动静态空气筛分机的结构设计及应用

王烨，贾长付，褚旭，许芬

动静态空气筛分机的结构设计及应用

Structure Design and Application of Dynamic-Static Air Separator Machinee

王烨，贾长付，褚旭，许芬

人工砂石骨料是建筑行业不可缺少的材料，传统的湿法制砂生产工艺需要大量的水，存在水污染严重、一次性投入大等问题，而干法制砂工艺可将上述问题完美解决，同时会使人工砂的级配更好。本研究将在水泥行业使用较广泛的动静态空气筛分机投入到人工砂石骨料的生产工艺当中，从筛分机的结构及分级原理入手，设计制造了产量为440t/h的机型，并对筛分机的稳定性及风量大小对筛分机的实际筛分性能的影响作了研究。结果表明，该机型的实际工作稳定性高；该设备对0～0.6mm物料的筛分效果好，风量大小对粒度为0.6mm～4.75mm的筛分性能影响较大。在实际的生产工艺中，该机型配合破碎、振动筛等设备使用取得了良好的效果。

人工砂石骨料；干法制砂工艺；动静态空气筛分

1 引言

砂石骨料是一种不可或缺的建筑材料，广泛用于建筑、道路、公路、铁路等工程领域。砂石按产源可分为天然砂、人工砂两大类，天然砂的存储量有限，且目前的开采已严重地破坏了生态环境，所以人工砂代替天然砂进入建筑市场是形势发展的需要[1]。人工砂目前的生产方法多采用湿法生产工艺，该工艺使用水冲洗粉尘过程中会将部分细砂带走，需对冲洗水重新处理，同时会产生大量的污水，需要较大容量的沉淀池去除污水中的泥砂等固体悬浮物，生产工艺复杂，受到了环境以及环保的限制[2，3]。

为适应选粉行业的快速发展，我公司研制了动静态空气筛分机，它将打散、分离集成在一起，内部的运动部件少，能耗低，维护简单，可调参数比较多，可适应不同的筛分要求，现场调试方便，结构紧凑，该机型最早应用于水泥行业，效果显著，取得了不错的成绩[4，5]。动静态空气筛分机生产过程中具有不需要水就能去除物料中的粉尘的优势。水泥企业与混凝土砂石骨料行业在工艺与装备存在着互补的优势，所以将动静态空气筛分机的结构作一定的调整，进而适应人工砂石骨料的生产工艺是一个很好的发展方向。

图1 动静态空气筛分机的组成

2 结构及分级原理

动静态空气筛分机由风机、静态选粉区、动态选粉区、旋风筒四大部分组成，在静态选粉区上方设有入料口，物料经由静态选粉区粗分级，粒度不同的物料分别从粗料出口和细料出口流出，较细的粉尘（74μm以下）经动态选粉区分离后从旋风筒出口流出。风机的进口与旋风筒的排气筒通过圆筒连接，实现了整个系统的风量循环利用（见图1）。

2.1 静态选粉区

静态选粉区内部由分布于左右两侧的与竖直方向呈一定角度的两块金属板组成，呈现出”V”字的结构，V型结构自上而下分布于整个静态选粉区，其结构如图2所示。右侧为进风侧，左侧为出风侧，两侧的金属板上表面均采用耐磨钢强化处理，与竖直方向的夹角分别为α、β。

当不同大小颗粒的矿石物料从入料口进入静态选粉区后，由于重力作用从上到下跌落过程中，右侧的金属板会将原有的较集中的物料打散，这时右侧较强的风力会将颗粒较小的物流吹到左侧的金属板，假设颗粒为球形，较小的颗粒到达左侧金属板后向金属板的上侧移动，此时该颗粒的受力情况如图2所示，它主要受到四个方向的大小不同的力[6]。而其中的FD为颗粒在风气体中的拽力，此力的大小可按照式（1）取得。

式中：

FD——颗粒在气流中的拽力

CD——气体的阻力系数

ρg——连续相的密度，kg/m3

νg——风速

νP——颗粒的速度d

——颗粒的直径

从式（1）中可以看出，当风量提高的时候，必然会引起FD的增加，进而足够抵抗重力在阶梯板上的向下的分力与摩擦力之和，使颗粒能够沿着左侧的阶梯板向上爬升，落入到细料出口区，达到选粉的目的。在阶梯板角度一定的情况下，不同大小的颗粒所对应的需要向上爬升的最小风量是一定的，所以可以通过调节风量使落入到细料出口区的颗粒的大小分布有规律地变化。同时也可调节左侧的阶梯板的角度β，使颗粒的重力顺着阶梯板的分力减小。

2.2 动态选粉区

动态选粉区的内部结构如图3所示，它由动态笼型转子以及分布于转子外侧一周的静态导风叶片组成。动态笼型转子的外圈布置了若干个直叶片，它与分布圆的法向方向有一定的角度γ，导风叶片与其分布圆的法向角度δ一般为45～75°，此角度增大，会使导风叶片的开度变小，成品的粒度变小，反之成品的粒度变大。它的分级原理为颗粒进入到静态导风叶片与动态转子之间的区域后，由于气流的作用，会受到两个方向相反的气体的拽力FD以及离心力F和重力G的合力，粒度较大的颗粒因其受到的合力大于气体拽力，碰到静态导风叶片后失去动量，在重力的作用下掉入到细料出口，而粒度较小的颗粒刚好相反，它会进入到笼型转子内部，经由旋风筒输出[7]。

图2 静态选粉区内呈现“V”型结构

图3 动态选粉区的内部结构

表1 空气筛分机的稳定性测试结果

3 性能研究

按照上述结构设计了额定产量为440t/h的机型，风机的额定风量为115000m3/h，风量的大小通过风机的开口进行控制。上述提到的α、β、γ、δ角度的大小分别定为35°、45°、18°、75°，进入到选粉机的物料粒度最大为4.75mm。在实际的测试中发现，在满足工作的条件下，旋风筒收集的细粉的颗粒大小可通过调节笼型转子的转速进行调节，都能够满足要求，所以对动静态空气筛分机性能的测试主要集中在粗料和细料的颗粒大小的分布上，同时为了排除原料的颗粒大小的差异，将进料口的颗粒也进行了统计。

3.1 稳定性能研究

首先对筛分机的稳定性能进行了测试。测试条件为进料量330t/h，85%风量，笼型转子的转速为50%额定转速。测试系统开机半个小时，整个系统达到稳定后，对进料口，粗、细料出口分别取样，1h后再次取样，使用筛孔大小不同的一系列新标准方孔筛对取得的样品进行筛选、称重。对比前后两次样品中的不同粒度所占的比重，得出筛分机的稳定性能的优劣。

表1所示为测量结果，首先看进入到设备中的物料情况，两次测量中，物料各粒度所占的比例基本一致，误差普遍在1%以内，可认为两次测量时，进料的属性是相同的。再对比粗料、细料两次的测量结果，误差基本上维持在1%～3%之间，如果除去取样时的人为误差，以及筛选过程中的误差，认为两次取样，不管是粗料还是细料，各粒度所占的比重是相同的，即筛分机的工作性能稳定。

表2 风量大小对筛分性能的影响

3.2 风量大小对筛分性能的影响

从2.1小节中可知，风量越大，细料中能够筛选出来的颗粒越大，本小节将对这一趋势作定量的研究。将风机的风口分别调节至80%、85%、90%、100%，其他参数和上一小节相同。同样的测量进料、粗料、细料各粒度所占的比重。结果如表2所示。从表2中可以看出，进料中不同粒度所占的比重在不同风量下基本相同，误差在1%内，可认为不同风量下的进料的属性是完全相同的。从粗料和细料的结果来看，不管风量为多少，＜0.6mm的颗粒的筛选效果很好，粗料中＜0.6mm的颗粒残余量仅为2%～4%，随着风量的增加，粗料中残余的0.6～4.75mm的会量逐渐减少，而细料中相应的含量增多，甚至当风量达到100%时，＞2.36mm的颗粒在细料中的含量达到了近10%，说明在我们测试的这个风量条件下，这个范围内的颗粒的筛选受风量的影响较大，这一数据的取得对今后的工程具有很重要的意义。

目前该设备在葫芦岛某建材公司得到了应用。该公司以生产建材石子、砂石为主，该设备配合破碎设备、振动筛、输送机等设备使用，其结构紧凑可使现场设备布置灵活，同时封闭的气流通道可降低现场的灰尘，减少对大气的污染。

4 结语

动静态空气筛分机由动态笼型转子选粉机和静态V型选粉机两个部件组成，既具有静态V型选粉机不需要任何动力，利用气流的不同速度梯度对粉状物料进行粗分选的功能，又具有动态笼形转子选粉机进行细粉分选且分选效率较高的功能。二者合二为一，结构紧凑，简化了工艺布局，为用户节约了成本。

动静态空气筛分机在矿石选择方面的应用的测试结果表明，该机具有良好的稳定性能，对0～0.6mm大小的物料的筛分效果好，风量大小对粒度为0.6～4.75mm的筛分性能影响较大，说明后续的工作中可以通过控制风量的大小达到筛分不同大小颗粒的目的。在实际的应用中，该机型配合破碎、振动筛等设备取得了良好的效果。如何在客户的筛分要求下，匹配风量、角度之间的关系，在保证分级精度的条件下，提高筛分机的效率，降低筛分机的能耗将成为下一步的研究重点。

[1]许琳，金祥雨.人工砂代替天然砂在混凝土中的应用研究[J].辽宁建材，2009（9）：36-37.

[2]高倩莹.浅析砂石骨料加工系统的设计[J].魅力中国，2010（4）：30-31.

[3]周敏，徐全润.大型人工骨料加工系统的设计研究[J].城市建设，2013（1）.

[4]郭宏武，张永龙，王学敏，等.HVWF型选粉机在矿渣微粉生产线上的应用[J].水泥，2007 (6):34-35.

[5]吴涛，景国泉.V2500选粉机的设计[J].水泥工程，2007（6）：33-34.

[6]方莹，刘亚云，张少明.离心转子式选粉机的分组机理[J].南京化工大学学报（自然科学版），2001，23（6）：18-22.

[7]童聪，李双跃，等.立磨选粉机叶片参数的分析与优化设计[J].过程工程学报，2012，12（1）：14-18.■

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2014-03-24；编辑：吕光