Nghiên cứu xác định một số thông số kết cấu của bơm hạt rắn kiểu HG 150 dùng cho các nhà máy tuyển than

Đề tài: “ Nghiên cứu xác định một số thông số kết cấu của bơm hạt rắn kiểu HG-150 dùng cho các nhà máy tuyển than.”.. Được tiến hành để xác định một số thông số kết cấu của các chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu trong bản luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Vũ Văn Văn

1

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

LỜI MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài .10

2 Mục đích của đề tài 10

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .10

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 10

5 Phương pháp nghiên cứu 11

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11

7 Kết cấu của luận văn 11

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM SỬ DỤNG TRONG CÁC NHÀ 12

MÁY TUYỂN 1.1 - Nhiệm vụ của máy bơm trong dây chuyền của các nhà máy tuyển khoáng .12 1.2- Một số loại máy bơm sử dụng trong các nhà máy tuyển khoáng vùng Quảng Ninh nói chung và nhà máy tuyển than Vàng Danh nói riêng .13

1.3- Đặc điểm của máy bơm hạt rắn kiểu HG-150 dùng cho nhà máy sàng tuyển Vàng Danh .17

1.4 - Tình trạng mòn hỏng các chi tiết máy bơm và một số thành tựu trong nước và trên thế giới nhằm nâng cao độ bền mòn của máy bơm .18

1.4.1- Tình trạng mòn hỏng của các chi tiết bơm hạt rắn 18

1.4.2- Thành tựu nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhằm nâng cao tuổi thọ các chi tiết của máy bơm 21

Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT CỦA BƠM HẠT RẮN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU CỦA BƠM 25

2.1- Cột áp lý thuyết và đường đặc tính năng lượng .25

25

2.1.1- Cột ỏp lý thuyết 2.1.2- Cột ỏp thực tế và đường đặc tớnh năng lượng 27

2.1.3- Đường đặc tớnh của mỏy bơm khi bơm hỗn hợp cú hạt rắn 29

2.2- Sự mũn hỏng của mỏy bơm và những biện phỏp nõng cao độ bền mũn .33

2.2.1- Sự mũn hỏng của mỏy bơm khi bơm dũng mang hạt rắn 33

2.2.2- Những nguyờn nhõn gõy mũn cho mỏy bơm khi bơm hạt rắn 35

2.2 3- Phương phỏp lựa chọn cỏc thụng số kết cấu chi tiết mỏy bơm nhằm tăng độ bền mũn của mỏy bơm hạt rắn núi chung và mỏy bơm HG-150 núi riờng 39

2.2.4- Lựa chọn vật liệu chế tạo cho máy bơm dòng hỗn hợp chứa hạt rắn 46

57

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CHÍNH 57

CỦA MÁY BƠM HG-150 3.1- Tính toán các thông số cơ bản của bơm .58

3.1.1- Công suất yêu cầu trên trục bơm 58

3.1.2- Công suất động cơ 58

3.1.3- Số vòng quay đặc tr-ng 59

3.2 -Tính toán các thông số ở cửa vào của bánh công tác .59

3.2.1- Vẽ sơ đồ kết cấu bánh công tác HG-150 59

3.2.2- Xác định đ-ờng kính đầu ra của trục bơm (đ-ờng kính trục bơm , nơi lắp khớp nối) 60

Ta chọn đ-ờng kính đầu ra trục bơm dr = 60 mm = 6 cm 60

3.2.3- Xác định đ-ờng kính trục nơi lắp BTC 60

3.2.4- Đ-ờng kính moay ơ của bánh công tác 60

3.2.5- Xác định đ-ờng kính miêng hút Ds 60

3.2.6- Xác định đ-ờng kính D1 61

3.2.7- Xác định chiều rộng mép vào b1 : 61

3.2.9- Chiều dầy cánh dẫn S 64

3.3- Tính toán các thông số ở cửa ra của bánh công tác .64

3.3.1 Góc ra của bánh dẫn 2: 65

3.3.2 Tính tốc độ vòng ở mép ra của cánh u2 65

3.3.3- Tính đ-ờng kính tại cửa ra của bánh công tác D2 65

3.3.4- Chọn chiều rộng BCT ở cửa ra b2 65

3.3.5- Xác định giá trị tốc độ t-ơng đối 66

3.3.7- Chọn số cánh dẫn Z 67

3.4- Xây dựng biên dạng cánh .67

3.4.1- Xây dựng biên dạng cánh dẫn trên mặt kinh tuyến (mặt đứng) khi cánh có dạng mặt trụ 67

3.4.2- Xây dựng biên dạng cánh dẫn trên mặt vĩ tuyến 70

3.5- Tính toán và xây dựng các bộ phân dẫn h-ớng .73

3.5.1- Bộ phận dẫn h-ớng vào 73

3.5.2- Bộ phận dẫn h-ớng ra kiểu xoắn ốc 74

3.6- Kiểm nghiệm bền trục bơm và buồng bơm trờn phần mềm catia 80

3.6.1- Kiểm nghiệm trục bơm trờn phần mềm catia .80

3.6.1.1- Sơ đồ lực tỏc động lờn trục bơm 80

3.6.1.2- Meshing 82

3.6.1.3- Ứng suất 83

3.6.1.4- Chuyển vị 84

3.6.2- Kiểm nghiệm buồng bơm bằng phần mềm catia .85

3.6.2.1- Sơ đồ đặt lực 85

3.6.2.2- Meshing 86

3.6.2.3- Ứng suất 87

3.6.2.4- Chuyển vị 87

3.6.3- Kiểm tra độ bền của gối trục .88

3.6.3.1- Sơ đồ đặt lực Lực tỏc dụng 88

3.6.3.2- Meshing 89

3.6.3.3- Ứng suất 89

3.6.3.4- Chuyển vị 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

16

Hình 1 1- Máy bơm HM-200 sử dụng trong nhà máy tuyển Vàng Danh 2

17

Hình 1 2- Máy bơm HG-150 sử dụng trong nhà máy tuyển Vàng Danh 1

Hình 1 3- Tình trạng mòn hỏng các chi tiết của máy bơm trong nhà máy

20

tuyển

Hình 1 4- Bánh công tác bơm BHP 200chế tạo hoàn chỉnh (Vật liệu Gang Cr 27) 23 Hình 1 5- Buồng bơm BHP 200 được chế tạo hoàn chỉnh (Vật liệu Gang Cr 27) 23

Hình 2 2- Đường đặc tính năng lượng của máy bơm HG - 150

Hình 2 5- Tình trạng mòn hỏng của máy bơm DENVER-ORION HM-200

Hình 2 6- Tình trạng mòn hỏng các chi tiết của máy bơm trong nhà máy

Hình 2 8- Hình ảnh về chuyển động của hạt rắn trong máng xoắn ốc

Hình 2 9 - X©y dùng biªn d¹ng c¸nh, theo /11/

Hỡnh 2 14- Bỏnh cụng tỏc của bơm

54

Hỡnh 2 15- Cỏnh khuấy đỳc bằng vật liệu super duplex A890- 5A 55

Hỡnh 2 16- Bỏnh cụng tỏc của bơm ly tõm đỳc bằngthộp A890- 5A 55 Hỡnh 2 17- Vỏ bơm đỳc bằng thộp super duplex A890- 5A, khối lượng 360 kg Hỡnh 3 1 -Sơ đồ kế cấu bánh công tác 59 Hỡnh 3 2 - Tam giác tốc độ cửa vào 61

Hỡnh 3 3 - Cửa vào cánh dẫn 62

Hỡnh 3 4 -Tam giác vận tốc cửa vào 63

Hỡnh 3 5-Thông số cửa ra 64

Hỡnh 3 6 -Tam giác tốc độ cửa ra 66

Hỡnh 3 7 - Mô tả biên dạng mặt kinh tuyến 68

Hỡnh 3 8 - Quy luật biết đổi các thông số w i , C ir 68

Hỡnh 3 9 - Biên dạng cánh dẫn mặt kinh tuyến 69

Hỡnh 3 10 - Xây dựng biên dạng cánh bằng ph-ơng pháp giải tích từng điểm 70

Hỡnh 3 11 - Biên dạng cánh mặt vĩ tuyến. 72

72

Hỡnh 3 12- Bản vẽ Bỏnh cụng tỏc mỏy bơm HG-150 75

Hỡnh 3 13- Mỏng xoắn ốc dẫn hướng ra 81

Hỡnh 3 14- Trục bơm HG-150 82

Hỡnh 3 15- Sơ đồ đặt lực trờn trục bơm 82

Hỡnh 3 16- Phõn tớch phần tử 83

Hỡnh 3 17- Kiểm tra ứng suất trờn trục bơm 83

Hỡnh 3 18- Ứng suất trờn trục bơm 84

Hỡnh 3 19- Kiểm tra chuyển vị 85

Hỡnh 3 20- Chuyển vị trờn trục bơm

Bảng 1 4- Thông số máy bơm HG-150

Bảng 2 1- Thông số kỹ thuật của một số máy bơm dùng trong nhà máy tuyển

Bảng 2 7- Thành phần hóa học của gang GX260Cr27.

Bảng 3 1 - B¶ng th«ng sè kü thuËt chÝnh cña m¸y b¬m HG-150 57 Bảng 3 2- B¶ng tÝnh to¸n ph©n chia mÆt kinh tuyÕn 69 Bảng 3 3- B¶ng tÝnh to¸n ph©n chia mÆt vÜ tuyÕn 71

LỜI MỞ ĐẦU

Căn cứ vào khảo sát tình hình sử dụng bơm hạt rắn cỡ hạt lớn phục vụ sản xuất trong các dây truyền tuyển khoáng nói chung cũng như tuyển than nói riêng Ta thấy bơm hạt rắn cỡ hạt lớn giữ vai trò quan trọng Tuy nhiên, bơm hạt rắn cỡ hạt lớn sử dụng trong các dây truyền tuyển thường được nhập ngoại từ các nước ( Úc, Mỹ, Nga, Ấn Độ hoặc Trung Quốc…) Đặc biệt là các sản phẩm của Trung Quốc chiếm thị phần không nhỏ trong trong lĩnh vực này của nước ta, tuy nhiên, chất lượng của các tổ máy bơm hạt rắn cỡ hạt lớn của Trung Quốc cũng không được tốt Ở nước ta, với nền kinh tế thị trường

đã tạo điều kiện để các đơn vị chuyên ngành chế tạo máy bơm (trong đó có các đơn vị như: Công ty CP Chế tạo bơm Hải Dương; Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ Vinacomin; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Đại học Mỏ - Địa chất …) tiếp cận được công nghệ gia công chế tạo, công nghệ vật liệu, phần mềm tính toán, thiết kế chuyên dụng Nhưng đến nay, số lượng máy bơm phục vụ khai thác mỏ, tuyển khoáng của Việt Nam được chế tạo trong nước còn rất hạn chế

Đề tài: “ Nghiên cứu xác định một số thông số kết cấu của bơm hạt rắn kiểu HG-150 dùng cho các nhà máy tuyển than.” Được tiến hành để xác định một số thông số kết cấu của các chi tiết chính của bơm hạn rắn kiểu HG-150 nhằm từng bước làm chủ công nghệ tính toán, thiết kế lập bản vẽ để gia công chế tạo thay thế hàng nhập khẩu và chủ động trong sản xuất cho các đơn vị tuyển khoáng nói chung và tuyển thanVàng Danh nói riêng

Máy bơm hạt rắn với cỡ hạt lớn làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, thường xuyên chịu ảnh hưởng của hỗn hợp rắn – lỏng gây mài mòn rất nhanh một số chi tiết quan trọng như: Bánh công tác, buồng bơm, cánh phản hồi … Hơn nữa, trong điều kiện làm việc vận chuyển hai pha (rắn-lỏng), đặc biệt bơm vận chuyển hỗn hợp than, đất đá và ma nhê tít sẽ đễ bị tắc tiết diện thông

tại cửa vào và cửa ra của bánh công tác (chiều rộng b1; b2 …) nếu không được tính toán cụ thể

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện tại bơm HG-150 đang được sử dụng tại nhà máy sang tuyển Vàng Danh 1 Dự án nhà máy sang tuyển Vàng Danh 2 đã và đang đưa vào sử

trdụng trong đó có các thiết bị tương tự nhà máy sang tuyển Vàng Danh 1 Việc nghiên cứu để thiết kế chế tạo các thiết bị như máy bơm bơm HgG-150

đẻ thay thế hàng nhập ngoại trong nhà máy sang tuyển Vàng Danh 2 là hết sức cần thiết

2 Mục đích của đề tài

Phân tích tình trạng mòn hỏng các chi tiết chính bơm hạt rắn kiểu

HG-150 tại nhà máy tuyển Vàng Danh, lấy mẫu Dựa vào thông số thu thập được thiết kế lại bằng lý thuyết

Dựa vào thiết kế trên lựa chọn thông số kết cấu của bơm hạt rắn kiểu HG-150 nhằm tăng độ bền mòn của các chi tiết chính trong bơm

Thiết kế, lập bản vẽ chế tạo một số chi tiết chính của bơm hạt rắn kiểu

HG-150

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu xác định một số thông số hình học, thông số công nghệ, thông số kết cấu của các một số chi tiết chính (bánh công tác; buồng bơm …) bơm hạt rắn nói chung và bơm HG-150 tại nhà máy tuyển Vàng Danh nói riêng lựa chọn thông số hợp lý cho các chi tiết chính

Lựa chọn một số thông số kết cấu của bơm hạt rắn nói chung và bơm kiểu HG-150 tại nhà máy tuyển Vàng Danh nói riêng

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Tìm hiểu và đánh giá tình hình nghiên cứu và sử dụng trong và ngoài nước của bơm hạt rắn tại các nhà máy tuyển

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của bơm hạt rắn

Nghiên cứu xác định một số thông số hình học, thông số công nghệ, thông số kết cấu của bơm hạt rắn và so sánh với bơm mẫu HG-150

Lựa chọn xác định một số thông số kết cấu của bơm hạt rắn nói chung

và bơm hạt rắn kiểu HG-150 nói riêng

Trên cơ sở tính toán xác định một số thông số hình học, thông số công nghệ, thông số kết cấu của bơm hạt rắn, thiết lập bản vẽ chế tạo của bơm

5 Phương pháp nghiên cứu

Phân tích, nghiên cứu và đánh giá cơ bản về lý thuyết bơm hạt rắn Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước

về bơm hạt rắn, lựa chọn các thông số kết cấu và lựa chọn vật liệu cho các chi tiết chính của bơm hạt rắn kiểu HG-150

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đánh giá được tình hình sử dụng bơm hạt rắn, phụ tùng bơm trong các nhà máy tuyển nói chung và bơm HG150 trong nhà máy tuyển Vàng Danh nói riêng

Lựa chọn thông số kết cấu cho chi tiết chính (bánh công tác; buồng bơm; …) phục vụ lập bản vẽ thiết kế và chế tạo phụ tùng bơm hạt rắn kiểu HG-150

7 Kết cấu của luận văn

Luận văn được trình bày trong 3 chương, 93 trang,14 bảng, 62 hình vẽ

Luận văn đã được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ quý báu của các Thầy (Cô) trong bộ môn Máy và thiết bị mỏ, phòng sau Đại học trường Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội, bạn bè và các đồng nghiệp tại Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ Vinacomin Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy

giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đức Sướng là người đã tận tình hướng dẫn

chỉ bảo cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM SỬ DỤNG

TRONG CÁC NHÀ MÁY TUYỂN

1.1 - Nhiệm vụ của máy bơm trong dây chuyền của các nhà máy tuyển khoáng

Trong các nhà máy tuyển khoáng, máy bơm đóng vai trò quan trọng và được lắp đặt ở nhiều vị trí trong dây chuyền tuyển

Trước hết máy bơm ly tâm dùng để cấp nước sạch cho nhà máy tuyển

để cung cấp nước cho các trạm bơm huyền phù, cấp nước cho các khâu sàng tuyển, cho các trạm bơm cấp liệu, cho các máy phun rửa thiết bị và làm mát

dịch huyền phù lên các xyclon và các thiết bị tuyển Ở đây, nồng độ hạt rắn có thể đến 30% hoặc cao hơn, hạt mịn và có khối lượng riêng khá lớn, tùy thuộc

Máy bơm thường được đặt thấp hơn mặt thoáng bể chứa (chiều cao hút có dấu âm) Do dung dịch huyền phù có nồng độ rắn cao, hạt mịn nên bánh công tác

và vỏ xoắn của bơm bị mài mòn nhanh chóng làm giảm lưu động, giảm cột áp

và giảm hiệu suất

Các máy bơm cấp liệu có nhiệm vụ cấp hỗn hợp vật liệu hạt rắn và nước cho các khâu sàng tuyển Ở đây, hạt rắn có kích thước khá lớn, đòi hỏi bánh công tác của máy bơm và vỏ xoắn có kết cấu phù hợp để thoát các hạt rắn đi qua bơm và có khả năng chống mòn do va đập, làm việc ổn định

Các máy bơm thải đá thường được đặt ở cuối dây tuyển, ở đây hạt rắn cũng có kích thước lớn và đa dạng, đòi hỏi việc lựa chọn máy bơm và vận hành phù hợp để đảm bảo tuổi thọ của bơm

8 1.2- Một số loại máy bơm sử dụng trong các nhà máy tuyển khoáng vùng Quảng Ninh nói chung và nhà máy tuyển than Vàng Danh nói riêng

Các đơn vị sử dụng các loại bơm hạt rắn nhiều nhất hiện nay trong ngành khai thác mỏ là các công ty có nhà máy tuyển than gồm: Công ty Tuyển Than Cửa Ông, Công ty Tuyển Than Hòn Gai, Công ty Cổ phần Than Vàng Danh Tình hình sử dụng các loại bơm huyền phù tại các nhà máy tuyển than ở các công ty này được thể hiện ở các bảng số liệu sau

Bảng 1 1- Các bơm hạt rắn sử dụng tại Công ty Tuyển Than Cửa Ông

Công Suất (kW)

Chiều cao đẩy (m)

Lưu lượng (m3/h)

Cỡ hạt max (mm)

I Nhà tuyển mới

II Nhà tuyển cũ

Bảng 1 2- Các bơm hạt rắn sử dụng tại Công ty Tuyển Than Hòn Gai

(kW)

Chiều cao đẩy (m)

Lưu lượng (m3/h)

Cỡ hạt max (mm)

4 Bơm Metso HM150 Cái 2 37 32 190 15

Bảng 1 3- Các bơm hạt rắn sử dụng tại công ty Cổ phần Than Vàng Danh

(kW)

Chiều cao đẩy (m)

Lưu lượng (m3/h)

Cỡ hạt max (mm)

I Dây chuyền tuyển 1

II Dây chuyền tuyển 2

III Dây chuyền tuyển cấp 2

IV Dây chuyền tuyển cấp 2a

2 Bơm Metso HM150 Cái 2 75 32 300 15

V Hệ thống xử lý bùn nước

Nhìn vào bảng số liệu về sử dụng các loại bơm hạt rắn của 3 đơn vị tuyển khoáng của ngành than tại vùng Quảng Ninh, ta thấy cùng một loại bơm nhưng tùy theo công dụng và các thông số yêu cầu mà người ta có thể lắp đặt các động cơ dẫn động với công suất khác nhau

Theo thông tin thu thập được, các loại bơm của các hãng Bulk Materials Handling, Warmal ban đầu xâm nhập thị trường Việt Nam rất nhanh theo các Dự án đầu tư các công trình tuyển khoáng và các đơn hàng nhập khẩu nhỏ lẻ Qua một thời gian sử dụng các loại bơm này tại Việt Nam, cùng với sự tiếp thị của các loại bơm huyền phù do hãng Metso chế tạo, các sản phẩm bơm huyền phù của hãng Metso dần chiếm lĩnh thị trường Việt nam

do những ưu thế hơn hẳn về thuận tiện trong sửa chữa lắp ráp và đặc biệt là về

độ bền làm việc của các chi tiết chịu mài mòn

Dưới đây là hình ảnh một vài loại máy bơm đang hoạt động:

Hình 1 1- Máy bơm HM-200 sử dụng trong nhà máy tuyển Vàng Danh 2

Với nhà máy tuyển của công ty than Vàng Danh nói riêng thì bơm hạt rắn được sử dụng rất nhiều trong dây truyền tuyển Hiện nay bơm HG-150 được sử dụng cho việc cấp liệu đầu vào, đây là một khâu rất quan trọng trong quá trình tuyển Bơm HG-150 hoạt động ổn định, vận hành dễ dàng, dễ tháo lắp và đặc biệt tuổi thọ các chi tiết chịu mài mòn rất tốt

Hình 1 2- Máy bơm HG-150 sử dụng trong nhà máy tuyển Vàng Danh 1

sàng tuyển Vàng Danh

Bơm hạt rắn kiểu HG-150 dùng trong nhà máy tuyển Vàng Danh là bơm ly tâm vận chuyển cỡ hạt lớn từ 0 -55 (mm), có các chi tiết chính như bánh công tác, buồng bơm được chế tạo với vật liệu chịu mài mòn cao Thông số kỹ thuật của máy bơm HG-150 như bảng 1.4:

Bảng 1 4- Thông số máy bơm HG-150

Bơm HG-150 dùng trong nhà máy tuyển Vàng danh với nhiệm vụ bơm cấp hạt đầu vào phục vụ công tác chuẩn bị cho các khâu tuyển sau này

Với nhiệm vụ như vậy bơm hạt rắn HG-150 làm trong môi trường với

chất như sau:

+ Cỡ hạt: a = 0-55 (mm)

10 1.4 - Tình trạng mòn hỏng các chi tiết máy bơm và một số thành tựu trong nước và trên thế giới nhằm nâng cao độ bền mòn của máy bơm

1.4.1- Tình trạng mòn hỏng của các chi tiết bơm hạt rắn

Trừ các máy bơm cung cấp nước sạch thì hầu hết các máy bơm trong dây chuyền tuyển của nhà máy tuyển khoáng đều làm việc với dòng hỗn hợp

chất lỏng và chất rắn Vì vậy, các chi tiết của máy bơm, đặc biệt là bánh công tác và buồng bơm bị mòn hỏng rất nhanh Tuổi thọ của máy bơm tùy thuộc vào vật liệu chế tạo các chi tiết máy bơm va tùy thuộc vào tính chất của dòng mang hạt rắn (nồng độ hạt, độ lớn của hạt và khối lượng riêng của hạt) Dưới đây là một số hình ảnh về tình trạng mòn hỏng của một số máy bơm điển hình đang được sử dụng trong các nhà máy tuyển khoáng của Việt Nam

bị mòn rất sâu phần mép cửa ra (hình d) do bị va đập liên tục, bánh công tác thì hầu như mòn đều trên bánh nhưng phần mòn nhiều hơn cả là vị trí cửa vào (hình a; hình e)

Các máy bơm DENVER-ORION 100, 150, 200,

HM-250, HR-200, HG-150 để bơm dòng hỗn hợp rắn – lỏng có thành phần hạt rắn tùy thuộc vào dây chuyền tuyển, ví dụ tuyển than thì có Fe304, than nguyên khai (có lẫn đất, đá) và nước, bơm lên xiclon xoáy lốc để tuyển tách Nồng độ chất rắn lên tới 25 ÷ 40%, cỡ hạt lớn nhất tới 60mm Vì thế gây mòn, tuổi thọ bánh công tác của bơm này chỉ khoảng 4500 ÷ 6000 giờ, buồng bơm khoảng

8500 giờ

Nguyên nhân của sự mòn hỏng và biện pháp nâng cao độ bền mòn sẽ được đề cập trong chương 2

1.4.2- Thành tựu nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhằm nâng cao tuổi thọ các chi tiết của máy bơm

Qua tình trạng mòn hỏng của các chi tiết bơm hạt rắn đã nêu trên đặt ra vấn đề nghiên cứu để nâng cao độ bền của các bơm hạt đặc biệt là các chi tiết của bộ phận công tác, nâng cao hiệu suất bơm, giảm tiếng ồn, giảm tiêu hao năng lượng

Nghiên cứu nâng cao tuổi thọ các chi tiết chính bơn hạt rắn của nước ngoài:

Các máy bơm hạt rắn làm việc với dòng hỗn hợp chất lỏng có chứa hạt rắn, vì vậy các chi tiết của máy bơm như bánh công tác và buồng bơm phải được chế tạo từ các vật liệu chịu mài mòn cao như thép hợp kim có Crôm, Niken, Wonfram, Titan … và được gia công, nhiệt luyện đạt độ bền cao Để giảm lượng kim loại quý có độ bền cao, người ta có thể đúc riêng một vỏ xoắn ốc mỏng bằng vật liệu bền mòng lót trong vỏ chính của bơm, cũng có thể làm lớp lót này bằng cao su bền mòn Bánh công tác của máy bơm cũng

có thể bọc cao su bền mòn, tuy nhiên công nghệ bọc cao su đòi hỏi phải dính kết tốt giữa cao su và lõi cốt kim loại Một số nước đã chế tạo các chi tiết bánh công tác và lớp lót buồng bơm bằng gốm sứ tuy nhiê do tính giòn của gốm sứ nên dễ bị nứt vỡ khi bị va đập

Đã có một số nhà sản xuất sử dụng loại thep có tính chống mòn đặc biệt cao khi chịu tác dụng của tải trọng va đập Việc xử lý bề mặt không chỉ thấm các bon hay tôi bề mặt và hóa nhiệt luyện thông thường Loại thép này được gọi là thép Hadfield (do Hadfield tìm ra từ thế kỷ 19), là thép hợp kim đặc biệt có thành phần gồm 0,9 -1,3%C; 11,4-14,5%Mn, theo TCVN được ký hiệu là 110Mn13Đ và tổ chức là autesnit Tuy nhiên đỏi hỏi vật đúc phải qua

dạng nhiệt luyện đặc biệt, nung tới 1050-11000C, giữ nhiệt lâu để cacbit mangn hòa tan hết vào austenite Phương pháp này gọi là austanit hóa

Tập đoàn Thyssen krpp tại CHLB Đức đã phát minh ra một loại thép có kết cấu đặc biệt tạo ra tính chất chống mài mòn cao, được gọi là thép XAR Với công nghệ cán và xử lý nhiệt đặc biệt, loại thép này có khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều so so vớt thép thông thường và đã tạo nên thương hiệu trên toàn cầu Thép XAR có độ cứng từ 300HB-600HB đạt được khả năng chịu mài mòn tối ưu và dễ dàng gia công nhờ sự kết hợp của các nguyên

tố hợp kim và quy trình nhiệt luyện đặc biệt Thành phần thép như sau:

Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ đã chế tạo thành công các chi tiết máy bơm huyền phù để sử dụng cho nhà máy tuyển Vàng Danh Các chi tiết được chế tạo từ hợp kim gang crôm 27, quy trình nhiệt luyện khắt khe và các thông

số kết cấu hợp lý (hình 1.4 và hình 1.5)

Hình 1 4- Cánh bơm BHP 200 được chế tạo hoàn chỉnh (Vật liệu Gang Cr 27)

Hình 1 5- Buồng bơm BHP 200 được chế tạo hoàn chỉnh (Vật liệu Gang Cr 27)

Như vậy ngành cơ khí chế tạo trong nước hoàn toàn có khả năng chế tạo một số thiết bị, phụ tùng thay thế hàng nhập ngoại để sử dụng cho máy móc thiết bị ngành tuyển khoáng nói riêng và các ngành công nghiệp khai thác nói chung mà trước đay vẫn phụ thuộc nhập khẩu từ nước ngoài.…)

Những biện pháp nâng cao độ bền mòn nhờ chế tạo từ các vật liệu đặc biệt còn được đề cập ở chương 2

Nhận xét chương 1:

Qua phân tích tổng quan tình hình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy bơm hạt rắn nói chung và bơm HG-150 nói riêng trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy việc nâng cao độ bền mòn các chi tiết chính trong bơm hạt rắn là vấn

đề lớn cần thiết

Như vậy, để xác định chính xác nguyên nhân, yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mòn của các chi tiết, cũng như các thông số ( Vật liệu, số cánh, chiều dày cánh, góc cánh ) Cần tiến hành nghiên cứu, đưa ra phương pháp tính toán, thông số hợp lý của bơm hạt rắn nói chung và bơm HG-150 nói riêng, góp phần hỗ trợ các cán bộ thiết kế chuyên ngành cũng như những cơ sở chế tạo bơm hạt rắn rút ngắn được thời gian thiết kế, hạn chế được rủi ro trong sản xuất máy bơm hạt rắn, chủ động trong sản xuất của các nhà máy tuyển, nâng cao năng xuất lao động

Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT CỦA BƠM HẠT RẮN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT

CẤU CỦA BƠM

11 2.1- Cột áp lý thuyết và đường đặc tính năng lượng

2.1.1- Cột áp lý thuyết

Thông thường với máy bơm ly tâm không có bộ phận dẫn hướng vào, tốc độ dòng chẩy vào máng cánh dẫn theo phương hướng kính, nghĩa là

thuyết của máy tua bin sẽ là:

HLT = 1

b gD

g u u g

H

2 2

2 2

2 2

cot 1

Đường biểu diễn phương trình trên là một đường thẳng, gọi là đường

tổn thất cột áp do xoáy, chỉ số F là cho bơm nước sạch

Khi bơm dòng hỗn hợp mang hạt rắn (hỗn hợp rắn-lỏng) thì cột áp của bơm bị giảm đi, có thể biểu diễn bằng phương trình sau:

) 1 ( H

F LT M

LT H

Với H là hệ số giảm cột áp khi máy bơm làm việc với dòng hỗn hợp rắn-lỏng

khi b¬m hçn hîp r¾n-láng ®-îc biÓu thÞ b»ng c«ng thøc sau

F LT MS S

LT MS M

2 2 2 2

2 2

2 2 2

) (

) 1 ( 1

b D C K

Q C K

tg

u u

g

C b

D

Q K tg

u u g

C

T C

LTM T C

F

MS LTM

C S

T MS

S

MS M

b D g

K u tg

C K

C C

tg

C g

u H

2 2 2 2 2

2 2

) (

) 1 )(

1 (

S S

MS

Q

Q C





thuyÕt cña m¸y b¬m sÏ lµ:

M LT M

LT

p kH

2 2 1 ,

1

1 2

1

1 1

85 , 0 65 , 0

Với các máy bơm dòng hỗn hợp rắn-lỏng, ch-a có các công trình

cho tr-ờng hợp khi bơm chất lỏng sạch

2.1.2- Cột ỏp thực tế và đường đặc tớnh năng lượng

Trong thực tế, do cú cỏc tổn thất thủy lực do ma sỏt dũng chẩy với bỏnh cụng tỏc, do va đập thủy lực và do cỏc dũng xoỏy…, nờn cụt ỏp thực tế của mỏy bơm bị giảm đi so với cột ỏp lý thuyết:

cấu tạo của bơm và các thông số đặc tr-ng của dòng hỗn hợp, việc xác định giá trị của hiệu suất này phải qua tính toán các tổn thất thuỷ lực trong bánh

Hỡnh 2 1- Đường đặc tớnh năng lượng của bơm

Đường đặc tớnh cột ỏp (ỏp suất) H-Q, đặc tớnh cụng suất N-Q, đặc tớnh hiệu suất η -Q, đặc tớnh xõm thực NPSH-Q

Hỡnh 2 2- Đ-ờng đặc tính năng l-ợng của máy bơm HG-150 tại nhà máy

tuyển than Vàng Danh

Việc xỏc định đường đặc tớnh thực tế dựa trờn cơ sở xỏc định được cỏc tổn thất và rất phức tạp, khụng thể chớnh xỏc Vỡ vậy chỉ cú thể xỏc định được đường đặc tớnh thực tế của bơm bằng phương phỏp đo thực nghiệm sau khi chế tạo hoàn chỉnh một mỏy bơm, khi đú ta nhận được đường đặc tớnh năng lượng của mỏy bơm, bao gồm đường đặc tớnh cột ỏp, đường cụng suất và đường hiệu suất, ngoài ra cú đường đặc tớnh xõm thực NPSH (hỡnh 2.1)

Trờn hỡnh 2.2 là đường đặc tớnh năng lượng của mỏy bơm hạt rắn

HG-150 do hóng Metso Nam Phi sản xuất, đang được sử dụng tại nhà mỏy sàng tuyển Vàng Danh Khi bơm nước sạch, ở chế độ làm việc định mức mỏy bơm này cú cột ỏp H = 27 m, lưu lượng Q = 360 m3/h, cụng suất N = 59 kW

2.1.3- Đường đặc tớnh của mỏy bơm khi bơm hỗn hợp cú hạt rắn

Khi máy bơm sử dụng để bơm dòng hỗn hợp rắn-lỏng (nh- bùn than hoặc quặng, bơm cát, sỏi, bơm thải xỉ ) thì các thông số làm việc của máy

đặc tính của máy bơm sẽ bị dịch chuyển xuống d-ới Ng-ợc lại, do sức cản trong ống dẫn tăng nên đ-ờng đặc tính mạng ống dẫn dịch chuyển lên phía trên Do đó điểm xác định chế độ làm việc của máy bơm sẽ chuyển dịch về phía có cột áp nhỏ, l-u l-ợng nhỏ Sự dịch chuyển này càng nhiều khi các

Đặc biệt là trên đ-ờng đặc tính mạng ống dẫn khi bơm hạt rắn sẽ có

điểm cực tiểu, điểm này ứng với thời

điểm mà các hạt rắn bị lắng đọng trong máy bơm và ống dẫn, cũng là điểm ứng với tốc độ tới hạn của các hạt rắn trong ống dẫn Khi các thông số đặc tr-ng của hạt rắn trong hỗn hợp càng tăng thì điểm cực tiểu của đặc tính mạng ống dẫn càng lùi xa trục tung và tiến gần đến

điểm làm việc của máy Nối các điểm cực tiểu này ta đ-ợc đ-ờng giới hạn nguy hiểm về lắng đọng Khi chọn máy

và vận hành máy bơm phải tránh xa

cách quá mức để xẩy ra tình trạng lắng đọng hạt rắn trong bơm và ống dẫn, thậm chi điểm làm việc của máy bơm không xác định

Để mụ tả ảnh hưởng của hạt rắn đến cỏc đường đặc tớnh ỏp suất, cụng suất và hiệu suất của bơm, ta vẽ lại cỏc đường đặc tớnh của mỏy theo hỡnh vẽ dưới đõy với sự tăng lờn của nồng độ hạt rắn từ 10% đến 25% thỡ điểm làm việc của bơm sẽ là giao điểm của đường đặc tớnh mỏy bơm và đường đặc tớnh mạng ống dẫn tương ứng với cỏc nồng độ hạt rắn thay đổi Điểm làm việc của mỏy dịch chuyển từ M đến M’ và M’’ với cỏc lưu lượng Q, Q’, Q’’ và cột ỏp

H, H’, H’’ tương ứng Giỏ trị hiệu suất cũng bị giảm, trong khi cụng suất của mỏy tăng lờn (hỡnh 2.4)

mỏy bơm vàmạng ống đẫn khi nồng độ

C T khỏc nhau

Hình 2 4- Mô tả sự giảm lưu lượng, giảm cột áp và hiệu suất,

tăng công suất của bơm khi nồng độ hạt rắn tăng

Trên hình 2.4 thể hiện rõ cột áp ở điểm làm việc định mức M* và M**

đã bị giảm so với cột áp tại M khi nồng độ hạt rắn tăng từ 0% lên 15% và 25% Các điểm M’ và M’’ chỉ các thông số lưu lượng và cột áp làm việc của

bơm khi bơm hạt rắn, ở đú lưu lượng và cột ỏp đó bị giảm khi nồng độ hạt rắn tăng lờn

Để đánh giá ảnh h-ởng của hạt rắn đến các thông số làm việc của bơm,

F M F

M F Q

Q

Q Q

Q Q

M F H

H

H H

M F

F

M H

H    (2.14)

) 1 ( 

hh n

Q Q

H H

hạt rắn trong hỗn hợp, xem giáo trinh máy thủy khí /1/

Việc tính toán các hệ số giảm cột áp để xây dưng các đường đặc tính của máy bơm và của mạng đường ống dẫn khi máy bơm làm việc với dòng hỗn hợp rắn-lỏng đã được nhiều tác giả nghiên cứu /5, 6, 7/ Trong khuôn khổ của đề tài, nội dung này không được đề cập trong bản luận văn, mà chỉ nêu những vấn đề cơ bản của bơm hạt rắn, tìm hiểu về sự mòn các chi tiết máy bơm và phương pháp lựa chọn các thông số cấu tạo, vật liệu chế tạo nhằm nâng cao độ bền mòn các chi tiết máy bơm khi bơm dòng hỗn hợp rắn-lỏng nói chung và bơm HG-150 nói riêng

12 2.2- Sự mòn hỏng của máy bơm và những biện pháp nâng cao độ bền mòn

2.2.1- Sự mòn hỏng của máy bơm khi bơm dòng mang hạt rắn

Trừ các máy bơm cung cấp nước sạch thì hầu hết các máy bơm trong dây chuyền tuyển của nhà máy tuyển khoáng đều làm việc với dòng hỗn hợp chất lỏng và chất rắn Vì vậy các chi tiết của máy bơm, đặc biệt là bánh công tác và vỏ xoắn bị mòn hỏng rất nhanh Tuổi thọ của máy bơm tùy thuộc vào vật liệu chế tạo các chi tiết máy bơm và tùy thuộc vào tính chất của dòng mang hạt rắn (nồng độ hạt, độ lớn của hạt và khối lượng riêng của hạt) Trong chương 1 đã nêu về tình trạng mòn hỏng của các máy bơm trong nhà máy tuyển khoáng vùng Quảng Ninh,.Dưới đây là hình ảnh về tình trạng mòn hỏng

của chi tiết một vài máy bơm điển hình tương tự máy bơm HG-150 đang được

sử dụng trong các nhà máy tuyển khoáng của Việt nam

8500 giờ

Hình 2 6- Tình trạng mòn hỏng các chi tiết của máy bơm trong nhà máy

tuyển khoáng

2.2.2- Những nguyên nhân gây mòn cho máy bơm khi bơm hạt rắn

2.2.2.1- Mòn do sự va đập và cọ xát của hạt rắn vào các chi tiết máy bơm

Khi máy bơm làm việc với dòng hỗn hợp chất lỏng chứa hạt rắn thì quỹ đạo chuyển động của hạt rắn trong máy bơm không trùng với quỹ đạo của các phần tử chất lỏng (nước) Do vậy các đường biên dạng đã được thiết kế chế

tạo cho cánh dẫn bánh công tác và vỏ xoắn sẽ không trùng với quỹ đạo của hạt rắn, kết quả là các hạt rắn sẽ va đập vào cánh dẫn và vỏ xoắn, hoặc chà xát vào bề mặt cánh dẫn và vỏ xoắn gây mòn hỏng bánh công tác và vỏ xoắn máy bơm Trên các hình vẽ dưới đây là kết quả nghiên cứu về hình ảnh quỹ đạo chuyển động của hạt rắn trong lòng máng dẫn bánh công tác và trong vỏ xoắn của máy bơm ly tâm khi bơm dòng hỗn hợp chất lỏng mang hạt rắn (hình 2.7

và 2.8)

Tùy thuộc vào nồng độ hạt, độ lớn hạt và khối lượng riêng của hạt mà

vị trí va đập, cọ xát của hạt rắn vào cánh dẫn bánh công tác và vỏ xoắn sẽ khác nhau, cũng có nghĩa là vị trí bị mòn hỏng và cường độ mòn của chi tiết máy bơm cũng khác nhau, điều đó được chỉ rõ trong các tài liệu /5, 8/ Người

ta không thể thiết kế biên dạng cánh dẫn và vỏ xoắn cho mỗi trường hợp riêng biệt theo tính chất hạt rắn, mà chỉ có thể thiết kế chế tạo cho một phạm vi nhất định của hạt rắn Vì vậy sự mòn hỏng máy bơm do sự va đập và ma sát của hạt rắn vào các chi tiết máy bơm là không thể tránh khỏi

Hình 2 7- Hình ảnh về chuyển động của hạt rắn trong lòng máng cánh dãn bánh công tác

Hình 2 8- Hình ảnh về chuyển động của hạt rắn trong máng xoắn ốc dẫn hướng ra của bơm, nguyên nhân gây mòn máng xoắn ốc

2.2.2.2- Mòn do máy bơm bị xâm thực

Như đã nêu trong /1/, khi hiện tượng xâm thực xẩy ra, các bọt khí vào bánh công tác máy bơm sẽ bị vỡ ra do tăng áp suất, gây sóng va đập rất mạnh vào bánh công tác, gây rỗ vỡ bề mặt cánh dẫn và máng cánh dẫn, làm rung động máy bơm, dẫn đến giảm lưu lượng, giảm cột áp, giảm hiệu suất máy bơm, thậm chí làm rỗ vỡ bánh công tác một cách trầm trọng chỉ trong vài giờ, buộc phải sửa chữa thay thế các chi tiết máy bơm Điều đó gây sự gián đoạn cho sản xuất và tốn kém, tăng giá thành sản phẩm

2.2.2.3- Mòn do lắp đặt máy, do lực hướng trục và lực hướng kính

Một trong những nguyên nhân gây mòn hỏng các chi tiết máy bơm một cách nhanh chóng là do việc lắp đặt máy bơm không đúng quy định, không căn chỉnh tốt để bảo đảm đồng tâm đồng trục, không bảo đảm máy nằm trên mặt phẳng Việc lắp đặt ống hút không đúng quy định nên có khả năng xẩy ra xâm thực máy bơm Xiết ép các phớt lót kín trục chưa hợp lý, xiết

quá chặt sẽ làm tăng ma sát giữa trục và vòng phớt gây cháy phớt và mòn trục bơm, xét quá lỏng sẽ làm tăng lượng chất lỏng qua phớt làm giảm lưu lượng, giảm cột áp và giảm hiệu suất máy bơm

Cũng trong tài liệu /1/ đã nêu, lực hướng trục trong bơm luôn xuất hiện

do độ chênh áp suất giữa bề mặt phía trước và phía sau bánh công tác của bơm và do lắp đặt không hợp lý Khi đó lực hướng trục sẽ đẩy rô to của bơm

về phía trước làm mòn hỏng các vành lót kín bánh công tác, mòn ổ và gây rung động bơm Lực hướng kính xuất hiện do sự phân bố áp suất trong vỏ xoắn ốc và do sự thay đổi lưu lượng làm việc khác với lưu lượng định mức, lực hướng kính có thể gây cong trục bơm và ít nhất cũng gây sự mòn các ổ và gây rung động máy bơm

2.2.2.4- Mòn do gia công chế tạo và vật liệu chế tạo

Khi gia công các cánh dẫn bánh công tác và vỏ xoắn ốc không được chính xác, sẽ làm cho sự va đập của dòng hỗn hợp mang hạt rắn va đập nhiều hơn vào các bề mặt cánh dẫn bánh công tác và bề mặt vỏ xoắn, gây mòn nhanh hơn Bề mặt cánh dẫn và máng dẫn bánh công tác gia công không nhẵn cũng sẽ làm tăng khả năng bào mòn do hạt rắn gây nên và tăng khả năng ăn mòn hóa học do các hóa chất có trong dòng chất lỏng được bơm

Vật liệu chế tạo các chi tiết máy bơm, đặc biệt là bánh công tác và vỏ xoắn nếu không được lựa chọn và gia công đúng quy trình công nghệ, sẽ không đáp ứng được tuổi thọ của máy bơm theo mong muốn

2.2.2.5- Mòn do vận hành, bảo dưỡng

Một trong những yếu tố gây nên sự mòn hỏng nhanh chóng của máy bơm là do vận hành không đúng quy trình ví dụ không mồi đầy chất lỏng trong bơm, không xả hết khí trong bơm, không cho máy bơm chạy không tải vài phút lúc khởi động bơm, đóng mở khóa chắn trên ống đẩy liên tục làm thay đổi lưu lượng của bơm hoặc đóng khóa chắn một cách đột ngột sẽ gây