Конструкции вакуум-фильтров

Классификация фильтров

Среди фильтров, наиболее часто используемых на обогатительных фабриках для обезвоживания продуктов обогащения, можно выделить следующие типы.

К первому типу фильтров следует отнести фильтры, работающие под гидростатическим давлением столба фильтруемой суспензии. Это самые простые фильтры, к ним относятся фильтрующие чаны или песчаные фильтры. Песчаные фильтры применяются при малом содержании твердой фазы в суспензии и в целях осветления растворов. Они представляют собой чаны, в которых на ложном днище уложен слой песка, служащий фильтрующей перегородкой. Периодически необходимо регенерировать перегородку (промывать водой) или заменять на новую.

Второй тип – это вакуум-фильтры, среди которых различают вакуум-фильтры периодического и непрерывного действия.

К вакуум-фильтрам периодического действия относится рамный вакуум-фильтр. Рамные фильтры применяли в гидрометаллургии для осветления растворов от мути. Пакет из отдельных рамок (до 30 штук) подвешивается на направляющих и помещается в ванну с суспензией (фильтровальный ящик). Прямоугольная рама образована железной газовой трубкой с отверстиями диаметром 5 мм, на которую натянута рубашка из фильтроткани. Газовые трубки при помощи сборника-коллектора соединяются с вакуум-системой. Внутри рамок создается вакуум и начинается процесс фильтрования. На фильтроткани образуется осадок из взвешенных частиц раствора. Когда скорость фильтрования резко падает, вакуум-насос отключают, осветленную суспензию из ванны выпускают и при необходимости осуществляют промывку осадка водой под вакуумом. Разгрузку осадка производят сжатым воздухом, подаваемым через тот же коллектор, и цикл повторяется. Рамные вакуум-фильтры отличает простота конструкции, ремонта и замены изнашиваемых частей. К недостаткам следует отнести малую производительность.

Среди вакуум-фильтров непрерывного действия различают:

– барабанные с внешней фильтрующей поверхностью;

– барабанные с внутренней фильтрующей поверхностью;

– дисковые с боковой фильтрующей поверхностью;

– ленточные с горизонтальной фильтрующей поверхностью;

– план-фильтры.

Третий тип фильтров – фильтр-прессы, которые, в свою очередь, по конструктивному оформлению и по принципу действия подразделяются на вертикальные, горизонтальные, рамные, камерные, ленточные.

К четвертому типу фильтров можно отнести гипербарические или высоконапорные фильтры. Напорный дисковый фильтр представляет собой встроенный в цилиндрическом напорном резервуаре дисковый фильтр. В напорном резервуаре создается повышенное давление с помощью сжатого воздуха. Внутреннее пространство сегментов фильтровальных дисков находится под атмосферным давлением и таким образом создается необходимая для процесса фильтрования разница в давлении по обеим сторонам фильтровального полотна. Высоконапорные фильтры выпускает фирма Andritz (Австрия).

Вакуум-фильтры непрерывного действия работают с применением вакуума, который во время фильтрования поддерживается постоянным, и характеризуются полной автоматизацией смены отдельных циклов фильтрования.

На отечественных железорудных и углеобогатительных фабриках, как правило, применяют дисковые вакуум-фильтры. На фабриках, перерабатывающих руды цветных и редких металлов, наряду с дисковыми, используют барабанные вакуум-фильтры с наружной фильтрующей поверхностью. На фабриках по обогащению апатитовых и фосфоритовых руд распространение получили барабанные фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью. На ряде предприятий для обезвоживания зернистого материала применяют ленточные вакуум-фильтры. Для труднофильтруемых суспензий иногда используются барабанные вакуум-фильтры со сходящим полотном. Очень редко применяют нутч-фильтры, карусельные и тарельчатые вакуум-фильтры (план-фильтры).

Барабанный вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью

Барабанные фильтры с внешней фильтрующей поверхностью изготовляют в обычном (типа БОУ) и кислотостойком (типа БОК) исполнении для фильтрования тонкозернистых материалов с верхним пределом крупности 65–70% класса –0,074 мм. Эти фильтры находят наибольшее применение на фабриках, перерабатывающих руды цветных и редких металлов для обезвоживания свинцовых, медных, цинковых, молибденовых концентратов и неметаллических, например, баритовых концентратов.

Фильтры имеют типоразмерный ряд: БОУ 5‑1,75; БОУ 10‑2,6; БОУ 20‑2,6; БОУ 40‑3; БОУ 100‑4,2; где первая цифра это площадь фильтрования, м²; вторая цифра – диаметр барабана, м.

Барабанный вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью (рис. 4.6) состоит из вращающегося барабана 1, установленного в двух опорных подшипниках 11, ванны 4 для приема суспензии, мешалки 5, полых цапф 10, привода барабана 3, распределительных головок 2. Суспензия поступает в ванну снизу по патрубкам, избыток её переливается. Вертикальная перегородка делит барабан на две изолированные друг от друга секции. Барабан погружен приблизительно на 40% фильтрующей поверхности в суспензию. Барабан вращается на полых чугунных цапфах в подшипниках, укрепленных на торцевых стенках ванны. Вращение барабана осуществляется от электродвигателя через многоступенчатый редуктор на приводную шестерню, укрепленную на цапфе барабана.

В ванне установлена качающаяся (маятниковая) мешалка для предотвращения осаждения твердых частиц пульпы. Мешалка имеет отдельный привод 6. В одной из торцовых стенок ванны имеется переливное окно 16, через которое удаляется избыток пульпы, благодаря чему поддерживается постоянный уровень пульпы в ванне. Снизу имеются люки 18 для выпуска пульпы при остановке.

Поверхность барабана покрыта перфорированными стальными листами 9 с отверстиями диаметром 5 мм. Сверху на эти листы натягивают фильтроткань, укрепляя её на барабане забивкой жгутов в пазы между ячейками барабана и навивкой мягкой проволоки по окружности барабана.

Рис. 4.6. Барабанный вакуум-фильтр с внешней фильтрующей поверхностью:
1 – барабан; 2 – распределительные головки; 3 – привод барабана; 4 – ванна; 5 – мешалка; 6 – привод мешалки; 7 – опорная рама;
8 – ножевое устройство для съема осадка; 9 – перфорированный лист; 10 – цапфа; 11 – подшипник; 12 – трубы для отвода фильтрата;
13 – сменная ячейковая шайба; 14 – выводные трубы, соединяющие распределительную головку с вакуумом; 15 – выводные трубы для подачи сжатого воздуха; 16 – окно для перелива пульпы; 17 – патрубок для подачи исходной пульпы; 18 – отверстие для выпуска пульпы
из корыта; 19 – отверстие для чистки корыта; 20 – устройство для навивки проволоки на барабан

Внутренняя полость барабана, образованная фильтрующей поверхностью и поверхностью барабана, разделена в радиальном направлении на 24 неглубокие секции (ячейки), каждая из которых соединена отводящими трубками 12 с каналами пустотелых цапф. К торцам пустотелых цапф пружинами прижаты распределительные головки со сменными ячейковыми шайбами 13. Они служат для попеременного подключения внутренних секций барабана к вакуум-проводу и трубам, подающим сжатый воздух 15 и отводящим фильтрат 14. Распределительная головка неподвижна и при вращении барабана происходит попеременное соединение отдельных секций барабана с определенными камерами распределительной головки.

Рис. 4.7. Подвижная шайба (а) и распределительная головка (б) вакуум-фильтра: 1 – неподвижная шайба; 2 – полость вакуума (набор осадка); 3 – мост разделения зон; 4 – ребро жесткости; 5 – полость вакуума (просушка); 6, 7 – окна подачи сжатого воздуха для отдувки осадка и регенерации ткани; 8, 9 – трубы для отвода фильтрата из зон набора и просушки осадка

Распределительная головка (рис. 4.7)применяется на барабанных и дисковых вакуум-фильтрах всех типов и представляет собой пустотелый литой корпус с камерами 2, 5 для отвода фильтрата при наборе и просушке осадка, камерой 6 для подачи сжатого воздуха при отдувке осадка и камерой 7 для подачи воды и сжатого воздуха для регенерации фильтроткани. Распределительная головка прижимается к торцу вала при помощи пружинного устройства. В корпусе головки крепится распределительная шайба 1 с отверстиями, размеры которых полностью совпадают с размерам отверстий соответствующих камер головки. На торцевой поверхности цапфы укреплена ячейковая шайба, предохраняющая торцы вала от износа, с числом отверстий, равным числу отверстий цапфы. Ячейковая шайба цапфы под давлением пружинного механизма плотно прилегает к распределительной шайбе. При вращении цапфы уплотнительная шайба и распределительная головка остаются неподвижными, вращается только ячейковая шайба. При вращении отверстия ячейковой шайбы цапфы сообщаются с полостями камер головки, в результате этого в секторах барабана создается вакуум или избыточное давление воздуха. Шайбы головки и вала являются наиболее быстроизнашивающимися деталями, которые заменяют по мере их износа.

Процесс фильтрования осуществляется по следующей схеме. В зоне I после погружения барабана в пульпу секции барабана посредством распределительной головки соединяются с вакуум-системой, поэтому на поверхности фильтроткани откладывается слой осадка и происходит отсасывание жидкости. Вода проходит через поры фильтроткани и попадает в секции барабана, откуда по трубкам отводится в каналы полой цапфы, и далее через камеры распределительной головки по выводным трубам в ресивер.

После выхода барабана выше уровня пульпы в зоне II действие вакуума продолжается и осадок просушивается. Секции барабана соединяются с камерой распределительной головки, сообщающейся с вакуум-системой. Под действием вакуума через осадок просасывается воздух, вытесняя влагу из пор осадка.

В зоне III секции барабана совмещаются с окном распределительной головки, подключенным к магистрали сжатого воздуха. Происходит отдувка осадка с поверхности барабана.

В зоне IV секции барабана соединяются с окном распределительной головки, куда подается сжатый воздух или вода для регенерации фильтроткани.

Для вспомогательного снятия осадка устанавливается нож вдоль длинной стороны ванны.

Достоинства барабанных вакуум-фильтров: простота конструкции, возможность регулировки соотношения зон набора и просушки осадка, возможность эффективного обезвоживания растрескивающихся осадков.

Недостатки: громоздкость конструкции, занимают большую площадь и объем помещений при малой фильтрующей поверхности; замена фильтроткани при порыве требует длительного времени; силы, обусловленные разрежением, и сила тяжести направлены в противоположные стороны.

По сравнению с дисковыми фильтрами, барабанные более пригодны для обезвоживания труднофильтруемых пульп, поскольку они позволяют монтировать приспособления для дополнительного удаления влаги во время фильтрования: устройства для промывки кека и заглаживания трещин, хлопуши, рыхлители, отжимные ролики.

Фильтры с намывным слоем предназначены для выделения фильтрата высокой чистоты. В этом случае барабан сначала покрывается грунтовым материалом – слоем кизельгура, целлюлозы, диатомита или других фильтрующих материалов. Когда покрытие достигает требуемой толщины (обычно 50–150 мм), через этот слой фильтруется исходный продукт, как правило, содержащий небольшое количество твердого. Тонкий фильтровальный кек образуется на поверхности с предварительным покрытием и удаляется ножевым скрепером.

Магнитные фильтры (с расположенными внутри магнитными системами) предназначены для обезвоживания магнетитовых концентратов.

Имеются конструкции барабанных вакуум-фильтров со шнуровой или струнной разгрузкой осадка. Корпус барабана обмотан шнурами, параллельно сходящими с барабана за зоной просушки и охватывающими вал, расположенный параллельно барабану. Затем шнуры снова огибают барабан перед зоной набора осадка. На месте перегиба шнуров отделяются слои осадка. Барабанные фильтры со шнуровой разгрузкой осадка послужили прототипом барабанных фильтров со сходящим полотном.

Барабанный вакуум-фильтр со сходящим полотном

Рис. 4.8. Схема барабанного вакуум-фильтра со сходящим полотном: 1 – ванна; 2 – барабан; 3 – разгрузочный ролик; 4 – нож; 5 – брызгала; 6 – промывной ролик; 7 – фильтровальная ткань; 8 – лоток; 9 – направляющий ролик

Для обезвоживания труднофильтруемых и быстро забивающих фильтровальную ткань суспензий разработана конструкция барабанного вакуум-фильтра со сходящим полотном (рис. 4.8). Основное отличие этого фильтра – в принципе съема осадка с фильтроткани. Фильтровальная ткань не закреплена жестко на поверхности барабана, а вращается вместе с ней и переходит на систему роликов и приспособления для съема осадка. Осадок разгружается в момент резкого изгиба сходящего с барабана полотна на ролике малого диаметра.

К существенным преимуществам этих фильтров следует отнести хорошую регенерацию фильтроткани: ткань промывается с двух сторон водой, подаваемой из брызгал под высоким давлением. Использование такой промывки позволяет вести процесс при повышенной частоте вращения барабана и толщине осадка до 20–30 мм и повысить производительность фильтра в 1,5–2 раза по сравнению с обычными барабанными вакуум-фильтрами. Наблюдаемое снижение влажности осадка объясняется отсутствием операции отдувки кека.

Назначение этих фильтров – разделение разжиженных пульп с малым содержанием твердого и труднофильтруемых суспензий с получением липких мажущих осадков. За рубежом барабанные вакуум-фильтры со сходящим полотном применяют не только для обезвоживания труднофильтруемых пульп, но и для легкофильтруемых материалов.

Барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью

Барабанные вакуум-фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью применяются для грубодисперсных пульп, содержащих значительное количество быстро оседающего твердого, которое не удается удержать во взвешенном состоянии при перемешивании мешалкой. Фильтры отличаются сложностью конструкции и эксплуатации.

Фильтры выпускают типоразмеров ВУ 25 и ВУ 40, а также коррозионностойкие ВК 25 и ВК 40 с площадью фильтрования соответственно 25 и 40 м² и диаметром барабана 2,5 и 2,8 м.

В барабанном вакуум-фильтре с внутренней фильтрующей поверхностью (рис. 4.9) барабан закрыт с одного торца глухой крышкой и имеет на другом открытом конце кольцевой борт. Внутренняя поверхность барабана разделена продольными полосами на ячейки, покрытые фильтровальной тканью, которая крепится накладками. Фильтрующими основаниями являются уложенные в ячейках деревянные или полиэтиленовые пластины с рифлениями на поверхности (матрацы). Каждая ячейка соединена трубками с каналами полой цапфы и через распределительную головку подключается при вращении барабана к вакууму или сжатому воздуху.

Суспензия поступает внутрь барабана по трубе и барабан наполняется пульпой до уровня кольцевого борта, через который переливается избыток пульпы. Нижние ячейки барабана, боковые и часть верхних (по ходу вращения) находятся под вакуумом. Под действием вакуума и силы тяжести происходит формирование осадка на фильтроткани. Вначале на ткань осаждаются наиболее крупные и тяжелые частицы, а сверху – легкие и мелкие, что создает благоприятные условия для фильтрации воды. Фильтрат, поступающий в ячейки, удаляется по радиальным трубкам или каналам в торцовой крышке фильтра и далее через распределительную головку в ресивер. Осадок отдувается в верхней части барабана, падает в воронку и удаляется ленточным конвейером или шнеком; далее фильтроткань регенерируется.

Рис. 4.9. Барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью:
1 – барабан; 2 – кольцевой борт; 3 – воронка (бункер) для приема осадка;
4 – распределительная головка; 5 – труба для соединения ячейки
с распределительной головкой; 6 – торцовая крышка; 7 – конвейер;
8 – питающая труба; 9 – лоток для приема перелива; 10 – обслуживающая
площадка; 11 – матрац; 12 – фильтроткань; 13 – тяга;
14 – бандаж; 15 – ролик; 16 – привод

Барабан снабжен двумя бандажами, опирающимися на ролики. Одна пара роликов ведущая, им передается вращение через редуктор от электродвигателя.

При фильтровании на фильтрах с внутренней фильтрующей поверхностью действия силы тяжести и вакуума на осадок совпадают. К недостаткам вакуум-фильтра относят: сложность и громоздкость конструкции; невозможность наблюдения за осадком и состоянием крепления фильтроткани; трудность замены фильтроткани и устранения ее дефектов.

Барабанные вакуум-фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью применяют для обезвоживания апатитовых, нефелиновых, фосфоритовых концентратов. Содержание твердого в питании фильтров 45–50%. Влажность апатитового концентрата составляет 10,5–11%, нефелинового – 16–17%, фосфоритового – 15–17%. Удельная производительность фильтров 0,7; 1; 0,27 т/м²·ч соответственно на апатитовом, нефелиновом и фосфоритовом концентратах.

Дисковые вакуум-фильтры

Дисковые вакуум-фильтры получили наибольшее распространение на обогатительных фабриках для обезвоживания рудных и угольных суспензий крупностью от 65% класса –0,074 мм и более. Дисковые вакуум-фильтры обладают следующими преимуществами по сравнению с барабанными:

– большей площадью фильтрующей поверхности, а следовательно, и большей производительностью при одинаковых габаритах;

– возможностью простой и быстрой замены секторов с порванной фильтротканью;

– меньшей металлоемкостью.

Дисковые вакуум-фильтры предназначены для фильтрования пульп с однородной, медленно расслаивающейся, твердой фазой, в которой скорость осаждения твердых частиц преобладающей крупности не превышает 18 мм/с, а толщина слоя осадка 8 мм достигается через 90 с.

На отечественных обогатительных фабриках эксплуатируются дисковые вакуум-фильтры различных модификаций, выпускаемые машиностроительным заводом «Прогресс» (г. Бердичев). Дисковые вакуум-фильтры серии ДУ имеют диаметр 2,5; 2,7; 3,2; 3,75 м и площадь фильтрования от 16 до 250 м² и изготавливаются в углеродистом и коррозионно-стойком исполнении для различных условий эксплуатации.

На магнито-обогатительных фабриках наиболее часто устанавливаются фильтры ДУ 100-2,5 взамен ДУ 68-2,5. Вакуум-фильтры ДУ 80-2,7 «Украина», ДУ 140-3,5 «Горняк», ДУ 160-3,75 «Донбасс» и самый большой фильтр этой серии – ДУ 250-3,75 «Сибирь» с числом дисков 14 применяются на углеобогатительных фабриках. В настоящее время дисковые вакуум-фильтры завода «Прогресс» имеют обозначение ДОО.

Фильтрующая поверхность дисковых вакуум-фильтров образована вертикально вращающимися дисками, частично погруженными в ванну с пульпой. Число дисков в фильтре от 1 до 14 зависит от его типоразмера. Каждый диск собран из отдельных секторов, обтянутых фильтровальной тканью и установленных на пустотелом ячейковом горизонтальном валу. Число секторов в диске у большинства фильтров – 12, у крупногабаритных фильтров 16 или 18.

Сектор диска состоит из дренажного основания (деки), выполненного из различного материала (металл, резина, полимеры), штуцера в нижнем конце и крепежного устройства. Сектор плотно обтягивают чехлом из фильтроткани. Чехол на штуцере обматывают мягкой проволокой или шпагатом, а по образующей сектора сшивают и зажимают накладкой. Через штуцер, вставленный в отверстие ячейкового вала, полость сектора сообщается с каналами вала. Секторы закрепляются на валу длинными шпильками (спицами), накладками и гайками и образуют сплошной диск.

Дисковый вакуум-фильтр (рис. 4.10) состоит из ячейкового вала 1 с дисками 2, распределительной головки 3 (вакуум-фильтры с числом дисков восемь и более имеют две распределительные головки), ванны 4, мешалки 6, привода вала 5, привода мешалки. Секторы погружены нижней частью в ванну с пульпой, подаваемой сверху со стороны разгрузки по питающему желобу или через днище ванны. Вал установлен в подшипниках и приводится во вращение от электродвигателя постоянного тока. Со стороны входа секторов в пульпу ванна имеет форму карманов. На карманах с обеих сторон каждого диска установлены ножи 7, армированные резиной или из конвейерной ленты. Получению ровного слоя осадка на секторах способствует равномерное перемешивание пульпы в ванне фильтра роторной мешалкой. Вращение мешалке передается от двигателя переменного тока через редуктор. Для выпуска суспензии из ванны предусмотрены клапаны аварийного выпуска 11. На распределительной головке имеются патрубки для отвода фильтрата 14 и подачи сжатого воздуха 13.

Ячейковый вал по длине разделен на несколько частей, соединенных между собой болтами. Ячейковый вал имеет 12 каналов (по числу секторов в диске) для отвода фильтрата. В центральной части он полый.

При вращении дисков каждый ряд секторов через каналы ячейкового вала сообщается с различными полостями неподвижной

Рис. 4. 10. Дисковый вакуум-фильтр:
1 – полый вращающийся вал; 2 – диск; 3 – распределительная головка; 4 – ванна; 5 – привод ячейкового вала; 6 – мешалка;
7 – нож для съема осадка; 8 – секторы диска; 9 – концевая часть вала; 10 – промежуточная часть вала;
11 – люк для выпуска пульпы; 12 – окно для перелива пульпы; 13 – патрубки для подачи сжатого воздуха;
14 – патрубок для отвода фильтрата

распределительной головки, прижатой к торцам ячейкового вала пружинами, и последовательно проходит зоны набора осадка, обезвоживания и просушки осадка, отдувки кека и зону регенерации фильтровальной ткани (рис. 4.11). Зоны набора (I) и просушки осадка (II) соединены с вакуум-проводом, а зоны отдувки (III) и регенерации (IV) – с линией сжатого воздуха через соответствующие полости распределительной головки.

Рис. 4.11. Распределение зон дискового вакуум-фильтра:
1 – ванна фильтра; 2 – переливной порог; 3 – диски фильтра; 4 – секторы;
5 – распределительная головка; 6 – карманы ванны для выгрузки осадка;
I–IV – соответственно зоны набора осадка, просушки, отдувки осадка,
регенерации фильтроткани; П – промежуточные зоны

При погружении секторов в пульпу в зоне набора осадка под действием разности давлений по обе стороны перегородки происходит отсасывание жидкости и набор осадка на ткань. Частицы твердого образуют осадок на ткани секторов, а жидкость проходит через осадок и ткань и собирается во внутренней полости секторов, откуда по каналам ячейкового вала и через полости распределительной головки удаляется в ресивер вакуум-фильтровальной установки.

В зоне обезвоживания и просушки осадка, находящейся также под разрежением, атмосферный воздух просасывается через поры осадка и вытесняет остатки фильтрата.

В зоне отдувки сжатый воздух поступает в секторы по каналам ячейкового вала при совмещении соответствующего канала с камерой распределительной головки, соединенной с линией сжатого воздуха. Осадок отделяется от фильтроткани и выгружается через карманы ванны. Для полного снятия осадка и предотвращения его частичного попадания в ванну на обеих сторонах карманов устанавливают специальные ножи.

Между зонами I и II имеется промежуточная зона, которая позволяет поддерживать раздельный вакуум в этих зонах. Остальные промежуточные зоны служат для предотвращения сообщения источников вакуума и давления между собой. Вакуум в зонах набора и просушки осадка устанавливают в зависимости от свойств фильтруемого материала.

Для предотвращения износа вала и головки предусмотрены сменные ячейковая и распределительная шайбы, отверстия которых по форме соответствуют отверстиям каналов в ячейковом валу и камер в распределительной головке. Обе шайбы изготовляются из антифрикционного материала.

Для эффективной отдувки осадка сжатым воздухом предусмотрен клапан мгновенной отдувки и ресивер сжатого воздуха, закрепленный на боковой стенке ванны. Клапан устанавливают на воздушной магистрали между ресивером и распределительной головкой. В литом чугунном корпусе движется шток с клапаном (рис. 4.12). Движение штоку передается от профилированного кулачка, который приводится во вращение через шестерню, находящуюся в зацеплении с большой шестерней открытой зубчатой пары. Клапан имеет три отверстия: для подачи сжатого воздуха от ресивера, для выхода его в распределительную головку, для подачи вакуума. Сжатый воздух для отдувки подается одновременно на две головки.

Рис. 4.12. Клапан мгновенной отдувки:
1 – шайба впуска воздуха; 2 – резиновая прокладка; 3 – клапан;
4 – пружина; 5 – корпус; 6 – шток; 7 – кулачок

На рисунке показан клапан перед началом подачи сжатого воздуха в распределительную головку. Шток находится в крайнем левом положении. Отверстие подачи воздуха от ресивера закрыто клапаном. Клапан подачи вакуума открыт, и под действием вакуума происходит дополнительный отсос фильтрата. При дальнейшем повороте дисков в момент полного совмещения отверстий отдувки в ячейковой и распределительной шайбах под действием пружины шток движется вправо до упора в прорези профилированного кулачка. При движении штока вправо открывается отверстие в шайбе для подачи воздуха от ресивера и закрывается отверстие подачи вакуума. Происходит мгновенная отдувка осадка.

Одним из основных рабочих узлов фильтров являются секторы. Стандартный сектор (рис. 4.13, а) выполнен в виде пустотелой цельнометаллической сварной конструкции, деки которой представляют собой штампованные сита с диаметром отверстий 6 мм. Живое сечение сектора 40%. Масса металлических секторов с перфорированной декой достигает 22 кг. Замена фильтроткани на таких секторах требует больших затрат ручного труда.

Винипластовый сектор (рис. 4.13, б) изготовляют из листового винипласта толщиной 3 мм. Однодечный сектор из гофрированного винипласта имеет канавки, параллельные оси сектора. Живое сечение сектора 75%, масса 7 кг, прост в изготовлении, в 1,5 раза дешевле стандартного.

Гуммированные секторы (рис. 4.13, в, д) имеют металлический каркас, некоторые выполняют с шипами на деке в виде цилиндрических выступов диаметром 10 мм, на которые укладывают фильтровальную сетку.

Полиэтиленовый однодечный сектор (рис. 4.13, г) имеет деку со встречными диагональными нарифлениями. Живое сечение сектора 65%, масса 14 кг.

Винипластовые секторы, по сравнению с металлическими, имеют следующие преимущества: высокую износостойкость; бόльшую полезную площадь отвода фильтрата (80–90%) по гладкой поверхности, исключающей возможность забивки канавок твердыми частицами; более длительный срок службы фильтровальной ткани и полный съем осадка при мгновенной отдувке; меньшую (в 3 раза) массу сектора.

Сектор фильтра “Сибирь” (рис. 4.13, е) состоит из двух дек, отлитых из алюминиевого сплава, соединенных между собой болтами. Между сектором и ячейковым валом расположена ловушка для улавливания влаги, вытесняемой обратно в осадок при отдувке его сжатым воздухом. Живое сечение сектора 65%.

Рис. 4.13. Разновидности секторов к дисковому вакуум-фильтру:
а – стандартный металлический двухдечный; б – винипластовый однодечный;
в – гуммированный однодечный; г – полиэтиленовый однодечный;
д – гуммированный однодечный с шипами; е – сектор с ловушкой к дисковому
вакуум-фильтру ДУ250-3,75 “Сибирь”: 1 – бигель; 2 – стяжка; 3 – дека;
4 – ребра жесткости; 5 – манжета; 6 – ловушка; 7 – ячейковый вал

Для обезвоживания быстроосаждающихся и труднофильтруемых концентратов предусмотрены дисковые вакуум-фильтры с шатровой крышей с применением перегретого пара для просушки осадка (тип ДШ). Фильтры оборудованы паровым капотом, покрытым теплоизоляцией, с патрубками для отсоса избыточного пара. Подача перегретого пара осуществляется по коллектору и перфорированным трубкам, расположенным между дисками. Применение перегретого пара для просушки осадка на вакуум-фильтрах позволяет снизить влажность осадка на 1–1,5% (с 10–10,5 до 9%). Однако в практике железорудных фабрик просушка паром широкого распространения не получила, что объясняется ухудшением условий эксплуатации фильтров, закрытых шатрами, а также тем, что достигаемая на фабриках влажность концентрата удовлетворяет техническим условиям производства агломерата и окатышей.

Дисковый вакуум-фильтр «Мастер»

В последние годы на многих горно-обогатительных предприятиях обострилась проблема повышения эффективности обезвоживания. С одной стороны, это связано с необходимостью получения более качественных концентратов (как по содержанию полезного компонента, так и по влажности) с одновременным снижением энергозатрат на передел фильтрации. С другой стороны, это связано с тем, что основная масса используемого фильтровального оборудования физически изношена и морально устарела. Вместе с тем, возможности наиболее распространенной на предприятиях вакуумной фильтрации на дисковых фильтрах далеко не исчерпаны. Учитывая эти особенности, ОАО «Уралхиммаш» (г. Екатеринбург) совместно с ООО «Техносервис» и АО «Tamfelt Corp.» (Финляндия) разработали новый высокоэффективный дисковый вакуум-фильтр с трубчатым ячейковым валом и отдувкой ДТВО «Мастер».

Основной проектной идеей при разработке нового фильтра явилось создание минимального гидроаэродинамического сопротивления водо-воздушной смеси в тракте от фильтровальной перегородки до вакуумной системы. Достигается это оптимизацией конструкций элементов рабочего органа фильтра. Сечения и конфигурация горловин секторов, патрубков и трубопроводов коллекторной системы, распределительной головки и шайб, отводящих трубопроводов подобраны таким образом, чтобы минимизировать гидроаэродинамическое сопротивление и турбулентные потоки жидкостно-воздушной смеси внутри них. Следствием являются оптимальные условия для набора осадка и удаления фильтрата из слоя кека и из полостей фильтра, то есть создаются предпосылки для увеличения производительности фильтра и снижения влажности кека.

Основные отличительные особенности фильтра «Мастер»:

1. Пластмассовые секторы фирмы «Tamfelt Corp.» взамен металлических с перфорированной поверхностью. У этих секторов большая площадь живого сечения – 70%, волнистая поверхность сектора, особая конструкция решетки деки. Сектор удобен в эксплуатации, имеет малую массу (примерно 7 кг), взаимозаменяемые деки и съемную горловину, в которой увеличено сечение патрубка в 2,5 раза. Материал сектора износостоек, гидрофобен, инертен к солевым отложениям, может работать в широком диапазоне pH и температур, не меняет линейных размеров при длительном воздействии переменных механических нагрузок. На него легко и надежно крепится чехол из фильтроткани.

2. Ячейковый вал представляет собой несущую конструкцию в виде трубы, на которой смонтированы трубные коллекторы. Для фильтров с площадью фильтрования больше 60 м² коллекторный вал разделен на две независимые части, в каждой из которых по 12 съемных коллекторов; и имеются две распределительные головки. Фактически, на одном валу собрано два отдельных фильтра. В данной конструкции вала достигается минимальное гидравлическое сопротивление потоку фильтрата. В случае износа коллекторы вала могут быть заменены новыми комплектно или поштучно быстро, без сварочных работ.

3. Конструкция прямоточных распределительных головок обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление для водо-воздушной смеси; позволяет изменять величину и конфигурацию зоны фильтрования и других зон, точку начала набора осадка; иметь раздельный или совмещенный вакуум в зонах набора и просушки осадка. Это позволяет более точно подбирать технологический режим работы фильтра применительно к конкретному производству.

Перемешивание пульпы в ванне производится с помощью роторной мешалки, хорошо себя зарекомендовавшей на тонкоизмельченных пульпах достаточно высокой плотности. Регулирование скорости вращения дисков бесступенчатое, достигается применением асинхронного двигателя с частотным регулированием. Выпуск пульпы из ванны осуществляется через донные клапаны с дистанционным пневмоприводом.

На Костомукшском ГОКе после произведенной реконструкции отделения фильтрования с заменой вакуум-фильтров завода «Прогресс» на вакуум-фильтры завода «Уралхиммаш» с площадью фильтрования 100 м² было получено снижение энергозатрат на обезвоживание вдвое, увеличение удельной производительности в 1,5–2 раза при одновременном снижении влажности осадка на 0,5–0,6%. Фронт фильтрования при этом значительно сократился.

Фильтры ДТВО производятся ОАО «Уралхиммаш» с площадью фильтрования 50, 68, 100 и 150 м² в различных модификациях.

Дисковый вакуум-фильтр с керамическими пластинами CERAMEC

Все более широкое применение на зарубежных и отечественных обогатительных фабриках находят дисковые вакуум-фильтры с керамическими пластинами CERAMEC финской фирмы Outokumpu Mintec.

Дисковый вакуум-фильтр CERAMEC является принципиально новым изобретением. Основой фильтра капиллярного действия является его диск, пластины которого изготовлены из запатентованного микропористого гидрофильного керамического материала, синтезированного на основе оксида алюминия. Диаметр пор таков, что капиллярные силы внутри пор значительно выше приложенного вакуума, поэтому поры в материале всегда заполнены водой и через поры движется только фильтрат. Частицы твердого не проходят через поры и налипают на внешней поверхности диска в виде кека. Воздух из атмосферы также не проходит через поры диска и не попадает в вакуум-систему, поэтому для создания высокого вакуума внутри дисков и во всей системе требуется небольшой вакуум-насос. Это значительно снижает энергозатраты. Установочная мощность двигателя насоса 2,2 кВт, а вся потребляемая мощность фильтра СС-45 около 17 кВт. Уровень вакуума 90–95 кПа.

Технология CERAMEC по сравнению с обычными вакуум-фильт­рами имеет следующие преимущества:

– создание почти абсолютного вакуума в системе, что позволяет получать очень сухой кек, не требующий последующей сушки;

– очень чистый фильтрат, практически не имеющий твердых частиц;

– уменьшение энергозатрат на 90%;

– отсутствие фильтроткани;

– долгий срок службы пластин (от одного года и более);

– полная автоматизация процесса. Фильтр оснащен программируемой логистикой, которая автоматически управляет всеми функциями фильтра;

– минимальное количество дорогостоящего оборудования (компрессоры, насосы, запорные клапаны, фильтроткань и т.п.);

– при необходимости промывка кека водой;

– химическая и ультразвуковая очистка дисков;

– компактность конструкции: все вспомогательное оборудование установлено на корпусе и в целом каждый фильтр это модуль.

Конструкция вакуум-фильтра CERAMEC (рис. 4.14, а) аналогична дисковому вакуум-фильтру. Каждый диск фильтра состоит из 12 керамических фильтрующих пластин.

Пластина фильтра состоит из макропористой основы с каналами для дренажа фильтрата и микропористой мембраны с обеих сторон (рис. 4.14, б). Толщина пластины 24–30 мм. Внутри пластины предусмотрена полость для сбора и отвода фильтрата, который удаляется по патрубку через втулку. Пластины при помощи втулки крепятся на валу и связаны с вакуумной системой, состоящей из трубопровода фильтрата, распределительного клапана, сборника фильтрата и вакуум-насоса. Фильтрующие диски погружены в пульпу, которую закачивают в ванну через шланговый затвор. Для поддержания пульпы во взвешенном состоянии имеется мешалка.

Процесс фильтрования на керамическом фильтре включает шесть стадий.

1. Образование кека. Диски совершают непрерывное вращение в автоматическом режиме. Как только они погружаются в пульпу, под действием вакуума жидкость проходит через микропористые пластины в магистральный отвод фильтрата. Твердые частицы быстро собираются на внешней стороне дисков в виде кека. Часть жидкости постоянно удерживается в порах диска силами капиллярного давления, препятствуя прохождению воздуха и твердого.

Рис. 4.14. Дисковый вакуум-фильтр CERAMEC CC-45: а – общий вид фильтра; б – пластина фильтра

2. Промывка кека (в случае технологической необходимости). Промывная вода с помощью форсунок разбрызгивается на поверхности образованного кека. Жидкость проходит через весь слой кека и способствует удалению из него растворимых примесей.

3. Сушка кека. При вращении дисков капиллярный эффект продолжает действовать непрерывно по всей поверхности диска до тех пор, пока вся свободная жидкость не будет откачана из кека. После выхода пластины из пульпы начинается сушка образованного кека, которая продолжается до его разгрузки скреперами.

4. Разгрузка кека. Кек удаляется при помощи керамических скреперов, оставляя тонкий слой (корку) материала на поверхности диска для защиты его от механических повреждений. Это увеличивает срок службы дисков и снижает затраты на техобслуживание.

5. Обратная промывка. Фильтрат используется для обратной промывки дисков, удаляя оставшийся кек и очищая микропористую структуру дисков.

6. Регенерация дисков. Очистка фильтрующих пластин и регенерация осуществляются с помощью ультразвуковых вибраторов, расположенных между фильтрующими дисками в ванне, и путем химической промывки разбавленным раствором азотной кислоты 1–2 раза в сутки. Система ультразвуковой очистки может применяться регулярно или периодически, самостоятельно или в комбинации с химической промывкой с помощью специально подобранных химических реагентов.

Выпускаются фильтры с числом дисков 5, 10, 15. При площади одного диска 3 м² они образуют типоразмерный ряд СС-15, СС-30, СС-45. Производительность одного фильтра достигает 30–45 т/ч.

Традиционно фильтры CERAMEC используются для фильтрования медных, свинцовых, цинковых, никелевых и других концентратов цветных металлов. Обезвоживание хромовых и железорудных концентратов стало конкурентоспособным при использовании данных фильтров. На фильтрах капиллярного действия обезвоживаются угольные концентраты, пигменты, химические продукты. В настоящее время в мире работает более 100 фильтров CERAMEC.

В 1996 г. в цехе фильтрации медного концентрата Норильской ОФ введены в постоянную эксплуатацию фильтры CERAMEC. При плотности исходного питания 65–79% твердого влажность кека составляет 7–8% при удельной производительности 0,35 т/м²·ч. При этом исключается процесс сушки медного концентрата, что существенно улучшает экологию окружающей среды и снижает затраты. На обогатительной фабрике ЗАО “Ормет” (Барсучий Лог) при фильтровании медного концентрата на керамическом фильтре CC–45 получают кек влажностью 8–10% при удельной производительности фильтра 0,38 т/м²·ч.

При фильтровании медных и цинковых концентратов с гранулометрическим составом 60–80% класса –45 мкм и плотностью пульпы 60% твердого на вакуум-фильтрах CERAMEC влажность кека обычно составляет 7–10%, удельная производительность 1200–350 кг/м²·ч соответственно. Для обычного медного концентрата средняя удельная производительность в течение года составляла 464 кг/м² ·ч при средней влажности кека 9,4%.

Ленточный вакуум-фильтр

Ленточные вакуум-фильтры с рабочим органом в виде бесконечной ленты с закрепленной на ней фильтровальной тканью относятся к непрерывно действующим аппаратам, предназначенным для фильтрования крупнозернистых быстроосаждающихся суспензий, а также тонкоизмельченных материалов, для которых другие типы фильтров непригодны. Эти фильтры нашли применение при обезвоживании магнетитового концентрата крупностью от 0,2 до 2 мм, хвостов железорудных фабрик, продуктов обогащения сильвинитовых руд, флотационных марганцевых концентратов.

Ленточный вакуум-фильтр (рис. 4.15) представляет собой бесконечную резиновую ленту с отверстиями, покрытую лентой из фильтроткани, и натянутую на приводной и натяжной барабаны. Фильтроткань движется синхронно с лентой. Борта ленты скользят со скоростью 0,01–0,167 м/с по двум направляющим планкам, а средняя ее часть прилегает к колосниковой решетке над вакуум-камерой. Вакуум-камера располагается между приводным и натяжным барабанами по всей длине под верхней ветвью ленты. Вакуум-камера соединена патрубками с коллектором для отвода фильтрата в ресивер и для сообщения со всей вакуумной системой. Пульпа поступает на ленту наливом из питающего лотка и образует слой кека. Образовавшийся кек снимается ножевым устройством при огибании лентой приводного барабана. Нижняя часть ленты, поддерживаемая роликами, подвергается промывке с целью регенерации фильтроткани.

Рис. 4.15. Ленточный вакуум-фильтр:
1 – приводной барабан; 2 – резинотканевая лента; 3 – загрузочный лоток; 4 – отклоняющий ролик; 7 – фильтроткань; 8 – вакуум-камера; 9 – желоб; 10 – площадка для обслуживания

Основной и наиболее подверженный износу элемент ленточных фильтров – резинотканевая лента. Для уменьшения трения между лентой и вакуум-камерой и износа ленты она скользит по водяной пленке или на воздушной подушке, также может применяться глицериновая смазка.

Специальное загрузочное устройство обеспечивает равномерное распределение суспензии по всей ширине ленты. В ленте имеются поперечные канавки со сквозными отверстиями, через которые фильтрат поступает в вакуум-камеру и оттуда отводится в ресивер.

По длине верхней рабочей ленты имеются две зоны: I – зона набора осадка; II – зона обезвоживания и просушки осадка. По мере движения ленты над вакуум-камерой осадок обезвоживается, сушится и снимается при ее сходе с барабана ножевым устройством. Кек при необходимости может промываться один или несколько раз.

После разгрузки кека фильтрующее полотно проходит стадию регенерации. Вода под давлением из специальных сопел непрерывно омывает обе стороны полотна. Специальная оптико-электро­ме­ханическая система управления предотвращает сход ленты. Приводной барабан оснащен бесступенчатым регулируемым приводом.

Особенностью ленточных фильтров со сходящим полотном (рис. 4.16) является то, что фильтровальная ткань, движущаяся синхронно с лентой, отводится от резинотканевой ленты, сходит через направляющий ролик, наклон которого регулируется для поддержания правильного положения ткани. Фильтровальная ткань проходит через систему направляющих роликов и промывается из брызгал. Преимущества сходящего полотна фильтроткани – ее эффективная регенерация в зоне промывки, что значительно увеличивает срок службы ткани. Поэтому ленточные фильтры со сходящим полотном широко применяются на предприятиях, перерабатывающих калийные соли.

Рис. 4.16. Схема ленточного вакуум-фильтра со сходящим полотном

Достоинства ленточных вакуум-фильтров:

а) двухсторонняя промывка фильтроткани;

б) контроль толщины кека и производительности фильтра путем регулирования скорости движения ленты;

в) возможность (при необходимости) промывки осадка;

г) возможность подавать пар и получать кек низкой влажности;

д) самотечная разгрузка кека;

е) направление силы тяжести и движения частиц под действием вакуума совпадают;

ж) наиболее благоприятная структура осадка: более крупные частицы в нижнем слое, что обеспечивает высокую эффективность обезвоживания.

Недостатки:

а) половина ленты не используется в нижней ветке;

б) большие размеры фильтра при малой фильтрующей поверхности;

в) высокая стоимость резинотканевой ленты и ограниченный срок ее службы;

г) более дорогие в установке и эксплуатации.

Тарельчатый фильтр (план-фильтр)

В план-фильтре (рис. 4.17) горизонтальная тарель 2 устанавливается на раме 1 и приводится во вращение через редуктор 5 электродвигателем 6. Тарель покрыта сверху перфорированным диском 3, на который натягивается фильтроткань. Пространство между диском и дном тарели разделено на ряд секций, сообщающихся каналами с горизонтально расположенной распределительной головкой 4, которая при вращении тарели последовательно соединяет ее секции с вакуумом (при отсосе фильтрата) или со сжатым воздухом (при сушке кека, его отдувке и регенерации ткани). Ось распределительной головки совпадает с вертикальной осью вращения тарели. Цикл фильтрования совершается за один оборот тарели. Пульпа на фильтрующую поверхность подается сверху. Слой образующегося кека снимается с диска вращающимся от электродвигателя 8 шнеком 7. Электромеханические приводы обеспечивают вращение тарели и шнека.

Недостатком план-фильтров является малая площадь фильтрующей поверхности (10 и 20 м²). Достоинствами фильтров являются возможность многократной промывки кека; допустимость значительных перегрузок без заметных изменений качества отмывки; высокая удельная производительность; простота конструкции; низкая стоимость расходных материалов.. Эти фильтры иногда применяют для обезвоживания крупнозернистых шламов, например, угольных, нефелиновых.

Рис. 4.17. План-фильтр

Вакуум-фильтры тарельчатые типа ТОШ выпускаются ОАО «Уралхиммаш». Эти фильтры хорошо зарекомендовали себя в производстве калийных удобрений для фильтрования галитовых отходов. При испытаниях фильтра ТОШ 20 на обогатительной фабрике 4-го рудоуправления «Беларускалий» (г. Солигорск) при проектной производительности 200 т/ч влажность осадка составляла 7%. Это говорит о том, что ресурс данной модификации фильтра еще до конца не исчерпан.