大型浆体输送搅拌槽槽体的设计

于 勇 马学毅

(北方重工集团有限公司矿山机械分公司)

大型浆体输送搅拌槽槽体的设计

于 勇 马学毅

(北方重工集团有限公司矿山机械分公司)

以某选矿厂φ12.7 m×13 m大型搅拌槽为例，结合设计与实践，介绍了大型搅拌槽槽体的设计要点和计算方法，为技术人员设计大型搅拌槽槽体提供了参考借鉴。

搅拌槽 筒体 挡板 底板

搅拌槽由于其相际接触面积大，传热传质效率高，操作弹性大，操作稳定等优点而广泛应用于石油、化工、医药、食品、能源、造纸、废水处理等领域[1]。我国搅拌槽从70年代开始引进国外相关技术，经消化吸收后开发设计出来，其规格主要是φ5 m以下的药剂搅拌槽和矿浆搅拌槽。随着浆体管道输送技术的发展，小型搅拌槽处理量已不能满足设计要求，大型搅拌槽逐步被开发设计出来。目前，齐大山选厂的φ16 m×16 m搅拌槽为国内最大规格，太钢尖山铁矿的φ12.6 m×12.6 m搅拌槽是国内首例用于铁精矿管道输送工程的，这2种规格的搅拌槽槽体都是国内制作，核心部件传动装置(驱动装置和叶轮)均是国外进口，其价格昂贵，成本较高。为此，本文以某选矿厂φ12.7 m×13 m大型搅拌槽为例，介绍槽体的设计要点和计算方法，该大型搅拌槽主要用于输送前的铁精矿浆的储存、搅拌和混匀，该大型搅拌槽整机均由国内加工制造，摆脱了进口传动装置和叶轮的困局，并在选矿厂一次试车成功，达到了浆体输送的工艺要求。

1 大型搅拌槽的工作原理及工艺条件

1.1 搅拌槽的工作原理

搅拌槽内的矿浆受双叶轮的推动力与搅拌作用，使中心部位矿浆由上向下流动，并向周边扩散，遇到阻尼板后使矿流的旋转运动减弱并产生紊流，形成充分混合悬浮的力场，使矿浆得以均匀混合。大型搅拌槽的主要特点有：①有效容积大(400～700 m3)，占地面积小，可节省投资、节约能源；②减速箱采用平面二次包络蜗杆蜗轮传动，效率高；③搅拌叶轮有螺旋桨式和斜桨式2种，可根据作用不同和需要的搅拌强度选定；④筒体和叶轮有耐磨防腐衬料。

1.2 搅拌槽的工艺条件

φ12.7 m×13 m搅拌槽用于铁矿浆管道输送前的矿浆储存，保持矿浆均匀的悬浮。槽体直径为12.7 m，高度为13 m，有效容积为1 319 m3。物料为磨细后铁精尾矿，矿浆浓度为36%，给矿量为 850 m3/h，干矿量为395.83 t/h，尾矿密度为 2.875 t/m3，室外安装，具有每天24 h连续处理矿浆的能力，全年作业率≥98%。

2 槽体设计

搅拌槽槽体采用不同厚度的钢板拼接而成，槽体内设有挡板，挡板的作用是防止槽体内的矿浆形成围绕槽体中心环流运动，促使矿浆自下向上的循环流动，从而矿浆沿槽体上下形成浓度均匀分布，同时可减小矿浆对槽体内壁的磨损。桥架采用整体桁架式结构，并配有电动葫芦及轨道，以便维修使用。槽体底部设置下部支座，用于防止主轴偏心引起较大的振动。

2.1 筒体设计

在设计搅拌槽的筒体时主要考虑的因素有：①受槽体内物料运动及搅拌装置叶轮旋转引起的动载荷影响，壁板要有足够的强度及刚度；②壁板腐蚀裕量；③焊接形式。

搅拌槽壁板受矿浆运动的影响，压力和动载荷为距底板最大，并逐渐向上减小，壁板采用不同厚度钢板制作，因此应以最底钢板厚度为基础进行设计。钢板材质选用Q235-B，每端钢板的设计计算可按下式[2]计算：

(1)

式中，Pc为计算压力，MPa；Di为筒体内直径，mm；[σ]t为设计温度下筒体材料的许用应力，MPa；φ为焊接接头系数，mm；δ为筒体的计算厚度，mm。

根据公式(1)计算，Pc=0.25 MPa，Di=1.27×104mm，[σ]t=132 MPa，φ=0.7 mm，经计算槽体最底端筒体钢板厚度为17 mm。

根据槽体内储液、液面以上蒸汽、大气环境的影响和工艺条件，每层壁板的腐蚀裕量取2 mm，由于在工程实际中钢板焊接及安装的影响，并查机械材料手册，钢板厚度δ为20 mm。筒体高度方向分7段，底板向上3段钢板宽度为1 800 mm，每端钢板厚度分别为δ20 mm，δ20 mm，δ18 mm，后4段钢板宽度为1 900 mm，每端钢板厚度分别为δ16 mm，δ16 mm，δ14 mm，δ14 mm。筒体钢板拼接形式和焊接要求按图纸要求标准执行，特别是对筒体的圆度和垂直度精度要求。钢板对接焊缝错边量<3 mm，筒壁垂直度<20 mm，同时为防止筒体变形，减小搅拌槽运行时对槽体的振动，根据生产实际经验，横焊质量较难掌握，横焊容易产生气孔等特点，故对筒体焊接顺序和焊接方法确定如下方案。

钢板长度方向拼接的纵向焊缝全部采用全焊透形式(见图1，焊接破口参数值见表1。)，并且上下钢板的纵向焊缝相互错开500 mm以上。槽体高度方向壁板组立方法由上向下逐圈焊接，先组立槽体最上面环形壁板，待整圈环形壁板组立好后，整体顶起，按此方法依次交替进行，直到最底层壁板组立焊接完毕。环形焊缝全部采用全焊透形式，槽底壁板内部对齐方式见图2。槽体焊缝进行100%目视检验，焊缝质量等级按ISO 5817—2003C级执行，焊缝进行泄露检验，避免出现泄漏现象。

图1 纵向焊缝破口形式(单位：mm)

表1 焊接破口参数值 mm

注：a、b见图1所示。

图2 环向焊缝破口形式(单位：mm)

2.2 挡板设计

挡板是一种重要的槽体附件，挡板的结构形式有竖式挡板、底挡板和指形挡板等3种， 其中竖式挡板最为常用，一般是指长条形的竖向固定在槽体内壁上的板。矿浆在叶轮的作用下，随着叶轮旋转方向一起运动，在离心力的作用下矿浆从槽体底部中心自下向上循环运动， 通常称为“打漩区”。由于不能形成一定流向的紊流，因此需加入一定数量的挡板。挡板把矿浆切向运动改变为径向运动和轴向运动。加强提高叶轮的剪切性能，可使矿浆形成大小循环，从而改善矿浆的搅拌效果。挡板的结构和数量是影响混合效果的主要因素。挡板数量过多将减少槽体内矿浆的流动方向，降低了矿浆的流速，把搅拌混合限制在部分区域内，达不到良好的混合效果。挡板的安装方式不是随意的，它们都会影响流型和动力消耗。适当的挡板条件所提供的流型能够带动全槽的物料运动，确保充分混合；而过多的挡板，即搅拌槽的过挡板化，将减少总体流动，并将混合局限在局部区域，导致不良的混合性能[3]。

挡板宽度Wb为槽体内壁直径的1/2～1/12， 当搅拌槽体直径D≤1 000 mm时，挡板数量为2～4块，D>1 000 mm时，挡板数量为4～6块。当矿浆中含有固定微粒或黏度较大时，竖挡板应离开内壁一段距离，以避免固体微粒的堆积或物料的黏附，经过实践，间隙一般选取为0.2Wb[4]。

根据上述理论，槽体内挡板数量为6块，采用沿圆周方向均布，宽度Wb=1/2～1/12，搅拌槽直径D=12.7 m，挡板最小宽度为6 350 mm，挡板最大宽度为1 058 mm，所以挡板宽度为1 025～6 350 mm。根据实际经验，将挡板宽度调整为Wb=1 000 mm时，挡板与槽体的间隙S=0.2Wb=200 mm，所以相应挡板的宽度应为800 mm。挡板在搅拌槽体内的高度，一般挡板上缘与搅拌槽体内的液面平齐，当矿浆内含有轻质易浮而不易混合的固体时，挡板上缘可低于矿浆液面100～150 mm。挡板下缘一般与槽体底板距离为200 mm。如果希望将槽体底部介质中的较重物料沉降分离出来，则可将挡板下缘设置得高于搅拌叶轮，从而使槽体底部维持水平回转流，以有利于较重物体的沉降。

2.3 槽体底板设计

径向槽体底板的径向宽度应确保在槽体壁内侧至槽体底其余部分搭接接头之间提供至少600 mm的宽度，环形槽体底板伸出槽体壁的宽度应符合API STANDARD 650中的规定。环形边缘板需要有更大的径向宽度，环形边缘板的环应具有圆形外缘，也可以用对接的整块底板代替边缘板，但在管壁内侧可以是正多边形，边数与环形边缘板的块数相等，各块环形边缘板之间应符合API STANDARD 650中焊接的规定。环形槽体底板其采用以中间六边形底板为中心，并辐射6块相应钢板的布置形式(见图3)，其材质为Q235-A。其中正六边形底板见图4，辐射6块底板见图5。

图3 槽体底板布置形式

图4 底板1

图5 底板2

3 现场应用情况

目前，该搅拌槽已在某选矿厂成功安装、运行。经过半年的运行，其状态良好且效果显著，同时槽体上安装的传动装置及搅拌轴未出现摆动，槽体未出现震动及渗漏现象，通过多次抽取矿浆进行工艺指标分析，完全满足浆体输送的要求。

4 结 语

以φ12.7 m×13 m大型浆体输送搅拌槽为例，介绍了搅拌槽槽体的设计方法并提供了槽体壁厚计算相应的计算公式。通过现场实际安装及应用表明，该搅拌槽的设计理论及方法有效保证了搅拌槽设计的可靠性，为该类搅拌槽槽体的设计提供了参考借鉴。

[1] 张庆华，毛在砂，杨 超，等.一种计算搅拌槽混合时间的新方法[J].化工学报，2007，58(8)：1891-1896．

[2] 全国锅炉压力容器标准化委员会.NB/T 47003.1—2009 钢制焊接常压容器[S].北京：中国人民共和国发展和改革委员会，2010.

[3] 佟立军.机械搅拌槽挡板的研究[J].有色设备，2005(3):17-19.

[4] 钟国英.大型搅拌设备结构设计的探索[J].南方农机，2007(1):40-41.

2015-01-27)

于 勇(1980—)，男，主任，工程师，110041 辽宁省沈阳市经济技术开发区开发大路16号。