第二章筛分及筛分机械.doc

第2章　筛分及筛分设备
2．1 概述

　 在矿物加工过程中经常先将松散的物料分成不同粒级，然后采用不同的分选方法和设备进行分选加工，或直接作为筛分产品供给用户。碎散物料分成不同粒级的过程叫筛分。
　一、筛分作业的任务与分类
　 （1）独立筛分
　当筛分产品作为最终产品供给用户使用时，称为独立筛分。对于煤炭工业，商品煤的粒级要根据煤质、煤的粒度组成和用户要求，按国家有关煤炭粒度分级的规定来确定，供动力用煤的粒级见下表。

　　（2）准备筛分
　　当筛分是为分选作业提供不同粒级的入选矿物时，称为准备筛分，如重选及磁选前的矿物筛分。在选矿过程中，不同的分选设备有着不同的适宜分选粒度，并对分选效果也有不同的影响。过粗的大块不能分选，过细的微粒难以回收。
　（3）预先筛分与检查筛分
　 若用在破碎前把合格粒级预先筛出叫预先筛分；若用在破碎后以控制破碎产品的
粒度则叫检查筛分。许多情况下，一个筛分作业能同时起预先筛分和检查筛分的作用，如图所示。
预先筛分的目的是为了避免物料的过度破碎，从而提高破碎设备的生产能力和减
少动力消耗。检查筛分的目的是从破碎设备的产物中，将粒度不合格的大块筛出，以保证产品不超过要求的粒度上限。

　（4）脱水筛分
　将伴有大量水的碎散物料（如矿浆、泥浆等）作为筛分原料，以脱除其中液相为目的的筛分称为脱水筛分。例如湿法选矿，都需要在水介质中进行，精、尾矿中含有大量的水，脱水筛分一方面对产品进行脱水，达到产品水分要求。另一方面可以回收水，以便循环使用。
　（5）脱泥筛分与脱介筛分
　为达到一定的工艺目的，将碎散物料或伴水的碎散物料作为筛分原料，脱除其中细粒的筛分，称为脱泥筛分或脱介筛分。例如，在跳汰选煤时，为了降低洗水粘度，提高细粒煤的分选效率，在煤进入跳汰机前的脱泥筛分；在重介质选煤时，为了回收细粒状的重介质（-200网目）所进行的脱介筛分。
二、筛分机械的类型
筛分机械的种类繁多，一般按筛面的结构形式和运动形式，将其分为以下几种类型。
1．固定筛
固定筛是最简单也是最古老的筛分机械，筛面由许多平行排列的筛条构成，排列的方向与筛上料流的方向相同或垂直。筛面成水平安装或倾斜安装，工作时固定不动，物料靠自重沿筛面下滑而筛分。固定筛有棒条筛和条缝筛之分，前者筛条较粗、筛缝较大（一般>25 mm），用于粗粒级筛分；后者筛条较细，筛缝较小（一般0．25～l mm），用于矿浆的初步脱水。
弧形筛和旋流筛属于新型固定筛。弧形筛筛面沿筛上料流方向呈圆弧形，筛条与筛上料流方向垂直；旋流筛的筛面是圆锥形，筛条近似与母线平行。它们可用于矿浆的初步脱水、脱泥或脱介，工作时皆利用矿浆沿筛面运动时产生的离心力强化筛分。
固定筛构造简单，寿命长，尤其不消耗动力设备成本和运行成本低。因此，虽然生产能力和筛分效率较低，但仍在广泛使用。　　　
　 2．滚筒筛
　　滚筒筛的筛面为圆柱面或圆锥面筛筒，沿筛筒的对称轴线装有转轴，当传动装置带动转轴转动时，筛筒也随之回转。圆锥面筛筒水平安装，物料由筛筒小端给人，并随筛筒旋转被带起，当达到一定高度时，因受重力作用自行落下，如此不断起落运动实现物料的筛分。
　3．振动筛
　　振动筛由筛箱、激振装置、传动装置、支承或吊挂装置组成。筛箱通过弹簧支承或吊挂在机架上，筛箱的振动依靠激振器产生振动。物料在筛面上作跳跃运动，并透过筛孔。
　　振动筛是一个弹性振动系统，其振幅受给料量和其他动力学因素的影响而可以改变振动筛是目前矿物加工中应用最广的一种筛分机。

　4．其他筛分机
　其他筛分机如旋转概率筛、立式（卧式）振动离心筛、弛张筛、强化筛和变幅筛等。与上面所述的筛分机比较，这些筛分机的结构形式、运动形式和工作原理都很新颖，对细、湿、粘的物料的干法筛分较为有效。

2.2　筛分过程与筛分理论

　　散状物料的筛分过程，由两个阶段组成：一是小于筛孔尺寸的细颗粒通过粗颗粒所组成的物料层到达筛面，简称分层；二是细颗粒透过筛孔成为筛下物，简称透筛，同时粗颗粒留在筛面上成为筛上物。
　　筛分过程本是一个由颗粒群体参与的错综复杂过程，但是为了便于分析问题，经常以单个颗粒为研究对象来分析其透筛过程。
　　一、 颗粒透筛的概率
　假定直径为d 的单个球形颗粒在重力作用下向水平布置的筛面自由落下，筛丝直径为a，方形筛孔的边长为L（L≥d），如图3-2-3所示。
　如果颗粒能够透过筛孔，则必须是球形颗粒的中心位于图中的阴影面积（L-d）2之内，否则，它将碰到筛丝被弹回。而整个过程（可称为事件A）发生在面积（L＋a）2之内。

　　　　　颗粒透过筛孔的概率P（A）与面积（L—d）2成正比，与面积（L＋a）2成反比，即：

考查式（3-2-1）发现：
　　①根据L>d的假设，恒有0≤P（A）≤1或0≤P（A）≤100％。
　　②式中L2／（L＋a）2项是筛孔面积与筛面面积的比值，称为筛面开孔率；d/ L 项称为颗粒相对筛孔的粒度。因此，颗粒透筛概率与筛面开孔率成正比，与相对粒度成反比。
　　如果颗粒透筛概率越大，那么为显现这个概率值所需要的试验次数就越少；反之，概率值越小，试验次数就越多。如果需要重复N次试验才能显现透筛概率P（A），则N与P（A）成反比：N= l／P（A）。 　　
　　对于一定的筛面，筛丝直径a、筛孔边长L及开孔率L2／（L＋a）2都是常数，只有颗粒直径（粒度）d 或相对粒度L/d 是变量。因此可看做N是d／L的函数。取不同的d／L值，计算出各相应的P（A）值及N值，可绘制出如图所示的曲线。
一般把1.25L≥d≥0.75L 称为难筛粒，小于此称为易筛粒。显然，当筛分原料中的易筛粒较多时对筛分过程有利。

二、倾斜筛面的筛分粒度
　筛分机的筛面一般是倾斜安装的，筛面与水平面的夹角称为筛面倾角。
　倾角的大小与筛子的生产率和筛分效率有密切的关系。在筛分过程中存在这样一个粒度：该粒度的所有颗粒有一半进入筛上产物，而另一半进入筛下产物，则这个粒度称为筛分粒度，也称为规定粒度。
　对于水平筛面，筛分粒度基本上等于筛孔尺寸，但倾斜筛面的筛分粒度要比筛孔尺寸小，如图所示。
　颗粒能够无阻碍地透过筛孔的有效尺寸是筛孔尺寸L在平面上的投影值。对于筛孔大小一定的筛面，倾角 α越大，颗粒透筛的通道越窄，筛分粒度越小；筛面厚度h越大，这种情况越突出。
　倾斜筛面不仅使筛分粒度相对减小，而且使筛分不甚严格。

2.2.4筛分顺序
碎散物料筛分产物的级别超过两种时，分出物料的顺序由筛面的安装位置来决定。
筛分流程可以分为：
1、由粗到细的流程
2、由细到粗的流程
3、联合流程

1、由粗到细的筛分流程
在这种流程中，筛面一个个地重叠起来，上层筛面的筛孔较大，以下各层筛面的筛孔逐渐减小。
优点：
（1）筛面的磨损较小，虽然全部物料及其中的最大块加到筛孔最大的筛面上，但这个筛面往往由钢棒组成，不易磨损并可保护下面的细孔筛网；
（2）细级别的物料筛分效率较高，因为加到细孔筛面上的物料数量较小；
（3）粗级别的物料在筛分过程中的破碎现象较小，因为粗级别的物料很快地从筛分过程中分出，这一点对煤的筛分具有重要意义；
（4）由于筛面是多层重叠的，所以筛分装置的布置比较紧凑
缺点：
观察下层筛面工作情况时很不方便，更换筛面困难，筛面布置过于密集，只能从筛子的一端排出各级别的物料
2、由细到粗的筛分流程
在这种流程中，筛面顺次地按照筛孔增加的顺序排列。
优点：
（1）检修方便，容易观察各层筛面的工作情况；
（2）各筛分级别可以沿整个筛面长度分别排出。
缺点：
（1）筛面磨损很快，筛分效率较低，因为全部物料都加到筛孔最小的筛面上；
（2）脆性物料的大块可能在筛面上破碎。
3、联合筛分流程
在这种流程中，一部分筛面由粗到细排列，另一部分筛面由细到粗排列。
2.2.5 筛分效率
筛分效率 :实际得到的筛下产物量与入筛物料中所含粒度小于筛孔的物料量的比的百分数 。

Ｅ――筛分效率，％；C――筛下产物重量；Ｑ――入筛原物料重量；α――入筛原物料中小于筛孔级别的物料含量，％

2.2.6、筛分过程动力学
筛分过程动力学主要研究筛分过程中，筛分效率与筛分时间的关系。
筛分效率是时间的函数。
设dw是在时间增量dt内所产出的筛下物增量，则dw／dt代表单位时间内筛下物的产量，称为筛下物产出速率，它与筛面上料层中小于筛分粒度的物料的质量W成正比：
(3-2-11)
通过积分得：
lnω=-kt+c
设w0是筛分原料中小于筛分粒度的物料的质量，则当t=0时，w=w0 。因此有：C=lnw0，于是lnω=-kt+lnω0。或。根据效率的基本定义有：，
　　　于是：。
　　　而更常用的公式为： （3-2-12）
　 式（3-2-12）即为筛分效率与筛分时间的关系式，式中n、k均为与筛分原料的性质及筛分条件有关的参数。 将式中ektn项分解为级数 ,并取前两项代人式（3-2-12），令k=1/a，则有： 　　　　 　　　
　 (3-2-13)
　筛分效率与筛分时间及筛子负荷的关系，如图所示。

2.2.7、影响筛分过程的因素
　1．入筛原料性质的影响
　 ①表面水分。
　筛分效率与物料湿度的关系见图。
　 ②含泥量。粘土物料在筛分中会粘结成团，使细泥混入
筛上产物中；此外，粘土也很容易堵塞筛孔。
③粒度特性。影响筛分过程的粒度特性主要是指原料中含有对筛分过
程有特定意义的各种粒级物料的含量。

　表3-2-2 物料的粒度特性对筛分过程的影响

　④密度特性。当物料中所有颗粒都是同一密度时，一般对筛分没有影响。但是当物料中粗、细颗粒存在密度差时，情形就大不一样。
　2．筛子性能的影响
　①筛面运动形式　筛面运动形式关系到筛上物料层的松散度及需要透筛的细物料相对筛面运动的速度、方向、频率等，因而对分层、透筛过程均有影响。几种典型筛子的筛分效率大致如表所示。

　在振动筛中，筛面的运动形式有圆振动、直线振动和椭圆振动几种。
　其中圆振动形式能使物料充分松散，抗堵孔能力强，但筛上物料的抛射角大，输送能力小。
　　②筛面结构参数　一般情况下，筛面宽度决定筛子的处理能力，筛面越宽，处理能力就越大；筛面长度决定筛子的筛分效率，筛面越长，效率就越高。对于振动筛，增加宽度常受到筛框结构强度的限制。
　为便于排出筛上物，筛面往往倾斜安装。倾角的大小与筛子的生产率和筛分效率有密切的关系，　　
　　③振幅和振次　筛面的振次和振幅是振动筛的主要动力学参数。在筛分干燥物料时，采用高频小振幅，在筛分干燥粗物料或潮湿细粒物料时，采用低频大振幅。
　 3．操作条件的影响
　　对一定的筛子和筛分原料而言，操作条件主要是指给料的数量和质量。前者即指筛子的负荷；后者是指应保持连续和均匀地向筛子给料其中均匀性既包括在任意瞬时的筛子负荷都应相等，也包括物料是沿整个筛面宽度上给进。

2.3　筛分技术及设备
　一、筛分机的类型
　筛分机依筛面的运动形式，可分成固定筛和振动筛两大类。固定又分为棒条筛、弧形筛、旋流筛等；振动筛又可分为直线振动、圆振动、旋转筛、辊轴筛、摇动筛等。
工业上应用最广泛的是振动筛。

　　二、惯性振动筛的基本组成与工作原理
　1．惯性振动筛的基本组成与工作原理
　　1）圆振动筛（单轴筛）
　圆振动筛的基本组成与工作原理如图所示。
　根据筛机振动时，装在激振器轴上的带轮的几何中心
是固定或不定的方式，把圆振动筛以分为不定中心和自
定中心式。
　直线振动筛的基本组成与工作原理如图3－2－13所示。
　　2) 直线振动筛
双轴惯性激振器3由两个单轴惯性激振器组合而成。当电动机5通过传动装置4带动其中一根激振轴转动时，另一根激振轴也同步但异向转动。两根激振轴所产生的离心惯性力在x－x方向总是完全抵消：Fx=0；而在 y—y方向总是完全叠加：　　　　　　　　　　　　　　

　显然，双轴惯性激振器所产生的合激振力的大小是按余弦规律变化的，其幅值为2mrω2；Fy的方向取决于激振器相对筛面的安装方位。为了使筛箱只在y－y方向上振动，而不产生附加力矩，并且使其在平行于筛箱侧板的平面内摆动，y—y线必须穿过振动体的重心OM点。

2. 振动筛的主要部件
1）筛箱
　 A　筛框 是用型钢组合起来的结构件,对它的基本要求是具有较大的整体刚度和抗疲劳强度。
　 B 筛面 对筛面的基本要求是：有足够的机械强度、最大的开孔率、筛孔不易堵塞。所谓开孔率，是指筛孔总面积与整个筛面面积之比。常见的筛面有筛蓖、筛板、筛网、筛片和筛布等几种。按材质可分为金属和非金属两种。
① 筛蓖。
② 筛板。
③ 筛网 筛网是用钢丝编织而成的筛面，筛孔一般为方形。采用不同的编织方法，可以编出多种结构的筛网。钢丝的材质有低碳钢，弹簧钢或不锈钢等几种。筛网的开孔率较高，可达70％，但没有筛板牢固，寿命较短。
④筛片 筛片是用圆形金属丝（常用牌号为1Cr18Ni9Ti的钢丝）冷压成梯形、三角形或其他上宽下窄断面的筛条后，再经焊接或螺栓联接而成的筛面。筛片的孔形几乎都是长方形，且长宽比较大，通常称为筛缝。

　C　筛面在筛框上的固定
　筛面在筛框上的固定固定方法，见图。
　2．惯性激振器
　1）单轴激振器
　按偏心质量的配置方式，单轴激振器分为偏质轮式、偏质
轴式、偏质轮轴式和偏质块式四种。

　2）双轴激振器
　双轴激振器基本上就是两个或两组单轴激振器的组合，按照偏心质量分配方式分类的单轴激振器，都可组合成对应的双轴激振器。偏质轴式直线振动筛双轴激振器见图。

　 箱式激振器的偏心质量均采用偏质块，齿轮对采用稀油润滑。为了调节激振力，有的剖分式激振器在其转轴的端部（箱体外边）装有调节的偏质块，调节原理与偏质一轮相同。箱式激振器可通过外壳上的法兰凸缘（图1－2－26（b）的剖分面法兰），用螺栓紧固在筛框侧板的开孔处，但更多的是通过外壳上、的底座法兰安装在筛框上特别设置的支承梁上。
　3）振动电机
　 振动电机是把电动机和激振器合二为一的通用机电产品，用于包括振动筛在内的多种振动机械，其结构见图。

　3．传动装置
　 振动筛的传动装置有带传动、挠性联轴器传动和联合传动三种。V形带传动功率大、效率高，被广泛采用；常用的挠性联轴器有万向联轴器和瓣形轮胎联轴器两种，其中后者的挠性件用输送带制作，取材容易、维修方便、造价低，故应用更为广泛，其结构如图 所示。联合传动装置包括V形带、挠性联轴器和传动轴，如图1－2－29所示。

3．2．3 振动筛分机
1．DD型、ZD型、DS型、ZS型振动筛
　 这些振动筛是我国六七十年代的产品，主要用于煤炭行业，其中圆振动筛常用于分级，直线振动筛常用于脱水和脱介，许多用户至今仍在使用。其结构分别见图 。型号意义。如DD1740、2ZS2065。

　 　2．YK型、ZKX型、ZKB型、ZKS型振动筛
　 这些振动筛是我国八九十年代的产品，它们是对以往振动筛在结构方面优化后的结果，主要用于选煤、选矿生产，其中圆振动筛常用于预先筛分，直线振动筛常用于脱水和脱介。其结构分别见图。
其型号编制不太规范，一般意义为：
① 筛箱运动形式：Y圆运动、Z直线、T椭圆；② 偏心质块配置方式：K偏质块、L偏质轮、Z偏质轴、F复合偏质） ③补充说明：B（双电机驱动自同步）、X（箱式激振）、S（激振器的两根轴位于同一水平面  。   

ZKB型振动筛采用无齿轮双轴激振器及相应的双电机驱动方式。这从根本上解决了齿轮对的工作条件非常恶劣、必须用稀油润滑、油液容易泄漏和发热等问题。
　 ZKS型振动筛采用单电机驱动，虽然两根激振轴之间通过齿轮箱强迫联系，但是齿轮箱并不参加筛箱振动，是固定安装的，而且两根激振轴的初相位相差90°，同时振动方向角取45°，如图12－38所示。
ZKS型振动筛是水平双轴椭圆振动筛，只是因为椭圆的长、短轴之比较大，近乎直线，故按直线振动筛使用。
　3．GS型概率筛、ZD型等厚筛、GDS型概率等厚筛
　 这是我国七八十年代的产品，主要用于中等粒度的煤炭或矿物的干法筛分，其结构分别见图。
　 瑞典的F．莫根森利用统计学方法，深人研究了物料在振动筛面上的透筛概率，建立了包括物料粒度、筛孔与筛丝尺寸、筛面倾角、物料入筛角、透筛概率等参量的关联式，以及包括筛面层数、筛面长度、透筛概率、分配量等参量的分配方程，提出了概率筛分法。以概率筛分法为基础设计的振动筛称为概率筛或莫根森筛。
　 概率筛的特点。
　 针对筛上料层厚度从给料端到排料端逐渐减薄，在筛面给料端，其透筛负荷过大，而在排料端，其透筛负荷过小，筛面利用率不合理的情况，法国的E．布尔斯特莱因于20世纪60年代提出了等厚筛分法。就是在筛分机工作时筛面上的料层厚度自给料端至排料端基本保持一致，提高筛面利用的合理性。

3．2．4 干法深度筛分机
　 当原料的水分、粘性物及细颗粒的含量均较高时，一般的惯性振动筛按较小的筛分粒度进行干法筛分时常发生筛孔被堵塞的现象。为此，人们研制了各种干法深度筛分设备，这些筛子的结构原理新颖，效果显著，但结构一般较复杂。
　 1·　旋转概率筛
旋转概率筛工作时不振动，只转动，筛缝比筛分粒度大得多，具有显著的概率筛分效应，故称为旋转概率筛。其结构原理如图所示。
　 筛分系统主要由筛盘、心轴和驱动装置组成。从给料盘落到旋转筛盘上的物料被筛分，细粒级物料透过筛缝，落到排料盘8上靠近中心区域；粗粒级物料在离心力作用下向筛盘外缘运动，在运动过程中，尚未透筛的细粒级物料继续透筛，最后粗粒级物料从筛盘下落到排料盘上远离中心区域。为避免分离后粗细物料混杂，在排料盘上设置了隔料筒9。筛盘转速可根据需要进行调整，从而改变筛分粒度。
　 旋转概率筛的筛分粒度主要取决于下列三个因素：①物料的下落速度即给料盘距筛盘的高度h；②楔形筛缝的尺寸即筛条的角间隔γ；③筛盘转速n。

2．立式圆筒筛
　 立式圆筒筛的结构原理如图所示。
　 立式圆柱形筛筒垂直放置，物料通过给料圆盘给入筛筒中。当电动机通过传动带驱动曲轴转动时，带动筛筒绕O－O轴线作水平面的高速圆运动，同时，由行星齿轮减速器带动给料盘和筛筒绕其几何轴线（O1一O1线）低速转动，即筛筒的运动是复合运动。复合运动的筛面使物料从筛面上近乎沿切向水平抛出，并投射到筛面的另一个周向位置上，使一部分细颗粒透过筛孔。如此反复抛出与投射，直至完成筛分，筛筒内、外侧的粗、细物料在其重力作用下下落，并分别经漏斗7、9收集后排出。筛筒的复合运动及物料的水平抛射运动如图l—2－46所示。

　 立式圆筒筛的振动强度很大，物料对筛面有清理作用，抗堵孔能力强，单位筛面面积处理能力大，能精确筛分。但是结构复杂，为使筛筒的圆振动惯性力被配重产生的离心惯性力相抵消，达到动平衡，要求制造精度高。
　3．变幅筛
变幅筛的结构原理如图所示。变幅筛是平面曲柄摇杆运动系统，下端用铰轴支承的立式筛箱相当于摇杆，筛箱上的双层筛面均垂直于连杆运动平面，在筛箱的任意水平面上，筛面与两侧都构成“口”字形。物料由筛箱上部给人后，受两筛面往复撞击而实现筛分。变幅筛的主要特点是振幅大、频率低、物料易松散，上部筛面的振幅比下部筛面大，有利于大量细物料快速透筛，但要求给、排料配置高度较大。
　4．弛张筛
　 弛张筛的结构原理如图所示。弛张筛是双质量振动系统，采用聚氨酯橡胶筛面，支承筛面的任意两根相邻横梁都分别属于两个振动质体，其中一个质体是筛箱，另一个质体是配重。当两质体相差π相位振动时，任意两根相邻横梁时而靠近，时而远离，弹性筛面也相应时而松弛，时而张紧，即筛面随筛箱作牵连运动的同时，还相对筛箱作相对运动。这种弛张运动不仅使筛孔不断产生变形，而且大大增加了筛面的振动强度，从而有效地克服了筛孔堵塞现象，显著提高了筛机处理能力。

　5．无振动离心筛
　 无振动离心筛的结构原理如图所示。
它的工作原理是原煤由给料溜槽1进人给料盘，并均匀地撒向筛筒7，一部分小于筛孔的颗粒穿过，其余物料受筛筒阻滞作用仍留在内侧，这就实现了部分筛分。被阻滞在筛筒内侧的物料经过锥形漏斗进人第二层给料盘，并再次布料筛分，如此重复，最后筛上物和筛下物靠重力从各自的排料漏斗中排出。由于物料主要是在离心力场中实现筛分的，筛筒不作任何振动，故称之为无振动离心筛。
6．琴弦筛
　琴弦筛实际上是采用琴弦筛丝作为筛面的惯性振动筛。它的特点是当筛面振动时，琴弦筛丝本身还产生自振，具有不堵孔、自清洗的能力。适用于25mm以下的小颗粒物料的筛分。