CN111097219B - 一种海底采矿设备的矿浆分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其主体包括倾斜安装的锥台型空腔结构矿浆分离组件，其大径端为安装底板，其侧壁靠近大径端为进出口部，所述安装底板及进出口部下部为过滤部，且其小径端为矿砂出口，所述进出口部为无孔材质，且其上对称安装有进水口及出水口，所述进水口及出水口呈螺旋状接入所述矿浆分离组件内部空腔，所述过滤部为第一过滤筛网，且所述矿浆分离组件中心安装有带有螺旋导向板的中心杆；本发明通过螺旋状涡流及螺旋导向板的结构设计，利用压强差及离心力作用显著提升了矿砂/海泥的分离效率及分离效果，并通过实时排放分离海泥的设计，一方面对于海底生态更为友好，另一方面也避免了提升海泥所带来的无效能耗。

Description

一种海底采矿设备的矿浆分离装置

技术领域

本发明涉及深海采矿领域，尤其涉及一种海底采矿设备的矿浆分离装置。

背景技术

自从二十世纪七十年代后期起，针对从深海海底开采和提升这些沉积物的商业上可行的方案，工程师进行了各种尝试；现有的海底资源提升方案分为机械式、液力式及气升式：液力式提升系统是将水和矿浆提升至水面，该方案包括垂直升流管和单个或一系列管道式泥浆泵，以便将水和矿浆提升至水面；气升式提升系统是气升式将水和矿浆提升至水面，该方案包括将空气注入升流管部件，沿管而下，低密度的空气将水和矿浆提升至水面；机械式提升系统是通过如在陆地上的诸多地下矿山中通常所用的吊斗和缆绳机械地提升矿浆至水面；其中机械式提升系统，结构相对简单且能量效率高，但是其提升工作基本依赖位于固定立管内部的类滑轮组机构完成，故严重受限于海底集矿装置高度，应用度不广；液力式及气升式提升系统直接将集矿装置内的矿物以矿浆方式进行提升，是海底采矿这一领域主要采用的矿物提升方式，但由于该方法直接将矿浆由管道提升至水面，故管道堵塞问题一直是制约这一方案的主要问题之一，同时由于矿浆中所夹杂的海泥也一同被提升至海面进行分离及排放处理，故其效率性及环保性也受到了制约。

申请号为CN201910102614.3的专利提出了一种海底集矿系统的矿物海泥分离装置，该系统包括过滤箱外壳，过滤箱外壳前端设有进水口，后端设有出水口，与矿粒出口下缘平齐的第一过滤网，对出水口进行阻隔的第二过滤网，与第一门板对应的由外力驱动的第一推板，与第二门板对应的由外力驱动的第二推板，在第一过滤网上方设定距离设置的与第一推板信号连接的第一激光传感器，在第一过滤网下方设定距离设置的与第二推板信号连接的第二激光传感器，与矿粒出口连接的矿粒粉碎机；该发明实现了海底集矿系统上的矿泥分离，较于现有方案更为有效且环保，但是一方面通过下方滤网由重力实现矿泥分离效率较低，且滤箱内矿浆流过产生的紊流会严重影响光电传感器的工作，其通过激光传感器对于整体系统的控制方案在实际应用中与预设结果会有一定出入。

为了解决上述技术问题，亟需一种矿泥分离效率高、有助于增强矿砂提升效率且对海底环境更为环保的海底采矿设备的矿浆分离装置来解决现有的技术问题。

发明内容

本发明提出了一种海底采矿设备的矿浆分离装置，通过将矿砂收集箱两侧经弹簧固定安装于海底采矿设备车身内部的L型板上，并在L型板上安装位移传感器，通过位移传感器对弹簧形变量进行测量，以控制储存矿砂质量，有利于进行液力或气升式提升时矿浆的合适比例配比，同时也避免了过大的矿砂质量导致海底采矿设备的沉陷或打滑。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种海底采矿设备的矿浆分离装置，包括矿浆分离组件，所述矿浆分离组件为锥台型空腔结构，其大径端为安装底板，其侧壁靠近大径端为进出口部，所述安装底板及进出口部下部为过滤部，且其小径端为矿砂出口，所述进出口部为无孔材质，且其上对称安装有进水口及出水口，所述进水口及出水口呈螺旋状接入所述矿浆分离组件内部空腔，所述过滤部为第一过滤筛网。

上述实施方案，优选的是，所述第一过滤筛网孔径尺寸小于矿砂且大于海底沉积物。

上述实施方案，优选的是，所述进水口与外接吸头连接，且连接有矿浆泵，所述出水口连接有水泵，且安装有第二过滤筛网，所述第二过滤筛网孔径尺寸小于海底沉积物。

上述实施方案，优选的是，所述矿浆分离组件还包括支撑座及中心杆，所述支撑座固定安装于安装底板中心处，所述中心杆转动安装于支撑座处，且其一端位于所述安装底板外侧，另一端位于所述矿浆分离组件小径端处，且所述中心杆上固定安装有螺旋导向板。

上述实施方案，优选的是，所述矿浆分离组件以～°倾斜安装于海底采矿设备车身内部，且所述矿浆分离组件的大径端位于上方。

上述实施方案，优选的是，还包括动力驱动系统，所述动力驱动系统位于矿浆分离组件大径端外侧，包括电机、减速机及联轴器，所述电机、减速机及中心杆依次经联轴器安装连接。

上述实施方案，优选的是，还包括海泥收集组件，所述海泥收集组件包括柱状外壳件，所述柱状外壳件包裹于矿浆分离组件外部，且其一端为外壳进水口，另一端为海泥排出口。

上述实施方案，优选的是，所述外壳进水口处外接水泵，且其靠近矿浆分离组件大径端。

上述实施方案，优选的是，还包括矿砂收集组件，所述矿砂收集组件包括矿砂收集箱及软管，所述矿砂收集箱为网状外壳箱体，其经所述软管连接至矿砂出口，所述矿砂收集箱内入口处另固定安装有粉碎刀头，且所述矿砂收集箱外壳的网状间隙小于经所述粉碎刀头初步粉碎后的矿砂尺寸。

上述实施方案，优选的是，所述矿砂收集箱两侧经弹簧固定安装于海底采矿设备车身内部的L型板上，且所述L型板上分别安装有位移传感器，所述位移传感器对于所述弹簧形变量进行测量，所述位移传感器控制方式为：当所述位移传感器测得形变量达到预设阈值时，输出控制信号至进水口处矿浆泵及外接液力或气升式提升系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明通过加装于海底采矿设备上的矿砂/海泥分离设备，使得进行矿浆提升工序前，预先进行矿砂/海泥分离，有助于液力式及气升式提升系统工作效率的提升，同时避免了海底沉积物被提升至海面并再进行排放，对于海底生态而言更为环保；

2)本发明通过锥台状过滤部，进出口处涡状流体及内置旋转螺旋导流板等结构，相较于仅依靠于重力及过滤网进行过滤的设计而言，过滤效率更为高效且过滤效果也更为优秀，分离出的海泥也可不断地实时排出，进一步有助于海底生态保护；

3)本发明通过形变对于分离后的矿砂质量进行测量，相较于光电式结构，于海底环境使用可靠性更高，同时经过对于储存矿砂质量的控制，有利于进行液力或气升式提升时矿浆的合适比例配比，同时也避免了过大的矿砂质量导致海底采矿设备的沉陷或打滑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为动力驱动系统结构示意图；

图2为矿浆分离组件立体结构示意图；

图3为矿浆分离组件俯视图；

图4为海泥收集组件结构示意图；

图5为矿砂收集组件结构示意图。

图中：1、电机；2、减速机；3、联轴器；4、矿浆分离组件；41、安装底板；42、进出口部；421、进水口；422、出水口；43、过滤部；431、第一过滤筛网；44、矿砂出口；45、第二过滤筛网；47、支撑座；48、中心杆；49、螺旋导流板；5、海泥收集组件；51、柱状外壳件；52、外壳进水口；53、海泥排出口；6、矿砂收集组件；61、矿砂收集箱；62、软管；63、粉碎刀头；64、弹簧；65、位移传感器。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，附图仅为了便于描述本发明的运作原理及实现方式，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的尺寸数值、外观形状或以特定的尺寸比例配合，因此不能理解为对本发明的限制。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1～5所示，本发明提供了一种海底采矿设备的矿浆分离装置，包括动力驱动系统、矿浆分离组件4、海泥收集组件5及矿砂收集组件6，动力驱动系统驱动矿浆分离组件4进行旋转，自外部切割、集矿装置收集的矿石、海泥混合浆体经矿浆泵进入矿浆分离组件4的进水口421，并于其中实现矿石、海泥分离，其中矿砂落入矿砂收集组件6，海泥落入海泥收集组件5，并进行后续的矿砂破碎、海泥排放处理，避免了将海泥提升至海面所造成的采矿效率降低及海底环境破坏的问题，同时破碎后的矿砂也避免了进行液力或气体提升时造成的管道堵塞问题。

以下为具体实施例：

如图1～3所示，矿浆分离组件4整体为一锥台型空腔结构，包括位于大径端的安装底板41，其侧壁靠近大径端为进出口部42，剩余部分为过滤部43，且小径端底面为矿砂出口44，所述安装底板41及进出口部42为无孔材质，所述过滤部43安装有第一过滤筛网431，所述第一过滤筛网431孔径尺寸小于矿砂，以使得海底沉积物可以自其上通过；所述进出口部42两侧对称分布有进水口421及出水口422，二者均呈螺旋状接入所述矿浆分离组件4内部空腔，出水口422处外接水泵，并另安装有第二过滤筛网45，所述第二过滤筛网45孔径小于海底沉积物，以给予进入矿浆分离组件4内部的矿浆混合液体以旋转初速度的同时避免海泥与矿砂自出水口422排出，对后接设备造成损伤；所述安装底板41中心处密封安装有支撑座47，且另有贯穿所述矿浆分离组件4内部空腔的中心杆48，其一端转动安装于支撑座47上并与动力驱动系统连接，使得动力驱动系统驱动中心杆48旋转，另一端位于所述矿浆分离组件4小径端；所述中心杆48上固定安装有螺旋导流板49，使得中心杆48旋转时于所述矿浆分离组件4内部空腔形成由大径端至小径端的轴向漩涡，助力于矿浆自大径端向小径端移动，并提高矿浆的过滤效率；所述动力驱动系统位于矿浆分离组件4靠近安装底板41侧外端，包括电机1、减速机2及联轴器3，所述电机1与减速机2、减速机2与中心杆41之间通过联轴器3安装连接。

实际工作时，由外部切割、集矿装置收集的矿石、海泥混合浆体经矿浆泵由进水口421进入矿浆分离组件4内部，同时由于出水口422处的水泵抽吸作用，矿浆于矿浆分离组件4大径端形成旋涡状流体，并由于位于出水口422处的第二过滤筛网45作用，避免了矿砂及海泥自出水口422处被吸出，对出水口外接水泵造成损害；螺旋导流板49由动力驱动系统驱动旋转，并形成中心压强高外部压强低的轴向漩涡，使得矿浆由大径端向小径端移动，并受离心力及压强差的作用，海泥与矿砂向第一过滤筛网431内壁处靠拢，经第一过滤筛网431过滤，海泥自过滤部43向外排出，所剩余的矿砂随同水流继续向位于小径端的矿砂出口44运送；进一步优化，为了加快矿浆分离工序的进行，矿浆分离组件4以15～20°倾斜安装，使得矿浆分离组件4大径端位于上方，使得矿浆受重力作用向小径端排放的同时保证足够的运行距离，使得海泥与矿砂充分分离。

如图4所示，海泥收集组件5包括包裹于矿浆分离组件4外部的柱状外壳件51，所述柱状外壳件51两端分别为外壳进水口52及海泥排出口53，且所述外壳进水口52位于矿浆分离组件4大径端，海泥排出口53位于矿浆分离组件4小径端，所述外壳进水口52外接水泵使之与海泥排出口53之间形成液体流动。

实际工作时，经由离心力及压强作用而自第一过滤筛网43分离出的海泥排出至矿浆分离组件4外部的柱状外壳件51，由于外壳进水口52外接有水泵，使得分离出的海泥自海泥排出口53排出海底采矿设备，避免了海泥进入矿浆提升工序，对海底环境造成负面影响。

如图5所示，矿砂收集组件6包括矿砂收集箱61，所述矿砂收集箱61为网状结构外壳的箱体，其外壳网状空隙尺寸小于粉碎后的矿砂，且其与矿砂出口44小径端通过软管62连接，且其入口处固定安装有粉碎刀头63，所述矿砂收集箱61左右两侧通过弹簧64与固定安装于海底采矿设备车身的L型板固定连接，且所述L型板上分别安装有位移传感器65。

实际工作时，经分离的矿砂与海水经矿砂出口44及软管62进入矿砂收集箱61并被粉碎刀头63粉碎，由于进行液力或气体提升时，矿砂需要与海水以合适比例以矿浆形式进行提升，且由于海底沉积层相对于海底采矿设备而言易于打滑及沉陷，故位于所述矿砂收集箱61内的矿砂质量需位于合适数值范围内；经位移传感器65与弹簧64作用，可测得矿砂收集箱61内矿砂质量变化，当所述矿砂收集箱61内矿砂质量达到预设数值时，矿浆提升装置开启并减弱进水口421处矿浆泵作用，将矿砂收集箱61内矿砂抽离提升至矿砂中继舱或海面采集船。

具体使用时，进水口421与外接吸头连接，且其与出水口422分别与水泵连接，由于进水口421及出水口422与矿浆分离组件4内部空腔为螺旋状接入，故海泥/矿砂/海水混合矿浆于进出口部42处形成螺旋状涡流，同时由于矿浆分离组件4以15～20°倾斜安装，故受重力作用及中心杆48旋转作用，混合矿浆螺旋向矿砂出口44处运动，并由过滤部43的第一过滤筛网431过滤，加速海泥排放至外部的海泥收集组件5，由于柱状外壳件51内的水流作用，海泥经海泥排出口53不断排出至海底采矿设备外部，避免了将海底沉积物提升至海面进行排放对于海底环境生态的破坏；经分离后的矿砂自矿砂出口44进入矿砂收集箱61，并经入口处的粉碎刀头63初步粉碎处理，落入矿砂收集箱61，当矿砂收集箱61内矿砂经弹簧64形变及位移传感器65测得达到预设质量，减弱进水口421处矿浆泵功率，使得矿浆进料速率降低，并发出信号，启动矿砂提工序，将矿砂收集箱61内矿砂以合适比例的矿浆形态提升至矿砂中继舱或海面采集船，同时也避免了贮存矿砂质量过大，导致海底采矿设备打滑或者沉陷，降低海底矿物采集功率，同时由于经过粉碎刀头63的初步粉碎工序，也避免了进行气力或者液力提升时，矿砂堵塞提升管道。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (8)

1.一种海底采矿设备的矿浆分离装置，包括矿浆分离组件(4)，其特征在于，所述矿浆分离组件(4)为锥台型空腔结构，其大径端为安装底板(41)，其侧壁靠近大径端为进出口部(42)，所述安装底板(41)及进出口部(42)下部为过滤部(43)，且其小径端为矿砂出口(44)，所述进出口部(42)为无孔材质，且其上对称安装有进水口(421)及出水口(422)，所述进水口(421)及出水口(422)呈螺旋状接入所述矿浆分离组件(4)内部空腔，所述过滤部(43)为第一过滤筛网(431)；该海底采矿设备的矿浆分离装置还包括矿砂收集组件(6)，所述矿砂收集组件(6)包括矿砂收集箱(61)及软管(62)，所述矿砂收集箱(61)为网状外壳箱体，其经所述软管(62)连接至矿砂出口(44)，所述矿砂收集箱(61)内入口处固定安装有粉碎刀头(63)，且所述矿砂收集箱(61)外壳的网状间隙小于经所述粉碎刀头(63)初步粉碎后的矿砂尺寸；所述矿砂收集箱(61)两侧经弹簧(64)固定安装于海底采矿设备车身内部的L型板上，且所述L型板上分别安装有位移传感器(65)，所述位移传感器(65)测量所述弹簧(64)的形变量；所述位移传感器(65)控制方式为：当所述位移传感器(65)测得形变量达到预设阈值时，输出控制信号至进水口(421)处矿浆泵及外接液力或气升式提升系统。

2.根据权利要求1所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，所述第一过滤筛网(431)孔径尺寸小于矿砂且大于海底沉积物。

3.根据权利要求1所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，所述进水口(421)与外接吸头连接，且连接有矿浆泵，所述出水口(422)连接有水泵，且安装有第二过滤筛网(45)，所述第二过滤筛网(45)孔径尺寸小于海底沉积物。

4.根据权利要求1所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，所述矿浆分离组件(4)还包括支撑座(47)及中心杆(48)，所述支撑座(47)固定安装于安装底板(41)中心处，所述中心杆(48)转动安装于支撑座(47)处，且其一端位于所述安装底板(41)外侧，另一端位于所述矿浆分离组件(4)小径端处，且所述中心杆(48)上固定安装有螺旋导向板(49)。

5.根据权利要求1所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，所述矿浆分离组件(4)以15～20°倾斜安装于海底采矿设备车身内部，且所述矿浆分离组件(4)的大径端位于上方。

6.根据权利要求4所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，还包括动力驱动系统，所述动力驱动系统位于矿浆分离组件(4)大径端外侧，包括电机(1)、减速机(2)及联轴器(3)，所述电机(1)、减速机(2)及中心杆(48)依次经联轴器(3)安装连接。

7.根据权利要求1所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，还包括海泥收集组件(5)，所述海泥收集组件(5)包括柱状外壳件(51)，所述柱状外壳件(51)包裹于矿浆分离组件(4)外部，且其一端为外壳进水口(52)，另一端为海泥排出口(53)。

8.根据权利要求7所述的一种海底采矿设备的矿浆分离装置，其特征在于，所述外壳进水口(52)处外接水泵，且其靠近矿浆分离组件(4)大径端。

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