Tình hình sử dụng các máy bơm ly tâm bơm dòng hỗn hợp chất rắn - lỏng trên Thế giới
Lịch sử phát triển máy bơm bắt đầu từ thế kỷ I, II TCN khi người Hy Lạp sáng chế ra pitông bằng gỗ Đến thế kỷ 15, D Franxi đã đưa ra khái niệm về bơm ly tâm, và vào thế kỷ 17, một nhà vật lý người Pháp đã chế tạo thành công máy bơm ly tâm đầu tiên, mặc dù năng lực bơm còn hạn chế do thiếu động cơ mạnh Sang thế kỷ 18, hai viện sĩ Nga là Euler và Zucôpsky đã đóng góp lý thuyết quan trọng cho máy thủy lực và cơ học chất lỏng, tạo nền tảng cho nghiên cứu máy bơm Sự ra đời của máy hơi nước trong thời kỳ này đã nâng cao khả năng kéo máy bơm Đến thế kỷ 20, với sự phát triển của động cơ có số vòng quay nhanh, máy bơm ly tâm trở nên phổ biến và có hiệu suất cao, góp phần nâng cao năng suất lao động trong nhiều ngành công nghiệp.
Máy bơm ngày nay đóng vai trò quan trọng trong đời sống và các ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt trong công nghiệp Chúng được sử dụng để cung cấp nước cho lò cao, hầm mỏ và nhà máy, cũng như bơm dầu trong ngành khai thác dầu mỏ Những máy bơm này có khả năng bơm hàng vạn m³ chất lỏng mỗi giờ với công suất động cơ lên tới hàng nghìn KW Ở Nga, đã phát triển được những máy bơm có lưu lượng rất lớn.
Q = 40 m 3 /s, công suất động cơ N = 14.300 kW và có dự án chế tạo động cơ điện kéo máy bơm với công suất lên đến 200.000 kW
FLSmidth Krebs, thuộc Tập đoàn FLSmidth Minerals, nổi tiếng toàn cầu trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo thiết bị máy móc cho ngành khai thác mỏ và tuyển quặng, với một lịch sử phát triển lâu dài và đáng tin cậy.
Trong suốt 100 năm hoạt động tại Hoa Kỳ, máy bơm bùn của hãng nổi bật với tuổi thọ trung bình trên 10.000 giờ, hiệu suất vượt trội và giá thành hợp lý Những tính năng ưu việt này mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho người sử dụng.
Hình 1.1 MIUGIOG slurryMAX 10x8 tại mỏ than (Hoa Kỳ)
Hình 1.2 MillMAX 16x14 tại mỏ đồng (Zambia) MillMAX 20x18-46 tại mỏ vàng (Australia)
Bơm bùn Metso là lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp, nhờ vào vị thế của Metso là một trong những nhà sản xuất máy bơm ly tâm bùn lớn nhất thế giới Với hơn 100 năm kinh nghiệm, sản phẩm của Metso đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp được các tập đoàn khai thác mỏ toàn cầu tin dùng Những ưu điểm nổi bật như tiêu thụ năng lượng thấp, tuổi thọ cao, bảo trì dễ dàng và khả năng chịu mài mòn tốt đã khiến bơm Metso trở thành sự lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng.
Hình 1.3 Bơm ly tâm Metso trục ngang nhà máy lọc dầu Vedanta tạiLanjigarh, Orissa, Ấn Độ
Metso hiện đang chiếm khoảng 40% thị phần trong ngành công nghiệp khai thác mỏ, dẫn đầu thị trường và đã mở rộng hoạt động sang tất cả các phân đoạn của ngành này.
Với 800 sản phẩm đa dạng, chúng tôi tự hào là nhà cung cấp đáng tin cậy, cung cấp giải pháp cho các ngành công nghiệp khoáng sản, than, xây dựng, chất thải và tái chế, điện và hóa chất.
Bơm HM, HR, VS được thiết kế để nâng cao khả năng bơm bọt, hoạt động dựa trên nguyên tắc tách thuỷ bằng cơn lốc do cánh quạt quay tạo ra Quá trình này giúp tách không khí khỏi bùn, dẫn đến hiệu suất bơm cao hơn và hoạt động êm ái, giảm rung động nhờ vào việc khóa không khí Bơm bùn Metso nổi bật với độ tin cậy cao, chi phí vận hành thấp, dễ bảo trì và hiệu suất thủy lực tốt, mang lại lợi ích tiết kiệm điện và giảm tải trọng trục, từ đó gia tăng tuổi thọ cho vòng bi.
Hình 1.4 Bơm ly tâm Metso trục ngang nhà máy lọc dầu Vedanta tạiLanjigarh, Orissa, Ấn Độ
Các ngành công nghiệp ưu tiên sử dụng máy bơm Metso nhờ vào tuổi thọ bơm cao, dễ dàng lắp ráp và khả năng tiết kiệm điện năng vượt trội, lên đến hơn 50% so với máy bơm thông thường.
Bơm Metso được thiết kế đặc biệt để chịu đựng môi trường làm việc khắc nghiệt, với tính năng lót cao su giúp tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của các bộ phận bơm Đây là lựa chọn lý tưởng cho hệ thống thủy lực, đặc biệt khi bơm các chất rắn thô mài mòn và vật liệu có tính axit Máy bơm bùn Orion HR phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong ngành công nghiệp.
Vận chuyển Than và tro nhà máy điện
Bơm chất thải làm việc ở môi trường có tính ăn mòn cao
Công nghiệp chế biến hóa chất có sự ăn mòn cao
Trong nhà máy tuyển quặng dùng bơm chuyển bùn
Khai thác mỏ và chế biến khoáng sản
Tình hình sử dụng các máy bơm ly tâm bơm dòng hỗn hợp chất rắn - lỏng ở Việt Nam
Mỏ than Cọc Sáu - Quảng Ninh
Mỏ đã sử dụng bơm bùn loại 12BB trên tàu hút bùn HB-16A của Nhà máy cơ khí Duyên Hải, Hải Phòng để nạo vét lòng moong với lưu lượng 150m³/h và cột áp 140m Bơm hoạt động với hỗn hợp chứa 25-40% thể tích các hạt rắn như cát, sỏi, đá, than, với kích thước hạt lên đến 40mm Thời gian phục vụ trung bình của bánh công tác là 70-80 ngày, trong khi vỏ bơm khoảng 150 ngày Tuy nhiên, tình trạng mòn hỏng của bánh công tác rất nghiêm trọng, với các cánh dẫn bị mòn, thủng nặng và cường độ mài mòn gia tăng, đặc biệt ở đĩa sau Các cánh dẫn bị thủng, vỡ ở mép vào và mòn sâu lên đến 65mm ở mép ra, trong khi phần đĩa sau bị mòn xước với độ sâu tới 2mm Mặt sau của đĩa cũng bị mòn sâu thành rãnh vòng kín, và đĩa trước mòn nhiều ở mép ra gần cánh dẫn, cho thấy cường độ mài mòn lớn nhất tập trung ở mép vào và giáp đĩa sau.
Hiện nay mỏ đang dùng các loại máy bơm để thoát nước là: Д 1250 -
Bánh công tác của các máy bơm như 125, Z500, MD 500-57, và Đ 2000-100 có tuổi thọ trung bình khoảng 2500 - 3000 giờ, trong khi vỏ xoắn có thể đạt tới 4000 giờ Hình 1.5.c minh họa tình trạng mòn hỏng của bánh công tác máy bơm Z500, bao gồm các loại máy bơm khác như 5ΓP-8T, 12BB, và Warman100EF-MP.
Hình 1.5 (a,b,c,d) Sự mòn hỏng BCT của các máy bơm ly tâm e BCT bơm OzionN200/150F f BCT bơm Π b315/40
Hình 1.5 (e,f) Sự mòn hỏng BCT của các máy bơm ly tâm
Hình 1.5 (k,l,,m,n,p) Sự mòn hỏng BCT của các máy bơm ly tâm
Nhà máy tuyển quặng Apatít Lào Cai
Nhà máy tuyển quặng Apatit Lào Cai đã áp dụng máy bơm ly tâm cho nhiều công việc trong quy trình chế biến và vận chuyển bùn quặng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Máy bơm Γ PY 800/40 được thiết kế để bơm hỗn hợp bùn quặng Apatit từ bể chứa quặng 16 sang bể chứa quặng 1301-1304 Nồng độ chất rắn trong dòng hỗn hợp dao động từ 14-16%, với kích thước hạt tối đa ≤0,74 mm Bánh công tác và vỏ máy bơm được chế tạo từ gang CЧ X28H2, đảm bảo độ bền và hiệu suất cao trong quá trình vận hành.
Tuổi thọ của bánh công tác là 1300 -1500 giờ, vỏ xoắn ốc là 2000-2500 giờ
- Máy bơm OZION 200/150F: Loại này dùng để bơm sản phẩm sau nghiền về bể chứa bùn quặng, với nồng độ thể tích hạt rắn là 25-26%, cỡ hạt
Bánh công tác và vỏ xoắn của máy bơm được chế tạo từ gang đúc CЧ X28H2, với tuổi thọ của bánh công tác từ 1000 đến 1200 giờ và vỏ xoắn từ 1500 đến 1800 giờ Hiện tượng mòn hỏng của bánh công tác được minh họa qua hình ảnh (Hình 1.5.e).
Máy bơm Πb315/40 được sử dụng tại trạm bơm trung gian để vận chuyển quặng đuôi cho dây chuyền tuyển tinh lên dây chuyền tuyển chính, với nồng độ chất rắn từ 18-25% và kích thước hạt nhỏ hơn 0,74 mm Tuổi thọ của bánh công tác ước tính từ 1500 đến 1800 giờ, trong khi vỏ xoắn có tuổi thọ lên tới 2700 giờ Hiện tượng mòn hỏng của bánh công tác máy bơm được minh họa qua hình ảnh (Hình 1.5.f).
- Máy bơm HB250/56: Dùngđể bơm hỗn hợp bùn quặng từ bể chứa 1301 và
Máy bơm 1304 sang giàn tuyển có nồng độ vận tải chất rắn trong dòng hỗn hợp từ 38-44% với kích thước hạt nhỏ hơn 0,74 mm Bánh công tác và vỏ máy bơm được chế tạo từ gang CЧ X 28H2, với tuổi thọ bánh công tác từ 1200 đến 1500 giờ và vỏ xoắn từ 2300 đến 2500 giờ Hiện tượng mòn hỏng của máy bơm được minh họa qua hình ảnh (Hình 1.5.k).
- Máy bơm X280/72: Loại này dùng để bơm quặng tinh từ bể chứa 1306 sang phân xưởng lọc Nồng độ chất rắn trong dòng hỗn hợp từ 28-42%, cỡ hạt
Bánh công tác và vỏ xoắn của máy bơm được sản xuất từ gang đúc CЧ X28H2 với kích thước ≤0,74mm Tuổi thọ dự kiến của bánh công tác dao động từ 850 đến 1000 giờ, trong khi vỏ xoắn có tuổi thọ khoảng 2000 giờ Hiện tượng mòn hỏng của bánh công tác được minh họa qua hình ảnh (Hình 1.5.l).
Nhà máy tuyển than Vàng Danh
Tại nhà máy tuyển than Vàng Danh đã và đang sử dụng các loại máy bơm vào những công việc sau:
Trạm bơm huyền phù tiêu chuẩn hiện nay sử dụng máy bơm WARMAN 100EE-MP của Nam Phi thay cho máy bơm 8C8 trước đây Máy bơm này được thiết kế để xử lý hỗn hợp huyền phù có mật độ ρHP đạt 1900kg/m³, với tỷ lệ chất rắn C t từ 20-30% và mật độ ρh (Fe₃O₄) dao động từ 4500-4800kg/m³.
Hiện tượng mòn hỏng máy bơm này được thể hiện qua ảnh chụp (Hình 1.5.g) Còn sự mòn hỏng bánh công tác của máy bơm 8C8 được thể hiện trên (Hình 1.5.m)
- Trạm bơm huyền phù không tiêu chuẩn: Dùng máy bơm Πb-100/31,5 bơm hỗn hợp có ρ hh = 1300 - 1400kg/m 3
Nhà máy tuyển than Hòn Gai
Hệ thống bơm ly tâm tại nhà máy tuyển than Nam Cầu Trắng, thuộc Công ty Tuyển Than Hòn Gai, bao gồm 48 bơm chuyên dụng để bơm dòng hỗn hợp chất rắn - lỏng Các bơm này chủ yếu được nhập khẩu từ Australia với thương hiệu Metso, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ bơm tuyển than.
Máy bơm DENVER-ORION gồm 31 chiếc với các loại HM-100, HM-150, HM-200, HM-250, HM-550, HR-200 và HG-150, được sử dụng để bơm hỗn hợp chất rắn-lỏng như Fe3O4, than nguyên khai và nước lên xilclon xoáy lốc để tuyển tách than Nồng độ chất rắn trong hỗn hợp đạt khoảng 40-45%, với kích thước hạt than lên đến 60mm Tuổi thọ của bơm khoảng 4500-6000 giờ, trong khi vỏ bơm có tuổi thọ khoảng 6500 giờ Khi máy bơm bị mòn hỏng, Nhà máy sẽ tiến hành thay thế.
Tình hình s d ng máy b m ly tâm b m c p li u Công
Sơ lược về Công ty tuyển than Cửa Ông
Công ty Tuyển than Cửa Ông, thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam, chuyên vận chuyển than mỏ bằng đường sắt để phục vụ cho việc sàng tuyển, chế biến và phân loại các sản phẩm chất lượng cao Công ty có ba nhà máy sàng tuyển với công suất 12 triệu tấn/năm và hai tuyến đường sắt dài hơn 30km, đi qua 12 phường của thị xã, nhằm đáp ứng nhu cầu xuất khẩu và tiêu dùng trong nước.
Hình 1.6 Truyền tải than xuống tàu cho tàu hàng ở cảng Cửa Ông
Cẩm Phả sở hữu hệ thống vận chuyển than hiện đại với giá trị hàng nghìn tỉ đồng và gần 5000 cán bộ công nhân viên có trình độ cao Công ty Tuyển than Cửa Ông đã khai thác hiệu quả năng lực sản xuất, luôn hoàn thành và vượt mức kế hoạch xuất khẩu than, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong và ngoài nước với chất lượng ngày càng cao Năm 2009, mặc dù gặp khó khăn do khủng hoảng kinh tế toàn cầu, công ty vẫn duy trì sự đồng thuận nội bộ, phát huy truyền thống anh hùng, đảm bảo an ninh chính trị và an toàn lao động, không để xảy ra tai nạn lao động Kết quả năm 2009, công ty thực hiện 11.421.000 tấn than kéo mỏ, tiêu thụ 10.860.000 tấn than, doanh thu đạt 6.800 tỉ đồng.
Hình 1.7 Hệ thống chứa bùn nước được xử lý theo công nghệ của Nhật Bản
Công nghệ sản xuất chính ở Công ty tuyển than Cửa Ông
Công nghệ sản xuất chính của Công ty được chia ra 3 khâu chính:
* Khâu vận tải than mỏ:
- Nhiệm vụ: Vận chuyển than từ các mỏ than Cọc Sáu, Đèo Nai, Cao
Sơn, Thống Nhất, Dương Huy … về bằng đường sắt:
Than nguyên khai được cấp vào kho cấp liệu để cung cấp cho nhà máy tuyển, trong khi than thành phẩm được lưu trữ tại các kho Bến 1, Bến 2 và Bến 3 để chờ tiêu thụ.
- Tổ chức sản xuất: Khâu này được đảm bảo:
Phân xưởng vận tải đảm nhận việc bố trí đầu máy TYTE và toa xe để vận chuyển than nguyên khai và than sạch từ mỏ về nhà máy Nhiệm vụ chính của phân xưởng là cấp than nguyên khai và thải đá cho nhà máy tuyển.
+ Phân xưởng đường sắt: Sửa chữa lắp mới, duy trì hệ thống đường sắt
Khâu sàng tuyển là công nghệ cốt lõi và là giai đoạn quan trọng nhất trong quy trình của Công ty, đóng vai trò quyết định đến năng suất và chất lượng của các loại than.
+ Có 3 Phân xưởng tuyển than : số 1, số 2, số 3
Phân xưởng tuyển than 2 sở hữu qui trình thiết bị hiện đại theo công nghệ tuyển rửa của Úc, với dây chuyền đồng bộ và tiên tiến nhất Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, việc sửa chữa và thay thế thiết bị lại diễn ra không đồng bộ.
Công nghệ sản xuất dây chuyền này bao gồm tuyển lắng, tuyển huyền phù và lọc ép, đáp ứng nhu cầu thị trường về cả mặt hàng và lượng Công suất tuyển than của công ty đạt gần 12.000.000 tấn/năm, với dây chuyền sản xuất được chia thành 3 khu vực khác nhau.
Than từ các mỏ Cẩm Phả được vận chuyển bằng toa xe và đổ vào hố cấp liệu Tại đây, than được xử lý qua thiết bị rót và sàng sơ bộ, sau đó sản phẩm được phân loại thành hai nhánh.
Sản phẩm sau khi được sàng lọc sẽ được đưa qua băng tải, trong đó các tạp chất gỗ sẽ được nhặt thủ công Đất đá có kích cỡ lớn sẽ được xử lý bằng hai máy đập sơ bộ, sau đó sẽ được chuyển đến hai loại băng cấp cho máy lắng hoặc đưa qua máy ST1 để đổ xuống kho bến (kho cấp liệu).
+ Sản phẩm dưới sàng (-100) được đưa thẳng xuống băng cấp cho máy lắng hoặc ST1 đổ xuống kho cấp liệu
- Khu vực tuyển: Là một khâu quan trọng nhất trong nhà máy tuyển, nó quyết định năng suất và chất lượng sản phẩm
Công nghệ tuyển than bằng máy lắng sử dụng than có cấp hạt 90-100mm để tách thành các sản phẩm bao gồm than, bìa và đá Than sau đó được phân cấp qua hệ thống sàng, tạo ra các kích cỡ sản phẩm như cục +35mm, 15-35mm, và 6-15mm Đối với cấp hạt 1-6mm, sản phẩm sẽ được xử lý qua máy ly tâm hoặc đổ vào thùng tập trung, trong khi cấp hạt 1mm sẽ được đưa vào thùng chính của máy thổi, nơi được bơm xoáy lốc để phân loại.
Luồng phía dưới bao gồm các vật liệu thô được đưa vào máng xoắn, sau đó được chia thành hai dòng riêng biệt: sản phẩm và phế liệu Các hạt rắn được thu hồi thông qua quá trình xoáy lốc cô đặc và sàng lọc nước.
Công nghệ tuyển bằng xoáy lốc huyền phù là phương pháp hiệu quả để rửa lại sản phẩm đã tuyển lắng với kích thước hạt từ 6-15 mm hoặc 1-6 mm Trong quá trình này, than được bơm vào máy xoáy lốc huyền phù và được chia thành hai luồng.
Luồng trên xử lý than sạch qua sàng cong và sàng rung để thu hồi ma nhê tít và khử nước, sau đó bơm huyền phù trở lại bể huyền phù Trong khi đó, luồng dưới bao gồm đá thải cũng được xử lý qua sàng cong và sàng rung nhằm thu hồi ma nhê tít và khử nước.
- Khâu lọc ép: Là bộ phận phù trợ của khâu tuyển làm nhiệm vụ sử lý các sản phẩm của khâu tuyển
Công đoạn lọc ép bắt đầu khi nước bùn từ tuyển được bơm lên bể chứa qua hệ thống van Tại đây, bùn sẽ được đưa vào hệ thống lọc ép, và sản phẩm từ quá trình này sẽ được tách thành hai nhánh khác nhau.
+ Bùn được đưa qua các băng ra cửa tháo đổ ra ôtô hoặc đổ đống + Nước được bơm lên bể
Tháo sản phẩm bao gồm việc chuyển than sạch từ các phễu rót trong khu vực tuyển xuống băng tải và đưa ra kho, trong khi đá được rót từ phễu chứa đá xuống các băng tải để chuyển tới bộ phận thải đá.
1.3.3 Tình hình sử dụng máy bơm ly tâm dùng để bơm cấp liệu tuyển than ở Công ty tuyển than Cửa Ông
Hiện nay, các máy bơm của Oxtraylia như 150/100F-CSA, 200/100F-CSA, 200/150F-CSA, và Metso như VS50L180C5HC, HM200EHC - SC5 được sử dụng để bơm dòng hỗn hợp rắn-lỏng, bao gồm Fe3O4, than nguyên khai và nước, với nồng độ chất rắn từ 30%-40% và cỡ hạt than lên đến 50mm Tuổi thọ của bánh công tác trong các máy bơm này dao động từ 4000-5000 giờ, trong khi vỏ bơm có tuổi thọ khoảng 6000 giờ Hiện tượng mòn hỏng bánh công tác của bơm 200/150F-CSA và 150/100F-CSA được minh họa trong các hình ảnh (Hình 1.10 và Hình 1.9), cũng như hiện tượng mòn của bơm bùn Metso HM200EHC - SC5 (Hình 1.11).
Hình 1.8 Máy bơm bùn tại Nhà máy tuyển than 2 Công ty tuyển than Cửa Ông
Hình 1.9 Hình ảnh mòn BCT của bơm cấp liệu 150/100F-CSA
Hình 1.10 Hình ảnh mòn BCT của bơm cấp liệu 200/150F-CSA
Hình 1.11 Hình ảnh mòn gãy BCT của bơm bùn Metso HM200EHC - SC5
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật một số loại bơm cấp liệu đang hoạt động ở
Công ty tuyển than Cửa Ông
TT TÊN THIẾT BỊ ĐỘNG CƠ ĐIỆN THÔNG SỐ KỸ THUẬT
6310 - 2Z (Vbi tương đương SKF 6311-2RS1 SKF 6310-2RS1)
- Cỡ hạt tố đa: 38mm
- Cỡ hạt tối đa: 60mm
- Cỡ hạt tối đa: 65mm
- Cỡ hạt tối đa: 60mm
- Góc vào và góc ra cánh dẫn β 1 /β 2
- Bán kính VXO r v,min /r v,max , mm: 247/438
- Vật liệu chế tạo máy bơm : thép trắng bọc cao su
- Cỡ hạt tối đa: 38 mm
- Góc vào và góc ra cánh dẫn β 1 /β 2
- Bán kính VXO r v,min /r v,max , mm: 308/412
Vật liệu chế tạo máy bơm : thép trắng bọc cao su
Nghiên cứu các loại vật liệu trong dòng hỗn hợp bơm cấp liệu tuyển than ở Công ty Tuyển than Cửa Ông
Đặc điểm: Các loại vật liệu trong dòng hỗn hợp bơm tuyển gồm các thành phần hạt rắn phức tạp như Fe 3 0 4 , than, đá, cát sỏi, bùn đất
các thành phần hạt rắn phức tạp như Fe 3 0 4 , than, đá, cát sỏi, bùn đất
2.1.2 Kích thước, khối lượng riêng và nồng độ vận tải của các thành phần chất rắn:
- Thành phần Fe 3 0 4 : d≤0.1mm, ρ h = 4500÷5000kg/m 3 , C v = 12÷18%
- Thành phần than: d h = 35÷60mm,ρ h ≈1000kg/m 3 , C v = 30÷40%;
- Thành phần than: dh = 15÷35mm,ρ h ≈1100kg/m 3 , Cv = 35÷40%;
- Thành phần than: d h = 0÷15mm,ρ h ≈1250kg/m 3 , C v = 35÷45%;
Ngoài 2 thành phần chính trên, hỗn hợp này còn có lẫn sỏi, cát, bùn đất với tỷ lệ khoảng 4÷7% Khối lượng riêng trung bình của các thành phần chất rắn này vào khoảng 1200÷1450kg/m 3
2.1.3 Nhận xét về tình trạng mòn hỏng các máy bơm dùng bơm cấp liệu làm việc ở Công ty tuyển than Cửa Ông
Qua khảo sát tình trạng mòn hỏng của các máy bơm cấp liệu tuyển than, chúng tôi nhận thấy chúng thường gặp phải các dạng mòn hỏng khác nhau.
- Vùng mòn nhiều nhất là vị trí mép vào cánh dẫn, cường độ mài mòn tăng từ đĩa trước sang đĩa sau, theo chiều rộng của bánh dẫn
Mép ra của cánh mòn không đều và phụ thuộc vào môi trường làm việc của từng máy bơm, thường mòn nhiều ở vùng sát đĩa sau Đặc biệt, đối với các máy bơm hoạt động trong môi trường có hạt rắn lớn (từ 8-70mm) như bơm 200/150F-CSA, 300/250F-CSA, và Metso HM200EHC - SC5, mép vào mòn chủ yếu ở vùng giáp đĩa sau, trong khi mép ra lại mòn nhiều ở vùng giáp đĩa trước.
Bề mặt làm việc của cánh dẫn bị mòn không đồng đều cả về chiều dài và chiều rộng Cường độ mài mòn tăng lên theo chiều dài, đặc biệt ở mép ra của cánh dẫn, trong khi đó, theo chiều rộng, cường độ mài mòn phát triển chủ yếu ở đĩa sau.
- Bề mặt không làm việc ít bị mài mòn, nhưng mòn đều hơn và ở dạng vảy nhỏ
- Mặt trong của đĩa trước mòn đều ở dạng vảy nhỏ, ở vùng mòn cục bộ là nơi tiếp giáp mép vào
Một số máy bơm như 150/100F-CSA, 200/150F-CSA, và Metso HG150EHC có thể gặp hiện tượng mòn ở mặt ngoài đĩa sau, đặc biệt là khu vực xung quanh moay ơ Nguyên nhân chính là do khe hở lớn giữa đầu cánh dẫn và thành chu vi của vỏ, khiến các hạt rắn lọt vào bên ngoài đĩa sau, tạo ra vùng xoáy và gây mài mòn quanh moay ơ.
Vỏ xoắn của máy bơm thường bị mòn đều theo chu vi, với cường độ mòn tập trung ở tiết diện cuối cùng và lưỡi chắn tiếp giáp với miệng đẩy Khi bánh công tác và vỏ xoắn được làm từ cùng một vật liệu, tuổi thọ của bánh công tác chỉ đạt khoảng 1/2 đến 1/3 so với tuổi thọ của vỏ bơm.
2.2 Nguyên lý về sự mài mòn thuỷ lực:
Sự phá hủy các chi tiết máy bơm dòng hỗn hợp rắn - lỏng trong quá trình mài mòn thủy lực chủ yếu do tác động cơ học của các hạt rắn, hay còn gọi là hạt mài, khi chúng được vận chuyển trong dòng chảy Quá trình này làm thay đổi hình dạng, kích thước và khối lượng của các chi tiết máy, dẫn đến giảm thể tích hoặc khối lượng của chúng Sự mài mòn và phá hủy các chi tiết của máy bơm bùn xảy ra do va đập liên tục của các hạt mài lên bề mặt công tác, trong đó năng lượng gây biến dạng và phá vỡ vật liệu đến từ động năng của hạt mài, phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc của chúng.
Trong đó: k1 - hệ số tỷ lệ; m - khối lượng hạt, kg; ch -tốc độ chuyển động của hạt, m/s
Sự va đập liên tục của các hạt rắn lên bề mặt chi tiết có thể gây biến dạng đàn hồi và dẫn đến phá hủy bề mặt do hiện tượng mỏi và mòn vật liệu Quá trình này xảy ra do sự lặp lại của các hạt rắn, làm tăng cường độ mài mòn của vật liệu, phụ thuộc vào năng lượng của hạt Nếu dòng chảy mang hạt là môi trường hoạt tính hóa chất, quá trình phá hủy bề mặt chi tiết sẽ gia tăng, do bề mặt luôn có lớp oxy hóa và dễ bị tổn thương bởi va đập Sự lặp lại giữa lớp oxy hóa và phá hủy của hạt rắn làm tăng cường độ mài mòn Ka-rê-lin đã đưa ra công thức tính cường độ mài mòn tỷ lệ với động năng của hạt rắn.
∆ , kg/s (2-2) ở đây: k' 1 - là hệ số thực nghiệm
Số lượng hạt mài N tiếp xúc với bề mặt chi tiết trong thời gian t được xác định theo công thức:
Công thức tính tổng hao mòn chi tiết máy sau thời gian làm việc t được xác định bởi N = k2.Cv.vhh.t (2-3), trong đó k2 là hệ số phụ thuộc vào phương pháp vận tải của dòng chảy mang hạt, Cv là nồng độ thể tích của các hạt rắn trong dòng hỗn hợp tính bằng phần trăm, và vhh là vận tốc trung bình của dòng hỗn hợp tính bằng mét trên giây.
Có thể cho rằng vận tốc của các hạt rắn tỷ lệ với vận tốc chảy của dòng hỗn hợp, tức là: c h = k 3 v hh
Cường độ mài mòn của chi tiết phụ thuộc vào khối lượng và nồng độ của hạt trong dòng chảy, thời gian va đập của hạt, và có tỷ lệ bậc ba với vận tốc dòng chảy Tuy nhiên, vận tốc và áp suất của dòng chảy luôn thay đổi, khiến cho các hạt rắn di chuyển vào máy bơm không đồng đều và có vận tốc khác nhau theo tiết diện chảy Do đó, việc xác định chính xác tác động của các hạt rắn lên chi tiết máy là rất khó khăn.
Cánh dẫn cong của máy bơm tạo ra dòng chảy vòng, khiến cho lưu chất trong bơm ly tâm di chuyển theo phương trục và thoát ra theo phương kính Dòng chảy vòng này phát sinh lực ly tâm, làm các hạt rắn bị văng ra và va chạm vào các chi tiết máy, dẫn đến việc chúng bị tách khỏi quỹ đạo chuyển động Do đó, lực ly tâm có thể gây ra lực phá hủy lên bề mặt các chi tiết Hơn nữa, khối lượng của hạt rắn m trong công thức (2-4) cũng phản ánh ảnh hưởng của kích thước hạt, theo mối quan hệ đã chỉ ra.
Trong đó: q - thể tích hạt, dm 3 ρh - khối lượng riêng của hạt (kg/dm 3 ) g - gia tốc trọng trường, m/s
(trong trường hợp này ρnước = 1)
Thể tích hạt rắn tỷ lệ bậc ba với đường kính hạt, cụ thể là q tỷ lệ với d h^3 Cường độ mài mòn của chi tiết phụ thuộc vào các thông số cấu tạo của chi tiết máy mà dòng hạt chảy xung quanh Nếu chi tiết được làm từ vật liệu có độ cứng cao hơn hạt mài, sự phá hủy sẽ xảy ra do ứng suất mỏi qua quá trình biến dạng liên tục ở lớp bề mặt, gây ra bởi va đập nhiều lần của các hạt rắn Từ thực nghiệm, Kôrưlep S.P đã đưa ra công thức tính độ mài mòn của chi tiết.
∆G = C1.N.vh n, kg (2-7) Trong đó: C1 - hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu chi tiết
N - số hạt có trong thể tích tính toán n - số mũ xác định từ thực nghiệm ( n = 2,1 - 2,3) v h - tốc độ va đập của hạt mài vào chi tiết
Theo nghiên cứu của Finkensgây, khi vận tốc dòng mang hạt nhỏ, sự phá hủy kim loại trong máy thủy lực chủ yếu do quá trình ăn mòn điện hóa Ngược lại, khi vận tốc dòng chảy tăng, sự mài mòn bề mặt chi tiết vật liệu chủ yếu là do tác động cơ học của các hạt mài, trong khi ăn mòn điện hóa trở nên không đáng kể.
Nghiên cứu của Stauffer W.A cho thấy trong môi trường nước có chứa hạt rắn, tác động cơ học và hóa học liên quan chặt chẽ với nhau; khi giảm cường độ tác động hóa học, cường độ tác động cơ học cũng sẽ giảm theo Thí nghiệm của ông chỉ ra rằng, trong nước với hạt rắn có độ cứng 100kg/mm², nhôm sạch có khả năng chống mòn cao hơn cả thép Crôm cao đã được tôi, loại X12 Hơn nữa, Finkensgây cho rằng quá trình mài mòn thủy lực diễn ra thông qua việc nhiều lần làm xước bề mặt vật liệu bởi các hạt mài một cách liên tục.
Xupơsun cho rằng sự mài mòn thủy lực trong máy bơm xảy ra do nhiều yếu tố, bao gồm vận tốc dòng mang hạt, kích thước hạt mài, cấu trúc chi tiết máy không hợp lý và nồng độ hạt mài quá cao.
Tóm lại, khi nghiên cứu về đặc trưng mài mòn trong máy thuỷ lực do dòng mang hạt bao quanh, Karêlin đã đưa ra các dạng mòn như sau:
- Mòn vảy nhỏ: bề mặt có lớp vảy nhỏ, nông và thưa thớt
- Mòn dạng vảy: toàn bộ bề mặt bị tách lớp vảy không sâu
- Mòn vảy lớn: toàn bộ bề mặt bị tách lớp vảy lớn và sâu
- Mòn sâu: bề mặt tạo thành rãnh dài và sâu
- Mòn lỗ thủng hay mòn toàn bộ phần vật liệu: vật liệu bị phá huỷ trầm trọng
Nhìn chung các máy bơm ly tâm bơm cấp liệu tuyển than ở Công ty tuyển than Cửa Ông đều nằm ở cả 5 dạng mòn trên
2.3 Đặc tính chuyển động của dòng chảy mang hạt trong các máy bơm ly tâm
Ảnh hưởng của kích thước hạt rắn
Kích cỡ hạt rắn có ảnh hưởng rất lớn đề quỹ đạo chuyển động và tác động mài mòn của nó lên các chi tiết của máy bơm,
Khi máy bơm hoạt động với dòng lưu chứa các hạt rắn có kích thước khác nhau, có thể xác định đường kính tính toán của các hạt này bằng các công thức nhất định.
Theo Li W.G., công thức tính toán dn = f.dh.tb, trong đó dh.tb là đường kính trung bình của hạt rắn và f là hệ số hình dáng của hạt rắn, được xác định qua thực nghiệm Đối với hạt hình cầu hoặc có kích thước nhỏ (dh.tb < 5mm), hệ số f được lấy là 1 Ngược lại, nếu hạt không phải hình cầu hoặc có kích thước lớn (dh.tb ≥ 5mm), f sẽ được chọn trong khoảng từ 0,6 đến 0,8.
Trong đó: N i - là số hạt rắn có đường kính tương ứng là d i
Nghiên cứu của Xupơrun đã chỉ ra rằng kích thước hạt mài ảnh hưởng đến độ mài mòn của bánh công tác trong các bơm 5Γp-8 và 10Γ py-8T Đồ thị ∆G = f (dhtb) cho thấy rằng khi kích thước hạt mài (d h,tb) tăng lên, độ hao mòn của bánh công tác cũng tăng theo.
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khi độ dày trung bình của bánh công tác (d h,tb) đạt từ 16-20mm, độ mòn của bánh công tác tăng gấp 4-6 lần so với trường hợp d h,tb chỉ là 0,5 mm.
Hình 2.4 Ảnh hưởng của đường kính hạt rắn đến sự mài mòn bánh công tác máy bơm ly tâm
Cũng từ đồ thị, đường cong ⎟⎟
Độ lớn hạt rắn có ảnh hưởng đáng kể đến độ mài mòn của mép vào và mép ra của cánh dẫn trong bơm 10Γ py-8T Khi kích thước hạt tăng, mép vào của cánh dẫn thường bị mòn nhanh hơn mép ra Điều này cho thấy rằng kích thước hạt rắn trong dòng chảy bơm có tác động lớn đến vị trí mài mòn của bánh công tác Ngoài ra, đường kính trung bình của hạt rắn cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến mài mòn của vỏ xoắn bơm, với tỷ lệ giữa độ mài mòn thành bên và độ mòn thành chính diện có ý nghĩa quan trọng trong quá trình vận hành.
Trong công thức ∆ γ γ γ (2-11), γh và γn đại diện cho trọng lượng riêng của hạt rắn và nước, trong khi a y và b y là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vị trí đặt rãnh xoắn thông qua góc αi của vỏ xoắn.
Ảnh hưởng của nồng độ hạt rắn
Cường độ mài mòn của bơm bùn tăng khi nồng độ hạt mài trong dòng mang hạt tăng Độ mài mòn của vật liệu chi tiết phụ thuộc vào nồng độ hạt, được xác định theo công thức [13].
∆G = a.CT k, kg/ph hoặc kg/h ở đây: C T k - nồng độ vận tải hạt rắn trong dòng chảy, T/m 3 ; a, k - các hệ số xác định bằng thực nghiệm
Theo kinh nghiệm cho biết khi bơm làm việc trong môi trường lưu thể là cát thì nồng độ vận tải cát cho phép từ 1,1 - 1,3 T/m 3
Ảnh hưởng của khối lượng riêng hạt rắn
Theo {10} hệ số mài mòn bánh công tác của máy bơm ly tâm bơm dòng hai pha rắn, lỏng được xác định trong công thức sau: sin [ 2 cos ] ;
Hệ số ma sát giữa hạt rắn và bề mặt vật liệu được ký hiệu là à, trong khi khối lượng riêng của hạt rắn được ký hiệu là ρh Tốc độ của trục quay bánh công tác được ký hiệu là ω, và bán kính trong cùng bán kính ngoài của bánh công tác lần lượt được ký hiệu là r1 và r2 Lưu lượng của dòng hỗn hợp được ký hiệu là Qhh, và góc vào cánh dẫn của bánh công tác là β1 Bán kính vị trí của hạt rắn trên bề mặt cánh dẫn so với tâm bánh công tác được ký hiệu là r Năng lượng riêng của dòng hỗn hợp được ký hiệu là E hh, trong khi tốc độ tương đối của hạt rắn được ký hiệu là Wh và được xác định theo một mối quan hệ cụ thể.
Hệ số cản động học của hạt rắn được ký hiệu là Cα, trong đó α là hệ số hấp thụ, Ah là diện tích cản của hạt rắn, g là gia tốc trọng trường và Vh là thể tích của hạt rắn.
Hình.2.5 Sơ đồ kết kết B.C.T Hình 2.6 Các vị trí mài mòn trên máy bơm ly tâm bề mặt cánh dẫn B.C.T
- W hh là tốc độ tương đối của dòng hỗn hợp
- ∆β là góc tạo bởi Wh và Whh
Giải phương trình (2-13) bằng cách lập trình trên máy tính bằng ngôn ngữ FORTRAN với các thông số đầu vào của MBLT bao gồm lưu lượng Q (m³/h), cột áp H (m), và tốc độ quay của bánh công tác (e-mm/h) tại các vị trí bán kính r xác định Để tính toán hệ số mài mòn bánh công tác tại vị trí r bất kỳ, bề mặt cánh dẫn bánh công tác được chia thành nhiều điểm khác nhau dọc theo chiều dài và chiều rộng của nó.
Nghiên cứu cho thấy có sự giảm chiều dày (s - mm) của cánh dẫn bánh công tác tại các điểm đã chỉ định trong Hình 2.6 Để xác định độ giảm chiều dày cánh dẫn s, các yếu tố như tiêu hao năng lượng của hạt rắn, góc vào cánh dẫn bánh công tác β1, quỹ đạo của hạt rắn trong bánh công tác và đặc tính vật liệu cấu tạo bánh công tác được xem xét.
Ảnh hưởng của góc vào cánh dẫn BCT β 1
Thông qua thực nghiệm về 2 loại máy bơm ly tâm sau đây (Bảng 2.1), ta thấy được ảnh hưởng của góc vào cánh dẫn BCT β1 đến sự mài mòn BCT
Bảng 2.1 Thông số của máy bơm thực nghiệm
Các thông số đặc trưng cho máy bơm Máy bơm -1 Máy bơm-2
Vật liệu cấu tạo B.C.T Gang Gang Đường kính ngoài của B.C.T D2 (mm) 225 225 Đường kính trong của B.C.T D1 (mm) 115 115
Góc ra cánh dẫn β2 (độ) 23 23
Góc vào cánh dẫn β1 (độ) 25 39
Tốc độ quay của B.C.T (vòng/phút) 870 870
Lưu lượng Q (m 3 /h) 135 135 Đường kính hạt rắn d h , mm 1 1
Nồng độ vận tải hạt rắn CT: % 20 20
Phương pháp nghiên cứu này được áp dụng cho hai loại máy bơm ly tâm với sự khác biệt duy nhất là góc vào cánh dẫn bánh công tác β1, trong khi các thông số khác vẫn giữ nguyên Để tăng tuổi thọ cho máy bơm, việc hạn chế mòn hỏng và đảm bảo sự phân bố đều của mài mòn trên toàn bộ bề mặt cánh dẫn bánh công tác là một trong những vấn đề quan trọng cần được chú ý.
Kết quả tính toán về sự mài mòn cánh dẫn bánh công tác cho hai loại máy bơm ly tâm được thể hiện qua các đồ thị trong Hình 2.7, được chia theo các điểm trong Hình 2.6.
Hình 2.7 Sự mài mòn bề mặt cánh dẫn do ảnh hưởng góc vào
Theo Hình 2.7, ở tất cả các điểm chia trên bề mặt cánh dẫn bánh công tác (từ điểm chia 1 đến 35), máy bơm (1) với góc vào cánh dẫn nhỏ hơn (β1 = 25°) luôn có hệ số mài mòn (e) lớn hơn so với máy bơm (2) có góc vào cánh dẫn lớn hơn (β1 = 39°) Điều này xảy ra vì khi góc vào cánh dẫn bánh công tác nhỏ, quỹ đạo hạt rắn sẽ va đập sớm và nhanh hơn vào bề mặt cánh dẫn, dẫn đến số lượng hạt rắn va đập và cọ xát nhiều hơn Tuy nhiên, nếu góc vào cánh dẫn quá lớn, áp suất mà MBLT tạo ra sẽ bị giảm.
Ảnh hưởng của góc chảy tới α
Góc chảy tới là góc giữa véc tơ vận tốc của hạt rắn và bề mặt chi tiết công tác của máy bơm, và độ lớn của nó phụ thuộc vào điều kiện chảy của dòng mang hạt cũng như đặc tính chuyển động của hạt rắn Hình 2.8 minh họa mối quan hệ giữa cường độ mài mòn và góc chảy tới α của ba loại vật liệu khác nhau, dựa trên kết quả thí nghiệm của Karelin.
Cường độ mài mòn của chi tiết mẫu thép và cao su thay đổi theo góc α, với mẫu thí nghiệm là thép đã tôi có độ cứng 840 kg/mm².
2- Thép chưa tôi có độ cứng 128 kg/mm 2
3- Cao su có độ cứng Sofu 70-74
Dòng chảy hạt cát thạch anh kích thước 0,2 - 1,5 mm với vận tốc 100m/s tạo ra bởi thiết bị phun cát có ảnh hưởng lớn đến cường độ mài mòn của các vật liệu Khi góc α>60 độ, thép đã tôi có cường độ mài mòn cao hơn so với thép không tôi và cao su, do tính giòn của thép tôi khiến nó không chịu được tác động va đập thẳng Tại góc 90 độ, thép bị biến dạng đàn hồi và nhanh chóng bị phá huỷ Ngược lại, khi góc α