大型漿體輸送攪拌槽槽體的設計

于 勇 馬學毅

(北方重工集團有限公司礦山機械分公司)

大型漿體輸送攪拌槽槽體的設計

于 勇 馬學毅

(北方重工集團有限公司礦山機械分公司)

以某選礦廠φ12.7 m×13 m大型攪拌槽為例，結合設計與實踐，介紹了大型攪拌槽槽體的設計要點和計算方法，為技術人員設計大型攪拌槽槽體提供了參考借鑒。

攪拌槽 筒體 擋板 底板

攪拌槽由于其相際接觸面積大，傳熱傳質效率高，操作彈性大，操作穩定等優點而廣泛應用于石油、化工、醫藥、食品、能源、造紙、廢水處理等領域[1]。我國攪拌槽從70年代開始引進國外相關技術，經消化吸收后開發設計出來，其規格主要是φ5 m以下的藥劑攪拌槽和礦漿攪拌槽。隨著漿體管道輸送技術的發展，小型攪拌槽處理量已不能滿足設計要求，大型攪拌槽逐步被開發設計出來。目前，齊大山選廠的φ16 m×16 m攪拌槽為國內最大規格，太鋼尖山鐵礦的φ12.6 m×12.6 m攪拌槽是國內首例用于鐵精礦管道輸送工程的，這2種規格的攪拌槽槽體都是國內制作，核心部件傳動裝置(驅動裝置和葉輪)均是國外進口，其價格昂貴，成本較高。為此，本文以某選礦廠φ12.7 m×13 m大型攪拌槽為例，介紹槽體的設計要點和計算方法，該大型攪拌槽主要用于輸送前的鐵精礦漿的儲存、攪拌和混勻，該大型攪拌槽整機均由國內加工制造，擺脫了進口傳動裝置和葉輪的困局，并在選礦廠一次試車成功，達到了漿體輸送的工藝要求。

1 大型攪拌槽的工作原理及工藝條件

1.1 攪拌槽的工作原理

攪拌槽內的礦漿受雙葉輪的推動力與攪拌作用，使中心部位礦漿由上向下流動，并向周邊擴散，遇到阻尼板后使礦流的旋轉運動減弱并產生紊流，形成充分混合懸浮的力場，使礦漿得以均勻混合。大型攪拌槽的主要特點有：①有效容積大(400～700 m3)，占地面積小，可節省投資、節約能源；②減速箱采用平面二次包絡蝸桿蝸輪傳動，效率高；③攪拌葉輪有螺旋槳式和斜槳式2種，可根據作用不同和需要的攪拌強度選定；④筒體和葉輪有耐磨防腐襯料。

1.2 攪拌槽的工藝條件

φ12.7 m×13 m攪拌槽用于鐵礦漿管道輸送前的礦漿儲存，保持礦漿均勻的懸浮。槽體直徑為12.7 m，高度為13 m，有效容積為1 319 m3。物料為磨細后鐵精尾礦，礦漿濃度為36%，給礦量為 850 m3/h，干礦量為395.83 t/h，尾礦密度為 2.875 t/m3，室外安裝，具有每天24 h連續處理礦漿的能力，全年作業率≥98%。

2 槽體設計

攪拌槽槽體采用不同厚度的鋼板拼接而成，槽體內設有擋板，擋板的作用是防止槽體內的礦漿形成圍繞槽體中心環流運動，促使礦漿自下向上的循環流動，從而礦漿沿槽體上下形成濃度均勻分布，同時可減小礦漿對槽體內壁的磨損。橋架采用整體桁架式結構，并配有電動葫蘆及軌道，以便維修使用。槽體底部設置下部支座，用于防止主軸偏心引起較大的振動。

2.1 筒體設計

在設計攪拌槽的筒體時主要考慮的因素有：①受槽體內物料運動及攪拌裝置葉輪旋轉引起的動載荷影響，壁板要有足夠的強度及剛度；②壁板腐蝕裕量；③焊接形式。

攪拌槽壁板受礦漿運動的影響，壓力和動載荷為距底板最大，并逐漸向上減小，壁板采用不同厚度鋼板制作，因此應以最底鋼板厚度為基礎進行設計。鋼板材質選用Q235-B，每端鋼板的設計計算可按下式[2]計算：

(1)

式中，Pc為計算壓力，MPa；Di為筒體內直徑，mm；[σ]t為設計溫度下筒體材料的許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數，mm；δ為筒體的計算厚度，mm。

根據公式(1)計算，Pc=0.25 MPa，Di=1.27×104mm，[σ]t=132 MPa，φ=0.7 mm，經計算槽體最底端筒體鋼板厚度為17 mm。

根據槽體內儲液、液面以上蒸汽、大氣環境的影響和工藝條件，每層壁板的腐蝕裕量取2 mm，由于在工程實際中鋼板焊接及安裝的影響，并查機械材料手冊，鋼板厚度δ為20 mm。筒體高度方向分7段，底板向上3段鋼板寬度為1 800 mm，每端鋼板厚度分別為δ20 mm，δ20 mm，δ18 mm，后4段鋼板寬度為1 900 mm，每端鋼板厚度分別為δ16 mm，δ16 mm，δ14 mm，δ14 mm。筒體鋼板拼接形式和焊接要求按圖紙要求標準執行，特別是對筒體的圓度和垂直度精度要求。鋼板對接焊縫錯邊量<3 mm，筒壁垂直度<20 mm，同時為防止筒體變形，減小攪拌槽運行時對槽體的振動，根據生產實際經驗，橫焊質量較難掌握，橫焊容易產生氣孔等特點，故對筒體焊接順序和焊接方法確定如下方案。

鋼板長度方向拼接的縱向焊縫全部采用全焊透形式(見圖1，焊接破口參數值見表1。)，并且上下鋼板的縱向焊縫相互錯開500 mm以上。槽體高度方向壁板組立方法由上向下逐圈焊接，先組立槽體最上面環形壁板，待整圈環形壁板組立好后，整體頂起，按此方法依次交替進行，直到最底層壁板組立焊接完畢。環形焊縫全部采用全焊透形式，槽底壁板內部對齊方式見圖2。槽體焊縫進行100%目視檢驗，焊縫質量等級按ISO 5817—2003C級執行，焊縫進行泄露檢驗，避免出現泄漏現象。

圖1 縱向焊縫破口形式(單位：mm)

表1 焊接破口參數值 mm

注：a、b見圖1所示。

圖2 環向焊縫破口形式(單位：mm)

2.2 擋板設計

擋板是一種重要的槽體附件，擋板的結構形式有豎式擋板、底擋板和指形擋板等3種， 其中豎式擋板最為常用，一般是指長條形的豎向固定在槽體內壁上的板。礦漿在葉輪的作用下，隨著葉輪旋轉方向一起運動，在離心力的作用下礦漿從槽體底部中心自下向上循環運動， 通常稱為“打漩區”。由于不能形成一定流向的紊流，因此需加入一定數量的擋板。擋板把礦漿切向運動改變為徑向運動和軸向運動。加強提高葉輪的剪切性能，可使礦漿形成大小循環，從而改善礦漿的攪拌效果。擋板的結構和數量是影響混合效果的主要因素。擋板數量過多將減少槽體內礦漿的流動方向，降低了礦漿的流速，把攪拌混合限制在部分區域內，達不到良好的混合效果。擋板的安裝方式不是隨意的，它們都會影響流型和動力消耗。適當的擋板條件所提供的流型能夠帶動全槽的物料運動，確保充分混合；而過多的擋板，即攪拌槽的過擋板化，將減少總體流動，并將混合局限在局部區域，導致不良的混合性能[3]。

擋板寬度Wb為槽體內壁直徑的1/2～1/12， 當攪拌槽體直徑D≤1 000 mm時，擋板數量為2～4塊，D>1 000 mm時，擋板數量為4～6塊。當礦漿中含有固定微?；蝠ざ容^大時，豎擋板應離開內壁一段距離，以避免固體微粒的堆積或物料的黏附，經過實踐，間隙一般選取為0.2Wb[4]。

根據上述理論，槽體內擋板數量為6塊，采用沿圓周方向均布，寬度Wb=1/2～1/12，攪拌槽直徑D=12.7 m，擋板最小寬度為6 350 mm，擋板最大寬度為1 058 mm，所以擋板寬度為1 025～6 350 mm。根據實際經驗，將擋板寬度調整為Wb=1 000 mm時，擋板與槽體的間隙S=0.2Wb=200 mm，所以相應擋板的寬度應為800 mm。擋板在攪拌槽體內的高度，一般擋板上緣與攪拌槽體內的液面平齊，當礦漿內含有輕質易浮而不易混合的固體時，擋板上緣可低于礦漿液面100～150 mm。擋板下緣一般與槽體底板距離為200 mm。如果希望將槽體底部介質中的較重物料沉降分離出來，則可將擋板下緣設置得高于攪拌葉輪，從而使槽體底部維持水平回轉流，以有利于較重物體的沉降。

2.3 槽體底板設計

徑向槽體底板的徑向寬度應確保在槽體壁內側至槽體底其余部分搭接接頭之間提供至少600 mm的寬度，環形槽體底板伸出槽體壁的寬度應符合API STANDARD 650中的規定。環形邊緣板需要有更大的徑向寬度，環形邊緣板的環應具有圓形外緣，也可以用對接的整塊底板代替邊緣板，但在管壁內側可以是正多邊形，邊數與環形邊緣板的塊數相等，各塊環形邊緣板之間應符合API STANDARD 650中焊接的規定。環形槽體底板其采用以中間六邊形底板為中心，并輻射6塊相應鋼板的布置形式(見圖3)，其材質為Q235-A。其中正六邊形底板見圖4，輻射6塊底板見圖5。

圖3 槽體底板布置形式

圖4 底板1

圖5 底板2

3 現場應用情況

目前，該攪拌槽已在某選礦廠成功安裝、運行。經過半年的運行，其狀態良好且效果顯著，同時槽體上安裝的傳動裝置及攪拌軸未出現擺動，槽體未出現震動及滲漏現象，通過多次抽取礦漿進行工藝指標分析，完全滿足漿體輸送的要求。

4 結 語

以φ12.7 m×13 m大型漿體輸送攪拌槽為例，介紹了攪拌槽槽體的設計方法并提供了槽體壁厚計算相應的計算公式。通過現場實際安裝及應用表明，該攪拌槽的設計理論及方法有效保證了攪拌槽設計的可靠性，為該類攪拌槽槽體的設計提供了參考借鑒。

[1] 張慶華，毛在砂，楊 超，等.一種計算攪拌槽混合時間的新方法[J].化工學報，2007，58(8)：1891-1896．

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化委員會.NB/T 47003.1—2009 鋼制焊接常壓容器[S].北京：中國人民共和國發展和改革委員會，2010.

[3] 佟立軍.機械攪拌槽擋板的研究[J].有色設備，2005(3):17-19.

[4] 鐘國英.大型攪拌設備結構設計的探索[J].南方農機，2007(1):40-41.

2015-01-27)

于 勇(1980—)，男，主任，工程師，110041 遼寧省沈陽市經濟技術開發區開發大路16號。