ما هو الغربال الاهتزازي؟ خصائصه ومجالات استخدامه
ما هو الغربال الاهتزازي؟
تحتل الغربلة مكانة مهمة في جميع العمليات المعدنية تقريبًا. تُسمى عملية فصل كومة من المواد التي تحتوي على عناصر بأحجام مختلفة إلى فئتين أو أكثر على الأقل بالغربلة (التصنيف). تتمثل عملية الغربلة في تمرير الحجم الذي نرغب في فصله عبر فتحة معينة. وبذلك تُفصل المادة القادرة على المرور عبر الفتحة عن المادة التي لا تستطيع المرور. الغرابيل هي الآلات الأكثر استخدامًا للتصنيف حسب الحجم. وعند النظر إلى صناعة المعالجة، تُشاهد العديد من أنواع الغرابيل وعمليات الغربلة المختلفة. تركّز هذه المقالة على الغرابيل الاهتزازية، وهي من أكثر أنواع الغرابيل استخدامًا في قطاع التعدين وخاصة في قطاع إنتاج الركام.
تنقسم الغرابيل عمومًا إلى ثلاث فئات مبينة في الجدول 1. في الغرابيل من النوع الثابت (grizzlies, riffles, sieve bends) لا تُطبّق أي قوة ميكانيكية على المادة المراد غربلتها، وتتم الغربلة فقط بتأثير قوة الجاذبية. ومن أمثلة الغرابيل من النوع الدوّار الغربال الأسطواني (الترومل) والغربال ذو الأسطوانات (roller screen). يعمل الترومل (الجدول 1، الصورة على اليمين) وفق مبدأ دوران أسطوانة بها ثقوب. تتم الغربلة عبر مرور المادة المحمّلة داخل الغربال عبر الثقوب. يمتلك الغربال ذو الأسطوانات بنية تحتوي على عدة أسطوانات مرتبة الواحدة تلو الأخرى وتدور بشكل متزامن أو غير متزامن. ويعمل وفق مبدأ سقوط المادة المراد غربلتها إلى الأسفل عبر الفراغات بين الأسطوانات. يظهر الغربال ذو الأسطوانات في الصورة 1.
صُنّفت أنواع الغربلة إلى فئات حسب حجم المادة (الشكل 1). ويمكن تلخيص هذه الفئات على النحو التالي:
400 ميكرون – 2 مم دقيق جدًا، 2-5 مم التطبيقات الرطبة، 5-65 مم التصنيف النموذجي، 65-250 مم تصنيف المواد الكبيرة، 250-450 مم الغربلة الخشنة، 450-915 مم خشن جدًا
1.1 ما هي قوة G؟
تعمل الغرابيل المائلة في نطاق 3-4 G، والغرابيل الأفقية في نطاق 4-5 G. لكن، هل فكّرت يومًا؟ عندما تصل بسيارتك إلى سرعة 100 كم/س في حوالي 8 ثوانٍ، فما مقدار قوة G التي تؤثر عليك؟ الجواب على هذا السؤال هو 0.58 G. ما هي قوة G وما علاقتها بالغرابيل؟
عندما نقول إن قوة 5 G تؤثر على غربال، فإن المقصود في الواقع أن تسارعًا يساوي 5 أضعاف تسارع الجاذبية يؤثر على النظام. ومع أن تسارع الجاذبية يتغير حسب موقعك على الأرض، فإنه يُعتمد بقيمة 9.81 م/ث². أي أن 5G = 5x9.81 = 49.05 م/ث².
1.2 مبدأ عمل الغرابيل الاهتزازية
الغرابيل الاهتزازية هي أكثر أنواع الغرابيل تفضيلًا في الصناعة. وتتكوّن عمومًا من جسم الغربال وآلية الإدارة والنظام المرن.
1.2.1 جسم الغربال
الغرابيل الاهتزازية هي أكثر أنواع الغرابيل تفضيلًا في الصناعة. وتتكوّن عمومًا من جسم الغربال وآلية الإدارة والنظام المرن.
1.2.2 نظام الإدارة
من أهم عناصر الغربال نظام الإدارة. ولفهم أنظمة الإدارة من المهم معرفة مبدأ عمل الغربال. تُهتز الغرابيل بفضل القوة الطاردة المركزية الناتجة عن دوران الأوزان اللامتراكزة بسرعة معينة. يظهر مبدأ عمل نظام الإدارة في الشكل 3.
يؤثر موضع تثبيت الوزن اللامتراكز على جسم الغربال في شكل الاهتزاز. في الغرابيل المائلة ذات الإدارة الفردية، تُوضع آلية الإدارة في موضع قريب من مركز ثقل الغربال. وبذلك يُضمن تساوي الاهتزاز في كل نقطة من الغربال.
1.2.3 كيف تُحسب قيمة G؟
لحساب قيمة G لنظامك يمكنك استخدام الصيغة أدناه.
على سبيل المثال: تُحسب قيمة G لغربال يعمل بسرعة 900 RPM وشوطه 9 مم على النحو التالي:
يمكنك أيضًا تحديد قيمة G باستخدام الرسم البياني 1.
إذا كان غربالك أو مغذياتك تعمل خارج نطاق G الموصى به، فهذا يعني أن هناك خطرين ينتظرانك. لقد أثبتت النطاقات 3-4 G للغرابيل المائلة و4-5 G للغرابيل الأفقية و4-5 G للمغذيات ملاءمتها من خلال الخبرات المتراكمة حتى الآن. إذا كانت قيمة G أقل من القيمة الموصى بها، فقد يحدث انخفاض في كفاءة الغربلة والسعة وانسداد في غرابيلك. وإذا كانت أعلى من القيمة المحددة، فقد تتعرض الهياكل الميكانيكية لإجهاد مفرط، وقد يُشاهد تشقق في البنية وانخفاض في عمر المحامل.
1.2.4 النظام المرن
في الغرابيل والمغذيات يمكن استخدام النوابض الفولاذية الحلزونية وقواعد المطاط والعناصر التي تُوضع فيها مكونات مطاطية ضمن بنية خاصة كعنصر للنظام المرن. تُعد النوابض الفولاذية الحلزونية عنصر النظام المرن الأكثر استخدامًا والأكثر اقتصادية في الغرابيل والمغذيات. تظهر عناصر النظام المرن في الصورة 2.
مزايا قواعد المطاط مقارنة بالنابض الفولاذي الحلزوني:
- بما أن معدل صلابة النوابض المطاطية يتغير وفقًا للحمل المؤثر عليها، فإنها توفر ترددًا طبيعيًا ثابتًا تحت الأحمال المتغيرة، ولذلك توفر عزلًا جيدًا.
- تتمتع بقدرة عالية على تحمّل الأحمال.
- بما أن معدل الصلابة في الاتجاه الأفقي أقل منه في الاتجاه الرأسي، فإنها توفر عزلًا جيدًا في الاتجاه الأفقي.
- أكثر كفاءة من النوابض الفولاذية في البيئات الرطبة والمسبّبة للتآكل.
- تُنتج ضوضاء أقل
1.3 التردد والشوط وشكل الاهتزاز
للغرابيل الاهتزازية ثلاثة معاملات تشغيل مهمة، وهي: شكل حركة الاهتزاز والشوط والتردد. وبينما يمكن تغيير هذه الخصائص ببساطة في بعض الغرابيل، فإن تغييرها بعد التصنيع في بيئة المنشأة صعب جدًا في غرابيل أخرى. عندما يهتز الغربال يتحرك على مسار معين. وهذا المسار هو شكل حركة الاهتزاز. ويُسمى ضعف السعة بالشوط. المسافة بين أبعد نقطتين عن بعضهما على المسار هي الشوط. للحصول على معلومات حول كيفية قياس الشوط، يمكنك مراجعة مقاطع الفيديو على صفحة MEKA GLOBAL على YouTube. تظهر أمثلة الشوط في الجدول 2. يشير التردد إلى عدد مرات حدوث حدث ما في وحدة الزمن. أما التردد في الغرابيل فيشير إلى عدد المرات في الثانية التي تمر فيها نقطة على المسار الذي يتبعه الغربال. وهو مرتبط ارتباطًا مباشرًا بسرعة دوران الأوزان اللامتراكزة.
1.4 ما هي الغربلة؟
المبدأ الأساسي واحد في جميع الغرابيل. يمكن للجسيمات الأصغر من فتحة عين الغربال أن تمر أسفل سطح الغربلة، وتُسمى هذه الجسيمات بالمنتج تحت المقاس (undersize)، أما المواد الأكبر من فتحة العين فتغادر النظام دون أن تتمكن من المرور عبر سطح الغربلة، وتُسمى هذه المواد بالمنتج فوق المقاس (oversize) (الشكل 4). وكلما زاد احتمال مرور الجسيمات عبر فتحة العين، ارتفعت كفاءة الغربلة. يظهر المسار الذي تتبعه الجسيمات على الغربال في الشكل 5.
تحتوي الغرابيل الاهتزازية الأكثر استخدامًا على 2 أو 3 أو 4 طوابق. في كل طابق، تحمل بنى تُسمى الإطارات سطح الغربلة (screen media). إذا كانت المادة صغيرة بما يكفي للمرور عبر فتحة عين الطابق الموجودة فيه، فإنها تنتقل إلى الطابق الأدنى، وإلا فإنها تغادر النظام في نهاية الطابق. ويقوم مزلق عند نقطة تفريغ الغربال بنقل المادة فوق المقاس الواردة من كل طابق إلى المرحلة التالية دون خلطها ببعضها.
1.5 الطبقية (stratification)
من العوامل المهمة الأخرى في الغربلة الطبقية. توجد المادة المرسلة إلى الغربال، عند نقطة تفريغها الأولى، على شكل خليط من الجسيمات الخشنة والدقيقة. ولكي تتم الغربلة يجب أن تنزلق الجسيمات الدقيقة من بين المواد الخشنة وتصل إلى سطح الغربلة. وبعد أن تتقدم المادة المختلطة لفترة على سطح الغربال، تتوضّع بفضل حركة الاهتزاز بحيث تبقى الجسيمات الدقيقة في الأسفل والجسيمات الخشنة في أعلى الكومة، وتُسمى هذه الحالة بالطبقية. تظهر الطبقية في الشكل 6.
عمق الطبقة (bed depth) معامل يجب التحكم فيه في عملية الغربلة المرتبطة بالطبقية. والقاعدة العامة لعمق الطبقة هي ألا يزيد على 4 أضعاف فتحة سطح الغربلة للمواد ذات الكثافة الظاهرية 1.6 طن/م³، وألا يزيد على 3 أضعاف للمواد ذات الكثافة الأقل. يظهر عمق الطبقة في الشكل 6. وترد فيما يلي العوامل المؤثرة في الطبقية:
- قدرة المادة على التحرك على الغربال مهمة للطبقية. ويتغير ذلك حسب شكل المادة. تتحرك المواد المستديرة بسرعة أكبر على سطح الغربلة، بينما تتحرك المواد المفلطحة ببطء نسبي. أما العوامل الأخرى المؤثرة في سرعة المادة فهي خصائص سطح الغربلة وميله.
- تردد اهتزاز الغربال وسعته ونوع الحركة.
- ارتفاع نسبة الرطوبة على سطح المادة يؤثر سلبًا في الطبقية.
1.6 أنواع الغرابيل ومجالات الاستخدام
يمكن أن تكون الغرابيل بأنواع متعددة جدًا حسب مكان الاستخدام. وقد بُيّن مكان الاستخدام وأنواع الغرابيل في الجدول 3.
1.6.1 الغربال المائل (Inclined Screen)
الغرابيل المائلة هي أكثر أنواع الغرابيل استخدامًا. يمكن أن تكون الغرابيل المائلة بزاوية بين 15° و30°. وكما هو الحال في جميع الغرابيل، يعمل جسم الغربال على نوابض فولاذية أو مطاطية. يتراوح شوط تشغيل هذا النوع من الغرابيل عادةً بين 8 مم و12 مم. وعند زيادة مقدار الأوزان اللامتراكزة يُحصل على شوط عالٍ، وعند تقليله يُحصل على شوط منخفض. يمكن أن يكون هذا النوع من الغرابيل بطابقين و3 و4 طوابق، وبذلك يمكن الحصول على 3 منتجات مختلفة من غربال بطابقين، و4 من غربال بثلاثة طوابق، و5 من غربال بأربعة طوابق. يظهر الغربال المائل في الصورة 3.
1.6.2 الغربال الأفقي (Horizontal Screen)
الغرابيل الأفقية (الصورة 4) ذات بنية أكثر تعقيدًا من الغرابيل المائلة. يمكن وضع هذه الغرابيل إما موازية للأرض أو بزوايا تتراوح بين 0° و5°. وأهم خصائص الغرابيل الأفقية قدرتها على أداء حركة اهتزاز على شكل قطع ناقص (الشكل 7) بزاوية الضربة والشوط المطلوبين. ويمكن بسهولة تغيير زاوية الضربة والشوط وسرعة تشغيل حركة الاهتزاز هذه.
تُنشأ آلية الإدارة الثلاثية بفضل مزامنة ثلاثة أنظمة مشابهة لنظام الإدارة في الغرابيل المائلة بواسطة التروس (الصورة 5).
بفضل هذا النظام يؤدي الغربال حركة إهليلجية هي مزيج من الحركة الدائرية والخطية معًا. وأكبر ميزة للحركة الإهليلجية أنها أكثر نجاحًا في منع انسداد سطح الغربلة، وبما أن سطح الغربلة أفقي فيمكن استخدام فتحة الغربال بكفاءة أكبر. وكما يظهر في الشكل 8، بما أن فتحة العين أكبر في الغرابيل الأفقية، فإن كمية المادة ذات الحجم الصحيح داخل المنتج ستكون أكبر، وهذا يعني زيادة في الكفاءة. وفي هذه الحالة قد يخطر في البال أولًا أنه يمكن تحقيق ذلك بتركيب سلك غربلة أكبر من فتحة العين المطلوبة على الغرابيل المائلة، لكن في هذه الحالة يكون هناك احتمال اختلاط مواد ذات حجم أكبر من المطلوب في المنتج الذي سنحصل عليه.
يتراوح شوط الغرابيل الأفقية بين 14 و20 مم. ولها شوط وقيمة G أعلى من الغرابيل الأخرى.
1.6.3 الغربال الموزي (Banana Screen)
أخذ الغربال الموزي (الصورة 6) هذا الاسم بسبب بنية إطاره المنحنية. وخلافًا لبنى الإطارات المستوية المعتادة، تمتلك الإطارات في الغرابيل الموزية بنية تتراوح بين 0° و45°. وبفضل هذه البنية تتمتع الغرابيل الموزية بسعة عالية وعمق طبقة منخفض وسرعة مادة عالية.
تُدار الغرابيل الموزية بفضل آلية الإدارة الموضوعة فوق الغربال. وبفضل آلية الإدارة هذه تتحقق حركة خطية. لكن، بما أن هناك ميولًا مختلفة على طول الإطار، تكون للمادة سرعات مختلفة في أجزاء التحميل والوسط والتفريغ من الغربال. فالميل العالي في جزء التغذية يتيح طبقية أسرع للمادة، أما الميل المنخفض في جزء التفريغ فيتيح للمادة قضاء وقت أطول على الغربال (الشكل 9)، وبذلك ترتفع كفاءة الغربلة.
1.6.4 غربال نزع الماء (De-Watering Screen)
غربال نزع الماء (الصورة 7) يُستخدم لفصل الماء من مادة دقيقة تحتوي على كمية كبيرة من الماء. تُولّد حركة الاهتزاز بفضل المحركات الاهتزازية الموضوعة على الغربال. ويكون ميل الغربال معاكسًا لاتجاه تدفق المادة وبين 0° و5°. وتكون سرعة تشغيل هذا النوع من الغرابيل عادةً حوالي 1000-1500 دورة/دقيقة.
1.6.4 غربال نزع الماء (De-Watering Screen)
غربال نزع الماء (الصورة 7) يُستخدم لفصل الماء من مادة دقيقة تحتوي على كمية كبيرة من الماء. تُولّد حركة الاهتزاز بفضل المحركات الاهتزازية الموضوعة على الغربال. ويكون ميل الغربال معاكسًا لاتجاه تدفق المادة وبين 0° و5°. وتكون سرعة تشغيل هذا النوع من الغرابيل عادةً حوالي 1000-1500 دورة/دقيقة.
يؤدي اهتزازًا خطيًا بفضل محركين اهتزازيين يدوران في اتجاهين متعاكسين. وبفضل هذا الاهتزاز، بينما يمر الماء عبر فتحة عين الغربال، تتقدم المادة فوق المقاس نحو جزء التفريغ. وتؤدي طبقة الكعكة (الصورة 8) التي تتكوّن عند خروج المادة من الميل المعاكس لاتجاه التغذية دور المرشّح، وبذلك تُحتجز الجسيمات التي يُحتمل مرورها عبر فتحة العين. وتمتلك غرابيل نزع الماء قيمة g أعلى من الغرابيل الأخرى. ولعملية نزع ماء فعّالة يُستحسن أن يعمل الغربال في نطاق 5-6 g.
1.6.5 غربال المواد الدقيقة (Fine Material Screen)
يمكن لغربال المواد الدقيقة (الصورة 9) أن يغربل المادة المغذّاة بحجم 0-5 مم حتى 200 ميكرون. في هذا النوع من الغرابيل، تُربط الإطارات بالجسم ببنى مُعزِّزة للاهتزاز، وبذلك تهتز الإطارات بتردد وسعة أعلى بكثير من جسم الغربال. وبذلك يمكن غربلة المادة صغيرة الحجم بسعة وكفاءة عالية.
نوع آخر من الغرابيل يُستخدم للمواد الدقيقة هو الغربال عالي التردد. في هذا النوع من الغرابيل، بفضل عدد كبير من المحركات الاهتزازية صغيرة الحجم المربوطة أسفل الإطارات، يُهتز الإطار بتردد أعلى بكثير من جسم الغربال. وبذلك يزداد عدد مرات تماس المادة مع سطح الغربال وتتحقق غربلة فعّالة (الشكل 10).
غربال آخر يُستخدم لعمليات غربلة المواد الدقيقة هو الغربال الدوّار (الصورة 10). في هذا الغربال، وخلافًا للغرابيل المعتادة، تُغذّى المادة من الوسط وتتقدم نحو الأطراف. ويُستخدم كثيرًا خاصةً في إنتاج المواد الغذائية.
1.6.6 غربال القضبان (Grizzly Screen)
غرابيل القضبان (الصورة 11) تُستخدم لغربلة الأكوام ذات أحجام الجسيمات الكبيرة نسبيًا. أخذت غرابيل القضبان اسمها من القضبان المتوازية الموجودة على إطارها العلوي. وتُستخدم هذه الغرابيل عادةً قبل عملية التكسير لمنع دخول الجسيمات الصغيرة إلى الكسّارة وخفض الكفاءة. ويمكن ضبط المسافة بين القضبان حسب حجم المادة المراد غربلتها. وعادةً تكون فتحة القضبان أكبر من 50 مم، ويمكن أن تصل في بعض التطبيقات إلى 300 مم. ويمكن أن يكون ميل غرابيل القضبان بين 15° و20°.
تُصنع القضبان من مادة مقاومة للتآكل. وعادةً ما يكون الصب الفولاذي المضاف إليه المنغنيز طريقة تصنيع مفضّلة للقضبان. وتتّسع المسافة بين القضبان من التغذية باتجاه التفريغ، وبذلك يُمنع انحشار المادة المغربلة بين القضبان. ونظرًا لتعرّضه لأحمال كبيرة، صُمّمت الألواح الجانبية وبنية جسم غربال القضبان لتناسب الخدمة الشاقة.
