Luận văn thạc sĩ đánh giá thông số kỹ thuật máy sàng rung tách nước tại Công ty Apatit Lào Cai

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến năng suất tách nước của máy sàng rung tại Công ty Apatit Lào Cai, đề xuất giải pháp tối ưu hóa.

• Tác giả: Mai Duy Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thanh Nga
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật đến khả năng làm việc của máy sàng rung tách nước tại Công ty Apatit Lào Cai
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy sàng rung tách nước tại Apatit Lào Cai

Máy sàng rung tách nước đóng vai trò then chốt trong dây chuyền tuyển khoáng. Thiết bị xử lý bùn thải sau tuyển nổi tại Công ty Apatit Lào Cai. Quá trình này giúp thu hồi nước tuần hoàn và làm khô bã quặng. Nhu cầu xử lý quặng mịn ngày càng tăng cao. Lượng bùn thải chứa hàm lượng hạt mịn rất lớn. Việc tách nước hiệu quả giúp giảm áp lực cho các hồ chứa thải. Đồng thời, công nghệ này ngăn ngừa nguy cơ ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước ngầm. Cấu tạo máy sàng gồm khung sàng, lưới sàng và cụm kích rung tạo dao động. Động cơ rung tạo lực quán tính tuần hoàn. Lực đẩy tác động khiến hỗn hợp bùn quặng chuyển động liên tục trên mặt phẳng lưới. Pha lỏng lọt qua các khe hở của mắt lưới xuống phễu thu. Pha rắn chuyển động dần về phía đầu xả nhờ góc dốc và quán tính rung. Năng suất tách nước phụ thuộc chặt chẽ vào đặc tính nguyên liệu quặng apatit đầu vào. Việc kiểm soát tốt các thông số vận hành giúp kéo dài tuổi thọ lưới sàng và ổn định dây chuyền sản xuất.

1.1. Cấu tạo cơ bản của máy sàng rung tách nước

Máy sàng rung tách nước gồm ba bộ phận cốt lõi. Khung sàng chế tạo từ thép chịu lực cao. Bề mặt sàng lắp đặt lưới kim loại hoặc lưới polyurethane chống mài mòn. Cơ cấu kích rung gồm hai động cơ lệch tâm quay ngược chiều. Lực ly tâm tạo ra dao động tịnh tiến hoặc elip. Hệ thống lò xo giảm chấn gắn dưới bệ đỡ nhằm hạn chế dao động truyền xuống nền xưởng. Bộ cấp liệu phân phối đều dung dịch bùn quặng lên đầu bề mặt lưới. Dung dịch quặng thải chảy vào tạo thành lớp bùn mỏng. Nước tự do thẩm thấu nhanh qua khe lưới. Hạt quặng giữ lại trên bề mặt tiếp tục rung xóc để thoát lượng nước liên kết trước khi đổ ra máng xả.

1.2. Vai trò công nghệ trong tuyển quặng Apatit

Tuyển khoáng apatit tại Lào Cai tạo ra khối lượng bùn thải rất lớn mỗi ngày. Đuôi quặng tuyển nổi thường chứa độ ẩm cao và tỷ lệ hạt mịn đáng kể. Nếu xả trực tiếp ra bãi thải, hồ lắng sẽ nhanh chóng quá tải. Nước thải không được thu hồi gây lãng phí tài nguyên và chi phí vận hành. Máy sàng rung tách nước là mắt xích quyết định trong công đoạn làm khô bã thải. Thiết bị giảm độ ẩm của bánh quặng xuống mức tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn. Bánh quặng khô dễ vận chuyển bằng băng tải tới bãi chứa cố định. Lượng nước thu hồi tuần hoàn tái sử dụng trực tiếp cho quá trình tuyển nổi ban đầu, giúp tối ưu hóa chu trình tài nguyên.

II. Phân tích thông số kỹ thuật máy sàng rung tách nước

Hoạt động thực tế tại Công ty Apatit Lào Cai gặp nhiều trở ngại kỹ thuật. Năng suất tách nước thực tế trước đây chỉ đạt khoảng 34,2 tấn/giờ. Con số này chưa đạt kỳ vọng của nhà máy tuyển quặng. Nguyên nhân chính bắt nguồn từ việc cài đặt thông số vận hành chưa chuẩn xác. Tần số kích rung và tần số cấp liệu chưa có sự đồng bộ nhịp nhàng. Khi lưu lượng bùn thải đưa vào quá lớn, lớp vật liệu trên mặt sàng bị dày cục bộ. Nước không kịp thoát xuống phễu thu bên dưới. Bánh quặng xả ra vẫn còn độ ẩm rất cao. Ngoài ra, hiện tượng bít tắc mắt lưới diễn ra thường xuyên. Hạt quặng apatit có đặc tính đa dạng về kích thước và hình dáng góc cạnh. Các hạt mịn dễ bị găm chặt vào lỗ lưới sàng. Diện tích thoát nước hữu dụng giảm sút nghiêm trọng chỉ sau vài giờ vận hành liên tục. Góc nghiêng mặt sàng chưa tối ưu khiến tốc độ dịch chuyển của quặng không đều. Quặng trôi quá nhanh làm giảm thời gian thoát nước. Ngược lại, nếu quặng trôi quá chậm sẽ gây quá tải động cơ và giảm độ bền mỏi kết cấu thép.

2.1. Hiện tượng bít tắc lưới sàng và ảnh hưởng hạt mịn

Bùn quặng apatit chứa lượng lớn bùn sét và hạt mịn dưới 0,074 mm. Trong quá trình sàng rung, lực căng bề mặt giữ các hạt lơ lửng lại thành màng keo. Các hạt có kích thước gần bằng khẩu độ mắt lưới rất dễ kẹt chặt. Hiện tượng này làm giảm tiết diện thoát nước tự do của sàng. Khi các mắt lưới bị che lấp, lớp quặng phía trên tạo thành vật cản ngăn nước chảy qua. Nước bị giữ lại trong khối quặng và trôi thẳng về máng thu quặng đặc. Năng suất phân tách suy giảm nhanh chóng theo thời gian làm việc. Công nhân vận hành phải dừng máy liên tục để xịt rửa bề mặt lưới. Việc dừng máy đột ngột gây gián đoạn chu trình tuyển quặng.

2.2. Sự sai lệch tương tác giữa các biến công nghệ

Quá trình sàng rung là bài toán tương tác phi tuyến phức tạp. Ba yếu tố kỹ thuật gồm tần số cấp liệu, tần số rung và góc nghiêng tác động đồng thời. Trước đây, nhà máy thường điều chỉnh thông số dựa trên kinh nghiệm chủ quan. Cách tiếp cận thủ công không xác định được điểm cân bằng động. Nếu tăng tần số cấp liệu mà tần số rung không đủ, sàng sẽ bị ngập. Nếu góc nghiêng đặt quá dốc, quặng trôi qua sàng khi chưa kịp tách nước. Ngược lại, góc dốc quá nhỏ làm tích tụ vật liệu dày đặc. Tình trạng này khiến động cơ bị quá tải nhiệt và gia tăng rung chấn lên kết cấu thép. Hiệu quả kinh tế của công đoạn tuyển khoáng bị sụt giảm.

III. Phương pháp tối ưu thông số máy sàng rung tách nước

Nghiên cứu áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại. Mô hình toán học đánh giá ảnh hưởng đồng thời của ba thông số công nghệ chính. Các biến đầu vào gồm tần số cấp liệu fc, tần số rung fv và góc nghiêng alpha. Quá trình thu thập dữ liệu diễn ra trực tiếp tại xưởng tuyển quặng Apatit Lào Cai. Phân tích thống kê Anderson-Darling kiểm định mức độ phù hợp của dữ liệu thực nghiệm. Dữ liệu gốc ban đầu có giá trị p bằng 0,016 chưa đạt phân phối chuẩn. Sau khi áp dụng công thức chuyển đổi biến số, giá trị p đạt 0,873 thể hiện độ tin cậy rất cao. Kết quả tính toán xác định được miền giá trị tối ưu cho toàn bộ hệ thống. Tần số cấp liệu thiết lập ở mức 30 Hz nhằm duy trì dòng bùn ổn định. Tần số kích rung điều chỉnh lên mức 46 Hz để tăng gia tốc hạt quặng. Góc nghiêng mặt sàng cố định ở mức 60 độ để tạo vận tốc dòng chảy lý tưởng. Sự kết hợp này triệt tiêu tình trạng ứ đọng quặng trên lưới. Nước thoát nhanh chóng và phân tách hoàn toàn khỏi hạt quặng trước khi chạm máng xả.

3.1. Thiết lập quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu

Nghiên cứu sử dụng ma trận quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố. Các thí nghiệm được bố trí khoa học nhằm giảm thiểu số lần chạy máy thử nghiệm. Tần số cấp liệu fc thay đổi ở các mức từ thấp đến cao. Tần số kích rung fv được điều khiển thông qua biến tần động cơ. Góc nghiêng alpha của mặt sàng được hiệu chỉnh bằng cơ cấu cơ khí chính xác. Kiểm định thống kê Anderson-Darling giúp loại bỏ các sai số ngẫu nhiên trong môi trường sản xuất. Biến đổi hàm toán học đưa tập dữ liệu quan sát về dạng phân phối chuẩn lý tưởng. Nhờ đó, phương trình hồi quy mô tả năng suất tách nước đạt độ tin cậy vượt trội.

3.2. Xác định bộ thông số kỹ thuật tối ưu fc fv và Alpha

Mô hình tối ưu hóa xác định bộ thông số lý thuyết gồm fc = 30 Hz, fv = 46 Hz và Alpha = 60 độ. Mức tần số cấp liệu 30 Hz tạo lưu lượng vừa đủ để tạo màng quặng mỏng. Tần số rung 46 Hz truyền gia tốc lớn giúp phá vỡ sức căng bề mặt chất lỏng. Lực quán tính hất tung hạt quặng lên không gian, ngăn chặn hiện tượng tắc mắt lưới. Góc dốc 60 độ duy trì tốc độ trượt tối ưu của vật liệu trên bề mặt sàng. Bùn quặng vừa có đủ thời gian thẩm thấu nước, vừa không gây quá tải đè nén lên lưới. Sự kết hợp ba thông số này đảm bảo quá trình thoát nước diễn ra liên tục và thông suốt.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tế máy sàng rung tách nước

Kiểm chứng thực nghiệm tại dây chuyền sản xuất ghi nhận kết quả rất tích cực. Bộ thông số tối ưu fc1/fv3/Alpha2 giúp nâng năng suất tách nước lên 37 tấn/giờ. Mức năng suất này tăng 7,9% so với chế độ vận hành cũ trước đây. Sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết nằm trong giới hạn cho phép. Bánh quặng xả ra đạt độ khô cao và kết tụ vững chắc. Nước thải thu gom có hàm lượng cặn thấp và đạt chuẩn tái sử dụng cho khâu tuyển quặng. Ứng dụng giải pháp này mang lại giá trị kinh tế trực tiếp cho doanh nghiệp. Điện năng tiêu hao trên mỗi tấn sản phẩm quặng giảm đi rõ rệt. Tuổi thọ của bề mặt lưới sàng tăng đáng kể do lực ma sát được kiểm soát tốt. Hệ thống giảm thiểu tối đa thời gian dừng máy bảo trì đột xuất. Các đơn vị tuyển khoáng có thể tham khảo trực tiếp mô hình này để cải tạo thiết bị tương tự. Việc chuẩn hóa thông số vận hành máy sàng rung là giải pháp công nghệ bền vững và hiệu quả.

4.1. Hiệu quả kinh tế và gia tăng năng suất tách nước

Năng suất thực tế tăng từ 34,2 tấn/giờ lên 37 tấn/giờ mang lại lợi ích tài chính lớn. Khối lượng bùn quặng được làm sạch nhanh hơn giúp tăng công suất toàn nhà máy. Lượng bã thải khô ráo làm giảm chi phí bốc xếp và vận chuyển ra hồ chứa. Chi phí tiêu thụ điện năng cho động cơ giảm nhờ quá trình vận hành trơn tru. Tần suất thay thế lưới sàng giảm mạnh do quặng không bị mài mòn cục bộ. Doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí bảo dưỡng định kỳ và chi phí nhân công xịt rửa. Lợi nhuận ròng của dây chuyền chế biến quặng apatit được nâng cao bền vững.

4.2. Khuyến nghị vận hành và định hướng mở rộng đề tài

Để duy trì độ ổn định, nhà máy cần lắp đặt hệ thống tự động kiểm soát tần số biến tần. Cán bộ kỹ thuật cần theo dõi sát sao sự thay đổi mật độ bùn đầu vào. Khi quặng có tỷ lệ bùn sét cao, việc bù trừ biên độ rung là rất cần thiết. Hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung khảo sát góc tác động của phương dao động. Ngoài ra, việc nghiên cứu các vật liệu lưới sàng tiên tiến như composite hoặc cao su tổng hợp sẽ giúp tăng tuổi thọ thiết bị. Đề tài mở ra phương pháp luận thực nghiệm chuẩn xác cho các nhà máy chế biến khoáng sản tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, ở nước ta ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, tuyển quặng chiếm tỷ trọng lớn trong công nghiệp và xuất khẩu. Ngành này đã có những đóng góp không chỉ vào sự phát triển kinh tế của đất nước và giải quyết việc làm cho nhiều lao động. Tuy nhiên, việc khai thác khoáng sản làm ảnh hưởng xấu đến môi trường bởi các chất thải như là nước bùn quặng [1]. Đặc biệt đối với một số tỉnh miền núi phía bắc như Lào Cai thì nước thải bùn quặng rất lớn và được chứa trong các hồ thải lớn [2,3].

Nước thải được chứa ở hồ để nước thải được lắng trong thì nước lại được tuần hoàn bơm về phục vụ sản xuất. Với thực trạng như vậy, thì không chỉ làm ô nhiễm môi trường mà còn liên quan đến sức chứa của bể. Bởi vậy, chi phí cho việc xây dựng bể mới để chứa tăng lên [2]. Do đó, ở nước ta nhu cầu tách nước ra khỏi bùn quặng đang là vấn đề cấp bách đang được đặt ra cho ngành khai thác khoáng sản, tuyển quặng.

Tại công ty TNHH MTV Apatit Lào Cai đang nghiên cứu sử dụng sang rung tách nước để tách nước từ bùn quặng đuôi thải tuyển nổi [4,5]. Trên thế giới, hệ thống sàng rung được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp như khai thác, luyện kim, kỹ thuật xây dựng và nông nghiệp [6]. Trong khai thác khoáng sản, quá trình tách các dạng hạt có kích thước khác nhau đóng vai trò quan trọng trong khai khoáng [7]. Một số nghiên cứu về hệ thống sàng rung tách các kích cỡ hạt khác nhau dạng rắn được chỉ ra trong [8,9].

Đặc tính động học của sàng rung và độ ẩm của các hạt trong việc khai thác than cũng được đưa ra bởi Jian et al. Liên quan đến vấn đề nghiên cứu thiết kế máy sàng rung, Wang và Tong [11] sử dụng 3D-DEM để mô phỏng ảnh hưởng của chiều dài sàng đến năng suất của quá trình sàng, Zhanfu [9] nghiên cứu mô hình của sàng rung và tìm các thông số tối ưu cho thiết kế sàng rung, Zhao et al. [12] trình bày mô phỏng quá trình rung sử dụng 3D- DEM cho sàng rung theo kiểu rung tròn. 9 Việc khai thác khoáng sản không chỉ có các vật liệu khô mà các vật chất khai thác còn được trộn trong nước, các nghiên cứu [13,14] đã trình bày về sàng rung tách nước ra khỏi hỗn hợp vật rắn hòa trộn trong nước.

Nghiên cứu [15] chỉ ra ảnh hưởng của tần số rung và gia tốc của vật rắn được trộn trong nước với mức độ ướt khác nhau khi khai thác than và đá vôi. Sung và Turian [16] nghiên cứu thực nghiệm của việc lọc nước cho các hạt than mịn và đã tìm ra việc sử dụng màng mỏng hút chân không mang lại hiệu quả cao khi tách nước khỏi than bùn. Từ việc phân tích tổng quan, kết hợp với nhu cầu thực tiễn tại tại công ty Apatit Lào Cai, việc đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật đến năng suất làm việc của máy sàng rung tách nước bùn quặng trong lĩnh vực khai khoáng là rất cần thiết bởi điều này sẽ mang lại không chỉ hiệu quả kinh tế mà còn trong lĩnh vực môi trường. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất làm việc của máy sàng rung tách nước bùn quặng tại công ty TNHH Apatit, Lào Cai.

Phạm vi nghiên cứu Tìm ra ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng làm việc của máy sàng rung tách nước bùn quặng với loại máy tại công ty TNHH Apatit, Lào Cai - Model của máy: 150ZJ-I-C42 - Số hiệu: 181121450 - Nước sản xuất: Trung Quốc 1.