專(zhuān)利名稱(chēng)：鈷結(jié)殼剝離鏟的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海底采礦機(jī)械背景技術(shù)富鈷結(jié)殼(CcAalt-rich ferrmanganese crusts)是繼錳結(jié)核之后被 人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的又一深海礦產(chǎn)資源，廣泛分布于各大洋盆地的海山斜坡或平頂海山頂部。據(jù)估 計(jì)，海底有635萬(wàn)k m2被鈷結(jié)殼覆蓋，可產(chǎn)出10億t鈷礦，鈷結(jié)殼形成于400 4000m的海 底。陸地上鈷礦含鈷量一般低于0.1%，而海底鈷結(jié)殼中鈷的含量可達(dá)以上。鈷結(jié)殼中 的鈷、錳、鎳用于鋼鐵生產(chǎn)，以增強(qiáng)其硬度、強(qiáng)度及抗腐蝕性。的鈷用于生產(chǎn)航天領(lǐng)域的 超級(jí)合金，鈷、錳、鎳還用于高科技產(chǎn)業(yè)，如生產(chǎn)太陽(yáng)能電池、超導(dǎo)體、高級(jí)激光系統(tǒng)及切削 刀具等，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鈷等戰(zhàn)略金屬的需求量很大。1981年德國(guó)克勞斯塔爾-筆菲爾斯工業(yè) 大學(xué)的皮特.哈爾巴赫率領(lǐng)“德國(guó)中太平洋一號(hào)”巡航船，對(duì)夏威夷南部進(jìn)行了第一次系統(tǒng) 調(diào)查。此次巡航使用了大型挖掘機(jī)、地震剖面測(cè)量及深海攝影，取得了突破性進(jìn)展。調(diào)查結(jié) 果表明，富鈷結(jié)殼富含鈷、鐵、鋅、鈦、磷、鉛、鉬等元素。美國(guó)是世界上最大的鈷消耗國(guó)，鈷消 耗量約占全球的35 %，但是美國(guó)內(nèi)基本沒(méi)有生產(chǎn)，主要依靠進(jìn)口。美國(guó)對(duì)富鈷結(jié)殼的研究步 伐，隨著1983年里根總統(tǒng)宣布200海里專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)而加快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅美國(guó)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi) 就擁有3億余噸鈷結(jié)殼，其中含有270萬(wàn)t鈷、150萬(wàn)t鎳、7400萬(wàn)t錳。同時(shí)，美國(guó)在鈷結(jié) 殼的切削特性、切削方法及采礦車(chē)方案上進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明鈷結(jié)殼的強(qiáng)度和中 等硬度的煤相當(dāng)，易于切割開(kāi)采。美國(guó)DTC公司在大量試驗(yàn)和資料整理基礎(chǔ)上得出鈷結(jié)殼 及其基巖最佳的破碎方法應(yīng)為螺旋滾筒截齒切削。1995年John. Ε. Halkyard在“海洋工程 及其環(huán)境”國(guó)際會(huì)議上提出了開(kāi)采鈷結(jié)殼的采礦車(chē)設(shè)計(jì)和有關(guān)技術(shù)問(wèn)題，認(rèn)為最佳的鈷結(jié) 殼開(kāi)采方案，應(yīng)是包括由海底履帶式采礦車(chē)、水力管道提礦運(yùn)輸系統(tǒng)和水面采礦船構(gòu)成的 采礦系統(tǒng)。1985年日本將開(kāi)采錳結(jié)核的連續(xù)繩斗法(CLB)用于開(kāi)采鈷結(jié)殼，試驗(yàn)海域在夏 威夷群島東南部，水深3300 3900m。(CLB)聚丙烯纜繩直徑85mm，全長(zhǎng)13000m，每隔50m 掛一個(gè)網(wǎng)狀桶斗，桶斗尺寸為長(zhǎng)1. 4m,寬0. 8m,高0.細(xì)。連續(xù)開(kāi)采4h，共采出4t鈷殼，每斗 平均25Kg。以上方法都存在一些尚未解決的技術(shù)難題，所以全球至今都未進(jìn)行鈷結(jié)殼的商 業(yè)開(kāi)采。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種在采礦船上用卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引，采礦幅 度在10 20m范圍內(nèi)可調(diào)，采礦速度大于200t/鏟，漏采率小于5%的鈷結(jié)殼剝離鏟。避免 了海底自行式履帶采礦車(chē)、水力管道提礦運(yùn)輸系統(tǒng)等一系列技術(shù)難題，從而使鈷結(jié)殼礦的 開(kāi)采真正具有商業(yè)價(jià)值。我國(guó)對(duì)鈷結(jié)殼的調(diào)查起步較晚，1987年“海洋4號(hào)”科學(xué)考察船首次采獲鈷結(jié)殼礦 樣品。1997 1998年“大洋1號(hào)”和“海洋4號(hào)”兩艘科考船，在對(duì)我國(guó)圈定的錳結(jié)核礦區(qū) 進(jìn)行勘探的同時(shí)，對(duì)中太平洋的鈷結(jié)殼進(jìn)行了初步勘察，并從海底拖出了 3t鈷結(jié)殼樣品。 1999年我國(guó)獲得了在東太平洋中部克拉里昂-克林帕頓海域，一塊面積為7. 5萬(wàn)k m2的國(guó) 際海底礦區(qū)的專(zhuān)屬勘探權(quán)和優(yōu)先開(kāi)采權(quán)，并初步圈定出部分鈷結(jié)殼的申請(qǐng)候選區(qū)。從勘探 采樣方法和對(duì)海底海山的調(diào)查發(fā)現(xiàn)鈷結(jié)殼一般形成于400 4000m的水下，賦存于海山山 脊，鈷結(jié)殼本身的強(qiáng)度和中等硬度的煤相當(dāng)，鈷結(jié)殼的厚度在100 200mm之間，與基巖的 附著力不大，易于剝離開(kāi)采。有了以上對(duì)鈷結(jié)殼礦賦存條件的充分認(rèn)識(shí)，才能使本發(fā)明周全無(wú)誤，更好的應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐之中。
以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明附

圖1是鈷結(jié)殼剝離鏟升降狀態(tài)的主視圖。它由桁架式主梁1、鏟斗2、鏟齒3、齒 靴4、前限位板5、后限位板6、前牽引結(jié)7、后牽引結(jié)8等組成。桁架式主梁1由無(wú)縫鋼管焊接而成，梁的跨度< 20m，梁主桿、腹桿、斜拉桿等均采 用碳素結(jié)構(gòu)鋼，主桿的兩端焊上球形封頭，所有焊縫應(yīng)在60Mpa外壓力作用下，海水不滲漏 進(jìn)入鋼管內(nèi)部。這樣桁架式主梁有足夠的抵抗矩，又使主梁在海水中產(chǎn)生一定的浮力，降低 提升時(shí)的電力消耗。鏟斗2的圓環(huán)板用耐腐蝕鋼鑄造而成，包角彡240°，圓環(huán)板內(nèi)弧半徑< 2m，若干 塊圓環(huán)板用幾根無(wú)縫鋼管穿聯(lián)焊成一半圓桶狀，在鏟斗內(nèi)側(cè)用扁鋼焊成柵格，泥沙可以用 柵格孔中濾除去。鏟齒3用耐磨鋼制成，順著進(jìn)礦方向每二片鏟齒之間留有間隙。鈷結(jié)殼剝離鏟在 工作狀態(tài)(附圖2所示，剝離鏟向左運(yùn)動(dòng))時(shí)，鏟齒上沿線(xiàn)與被剝離的地表面有一夾角，此 上沿線(xiàn)逐漸傾斜至半圓桶狀鏟斗口。齒靴4用高強(qiáng)度耐磨鋼鑄造而成，插入鏟齒尖并用螺栓固定在鏟齒上，插入的深 度可以調(diào)節(jié)，鏟齒磨損后可以更換。前限位板5安裝在鏟斗圓環(huán)板的下面，后限位板6安裝在桁架式主梁下面，用螺栓 與相應(yīng)的主體連接。安裝完畢后，前、后限位板的下表面與齒尖處在同一平面內(nèi)。前端牽弓ι結(jié)7和后端牽弓I結(jié)8都是十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，下部連接在鏟斗上，上 部的短軸固定鋼絲繩。在鋼絲繩的牽引下，牽引結(jié)可以前后擺動(dòng)。向前擺動(dòng)，鋼絲繩連接的 牽引結(jié)帶動(dòng)鏟斗向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行剝離作業(yè)。向后擺動(dòng)，鋼絲繩連接的牽引結(jié)帶動(dòng)鏟斗向后轉(zhuǎn) 動(dòng)，把鏟齒上的礦石倒入鏟斗中。牽引結(jié)也可以上下提動(dòng)(面對(duì)剝離鏟前進(jìn)方向，主梁傾斜 稱(chēng)上、下提動(dòng))，是為了每斗剝離完成后，剝離鏟水平提出水面，一組(一個(gè)前牽引結(jié)和一個(gè) 后牽引結(jié)為一組)牽引結(jié)下降，一組牽引結(jié)上升，牽引結(jié)上下提動(dòng)的功能使主梁帶動(dòng)鏟斗 傾斜成30°左右，將礦石傾倒在船上的運(yùn)礦車(chē)上。
具體實(shí)施方式
雙體式采礦船到達(dá)采區(qū)后，船上的動(dòng)力機(jī)組(將另行申請(qǐng)專(zhuān)利) 及布放鋼絲繩，將鈷結(jié)殼剝離鏟放入海底，剝離鏟的下降速度0 7m/s范圍內(nèi)可調(diào)，剝離鏟 入水后逐漸增速，接近海底時(shí)逐漸減速。這樣既縮短了空行程時(shí)間，又避免剝離鏟快速觸地 產(chǎn)生巨大的沖擊力損壞機(jī)具。剝離鏟后限位板觸地后，將前牽引結(jié)的鋼絲繩再放松幾米，使 齒靴尖與后限位板都能觸地。緊接著，船一邊前行一邊放松鋼絲繩，使船前行時(shí)不帶動(dòng)剝離 鏟移動(dòng)。當(dāng)船前行一定距離后，船與剝離鏟的連線(xiàn)與鉛垂線(xiàn)之間形成一個(gè)夾角。用剎車(chē)裝 置剎住鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)滾筒，不收不放鋼絲繩。采礦船繼續(xù)前進(jìn)，剝離鏟在采礦船鋼絲繩的牽 引下向前運(yùn)動(dòng)，在向前運(yùn)動(dòng)的開(kāi)初，前限位板尚未觸地，剝離鏟的自重主要集中在齒靴尖和 后限位板上，在剝離鏟自重和牽引力的作用下，產(chǎn)生一個(gè)合力，加之齒靴堅(jiān)硬鋒利，齒靴尖 就能刺破鈷結(jié)殼，齒靴尖穿入鈷結(jié)殼100 200mm后，前限位板接觸地面，由于前限位板的 接地面積較大而且很堅(jiān)固，剝離鏟的自重被分?jǐn)偟角?、后限位板上，使齒靴尖不能過(guò)多的穿 入鈷結(jié)殼下面的地面。剝離鏟繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，齒靴尖始終保持一定的插入深度，齒靴尖迫使 鈷結(jié)殼與海底表面地層分離，分離后的鈷結(jié)殼成不規(guī)則的塊狀，當(dāng)鏟齒上的鈷結(jié)殼塊堆積 到一定高度后，就向鏟斗內(nèi)散落。如此不停的剝離直至裝滿(mǎn)鏟斗。在剝離過(guò)程中對(duì)海底的攏動(dòng)很小，也就是對(duì)海洋環(huán)境的破壞很小。采礦船后退一定距離，采礦船與剝離鏟處于同一 鉛垂線(xiàn)上。同時(shí)提升前、后牽引結(jié)，將盛滿(mǎn)礦石的剝離鏟提出水面。提升速度可達(dá)4m/s，剝 離鏟提升到高出采礦船平臺(tái)5 7m后，一端停止上升，另一端繼續(xù)上升使鏟斗成30°傾斜， 打開(kāi)側(cè)門(mén)(側(cè)門(mén)及開(kāi)門(mén)機(jī)構(gòu)將另行申請(qǐng)專(zhuān)利)將鈷結(jié)殼礦傾倒在運(yùn)礦車(chē)上。以水深4000m 為例，單鏟采礦用時(shí)Ih (含輔助時(shí)間)，單鏟采礦重量約200t，一臺(tái)鈷結(jié)殼剝離鏟的使用壽 命在10年以上。
權(quán)利要求
1.一種海底采礦機(jī)械---鈷結(jié)殼剝離鏟，其特征在于它由桁架式主梁、鏟斗、鏟齒、齒 靴、前限位板、后限位板、前牽引結(jié)和后牽引結(jié)，以焊接、緊固件連接等方式組成整體的鈷結(jié) 殼剝離鏟。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的鈷結(jié)殼剝離鏟，其特征在于桁架式主梁用無(wú)縫鋼管組焊 而成并能利用其浮力。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的鈷結(jié)殼剝離鏟，其特征在于鏟斗內(nèi)腔做成半圓桶狀，在采 集過(guò)程中有足夠的容積暫時(shí)儲(chǔ)存礦石。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的鈷結(jié)殼剝離鏟，其特征在于剝離鏟在工作狀態(tài)時(shí)，鏟齒尖 與前、后限位板下表面處在同一平面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的鈷結(jié)殼剝離鏟，其特征在于齒靴用高強(qiáng)度耐磨鋼鑄造而 成，插入鏟齒尖并用螺栓固定在鏟齒上，插入鏟齒的深度可以調(diào)節(jié)，齒靴磨損后可以更換。
6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的鈷結(jié)殼剝離鏟，其特征在于前、后牽引結(jié)都是十字軸萬(wàn)向 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，通過(guò)鋼絲繩的傳力，可以使剝離鏟完成對(duì)鈷結(jié)殼的剝離采集、提升、傾倒礦石 等動(dòng)作，鋼絲繩的動(dòng)力由設(shè)在采礦船上的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)組提供。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種海底采礦機(jī)械一鈷結(jié)殼剝離鏟，它由椼架式主梁、鏟斗、鏟齒、齒靴、前限位板、后限位板、前牽引結(jié)和后牽引結(jié)，以焊接、緊固件連接等方式組成一個(gè)整體。采礦船上的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)組通過(guò)鋼絲繩給剝離鏟提供動(dòng)力，使剝離鏟能在水平和傾斜面上都能剝離鈷結(jié)殼。每鏟剝離完成后，鋼絲繩將剝離鏟提出水面，打開(kāi)側(cè)門(mén)，鏟斗傾斜一定角度，將鈷結(jié)殼礦傾倒在船上的運(yùn)礦車(chē)內(nèi)。以海深4000m為例，單鏟采礦用時(shí)1h(含輔助時(shí)間)，單鏟采礦約200t，一臺(tái)鈷結(jié)殼剝離鏟的使用壽命在10年以上。
文檔編號(hào)E21C27/30GK102080543SQ200910059858
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者徐中全, 徐洋, 徐海 申請(qǐng)人:徐中全, 徐洋, 徐海