山东某金矿精矿输送系统改造方案设计

张 帅 许道学 王小龙

(青岛金星矿业股份有限公司， 山东 青岛 266700)

0 引言

管道运输因具有良好地形适应性，建设周期短、不污染环境、不受外界条件干扰、可连续作业等优点，得到迅速发展[1]。我国矿山企业中，主要是应用在输送精矿、尾矿、水煤浆两相流介质，即以水为载体输送固体物料[2]。国内大红山铁矿、翁福磷矿、阿根廷Alumbrera 铜矿等有大型浆体输送工程的广泛应用[3-5]。

在选矿厂，尾矿浆常运用管道输送至尾矿库。特殊情况下，浮选精矿浆也采用泵送经管道至下一流程。因精矿浆颗粒比重较大，尤其金精矿堆比重约为3 t/m3，真比重约为4 t/m3[6]，管路选择不合理，矿浆运输过程中易造成管路堵塞现象。

山东某金矿选矿厂生产规模为620 t/d。精矿脱水车间设置在高位，浮选精矿浆需要泵送至浓密机。精矿输送系统自投产以来，因管路直径偏大、直角弯头多，常发生管路堵塞，且泵选型不合理，造成能耗较高，影响选矿厂稳定高效运行。

1 精矿性质

金精矿产量约为1.02 t/h，浮选精矿浓度为29%，采用比重瓶法测得精矿干比重约3.21 t/m3，精矿浆静置上清液测pH值约为8.12。经筛分分析，产品粒度特性曲线见图1。

图1 浮选金精矿粒度特性曲线

2 原有输送系统状况

2.1 系统配置

原输送系统布置2个立方体型泵池，容积分别约为0.75 m3和1.0 m3，各配备1台2PNJB泵(Q= 40 m3/h，H= 21 m，P= 11 kW，一用一备)。

金精矿泡沫产品随补加水冲入泵池，由胶泵扬送至Φ12 m浓缩机。运输管路为DN110 mm×10 mmPE管两条，每条管路分别由15～16节分段单元组合(6 m/根)，中间采用法兰连接，全长约96 m，全程设有90°直角弯头4个。

2.2 存在问题

1)浮选精矿刮出后，泡沫含量丰富，现场仅设置1寸水管冲洗，消泡效果不佳，易造成泵受气蚀影响，缩短其使用周期。为达到快速消泡，作业人员常通过添加过量起泡剂方法予以应对，无形中增加了药剂成本，造成浪费，同时为后续精矿脱水带来困难[7]。

2)精矿泵池设计不合理，侧面及背面池壁无坡度，造成过程中矿浆在泵池内导流不畅，比重较大金精矿堆积，积累到一定程度，泵池有效容积严重受限，引发精矿浆外溢生产事故，给现场管理及金属平衡工作带来不利影响。

3)泵选型偏大，运行效率低，加上泵连续运转，动力能耗高。又因浮选液面调节为人工操作，精矿浆刮出量不稳定，时常出现“抽空”现象，泵体出现震动与明显噪音，备件磨损消耗快，成本高。

4)管径选择偏大，管路中有许多接头(接头为厂内采用PE热熔对接机自行对接，内部形成许多翻边)，增大了局部阻力，弯头多为90°直角弯头，综合因素导致矿浆流速偏低。管路存在“不满流”现象，管内伴有脉动性声响，易发生堵塞管路事故，疏通困难费时，影响正常生产，增加工人的劳动强度。

3 工艺设备、设施的计算及选择

3.1 输送管道的选型

管路的材质、直径、管壁粗糙度等结构参数对流体阻力有重要影响。根据现场输送物料性质，管路材质选择聚乙烯(PE)，按GB /T 13663.1-2017，相较于焊接钢管，其具有重量轻、力学性能好、安装方便、摩擦阻力低、耐酸碱腐蚀等优点[8-9]。

3.1.1 临界流速的确定

管道输送工程设计中，临界流速表示输送物料中固体颗粒保持紊流不沉降淤积所需的最低流速。为保证浆体在管路中正常流动，必须使流体速率超过临界流速[10]。

流程精矿浆体积：

(1)

式中：V—精矿矿浆量，m3/h；Q—精矿产量，t/h；R—精矿液固比；δ—精矿比重，t/m3。

此条件下，输送的流量小，管道内矿浆流速低，不能完成正常物料输送，需添加冲洗水。

在冶金专业领域，国内常采用苏联B.C.克诺洛兹临界流速公式等，在实际运用中，用上述公式较为繁琐，且与选矿厂内矿浆输送实践有较大误差，赵铎[11]对公式进行了局部修正并结合现场校验，获得了一组经验数据，作为设计选用矿浆流速值，见表1。

表1 压力管内矿浆选用流速值 m/s

根据精矿产品粒度特性曲线，物料理论粒径-200目占比60%～85%，由表中确定矿浆浓度调整为约11 %，流速值为1.45 m/s(概略值)。

3.1.2 管径的计算

管径选择很重要，管径偏小时，流速大，水头损失和管壁磨损增加，运行成本高；选型偏大，则会导致输送物料局部沉积，阻塞管路，投资增加[12]。

根据选矿设计手册：

(2)

式中：V—调整后矿浆量，m3/h；k—矿浆波动系数，取值1.2；d—矿浆出口管径，mm；v—矿浆临界流速，m/s。

3.2 泵的选型

根据输送物料性质，适合采用立式泡沫泵，或经特殊设计的卧式离心式泡沫泵[13]。而普通的卧式渣浆泵因结构简单、技术成熟、价格便宜以及可选择厂家多等优点，仍在各大矿山广泛应用[14]。本次改造基于合理利用场地空间、使用习惯的继承性等原则，采用普通卧式衬胶泵。

根据流体力学计算，泵的清水扬程计算：

H=[(λL/d+∑ζ)ν2]/2g+H1

(3)

式中：H—浆体扬程，m；λ—管路沿程阻力系数；L—管路长度，m；ζ—管路各种局部阻力系数；g—重力系数，取9.8；H1—需要泵扬送的几何高差，约9 m。其他符号意义同前。

矿浆密度[15]：

(4)

式中：δk—矿浆密度，t/m3；C—调整后矿浆浓度，为11%；其他符号意义同前。

矿浆的动力粘度根据经验公式得[16]：

μ=μW+0.9C8.9=0.000894+0.9×0.118.9=8.94×10-4Pa·s

(5)

式中：μ—矿浆在25℃的动力粘度，Pa·s；μW—水在25℃时的动力粘度，其值为0.000894 Pa·s；其他符号意义同前。

雷诺数：

(6)

式中：Re—雷诺数；其他符号意义同前。

相对粗糙度：

(7)

式中：Δ—PE管壁绝对粗糙度，取0.01 mm[17]；其他符号意义同前。

(8)

则沿程水头损失：管路全程为整体生产、一次成型，中间没有连接的整根DN63×5.8 mmPE管。

(9)

局部水头损失：根据管路设计，过程中使用90度弯管4个，以降低阻力系数，弯管的曲率半径R=150 mm(R/d=3)，ζ1取值0.135。

(10)

则泵的清水扬程：

H=[(λL/d+∑ζ)ν2]/2g+H1=3.71+0.06+9=12.77 m

实际泵选型中，一般扬程加大5%～10%余量[19]。余量加大10%时，扬程为14.05 m。根据现场使用习惯，确定泵参数见表2。

表2 泥浆泵主要技术参数

3.3 泵池的设计

矿浆使用泵扬送时，泵池为系统的重要环节，为关键考虑因素。矿浆泵池的设计主要防止产生旋回流和旋涡，防止各种形式夹杂空气进入管道，防止池内物料淤积、聚堵和不均匀分布。泵需要小的吸入口阻力，减少不必要的水头损失。

渣浆泵及管路系统属易损件，为保证生产的连续性，需考虑备用管线及渣浆泵，至少采用一用一备形式配置。本次改造采用一用一备形式，此种设计有标准双泵池及典型两台泵共用一个泵池(见图2)等方案。采用此种方案时，为避免矿砂在一侧的堆积，平行的两台泵间距应尽可能小，这同时带来维护不便的问题。张碧竣[20]对该设计进行了调整和优化，见图3。

1—泵1；2—泵2；3—泵池出口；4—矿砂；5—泵池图2 1用1备泵池

图3 优化后泵池结构

从图3中看出，改进后的泵池有利于减轻堵矿问题，保证了较充足泵间距，便于日常检修和维护。然而该设计泵池几何构型较为复杂，实际应用中安装难度较高。综合现场空间宽度、泵外形参数等因素，不适用于运用图3所示结构。

通过参照标准双泵池结构相关设计，本文在典型两台泵公用一个泵池设计基础上，新设计一用一备泵池，可满足卧式泵日常维护要求，有效解决池内矿砂堆积问题，见图4。

图4 现场新泵池结构示意图

在设计中，倾斜一侧池壁的角度取55°，超过一般物料安息角，有效防止固体物料周期性划入泵引发堵塞。在每个单一泵池一侧设有溢流管，在出现冒槽事故时能够对金精矿合理导流，便于精矿产品收集。泵池底部布置有放矿管，便于矿砂淤积时快速清理。两台泵间距略大于1.2 m，满足设计规定要求(多台泵间要保持1 m以上空间距离)[20]。经计算每个泵池有效容积约为0.4 m3，能够保障泵扬量1～3 min的体积量[21]，选型泵流量为12 m3/h，即0.2 m3/min。

4 其它措施

根据浮选金精矿性质，为减轻输送过程中泡沫对泵及系统的不良影响，对原有喷水消泡方式进行优化，加大了给水压力，在喷水管路上设置多个圆形喷咀，增加了喷水面积，取得较理想消泡效果，同时保证了输送矿浆流量。

在多个泵池矿浆需分流时，常用阀门进行管路开合控制。此种调整方法一般耗时较长，工人劳动强度大，且阀门易受矿浆腐蚀，后期更换繁琐。本设计采用一种简易排矿倒换装置。见图5。

图5 精矿排矿管切换装置

借助精矿浆运动带来的压力，使用具有一定重量的胶球封住排矿口，胶球上系有拉绳。调整排矿管路时，只需将对应泵池上方排矿口胶球提起，另一侧胶球保持“压住”，即可完成工作管路倒换。该设计密闭性好、构造简单、操作高效、不怕腐蚀、基本无需维护。

5 结语

针对金精矿输送管道堵塞问题，提出通过提高矿浆流速，合理配置管路，减少矿浆输送中水头损失，以保障生产稳定运行。经过理论计算，泵选型趋于合理，控本增效成果显著。在参照已有研究基础上，综合多种方案的先进性，联系现场实际，创造性重新布置泵池，为相关设计提供了有益的参考。调整精矿泡沫槽补加水装置，增大喷水面积，加大喷水压力，可取得较好消泡效果。新设计精矿浆管路调整设施，提高了作业效率，节约了维护成本。