專利名稱：大洋多金屬結(jié)核水力式采集機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開采水深4000～6000米海底沉積物上多金屬結(jié)核的采集機(jī)構(gòu)。
在世界各大洋洋底表層的軟質(zhì)沉積物上，蘊(yùn)藏著大約3萬億噸含有銅、鎳、鈷、錳、鐵等元素的多金屬結(jié)核，作為開采這些多金屬結(jié)核作業(yè)中最核心部分的采集機(jī)構(gòu)，由于其所處的特殊環(huán)境，必須滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、采集率高、適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境破壞小等要求。
在開采深海底多金屬結(jié)核的設(shè)備中，最早出現(xiàn)的是各種機(jī)械式采集機(jī)構(gòu)，如連續(xù)繩斗式、耙斗式、滾筒葉輪式、滾筒鏈板式等，但都存在著笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、挖齒易損壞、海底地形適應(yīng)能力差、采集效率低、挖起的沉積物多等問題。
水力式采集機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、采集效率高、對(duì)沉積物破壞小、特別是利用多金屬結(jié)核周圍的海水作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)等特點(diǎn)，被認(rèn)為具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景而日益受到重視，近年來已出現(xiàn)了這類采集機(jī)構(gòu)。例如美國專利US3,646,694介紹了一種射流-吸入式采集機(jī)構(gòu)，它利用真空吸塵器原理，在采集管的前端設(shè)置一輔助噴嘴，輔助噴嘴射流先將賦存于沉積物上的多金屬結(jié)核掃集到采集管入口處附近，再利用采集管中安裝的離心泵產(chǎn)生的負(fù)壓將多金屬結(jié)核吸入采集管。該采集機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在著采集管的采集效率對(duì)離地高度變化敏感、不能適應(yīng)海底地形變化、吸入的沉積物較多等不足。
“深海底資源開發(fā)研究的現(xiàn)狀與未來”(日本《資源-素材學(xué)會(huì)志》，鶴崎克也，1990年第10期)一文介紹了一種水力式采集機(jī)構(gòu)，其工作原理與上述美國專利基本相同，但形成負(fù)壓的方式有所不同。它取消了采集管中的離心泵，在采集管入口處安裝一射流噴嘴(也稱主噴嘴)，利用該噴嘴射流產(chǎn)生的Coanda效應(yīng)改變采集管入口處的海水流場(chǎng)分布，使前端輔助噴嘴掃集來的多金屬結(jié)核在流場(chǎng)的作用下向上運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入采集管。同時(shí)為了減小采集管口的吸入阻力，還對(duì)入口處的形狀作了改進(jìn)，使之更加開放。但該機(jī)構(gòu)仍存在著與上述美國專利相同的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、采集效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境破壞小的大洋多金屬結(jié)核水力式采集機(jī)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如附

圖1所示，它通過水力捕捉裝置、水力輸送裝置和分離裝置三部分的組合作用，完成對(duì)多金屬結(jié)核的捕捉、輸送和脫泥。其工作原理是相對(duì)而立的前排噴嘴(3)和后排噴嘴(4)產(chǎn)生的兩排水射流斜向噴向海底，對(duì)賦存于海底沉積物中的多金屬結(jié)核進(jìn)行沖刷、松動(dòng)，最終將多金屬結(jié)核沖離沉積物并洗掉多金屬結(jié)核上粘著的一部分沉積物，在前后排水射流共同形成的旋渦上升流的帶動(dòng)下，將多金屬結(jié)核升舉到一定高度，隨著采集機(jī)構(gòu)的向前移動(dòng)，被舉起的多金屬結(jié)核在上導(dǎo)流板(5)、下導(dǎo)流板(6)以及兩塊側(cè)板(7)、(8)的引導(dǎo)下進(jìn)入輸送區(qū)，在輸送噴嘴(9)的作用下沿著輸送通道(10)被送入分離裝置進(jìn)行脫泥，沉積物跟隨輸送通道沖出的水流穿過分離網(wǎng)(15)的網(wǎng)孔流走，多金屬結(jié)核則沿下端開口落入儲(chǔ)料倉。以下分述各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其作用。
水力捕捉裝置是本發(fā)明所述的水力式采集機(jī)構(gòu)的最關(guān)鍵部分，它的主要功能是從沉積物中捕捉多金屬結(jié)核，同時(shí)也有部分脫泥(脫泥是指去掉粘著在多金屬結(jié)核上的沉積物)的輔助功能。如附圖1、附圖2所示，水力捕捉裝置由前排噴管(1)、后排噴管(2)、前排噴嘴(3)、后排噴嘴(4)、上導(dǎo)流板(5)、下導(dǎo)流板(6)以及左右兩塊側(cè)板(7)、(8)組成。前排噴管、后排噴管是一對(duì)穩(wěn)壓管，兩端均與壓力水供給管道相通，其作用是為安裝在它們上面的前排噴嘴和后排噴嘴提供一個(gè)等壓腔體，使這些噴嘴噴出均勻、穩(wěn)定、連續(xù)的水射流；這兩排噴管之間的距離為500～700毫米，兩排噴管的直徑均為安裝在它們上面的噴嘴內(nèi)孔直徑的7～8倍，長度按照作業(yè)時(shí)所要求的采集寬度確定。前排噴嘴和后排噴嘴是水力捕捉裝置的動(dòng)力元件，主要工作參數(shù)范圍是每排噴嘴噴射流量均為每米采集寬度55～92升/秒兩排總計(jì)110～184升/秒，噴嘴出口噴射凈壓力為18～33千帕；兩排噴嘴的對(duì)地俯視角范圍均為40～50度，一般取45度；噴嘴出口離地高度均為210毫米；噴嘴可以是多個(gè)圓柱形噴嘴，也可以是一個(gè)或者多個(gè)矩形噴嘴，但無論選擇哪一種形式的噴嘴，噴嘴均須滿足上述工作參數(shù)的要求，并且均勻布滿在所要求的全部采集寬度上；噴嘴入口還應(yīng)作成圓弧過渡型并使噴嘴內(nèi)表面光滑。上導(dǎo)流板和下導(dǎo)流板的作用是對(duì)前后排噴嘴形成的旋渦上升流進(jìn)行整流和導(dǎo)流，使旋渦上升流攜帶多金屬結(jié)核到達(dá)輸送區(qū)；上下導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)如附圖1、附圖2所示，兩者均呈弧線型且上導(dǎo)流板的曲率半徑大于下導(dǎo)流板的曲率半徑，上導(dǎo)流板向輸送通道(10)的上頂板(12)平滑過渡，下導(dǎo)流板平滑過渡到輸送通道的下底板(11)并與之連成一體；上下導(dǎo)流板的寬度由所要求的采集寬度來確定，下導(dǎo)流板起點(diǎn)離地的高度與前后排噴嘴出口離地的高度相同均為210毫米；上下導(dǎo)流板之間的最小距離按多金屬結(jié)核順利通過所要求的最小通道尺寸來決定，這一數(shù)值為多金屬結(jié)核最大粒徑的1.3～1.5倍以上。左右兩塊側(cè)板(7)、(8)設(shè)置在上下導(dǎo)流板的兩側(cè)，其作用是封閉上下導(dǎo)流板的兩側(cè)，阻止旋渦上升流流向兩側(cè)。
水力輸送裝置的功能是輸送多金屬結(jié)核。由于水力捕捉裝置中形成的旋渦上升流所具有的能量只能將多金屬結(jié)核升舉到有限的離地高度(位置約在附圖1所示的標(biāo)記線A-A處)，因而設(shè)置了水力輸送裝置，將多金屬結(jié)核送至分離裝置中進(jìn)行脫泥并使之落入儲(chǔ)料倉。如附圖1、附圖4所示，水力輸送裝置由輸送噴嘴(9)和輸送通道(10)組成。輸送噴嘴是水力輸送裝置的動(dòng)力元件，其主要工作參數(shù)包括噴嘴出口噴射凈壓力、噴射流量等，按照使整個(gè)輸送通道流體的速度大于最大粒徑多金屬結(jié)核沉降的分速度以及使整個(gè)輸送通道流體的靜壓力大于輸送阻力的原則來確定；輸送噴嘴可以采用一個(gè)或者多個(gè)楔形噴嘴，也可以采用多個(gè)圓柱形噴嘴；但無論選擇哪一種形式的噴嘴，噴嘴均須滿足上述輸送工作參數(shù)的要求，并且均勻布滿在整個(gè)輸送通道入口端的寬度上。輸送通道的對(duì)地傾角范圍為30～60度，傾角越大，多金屬結(jié)核的沉降分速度就越大，要求輸送噴嘴提供的輸送功率也就越大，這一傾角一般取45度比較有利；輸送通道入口端的橫截面與上導(dǎo)流板(5)、下導(dǎo)流板(6)末端出口的橫截面均呈矩形，且兩者的寬度相等，均按所要求的采集寬度來確定；輸送通道的高度按多金屬結(jié)核順利通過所要求的最小通道尺寸來決定，一般為多金屬結(jié)核最大粒徑的1.3～1.5倍以上；在附圖1所示的標(biāo)記線A-A處，輸送通道的左右兩塊側(cè)板(13)、(14)分別與水力捕捉裝置的左右兩塊側(cè)板(7)、(8)連成一體，輸送通道的下底板(11)與水力捕捉裝置的下導(dǎo)流板(6)連為一體，輸送通道的上頂板(12)則在此處斷開并彎曲延長成平滑圓弧過渡狀，裝入輸送噴嘴(9)；此外，從輸送通道入口端(即附圖1所示的標(biāo)記線A-A處)起430～450毫米長度以后的一段輸送通道可以沿寬度方向縮小，或者收縮成橫截面積小于入口端的矩形通道如附圖4(b)所示，或者收收縮成橫截面呈正方形的通道如附圖4(c)所示，或者直接收縮成圓柱形通道如附圖4(d)所示；但收縮后的輸送通道其橫截面尺寸也應(yīng)滿足多金屬結(jié)核順利通過所要求的最小通道尺寸，即為多金屬結(jié)核最大粒徑的1.3～1.5倍以上，同時(shí)橫截面積不同的兩段輸送通道之間應(yīng)采用圓弧平滑過渡。
分離裝置的作用是脫泥，如附圖1、附圖3所示，該裝置是一個(gè)下端開口的網(wǎng)箱，其形狀與輸送通道(10)的末端出口相匹配。分離網(wǎng)(15)的網(wǎng)孔其形狀可以是矩形、菱形，也可以是圓形；網(wǎng)孔的尺寸小于多金屬結(jié)核最小粒徑5～7毫米。從輸送通道末端出口沖出的包含多金屬結(jié)核和沉積物的水流，在該裝置中進(jìn)行分離，沉積物跟隨水流直接穿過網(wǎng)孔流走，而多金屬結(jié)核則從下端開口落入儲(chǔ)料倉。
本發(fā)明所述的水力式采集機(jī)構(gòu)在其寬度方向上可以擴(kuò)大到指定的寬度，能夠達(dá)到商業(yè)化開采時(shí)所要求的采集寬度并且保證其采集效果基本不變，擴(kuò)大的方法可以整體一次性直接擴(kuò)大到所指定的采集寬度，也可以作成幾個(gè)較小寬度的水力式采集機(jī)構(gòu)組合達(dá)到所指定的采集寬度。
本發(fā)明所述的水力式采集機(jī)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室或者在淺水、淺海中作模擬采集試驗(yàn)使用，可采用普通金屬或者不銹鋼制成；在商業(yè)化開采時(shí)則應(yīng)采用耐磨、耐腐蝕的合金材料或者復(fù)合材料制成。
本發(fā)明所述的水力式采集機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有的其他種類的采集機(jī)構(gòu)相比，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)<1>結(jié)夠簡(jiǎn)單、緊湊，部件數(shù)量少，無運(yùn)動(dòng)副，無須考慮潤滑、密封等問題，工作可靠，故障少，連續(xù)作業(yè)時(shí)間長。
<2>動(dòng)力源單一，前后排噴嘴和輸送噴嘴均以壓力水為動(dòng)力源，可共用水泵、管道和控制系統(tǒng)。
<3>對(duì)海底地形變化適應(yīng)性強(qiáng)。采集機(jī)構(gòu)的采集口在離地高度210毫米范圍內(nèi)變化對(duì)多金屬結(jié)核的采集率沒有明顯影響，克服了現(xiàn)有水力式采集機(jī)構(gòu)的采集率對(duì)采集口離地高度變化敏感的問題。
<4>多金屬結(jié)核的采集率可達(dá)95％以上，最大可達(dá)100％；脫泥率在95％以上，最大可達(dá)98％。而一般認(rèn)為多金屬結(jié)核的采集率能達(dá)到80％以上、脫泥率在85％以上的采集機(jī)構(gòu)即具有工業(yè)應(yīng)用前景。
<5>對(duì)海底沉積物的攪動(dòng)少。由于水力式采集機(jī)構(gòu)的采集口與海底無直接接觸并且前后排噴嘴均采用低壓水射流，這就把對(duì)海底沉積物的攪動(dòng)減少到了最小限度從而有利于海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。
圖面的簡(jiǎn)單說明。
附圖1為大洋多金屬結(jié)核水力式采集機(jī)構(gòu)示意圖。
附圖2、附圖3、附圖4分別為大洋多金屬結(jié)核水力式采集機(jī)構(gòu)I-I、II-II、III-III橫截面剖圖。其中(a)是不收縮的輸送通道(10)的橫截面剖圖，而(b)、(c)、(d)是經(jīng)收縮的輸送通道(10)的橫截面剖圖。
1——前排噴管；2——后排噴管；3——前排噴嘴；4——后排噴嘴；5——上導(dǎo)流板；6——下導(dǎo)流板；7——上下導(dǎo)流板左側(cè)板；8——上下導(dǎo)流板右側(cè)板；9——輸送噴嘴；10——輸送通道；
11——輸送通道下底板；12——輸送通道上頂板；13——輸送通道左側(cè)板；14——輸送通道右側(cè)板；15——分離網(wǎng)。
實(shí)施例?，F(xiàn)將本發(fā)明人制作的采集寬度為600毫米之水力式采集機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及其試驗(yàn)結(jié)果作一具體描述。如附圖1、附圖2、附圖3、附圖4所示，水力式采集機(jī)構(gòu)的寬度為600毫米，高度為900毫米，水平長度為1.24米，輸送通道10對(duì)地傾角45度。前排噴管1和后排噴管2其直徑均為Φ102毫米，長度均為640毫米，兩排噴管之間的距離為530毫米。前排噴嘴3和后排噴嘴4對(duì)地俯視角同為45度，噴嘴出口離地高度同為140毫米；采用圓柱形噴嘴，在厚度為25毫米的整塊鋼板上鉆孔制成，噴嘴數(shù)目每排30個(gè)兩排共計(jì)60個(gè)，其內(nèi)孔直徑均為Φ15毫米，長度90毫米，均勻分布在600毫米的寬度上；噴嘴的噴射凈壓力前后排同為21千帕，噴射流量每排33升/秒兩排總計(jì)66升/秒。上導(dǎo)流板5和下導(dǎo)流板6的寬度與采集寬度一致同為600毫米；上下導(dǎo)流板的形狀均呈弧線型，上導(dǎo)流板的圓弧半徑為R300毫米，下導(dǎo)流板的圓弧半徑為R125毫米，下導(dǎo)流板起點(diǎn)離地的距離與前后排噴嘴出口的離地高度相同均為140毫米；左右兩塊側(cè)板7、8的長度均為400毫米。輸送通道10不收縮，其橫截面呈矩形；輸送通道的高度為125毫米，長度為750毫米，其寬度與采集寬度一致同為600毫米；輸送通道的下底板11與下導(dǎo)流板6連為一體，左右兩塊側(cè)板13、14分別與上下導(dǎo)流的左右兩塊側(cè)板7、8連為一體；輸送通道上頂板12的過渡段的圓弧半徑為R175毫米。輸送噴嘴9采用整體楔形噴嘴，其出口橫截面為寬570毫米、高3毫米的矩形，其外形輪廓線的圓弧半徑均為R175毫米，弧度均為75度；噴嘴出口的噴射凈壓力為35千帕，噴射流量為44升/秒。分離裝置的尺寸為寬620毫米、高250毫米、長260毫米；分離網(wǎng)15的網(wǎng)孔呈正方形，邊長20毫米。試驗(yàn)條件為水深1.7米；多金屬結(jié)核粒徑為Φ25～Φ85毫米，豐度為7千克/平方米；沉積物厚度為200毫米，上層50毫米厚度其抗剪強(qiáng)度小于4千帕，下層150毫米厚度其抗剪強(qiáng)度為5～7千帕；采集寬度為600毫米，長度為10米。采集試驗(yàn)共進(jìn)行15次，試驗(yàn)結(jié)果為多金屬結(jié)核的采集率為95～97％，最大可達(dá)100％；脫泥率為95～96％，最大可達(dá)98％；采集機(jī)構(gòu)的行走速度為0.55～0.7米/秒；采集能力(即產(chǎn)量)為7.9～9噸/小時(shí)，最大可達(dá)10噸/小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種大洋多金屬結(jié)核水力式采集機(jī)構(gòu)，它由多金屬結(jié)核水力捕捉裝置、多金屬結(jié)核水力輸送裝置和多金屬結(jié)核與沉積物分離裝置三部分構(gòu)成，其特征在于水力捕捉裝置、水力輸送裝置和分離裝置三者連成一整體結(jié)構(gòu)。水力捕捉裝置包括相對(duì)而置的前排噴管(1)和后排噴管(2)，其下方分別裝有成俯視角的前排噴嘴(3)和后排噴嘴(4)，上方分別設(shè)置上導(dǎo)流板(5)和下導(dǎo)流板(6)以及左右兩塊側(cè)板(7)與(8)。水力輸送裝置包括輸送噴嘴(9)和輸送通道(10)，輸送噴嘴緊貼輸送通道的上頂板(12)。分離裝置是下端開口、其余部分分布著眾多小孔的網(wǎng)箱，沉積物透過分離網(wǎng)(15)的網(wǎng)孔流走，多金屬結(jié)核沿下端開口落入儲(chǔ)料倉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力式采集機(jī)構(gòu)，其特征在于前排噴嘴(3)和后排噴嘴(4)可由多個(gè)圓柱形噴嘴組成，也可由一個(gè)或者數(shù)個(gè)矩形噴嘴構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力式采集機(jī)構(gòu)，其特征在于上導(dǎo)流板(5)和下導(dǎo)流板(6)的形狀均呈弧線型，且上導(dǎo)流板的曲率半徑大于下導(dǎo)流板的曲率半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力式采集機(jī)構(gòu)，其特征在于輸送噴嘴(9)可由一個(gè)或者數(shù)個(gè)楔形噴嘴構(gòu)成，也可由多個(gè)圓柱形噴嘴組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水力式采集機(jī)構(gòu)，其特征在于上導(dǎo)流板(5)和下導(dǎo)流板(6)末端出口的橫截面與輸送通道(10)入口端的橫截面均呈矩形，且兩者的寬度相等。從輸送通道入口端起430～450毫米長度以后的一段輸送通道，其橫截面的形狀可以沿寬度方向縮小成截面積小于入口端的矩形或者正方形或者圓形。
全文摘要
在開采水深4000～6000米海底沉積物上多金屬結(jié)核的設(shè)備中，本發(fā)明所用水力式采集機(jī)構(gòu)由三部分構(gòu)成雙排噴嘴和雙層流板、雙側(cè)板組成的多金屬結(jié)核水力捕捉裝置，輸送噴嘴和輸送通道組成的多金屬結(jié)核水力輸送裝置，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多金屬結(jié)核與沉積物分離裝置，分別完成對(duì)多金屬結(jié)核的捕捉、輸送和脫泥。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、采集率和脫泥率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E02F3/88GK1167872SQ9611820
公開日1997年12月17日 申請(qǐng)日期1996年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者夏劍鋒, 陽寧, 王貴滿, 沈思明, 劉明深 申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部長沙礦冶研究院