即　n 1=n H =d Ⅰ′
d Ⅱ′
n Ⅰ′当　n 1>n 4时离合器自动脱开∵　n 4-n H n 5-n H =z 5z 4
=i H
45
∴　n 5=n 4-n H
i H 45
+n H
$n =n 4-n 6=n 4-n 4-n H
i H 45-n H =(1-i H 54)n 4+(i H
54-1)n H
=(1-z 4z 5)d Ⅰd Ⅱn Ⅰ+(z 4z 5-1)d Ⅰ′d Ⅱ′
n Ⅰ′>0由于差速器的变速作用,螺旋以一定的差转速$n 滞后于转鼓同向旋转,从而将沉渣从转鼓锥端出渣口卸出。

这种结构的离心机,由于悬浮液在分离和排液过程中,转鼓与螺旋叶片无相对运动,液体沿螺旋通道流动时沿转鼓轴向作层流运动,延长了液体在转鼓内的停留时间,避免已经沉降的粒子重新浮起,分离效率显著提高。

用普通并流式卧螺离心机和同规格的“零转差”并流式卧螺离心机在相同的条件下分离含碳渣的悬浮液,将其澄清液再用白色滤纸过滤,从滤纸颜色的明显差异证明“零转差”卧螺离心机分离效果比同型号有转差卧螺离心机显著提高。

这种型式的离心机既可在“零转差”的条件下工作,也
可在定转差条件下工作。

用于固相浓度很低的悬浮液澄清时,用“零转差”和定转差交替工作,定时卸渣。

因为固相浓度很低,工作时间长,而且卸渣时停止供料和排液,可以提高差转速,缩短排渣时间,所以对生产能力影响很小(分离固相含量小于5%的悬浮液,生产能力降低不超过3%);用于高浓度悬浮液固相浓缩时,则与普通离心机一样应用定转差连续进料、分离和卸料,都能获得满意的分离效果,适应性更强。

而且只改变局部结构,技术上容易实现,不增加制造成本,无论用于逆流式卧螺离心机还是并流式卧螺离心机都能获得比原机型更理想的分离效果,而且保留原机型的功能。

由于定时卸料,减少了能源消耗。

“零转差”卧螺离心机可以用较低的分离因数得到与普通(逆流式、并流式)卧螺离心机完全相同的分离效果,由于工作转速低,能耗、振动、噪声大大降低,零件的使用寿命长,维修费用低。

适用范围同普通卧螺离心机一样,但更适用于低浓度、难分离及固相颗粒较细的悬浮液的液相澄清。

4　应用实例
“零转差”卧螺离心机在LWB350×950-N 并流式卧式螺旋卸料沉降离心机上改制成功。

主
要技术参数为:转鼓直径350m m,长径比2.71,分离因数1650,转鼓转速2900r/min,螺旋差转速35,处理能力4m3/h,主电动机功率11kW,辅助电动机功率4kW。

用改制前后的两种离心机分离含碳渣的悬浮液,并将分离后的澄清液用白色滤纸过滤,其结果后者分离效果明显提高。

5　结论
(1)“零转差”卧螺离心机分离效率比同型号的普通卧螺离心机显著提高,更适用于低浓度、难分离及固相颗粒较细的悬浮液的液相澄清;
(2)“零转差”卧螺离心机可在普通卧螺离心机上改制,技术上容易实现。

参考文献
1　KO T O BU KI-HU M BOL DT转筒式离心分离机.K O T O BU K I技研工业株式会社
2　孙启才,金鼎五.离心机原理结构与设计计算.机械工业出版社,1987。