BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN MINH HIẾU

TRẦN MINH HIẾU

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
MÁY PHÂN CẤP XOẮN CỠ LỚN
VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO TRỤC CÁNH XOẮN
DÙNG TRONG TUYỂN KHOÁNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

KHOÁ 2011B
Hà Nội – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN MINH HIẾU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
MÁY PHÂN CẤP XOẮN CỠ LỚN
VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO TRỤC CÁNH XOẮN
DÙNG TRONG TUYỂN KHOÁNG

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN
1. TS Phan Thạch Hổ
2. PGS. TS Phạm Văn Hùng

Hà Nội - 2013


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi thực hiện. Trong luận văn tôi có sử dụng thêm
các tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả được tính toán trong luận văn là trung thực
Hà Nội, ngày.........tháng.......năm 2013
Học viên

Trần Minh Hiếu


MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU

1

1. Lý do chọn đề tài

1


2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1

3. Đối tƣợng, phạm vi và nội dung nghiên cứu

2

4. Nội dung luận văn

2

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VÀ PHÂN LOẠI MÁY PHÂN CẤP XOẮN

3

1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY XOẮN PHÂN CẤP

3

1.1.1. Khái niệm quá trình phân cấp

3

1.1.2. Quá trình tuyển

3

1.1.3. Đặc điểm quá trình phân cấp


3

1.1.4. Chức năng của khâu phân cấp trong tuyển khoáng

4

1.1.5. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc và trong nƣớc

4

1.2. PHÂN LOẠI MÁY PHÂN CẤP

5

1.2.1. Quy luật rơi của các hạt khoáng trong nƣớc và trong không khí

5

1.2.2. Quá trình phân cấp

9

1.2.3. Phân loại máy phân cấp

10

1.2.3.1. Máy phân cấp thuỷ lực

10


1.2.3.2. Phân cấp hình côn (phễu phân bùn)

12

1.2.3.3. Xoáy lốc nước (Xyclôn)

14

Kết luận chƣơng 1

17


CHƢƠNG 2 : XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ
`18
THUẬT CỦA MÁY PHÂN CẤP XOẮN
2.1. Máy phân cấp xoắn

18

2.1.1. Cấu tạo

18

2.1.2. Nguyên lý hoạt động

20

2.1.3. Điều chỉnh độ hạt của sản phẩm bùn tràn


30

2.1.4. Ưu điểm

30

2.1.5. Nhược điểm

30

2.1.6. Xác định năng suất

30

2.1.6.1. Máy phân cấp ruột xoắn nổi (gương tràn thấp), bùn tràn thô

30

2.1.6.2. Máy phân cấp ruột xoắn chìm (gương tràn cao), bùn tràn mịn

31

2.1.6.3. Năng suất của các máy phân cấp tính theo cát

31

2.1.7. Yêu cầu kỹ thuật đối với các loại máy phân cấp và kiểm tra tình trạng
32
của chúng

2.2. Lựa chọn thông số

33

2.3. Tính toán các thông số

34

2.3.1. Năng suất

34

2.3.2. Tính toán các thông số kỹ thuật:

34

2.3.3. Tính kiểm nghiệm

37

Kết luận chƣơng 2

40

CHƢƠNG 3 :THIẾT KẾ TỔNG QUAN MÁY PHÂN CẤP XOẮN CỠ LỚN
41
VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC CÁNH XOẮN
3.1. Quy trình công nghệ chế tạo cụm trục chính

41



3.1.1. Quy trình công nghệ chế tạo trục chính

41

3.1.1.1. Phương pháp chế tạo phôi

41

3.1.1.2. Các bước gia công

44

3.1.2. Qui trình công nghệ chế tạo cánh xoắn

50

3.1.2.1. Tính toán khai triển cánh xoắn

51

3.1.2.2. Gò các tấm khai triển theo dưỡng

53

3.1.3. Quy trình công nghệ chế tạo bích dƣới

55


3.1.3.1. Phân tích chức năng, điều kiện làm việc của bích dưới

55

3.1.3.2. Phương pháp tạo phôi và vật liệu chế tạo

56

3.1.3.3. Các bước gia công

56

3.1.4. Quy trình công nghệ chế tạo trục cụt

64

3.1.4.1. Phân tích chức năng, điều kiện làm việc của chi tiết bích dưới

64

3.1.4.2. Phương pháp tạo phôi và vật liệu chế tạo

65

3.1.4.3. Quy trình chế tạo

65

Kết luận chƣơng 3


77

KẾT LUẬN CHUNG

78

Tài liệu tham khảo

81


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CHÍNH
Ký hiệu

Ý nghĩa

Re

Chế độ chảy của chất lỏng

V0

Tốc độ rơi tự do cuối cùng của hạt

d

Đường kính của hạt




Khối lượng riêng của quặng



Hệ số nhớt

1 ; 2

Khối lượng riêng của hạt nặng và nhẹ



Khối lượng riêng của môi trường



Số lượng của vật rắn rơi vào cát tháo tải



Độ nhớt hỗn hợp bùn chảy qua cửa tháo

Q

Năng suất theo bùn ban đầu

C

Hằng số phụ thuộc dạng cửa tháo


D

Đường kính lớn nhất của phễu côn

V

Vận tốc lắng của hạt có độ lớn giới hạn phân chia

dn; d:

Đường kính ống cấp liệu và ống bùn tràn

P0

Áp lực đưa vào xyclôn tính bằng Mpa

KD

Hệ số thực nghiệm kể đến đường kính D của xyclôn

K

Hệ số thực nghiệm kể đến góc côn của xyclôn

d

Đường kính ống tháo bùn (cm)

P0


Áp lực bùn cửa vào của xyclôn (kg/cm2)

T

Hàm lượng pha rắn trong cấp liệu

Ghi chú


t

Trọng lượng riêng pha rắn (g/cm3)

0

Trọng lượng riêng pha lỏng (g/cm3)
Năng suất của máy phân cấp theo trọng lượng phần rắn

b

Q

khô của bùn tràn
m

Số ruột xoắn trong máy

K1

Hệ số tính đến khối lượng riêng của quặng


K2:

Hệ số tính đến cỡ hạt bùn tràn

74

Hàm lượng cấp

D

Đường kính của ruột xoắn (m)

44

Hàm lượng cấp

Qc

Năng suất của các máy phân cấp tính theo cát

n

Tốc độ quay của ruột xoắn

a

Hệ số

b


Các hệ số hiệu chỉnh

n

Tần số quay cánh xoắn

u

Tỷ số truyền của bộ truyền



Hiệu suất truyền động

H

Độ cao nâng

L

Chiều dài vận tải của máy

r

Bán kính trung bình đặt lực



Góc nâng của đường xoắn vít




Góc ma sát giữa quặng với bề mặt cánh xoắn:


f

Hệ số ma sát giữa quặng và cánh xoắn

W

Mô men chống xoắn

[]

Ứng suất xoắn cho phép

kcđ

Hệ số đầy

g

Gia tốc trọng trường

L

Khoảng cách giữa hai gối đỡ trục cánh xoắn


Mu

Mô men uốn

Mtđ

Mô men tuơng đương


[]

Ứng suất uốn
Ứng suất uốn cho phép

t

Chiều sâu cắt

S

Bước tiến dao

v

Vận tốc cắt

k1

Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào vật liệu phôi


k2

Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào vật liệu dao

k3

Hệ số điều chỉnh cho dao tiện định hình

n

Số vòng quay trục chính

Vb

Vận tốc cắt tra bảng

Vtt

Vận tốc cắt tính toán


DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH
Tên bảng biểu

Trang

Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật máy phân cấp xoắn cánh xoắn không ngập nước

21


Bảng 2: Đặc tính kỹ thuật máy phân cấp xoắn cánh xoắn ngập nước

23

Bảng 3: Các thông số lắp ghép máy phân cấp xoắn với máy nghiền bi

24

Bảng 4: Giá trị gần đúng tương quan tới hạn Ж: T của sản phẩm

26

Bảng 5: Tốc độ vòng quay cánh xoắn

26

Bảng 6: Năng suất máy phân cấp xoắn theo sản phẩm

26

Bảng 7: Thời hạn sử dụng chi tiết máy phân cấp xoắn (tháng)

27

Bảng 8: Giá trị của hệ số hiệu chỉnh a

28

Bảng 9: Giá trị của hệ số hiệu chỉnh b (hiệu chỉnh tỉ trọng):


28

Hình 1. 1: Sơ đồ phân cấp các hạt

9

Hình 1. 2: Máy phân cấp thuỷ lực bốn ngăn

11

Hình 1.3: Phễu phân bùn

13

Hình 1.4: Xyclôn

15

Hình 2. 1: Máy phân cấp ruột xoắn

18

Hình 2. 2: Sơ đồ truyền động

19

Hình 2. 3: Cụm ổ đỡ dưới

19


Hình 2. 4: Máy phân cấp xoắn đơn

29

Hình 2. 5: Máy phân cấp xoắn kép

29

Hình 2. 6: Sơ đồ truyền động

35

Hình 2. 7: Mặt cắt ngang trục chính

38


Hình 3.1: Ghép các đoạn ống thành trục chính

43

Hình 3. 2: Bích gá gia công hàn

44

Hình 3. 3 : Tiện bích trên máy tiện đứng

45

Hình 3. 4 : Sử dụng bích gá được chế tạo riêng

46
để đảm bảo độ tròn của các đoạn ống
Hình 3. 5 : Hàn đính, sau đó hàn chu vi theo nguyên tắc đối xứng

48

Hình 3. 6 : Hàn nối hoàn chỉnh các đoạn ống

49

Hình 3. 7 : Một số biện pháp giằng để định hình ống

50

Hình 3. 8: Cánh xoắn

54

Hình 3. 9: Khoan lỗ Ø28 trên máy khoan cần

63

Hình 3. 10: Hoàn thành gia công bích dưới

76

Hình 3. 11: Chi tiết trục cụt

79


Hình 3. 12: Lắp cánh xoắn lên thân trục chính

79

Hình 3. 14: Lắp hoàn chỉnh cánh xoắn lên thân trục chính

80


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn đất nước trên con đường đổi mới, để thực hiện được mục tiêu
nhiệm vụ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước đưa nước ta trở thành nước công
nghiệp theo hướng hiện đại vào năm 2020 thì việc phát khoa học và công nghệ nói chung
và khoa học công nghệ trong cơ khí nói riêng ngày càng trở nên quan trọng và cấp thiết
hơn bao giờ hết.
Ở nước ta, ngành công nghiệp hoá chất, khai thác và tuyển khoáng đã có mấy chục
năm nay, song công nghệ và thiết bị chủ yếu là nhập ngoại. Các chi tiết, bộ phận đều
được tiêu chuẩn hoá và được chế tạo, lắp ráp theo dạng mô đun. Sau một thời gian làm
việc bị mòn, hoặc hư hỏng toàn bộ hoặc từng bộ phận, hiện rất thiếu cho quá trình sản
xuất.
Máy phân cấp xoắn là một thiết bị dùng để tách các hạt có kích thước và trọng
lượng khác nhau trong dung dịch nhằm đáp ứng yêu cầu tuyển khoáng. Đây là thiết bị
không thể thiếu trong dây chuyền tuyển khoáng. Hiện nay trong nước chưa có đơn vị nào
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mà chỉ phục hồi, sữa chữa các bộ phận là chủ
yếu. Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo máy phân cấp xoắn trong nước là một
đòi hỏi cấp bách đối với các nhà khoa học và cơ sở chế tạo.
2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tính cấp thiết của đề tài:
Căn cứ vào nhu cầu sử dụng, phục hồi, chế tạo mới của công ty, xí nghiệp tuyển

quặng. Nhu cầu phục hồi và chế tạo thay thế hàng nhập khẩu trục chính, các chi tiết cụm
cánh xoắn của máy xoắn phân cấp của các công ty tuyển khoáng nhằm tiết kiệm chi phí
ngoại tệ cho đất nước.
Do các chi tiết chính được sản xuất trong nước nên sẽ giảm giá thành cho thiết bị và
dây chuyền thiết bị nhằm tăng khả năng cạnh tranh cho sản phẩm đầu ra.
Chủ động trong công nghệ, kế hoạch sản xuất của các công ty, các nhà máy, xí
nghiệp có sử dụng máy xoắn phân cấp trong nước.
- Mục tiêu đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế máy phân cấp xoắn cỡ lớn dùng trong tuyển khoáng, nội địa
hoá một số chi tiết.
1


Đưa sản phẩm nghiên cứu vào ứng dụng trong sản xuất.
3. Đối tƣợng, phạm vi và nội dung nghiên cứu
3.1. Đối tượng:
Máy phân cấp xoắn cỡ lớn dùng trong tuyển khoáng
3.2. Phạm vi và nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu về lý thuyết:
Nghiên cứu, khảo sát chế độ làm việc của máy phân cấp xoắn
Nghiên cứu, khảo sát chế độ làm việc của trục cánh xoắn
- Chế tạo trục cánh xoắn và một số chi tiết chính:
Tính toán, lựa chọn các thông số kỹ thuật, thiết kế máy phân cấp xoắn cỡ lớn
Thiết kế, lập quy trình công nghệ chế tạo trục cánh xoắn
Chế tạo trục cánh xoắn và một số chi tiết chính.
4. Nội dung luận văn
Luận văn tập trung giải quyết vấn đề về nghiên cứu thực trạng, lý thuyết và thực
nghiệm. Nội dung của luận văn gồm 3 chương nhằm làm rõ vấn đề nghiên cứu “Nghiên
cứu, thiết kế máy phân cấp xoắn cỡ lớn và quy trình công nghệ chế tạo trục cánh xoắn
dùng trong tuyển khoáng”

CHƢƠNG I: Tổng quan và phân loại máy phân cấp xoắn
CHƢƠNG II: Xác định chế độ làm việc và các thông số kỹ thuật của máy phân
cấp xoắn
CHƢƠNG III: Thiết kế tổng quan máy phân cấp xoắn cỡ lớn và quy trình chế
tạo trục cánh xoắn.
Để hoàn thành được luận văn, tôi đã được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy hướng dẫn
TS Phan Thạch Hổ Viện nghiên cứu cơ khí, PGS. TS Phạm Văn Hùng Phó viện
trưởng Viện cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng toàn thể các thầy, cô trong
Viện cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin đặc
biệt cảm ơn đến các Thầy, các Cô và các bạn.
Do những hạn chế về thời gian và tài liệu nghiên cứu nên bản luận văn của tôi
không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong các Thầy và các bạn đồng nghiệp đóng
góp ý kiến giúp đỡ để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VÀ PHÂN LOẠI MÁY PHÂN CẤP XOẮN
1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÂN CẤP XOẮN
1.1.1. Khái niệm quá trình phân cấp
Phân cấp là quá trình phân chia một hỗn hợp khoáng vật hạt nhỏ, mịn ra thành hai
hay một số phần dựa vào tốc độ rơi khác nhau của các hạt trong môi trường nước (hoặc
khí) ở trạng thái tĩnh hoặc trong dòng chuyển động liên tục.
1.1.2. Quá trình tuyển
Quá trình tuyển là giải pháp kỹ thuật dựa vào sự khác nhau về một dấu hiệu xác
định của các khoáng vật để phân chia chúng ra khỏi nhau. Ví dụ: Dựa vào sự khác nhau
về khối lượng riêng (trọng lượng) có thể dùng các quá trình: lắng, đãi, rửa.....
Khâu công nghệ là các bước gia công khoáng sản để làm thay đổi một phần tính
chất của khoáng sản hoặc từng bước phân chia nó thành các sản phẩm có chất lượng

khác nhau.
Dây chuyền công nghệ trong xưởng tuyển khoáng gồm có các công đoạn chính:
+ Công đoạn chuẩn bị khoáng sản bao gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, phân
cấp để giải phóng các khoáng vật có ích ra khỏi đất đá; chuẩn bị độ hạt thích hợp đưa vào
các quá trình tuyển sau đó.
+ Công đoạn làm giầu bao gồm các phương pháp hoặc quá trình tuyển để thu được
các sản phẩm có tính chất và chất lượng khác nhau.
+ Công đoạn hoàn thiện sản phẩm và kiểm tra chất lượng, tách nước, phân loại sản
phẩm theo cỡ hạt, thu bụi, lấy mẫu và kiểm tra kỹ thuật......
Mỗi công đoạn nói trên đều có nhiều loại thiết bị khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu
của mỗi công đoạn.
1.1.3. Đặc điểm quá trình phân cấp
Mỗi sản phẩm gồm chủ yếu những hạt khoáng vật khác nhau nhưng rơi trong môi
trường với cùng tốc độ
Nếu vật liệu đầu chỉ gồm những hạt có cùng khối lượng riêng thì sản phẩm phân cấp
chỉ khác nhau về cỡ hạt.
3


Nếu vật liệu đầu khác nhau cả về khối lượng lẫn cỡ hạt thì mỗi sản phẩm phân cấp
chứa những hạt thuộc khoáng vật có khối lượng riêng khác nhau, cỡ hạt khác nhau
nhưng rơi cùng một tốc độ vào môi trường.
So sánh với sàng, chúng ta thấy rằng phân cấp cũng có mục đích phân chia một hỗn
hợp nguyên liệu khoáng sản thành các sản phẩm có cỡ hạt khác nhau, nhưng nguyên lý
làm việc khác với sàng rất nhiều, bởi vì trong phân cấp cả hai yếu tố kích thước hạt và
khối lượng riêng đều ảnh hưởng đến kết quả phân chia.
Sàng chỉ phân chia về độ hạt, kích thước hạt cũng lớn, không cần môi trường trung
gian.
Với cỡ hạt <1mm, phân cấp có năng suất và hiệu suất cao hơn nhiều.
1.1.4. Chức năng của khâu phân cấp trong tuyển khoáng

- Thực hiện một khâu sản xuất độc lập để rửa sét quặng thô
- Thực hiện một khâu chuẩn bị: chia hỗn hợp quặng đầu thành nhiều sản phẩm khác
nhau làm nguyên liệu đầu cho khâu tuyển.
- Thực hiện chức năng phụ trợ như phân cấp sản phẩm nghiền thành hai sản phẩm:
cát và bùn tràn.
Hiệu quả làm việc của các thiết bị phân cấp được đánh giá bằng chỉ tiêu hiệu suất,
tương tự như hiệu suất sàng. Các cỡ hạt dùng để tính hiệu suất phân cấp là: 0,125mm đối
với sản phẩm thô; 0,074mm đối với sản phẩm hạt nhỏ và 0,044mm đối với sản phẩm hạt
mịn.
1.1.5. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc và trong nƣớc
Hiện nay các nước tiên tiến trên thế giới đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các loại
máy xoắn phân cấp cỡ lớn đồng bộ phục vụ cho ngành tuyển khoáng. Việc chế tạo máy
xoắn phân cấp cỡ lớn được sản xuất trên dây chuyền hiện đại, việc nghiên cứu trên cả
quy mô phòng thí nghiệm lẫn dây chuyền sản xuất hiện đại, các chi tiết được tiêu chuẩn
hoá và lắp ráp theo mô đun, việc thay thế mới do quá trình hỏng hóc theo mô đun có sẵn
cho nên có thể nói việc nghiên cứu máy xoắn phân cấp trên thế giới là tương đối hoàn
chỉnh và ngày càng cải tiến hơn nữa.
Hiện tại, ở nước ta với quy mô của ngành khai thác, tuyển khoáng, các nhà máy
được xây dựng từ những thập niên 90 với sự giúp đỡ chủ yếu là từ Liên Xô. Các thiết bị
của nhà máy được chế tạo từ Liên Xô, việc vận hành sử dụng máy đã hư hỏng nhiều bộ
4


phận hoặc toàn phần và hiện tại rất thiếu cho sản xuất. Nhu cầu sử dụng máy phân cấp
xoắn cỡ lớn tương đối nhiều, thống kê như sau:
- Nhà máy Toằng Loỏng Lào Cai: 7 máy
- Công ty Mỏ tuyển Đồng Sin Quyền Lào Cai: 2 máy
- Nhà máy Cam Đường Lào Cai: 4 máy
- Nhà máy Làng Phúng Lào Cai: 4 máy
- Nhà máy Bắc Nhạc Sơn Lào Cai: 4 máy

- Nhà máy tuyển quặng loại II và loại IV Lào Cai: 3 máy
- Nhà máy tuyển quặng Âu Lạc Yên Bái: 4 máy
- Nhà máy nghiền tuyển quặng sắt bản Cuôn 1 Bắc Cạn: 3 máy
- Nhà máy tuyển quặng Đồng, Niken Bản Phúc Lào Cai: 2 máy
- Chi nhánh Mỏ Mangan MiMeCo Tuyên quang: 2 máy
Các nhà máy đều có nhu cầu cung cấp, thay thế chi tiết, phụ tùng cho máy xoắn
phân cấp, vì vậy nhu cầu thị trường là rất cần và phải nắm lấy. Cho nên việc nghiên cứu
thị trường hết sức quan trọng, thị trường sản phẩm công nghiệp tiêu thụ số lớn và có tính
lâu dài, chúng ta cần khẳn định về chất lượng và giá cả sản phẩm. Việt Nam nên sản xuất
sản phẩm như thế nào, giá cả phù hợp, chất lượng đảm bảo, sản lượng hợp lý, giảm chi
phí đem lại lợi nhuận cao.
1.2. PHÂN LOẠI MÁY PHÂN CẤP
1.2.1. Quy luật rơi của các hạt khoáng trong nƣớc và trong không khí
Đặc tính rơi của vật thể trong môi trường nước hoặc khí là do tác động tương hỗ của
3 lực: lực trọng trường (hướng xuống), lực nâng (lực đẩy Asimet - hướng lên) và lực cản
môi trường (hướng lên). Lực trọng trường phụ thuộc vào khối lượng riêng và thể tích hạt
rắn; lực nâng phụ thuộc và thể tích của vật và khối lượng riêng của môi trường; lực cản
của môi trường phụ thuộc vào chế độ chuyển động (chảy tầng hoặc chảy rối). Lực cản
được hợp thành do trở lực quán tính (trở lực động) và trở lực nhớt do ma sát. Cả hai trở
lực tác động đồng thời lên vật thể rắn chuyển động trong môi trường nhưng với giá trị
khác nhau. Những hạt cỡ lớn (>=2mm) chuyển động với tốc độ nhanh (ở chế độ chảy
rối) chịu tác động chủ yếu là trở lực động, còn những hạt cỡ nhỏ (<=0,1mm) chuyển
động với tốc độ chậm (chế độ chảy tầng) chịu tác dụng chủ yếu là trở lực nhớt. Còn các

5


hạt trung gian (từ 0,1- 2mm) chịu tác dụng của hai lực trở lên, chế độ chuyển động của
nó là chế độ chuyển tiếp giữa chảy tầng và chảy rối.
Thông số đặc trưng cho chế độ chảy của chất lỏng là Reynon (Re). Ở giá trị Re>=

1000 là chế độ chảy rối; Re<=1 là chế độ chảy tầng; Re = 1000 – 1 là chế độ chuyển tiếp
(trung gian).
Ở thời điểm ban đầu, hạt chuyển động trong môi trường với tốc độ bằng không và
gia tốc cực đại. Trong quá trình chuyển động, tốc độ rơi của hạt tăng dần, lực cản của
môi trường cũng tăng lên nên gia tốc của hạt giảm và sau khoảng một thời gian ngắn hạt
đạt tới tốc độ cực đại (tốc độ giới hạn) và không đổi, tức là gia tốc của hạt bằng không.
Tốc độ cực đại (tốc độ cuối cùng) được ký hiệu là V0.
Sự khác nhau về tốc độ rơi cuối cùng của hạt khoáng khác nhau là cơ sở để phân
chia chúng trong quá trình phân cấp.
Có thể xác định tốc độ chuyển động của các hạt khác nhau bằng công thức lý thuyết,
công thức thực nghiệm hoặc bằng giãn đồ, đồ thị. Bằng nghiên cứu đã xác định quy luật
rơi của hạt khoáng trong môi trường như sau:
- Hạt nặng, kích thước lớn có tốc độ rơi lớn nhất.
- Tăng khối lượng riêng và độ nhớt của môi trường, tốc độ rơi của các hạt giảm.
- Hình dạng và đặc tính bề mặt của hạt ảnh hưởng đến tốc độ rơi của chúng.
Khi khối lượng các hạt như nhau, hạt có dạng cầu chịu lực cản nhỏ nhất, hạt có góc
cạnh chịu lực lớn hơn, hạt có dạng tấm chịu lực cản lớn nhất. Hạt nhám chịu lực cản lớn,
hạt nhẵn chịu lực cản nhỏ.
Nhiệt độ môi trường cũng ảnh hưởng đến tốc độ rơi của hạt. Khi số Reynon >=200,
sự thay đổi nhiệt độ của môi trường không ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của hạt.
Khi Re = 1,74 – 200, nhiệt dộ của môi trường ảnh hưởng đến tố độ chuyển động của hạt.
Khi Re<=1,74, nhiệt độ của môi trường là trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc
độ chuyển động của hạt.
Để xác định tốc độ rơi tự do cuối cùng V0 (m/s) của các hạt có cỡ hạt và khối lượng
riêng khác nhau có thể dùng các phương trình sau (tốc độ rơi tụ do là tốc độ chuyển động
của các hạt riên lẻ trong môi trường).
 Với hạt  2mm (Công thức Ritingơ)

6



Môi trường là nước: V0 = 0,16 d (  1000)

(1.1)

Môi trường là khí: V0 = 0,46 d (  1000)

(1.2)

 Với hạt 0,1mm (Công thức Stốc)
Môi trường là nước: V0 = 0,545.d2.   100


(1.3)

Môi trường là khí: V0 = 30278d2(  - 123)

(1.4)

 Với hạt 0,1 - 2mm (Công thức Alen):
Môi trường là nước: V0 =

0,1146d  3 (  1000) 2
3



(m/s)

Môi trường là khí: V0 = 40,6d  (  1,23) 2 (m/s)


(1.5)
(1.6)

Với : d : Đường kính của hạt (m)
3
 : Khối lượng riêng của hạt (kg/m )
2
 : hệ số nhớt N.s/m (nước  = 0,001 ; với khí  = 0,000018)

Trong quá trình phân chia các hạt có cỡ hạt và khối lượng riêng khác nhau có thể
xẩy ra hiện tượng rơi đồng đều. Những hạt có khối lượng riêng và đường kính khác nhau
nhưng lại rơi với tốc độ cuối cùng như nhau trong cùng một môi trường gọi là các hạt
khoáng rơi đồng đều. Tỷ số đường kính của hai hạt (tương ứng là d1 và d2) có khối lượng
riêng khác nhau nhưng rơi với tốc độ như nhau gọi là hệ số rơi đồng đều và biểu thị là e.
 Với hạt  2mm: e = d1   2  
d 2 1  

(1.7)

2
 Với hạt = 0,1 – 2mm: e = d1  3 ( 2  )2
d2
( 1  )

(1.8)

 Với hạt  0,1 mm:

e = d1   2  

d2
1  

Trong đó: 1 ; 2 : khối lượng riêng của hạt nặng và nhẹ kg/m3
 : khối lượng riêng của môi trường kg/m3

7

(1.9)


Hệ số rơi đồng đều chỉ rõ đường kính của hạt nhẹ phải lớn hơn đường kính của hạt
nặng bao nhiêu lần để chúng có tốc độ rơi cuối cùng như nhau. Hệ số rơi đồng đều
không phải là đại lượng không đổi mà nó thay đổi theo kích thước hạt.
Khi phân chia hỗn hợp các hạt khoáng vật khác nhau, để tránh các hạt nhẹ cỡ lớn rơi
lẫn vào sản phẩm hạt nặng và hạt nặng có cỡ hạt bé vào sản phẩm hạt nhẹ, đảm bảo phân
chia rõ ràng các hạt khoáng có khối lượng riêng khác nhau thì trước khi phân chia cần
phải phân loại vật liệu đầu theo cỡ hạt sao cho tỷ số kích thước giữa hạt lớn và hạt nhỏ
nằm trong giới hạn không vượt quá hệ số rơi đồng đều.
Trong thực tế tuyển khoáng, gặp rất ít sự rơi tự do của từng hạt riêng lẻ mà thường
là sự rơi của tập hợp nhiều hạt. Trong khi rơi các hạt chịu tác động của các hạt bên cạnh
và sự rơi xảy ra trong không gian hạn chế (thùng máy), bởi vậy tốc độ rơi của các hạt còn
chịu lực ma sát giữa chúng và giữa hạt với thùng máy. Môi trường phân chia khi đó cũng
chịu tác động động học của các hạt riêng lẽ và cả khối hạt. Các hạt chuyể động trong
điều kiện như thế gọi là chuyển động vướng mắc. Hiện tượng xảy ra khi đó được đặc
trưng bởi quy luật rơi vướng mắc.
Tốc độ rơi vướng mắc cuối cùng của hạt bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ rơi tự do cuối
cùng. Tốc độ rơi vướng mắc của hạt thạch anh nhỏ hơn 2,76 lần tốc độ rơi tự do, của hạt
galenit nhỏ hơn 3,47 lần. Hệ số giảm tốc độ của tốc độ rơi vướng mắc so với tốc độ rơi tự
do được ký hiệu là K. Như vậy tốc độ rơi vướng mắc được xác định bằng công thức:

Vvm = K. V0 (m/s)

(1.10)

K : hệ số (Thạch anh K= 0,362; hạt Galenit K = 0,288)
V0: tốc độ rơi tự do cuối cùng của hạt (m/s)
Trong điều kiện rơi vướng mắc giá trị của hệ số rơi đồng đều cao hơn so với khi rơi
tự do.
Hệ số đồng đều trong điều kiện rơi vướng mắc đối với hạt lớn:
evm =  2  (  x)
 1  (  x)

(1.11)

( + x) là khối lượng riêng của môi trường (đối với than và hạt diệp thạch, x = 110 
300 kg/m3, đối với quặng x = 400 kg/m3 và lớn hơn).

8


1.2.2. Quá trình phân cấp:
Phân cấp là quá trình phân chia hỗn hợp các hạt khoáng vật thành các cấp hạt có
kích thước khác nhau theo tốc độ lắng của chúng trong môi trường nước hoặc khí. Phân
cấp được thực hiện trong các thiết bị được gọi là máy phân cấp (máy phân cấp thuỷ lực
và máy phân cấp khí).

Hình 1. 1: Sơ đồ phân cấp các hạt
Có hai phương pháp chính để phân chia vật liệu đầu thành các hạt cấp khác nhau:
- Phân cấp trong dòng thẳng đứng (hướng của dòng trùng với hướng của lực chính
tác động lên hạt).

- Phân cấp trong dòng nằm ngang (hướng của dòng vuông góc với lực chính tác
dụng lên hạt).
Khi phân cấp các hạt trong dòng nằm ngang, quỹ đạo chuyển động của hạt phụ
thuộc vào tốc độ vp (là tổng của vd: tốc độ của dòng nước; và vg: tốc độ chuyển động
dưới tác dụng của lực trọng trường). Chiều sâu của dòng bùn là h, quảng đường chuyển
động nằm ngang là l. Bùn ban đầu cấp từ bên trái, nếu hạt nào trong toàn bộ thời gian
chuyển động ngang cùng dòng chảy kịp rơi xuống hết chiều sâu h của dòng thì lắng
xuống dưới thành sản phẩm cát, còn nếu rơi không kịp thì sẽ bị dòng chảy mang vào sản
phẩm bùn tràn ở bên phải.
Khi phân cấp trong dòng thẳng đứng có dòng nước đi lên với tốc độ vn thì những hạt
thắng được tố độ dòng nước sẽ chìm xuống (hạt lớn) đi vào sản phẩm cát, còn những hạt
không thắng được tố độ dòng nước (hạt nhỏ) sẽ đi vào sản phẩm bùn tràn.

9


Quá trình phân cấp được dùng rộng rãi ở các xưởng tuyển khoáng. Giới hạn trên của
độ hạt đưa vào phân cấp đối với than không quá 13mm, còn đối với quặng không quá 56 mm.
1.2.3. Phân loại máy phân cấp
* Theo môi trường phân cấp: nước, khí
* Theo nguyên tắc phân cấp
Phân biệt máy phân cấp trong trường trọng lực (phân cấp dưới tác dụng của trọng
trường) và phân cấp trong trường lực ly tâm (phân cấp dưới tác dụng của lực ly tâm).
Để tháo sản phẩm hạt lớn (cát) khỏi máy phân cấp có thể dùng phương pháp cơ giới
(bắt buộc) và phương pháp tự chảy.
Tuỳ thuộc và hình dạng của thùng máy và loại thiết bị vận chuyển cát, máy phân
cấp cơ giới được chia thành: máy phân cấp cào, máy phân cấp xoắn, máy phân cấp hình
trụ, gầu nâng v.v.....
Máy phân cấp thuỷ lực tháo sản phẩm cát bằng tự chảy được phân thành: máy phân
cấp hình nón, máy phân cấp hình tháp, máy phân cấp hình trụ v.v.....

Hiệu quả quá trình phân cấp được đánh giá bằng tỷ lệ phân phối của cấp tính vào
sản phẩm bùn tràn hoặc vào sản phẩm cát.
Hiệu quả phân cấp tăng khi lưu lượng bùn đưa vào phân cấp nhỏ và quá trình phân
cấp thực hiện trong bùn loảng.
Ở đây xét các máy phân cấp dùng môi trường nước và được chia thành:
- Phân cấp thuỷ lực (dựa vào sức nước để phân cấp) như: máy phân cấp nhiều ngăn,
phểu phân cấp bùn, xoáy lốc nước (cyclone).
- Phân cấp cơ giới: phân cấp được nhờ lực cơ khí như: máy phân cấp ruột xoắn, máy
phân cấp cào.
1.2.3.1. Máy phân cấp thuỷ lực
Phổ biến là máy phân cấp hình nón, bể lắng (hình trụ hay tháp) máy phân cấp nhiều
ngăn.
Điểm chung của tất cả loại máy là có dòng bùn ngang. Máy dùng để phân chia vật
liệu theo cỡ hạt thành hai hoặc nhiều sản phẩm, không cần bổ sung thêm nước hoặc nếu
có bổ sung thì chỉ cần một lượng nhỏ.
Máy phân cấp thuỷ lực nhiều ngăn: ví dụ loại 4 ngăn, có thể có loại 6 ngăn, 8 ngăn.
10


Hình dưới thể hiện máy phân cấp thuỷ lực 4 ngăn. Cấu tạo của mỗi ngăn 1 như sau:
phần trên có dạng hình máng loe rộng dần theo chiều chuyển động của dòng bùn, phần
dưới là buồng phân cấp có dạng hình tháp. Kích thước của các buồng tăng dần theo
hướng từ đầu cấp liệu đến dầu tháo sản phẩm bùn tràn. Phần dưới của mỗi ngăn hình
tháp có lắp thiết bị phân cấp đặc biệt 5. Cấu tạo của thiết bị phân cấp đặc biệt gồm ngăn
phía trên là cơ cấu khuấy 4 (kiểu bản lá) để làm tơi xốp vật liệu, ngăn để cấp nước và
thiết bị tháo sản phẩm lắng (cát).

Hình 1. 2: Máy phân cấp thuỷ lực bốn ngăn
1- vỏ máy; 2- hộp giảm tốc; 3- bộ truyền động; 4- cơ cấu khuấy;
5- ngăn (van xoáy); 6- cơ cấu phân cấp; 7- cơ cấu tháo; 8- thanh lõi

Trong ngăn phân cấp hình trụ có cửa sổ nhỏ để quan sát quá trình phân cấp. Cơ cấu
khuấy kiểu bản lá được gắn trên trục rỗng thẳng đứng và quay với tốc độ chậm (1 -2
vòng trong 1 phút) để khuấy trộn vật liệu lắng đọng trong vùng này. Bên trong của trục
rỗng có thanh lõi, phía dưới của thanh này có gắn van xả nhờ cơ cấu lệch tâm đặt trong
các hộp giảm tốc 2 làm cho thanh lõi được định kỳ nâng lên và hạ xuống. Các hộp giảm

11


tốc làm việc nhờ bộ truyền động 3. Khi thanh lõi nâng lên, van xả đóng lại và ngừng tháo
cát. Tần số mở van ở buồng đầu lớn hơn ở các buồng sau.
Bùn đầu được đưa vào máy phân cấp ở đầu hẹp của phần hình máng (trên mặt
bằng), ở đó tốc độ của dòng lớn nhất, tốc độ dòng bùn giảm dần ở các ngăn phía sau. Do
vậy ở đầu máy phân cấp các hạt lớn nhất được lắng đọng, các ngăn sau lắng đọng các hạt
nhỏ dần, bùn tràn bao gồm những hạt mịn nhất.
Nước sạch được cấp vào từ phía dưới của mỗi ngăn theo hướng tiếp tuyến để tốc độ
dòng đi lên được phân bố đều đặn và ổn định theo tiết diện ngang.
Máy phân cấp loại này được dùng để phân chia vật liệu thành các cấp hạt hẹp trước
khi cấp vào bàn đãi. Máy phân cấp thuỷ lực được sản xuất gồm các loại: bốn ngăn, sáu
ngăn và tám ngăn.
Năng suât của máy phân cấp thuỷ lực bốn ngăn là 15 – 24 T/h. Cỡ hạt cấp liệu
không quá 2 mm. Chiều rộng của ngăn ở đầu cấp liệu 0,62 m, ở đầu tháo bùn tràn là
1,5m. Chiều rộng tổng cộng là 2,93 m. Công suất động cơ 1,7 kW.
1.2.3.2. Phân cấp hình côn (phễu phân bùn)
Được sử dụng để phân loại vật liệu dạng hạt có độ lớn nhỏ hơn 1,65mm, bùn với độ
lớn 0,3mm chủ yếu trong quá trình tuyển trọng lực.
Phểu có tác dụng điều chỉnh nồng độ bùn cát, để giữ nồng độ này ổn định.

12



Hình 1. 3: Phễu phân bùn
1- vỏ máy; 2- thanh kéo; 3- vỏ (côn) thép; 4- van; 5- màng ngăn (tấm ngăn)
Khi nồng độ bùn bình thường sẽ có 2 sản phẩm
- Bùn tràn
- Cát lắng xuống phía dưới.
Khi nồng độ bùn tăng lên, cát đọng xuống nhiều quá mức bình thường, các van sẽ
tác động làm van 4 tự động mở làm bùn trong phểu ra bớt.
Khi nồng độ bùn trở lại bình thường, van 4 đóng lại. Như vậy phểu phân bùn này có
tác dụng ổn định nồng độ bùn: đảm bảo cho lượng sản phẩm lấy ra đều đặn.
Năng suất theo cấp liệu (T/h)

13


Q=

1,76 D 2V
(1   )
R  N 

(1.12)



Trong đó:
D: đường kính lớn nhất của phễu côn (mm)
V: vận tốc lắng của hạt có độ lớn giới hạn phân chia mm/s
R: tỷ lệ lỏng/rắn (L/R) (theo khối lượng) của cấp liệu
: khối lượng riêng của hạt quặng T/m3

: số lượng của vật rắn rơi vào cát tháo tải
N: tỷ lệ lỏng/rắn (theo khối lượng) trong cát
Gọi A là diện tích cửa mở:
A=

.Q

(m2)

(1.13)

C 2 gh

: độ nhớt hỗn hợp bùn chảy qua cửa tháo
Q: lượng bùn chảy qua cửa tháo (m3/s)
C: hằng số phụ thuộc dạng cửa tháo, với cửa tròn C = 0,85 – 9
1.2.3.3. Xoáy lốc nước (Xyclôn)
* Cấu tạo: Xyclôn gồm phần trụ ngắn ở phía trên, và phần hình nón cụt ở phía dưới,
được đức bằng gang hoặc hàn bằng thép tấm bên trong có lát vật liệu chịu mài mòn (cao
su, gốm, thép hợp kim). Phần hình trụ có gắn ống bùn tràn 3 và cấp liệu 4.

14