汪賽琪

(安徽銅冠有色金屬(池州)有限責(zé)任公司 黃山嶺鉛鋅礦，安徽 池州 247157)

小流量高揚(yáng)程尾礦輸送設(shè)備選型與計(jì)算

汪賽琪

(安徽銅冠有色金屬(池州)有限責(zé)任公司 黃山嶺鉛鋅礦，安徽 池州 247157)

通過對小流量高揚(yáng)程尾礦輸送系統(tǒng)的選型計(jì)算、改進(jìn)完善和運(yùn)行管理，使尾礦輸送系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行效果。對有色金屬礦山尾礦輸送系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理有一定的借鑒意義。

選礦廠；尾礦輸送系統(tǒng)； 渣漿泵； 選型； 運(yùn)行管理

尾礦輸送是金屬礦山選礦生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其輸送設(shè)備選型是否合理，對選礦廠的生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備維護(hù)及輸送成本等方面有著較大影響。特別是對小流量高揚(yáng)程的尾礦輸送顯得尤為重要，合理選型，科學(xué)管理，可使尾礦輸送系統(tǒng)保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。

尾礦輸送系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行表現(xiàn)為3個(gè)方面：(1)輸送泵的運(yùn)行效率高，能耗低；(2)泵的過流部件使用壽命相對較長，輸送成本低；(3)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不會因?yàn)楸?、管路的問題而影響選礦生產(chǎn)。黃山嶺礦新建尾礦輸送系統(tǒng)在總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)完善，優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)近10年的運(yùn)行，一直保持良好的高效運(yùn)行狀態(tài)。

1 計(jì)算資料

黃山嶺礦選礦廠日處理能力500 t/d，尾礦產(chǎn)率96%，尾礦濃度25.5%，尾礦輸送流量65 m3/h，輸送距離900 m，尾礦庫初期壩與設(shè)計(jì)最終壩高高差為53 m，采用分期堆壩加高方式筑壩，尾礦庫最終服務(wù)期內(nèi)輸送幾何高差61 m，屬小流量高揚(yáng)程尾礦輸送系統(tǒng)。

1.1 尾礦參數(shù)

尾礦試樣篩分分析見尾礦粒徑分布曲線圖(圖1)。依據(jù)分析結(jié)果計(jì)算尾礦參數(shù)：平均粒徑dcp=0.1796 mm，中值粒徑d50=0.14 mm，粒徑小于100 μm尾礦百分比39.5%。

尾礦漿體參數(shù)：漿體流量Qm=65 m3/h，漿體比重Sm=1.21，漿體體積濃度Cv=10%。依據(jù)尾礦漿體特性通常將漿體分為三種類型，即均質(zhì)漿體、典型漿體和賓漢漿體，對粒徑d50=100～300 μm、重量濃度Cw≤40%、體積濃度Cv≤20%的漿體定義為典型漿體，該尾礦漿體屬典型漿體類型。

圖1 尾礦粒徑分布曲線圖

1.2 流速計(jì)算

尾礦固體顆粒在水平管道輸送中，隨著漿體平均流速的減小而分布越來越不均勻，當(dāng)流速減小到某一值后，管道底部出現(xiàn)固定的或滑動(dòng)的顆粒床面。通常把顆粒開始形成床面時(shí)的流速稱為淤積流速。為保證尾礦漿體在管道中正常流動(dòng)，必須使流速超過某一給定的最小值，此最小速度稱為臨界沉降流速，通常簡稱臨界流速(VL)。一般臨界流速大于淤積流速。

臨界沉降流速為尾礦輸送的基準(zhǔn)速度，是整個(gè)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。對小流量尾礦輸送系統(tǒng)一般選用管徑在200 mm以下，臨界流速計(jì)算常用杜拉德公式：

(1)

式中VL—臨界流速，m/s；FL—與礦漿粒徑、濃度相關(guān)聯(lián)的速度系數(shù)，由速度系數(shù)曲線查得：FL=0.93(見圖2)；

S1—載體比重，由液體和粒徑小于100 μm的固體物組成，S1=1.09；

D—輸送管徑，選D=100 mm；

計(jì)算臨界流速：VL=1.79 m/s。

輸送管路漿體平均流速：Vp=2.22 m/s=1.24VL。為防止尾礦固體顆粒在輸送管道中停滯堵塞管道的風(fēng)險(xiǎn)，一般取Vp=(1.15～1.3)VL，當(dāng)Vp過高時(shí)會加劇輸送泵過流件及輸送管道的磨損。

圖2 速度系數(shù)曲線圖

1.3 管路漿體特性曲線

輸送漿體管路特性曲線反映輸送系統(tǒng)輸送礦漿時(shí)漿體流量Qm與漿體揚(yáng)程Hm的對應(yīng)關(guān)系。通過漿體特性曲線圖查得在設(shè)計(jì)流量時(shí)的漿體揚(yáng)程，從而計(jì)算出輸送泵所需的清水揚(yáng)程。

對典型漿體管路特性，在相同的管路條件下，當(dāng)漿體流速為其臨界流速的0.7倍時(shí)，漿體的水頭損失等于清水以漿體臨界流速流動(dòng)時(shí)的水頭損失；當(dāng)漿體流速為其臨界流速的1.3倍時(shí)，漿體的水頭損失與清水以同樣流速流動(dòng)時(shí)的水頭損失相同。

依據(jù)上述原理，繪作本系統(tǒng)漿體管路特性曲線。按輸送系統(tǒng)管路布置圖計(jì)算清水管路水頭損失，畫出清水管路Q-H特性曲線。在清水管路Q-H特性曲線基礎(chǔ)上，選取0.7VL、1.0VL、1.3VL這3個(gè)流量點(diǎn)，找出漿體管路特性對應(yīng)的水頭損失揚(yáng)程，用光滑曲線連接兩個(gè)特性點(diǎn)，得到系統(tǒng)漿體管路特性曲線圖，見圖3。

在本系統(tǒng)漿體管路特性曲線圖上，當(dāng)漿體流量Qm=65 m3/h時(shí)，漿體損失揚(yáng)程Hm=25.8 m。按尾礦庫服務(wù)期內(nèi)最高揚(yáng)程幾何高差計(jì)算，輸送系統(tǒng)需要輸送漿體最高揚(yáng)程86.8 m。

圖3 管路特性曲線圖

2 輸送泵的選擇

2.1 泵的漿體性能

渣漿泵的性能參數(shù)為輸送清水條件下的技術(shù)指標(biāo)，同一臺渣漿泵在輸送清水與輸送漿體時(shí)，其揚(yáng)程和效率都會發(fā)生變化，其輸送漿體的濃度、粒徑、顆粒比重等因素對泵的漿體性能影響較大。

在相同的轉(zhuǎn)速與流量下，渣漿泵輸送漿體揚(yáng)程與清水揚(yáng)程的比值HR稱為揚(yáng)程比或揚(yáng)程降低系數(shù)，由漿體的濃度、粒徑、顆粒比重等相關(guān)參數(shù)通過HR圖查得[1]。本系統(tǒng)揚(yáng)程比HR=0.91。

將管路漿體揚(yáng)程換算為渣漿泵的清水揚(yáng)程H：

H=86.8÷0.91=95.4 m。

渣漿泵在輸送磨蝕性漿體時(shí)，過流件的磨損引起泵的性能下降，使得揚(yáng)程減小。為使泵能較長時(shí)間在額定工況點(diǎn)附近運(yùn)行，選型時(shí)將增加一定的揚(yáng)程余量，一般取H＇=(1.05～1.1)H。當(dāng)取揚(yáng)程余量為5%時(shí)，本輸送系統(tǒng)泵的終期清水揚(yáng)程需達(dá)100 m。

2.2 泵的選型

渣漿泵的類型很多，根據(jù)輸送漿體性質(zhì)的不同、流量和揚(yáng)程的大小及輸送系統(tǒng)的布置方式等眾多因素來選擇不同型號的泵。選型原則是進(jìn)行多泵型方案比較，選擇投資合理，節(jié)電節(jié)水，無污染，過流件壽命長，運(yùn)營費(fèi)用低的泵型。

對每一型號泵都有一個(gè)運(yùn)行效果最佳的參數(shù)區(qū)域，在選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使泵的運(yùn)行工況保持在該區(qū)域內(nèi)。對輸送高濃度、強(qiáng)磨蝕漿體，泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速應(yīng)不超過泵設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速的3/4，流量為最高效率對應(yīng)流量的40%～80%范圍內(nèi)；對低濃度、磨蝕性漿體，選擇流量范圍可適當(dāng)放寬，但一般不得超出最高效率對應(yīng)的流量。在滿足流量要求的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下，單泵輸送揚(yáng)程不足時(shí)，應(yīng)考慮采用多臺泵串聯(lián)方式輸送。

對照渣漿泵型譜圖，對小流量高揚(yáng)程尾礦輸送系統(tǒng)首選泵型為HH型泵。HH型泵在小流量低揚(yáng)程區(qū)域內(nèi)，即泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速在設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，泵的出口流速小于8 m/s，可輸送強(qiáng)磨蝕漿體。該類型泵轉(zhuǎn)速較低，葉輪直徑大，在相同輸送流量下，礦漿在泵內(nèi)的流速低于高轉(zhuǎn)速、小葉輪的泵，磨損速度相對減慢，有利于延長泵的使用壽命。

按本系統(tǒng)輸送流量Qm=65 m3/h(18 L/s)、最終揚(yáng)程100 m參數(shù)選泵，選擇3/2D-HH型渣漿泵為宜。該泵轉(zhuǎn)速為850～1450 r/min,高效區(qū)域流量18～38 L/s，揚(yáng)程25～85 m。按經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速要求確定泵的最高工作轉(zhuǎn)速≤1100 r/min,當(dāng)尾礦庫加高到中后期時(shí)，將采用兩臺同型號泵串聯(lián)運(yùn)行，特性曲線見圖4。

圖4 3/2D-HH渣漿泵輸送系統(tǒng)特性曲線圖

2.3 系統(tǒng)布置

(1)尾礦輸送管路布置不合理，對尾礦輸送系統(tǒng)運(yùn)營效果有著重要影響。一方面直接影響管路特性，增加管路水頭損失；另一方面易造成輸送尾礦堵管、泄漏等故障，影響系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

黃山嶺礦尾礦輸送管路設(shè)計(jì)有2套方案可供選擇：其一，延山體走向布置，管路彎曲管線長，整體管路呈U型狀，對尾礦輸送極為不利；其二，采用隧道和架空管道方式延輸送走向布置，整體管路呈上坡直線狀，管路特性好，但架設(shè)費(fèi)用較高。從輸送系統(tǒng)長期運(yùn)行角度考慮，本系統(tǒng)選擇了方案二，對系統(tǒng)多年來穩(wěn)定運(yùn)行起到積極作用。

(2)渣漿泵應(yīng)保證在無汽蝕發(fā)生的條件下運(yùn)行。如果泵在運(yùn)行中發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，會使泵的過流件在汽蝕和磨蝕的共同作用下提前損壞，嚴(yán)重時(shí)泵將產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，甚至導(dǎo)致?lián)P程、流量、效率下降而無法運(yùn)行。設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)有效汽蝕裕量應(yīng)大于泵的必需汽蝕裕量0.3～0.5 m。為減少進(jìn)漿管路水頭損失，建議有條件的情況下，渣漿泵進(jìn)漿管采用正壓進(jìn)漿。

(3)當(dāng)尾礦庫采用分期筑建子壩時(shí)，尾礦輸送系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)輸送揚(yáng)程的需要分時(shí)段調(diào)整泵的運(yùn)行參數(shù)，使尾礦輸送達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效果。黃山嶺礦尾礦庫在投入使用初期，輸送揚(yáng)程35 m，設(shè)計(jì)采用單泵運(yùn)行，泵的轉(zhuǎn)速為900～950 r/min，電機(jī)功率按實(shí)際流量、揚(yáng)程配置。隨著尾礦庫子壩的逐年加高，泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速也逐步提高，控制單泵轉(zhuǎn)速不超過1100 r/min。在尾礦庫子壩加高到中后期時(shí)，采用兩泵串聯(lián)運(yùn)行，按實(shí)際輸送揚(yáng)程分配兩泵轉(zhuǎn)速，到尾礦庫服務(wù)終期兩泵串聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)速均達(dá)1100 r/min。

(4)輸送管道材質(zhì)的選用對尾礦輸送經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義。磨損和腐蝕是影響輸送管道使用壽命的兩大因素，傳統(tǒng)尾礦輸送管道多選用無縫鋼管，黃山嶺礦尾礦輸送鋼管的使用壽命一般在5年左右。2008年改用高分子耐磨管，有效解決了尾礦輸送管道磨損、腐蝕問題，使用5年后管壁磨損僅2 mm，大大提高了管道的使用壽命，管道故障率也大幅度降低。既提高了輸送效率，又節(jié)省了維修費(fèi)用，降低了輸送成本。

超高分子量聚乙烯耐磨管，具有優(yōu)異耐磨性、耐腐蝕，內(nèi)壁光滑，摩擦系數(shù)小，不易結(jié)垢，在漿體輸送過程中壓力損失小?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定，有極高的耐沖擊性，抗疲勞強(qiáng)度高，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性最優(yōu)。其重量輕，安裝方便，施工難度和強(qiáng)度較低，特別適合山區(qū)施工條件不好的情況使用。在投入費(fèi)用上，選用管徑130 mm，壁厚10 mm的高分子耐磨管與管徑108 mm，壁厚5 mm的無縫鋼管相差較小。

3 過流件的選擇

渣漿泵過流件材質(zhì)直接決定渣漿泵的使用壽命。為延長過流件的使用時(shí)間，選型設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)輸送漿體的特性參數(shù)，包括濃度、固體物粒度、形狀、硬度、顆粒組成等，合理選用渣漿泵過流件材質(zhì)。

用來制作渣漿泵過流件的材料較多，不同的材質(zhì)適用于不同的工況條件，常用過流件材質(zhì)有金屬耐磨材料和橡膠耐磨材料。金屬耐磨材料對磨蝕顆粒有較好的抗磨蝕性，橡膠材質(zhì)適用于無尖銳棱角的細(xì)顆粒、弱酸堿性漿體。輸送同一性質(zhì)的漿體不同材質(zhì)的過流件使用壽命差異較大，相同材質(zhì)的過流件在不同礦山使用其效果也不盡相同。

金屬耐磨材料過流件有硬鎳耐磨鑄鐵、鉻鉬合金鑄鐵和高鉻多元合金鑄鐵等。硬鎳鑄鐵硬度相對較低，抗磨性較差且價(jià)格較高, 選用硬鎳鑄鐵材質(zhì)較少。鉻鉬合金是公認(rèn)的優(yōu)良抗磨材料，硬度達(dá)65～67HRC，對粗顆粒強(qiáng)磨蝕漿體有較強(qiáng)的抗磨性。高鉻多元合金鑄鐵硬度較高,比其它幾種材料使用壽命較長,但材質(zhì)太脆,在高速顆粒沖刷下金屬材料產(chǎn)生脫落磨損,磨面上磨蝕凹坑較為嚴(yán)重。為克服高鉻多元合金鑄鐵鑄態(tài)成分不均勻、組織偏析、晶粒粗大的問題，鑄造廠家改進(jìn)淬火、回火熱處理工藝，使高鉻鑄鐵金相組織更細(xì)密，耐磨性和強(qiáng)韌性更高，在顆粒高速沖刷時(shí)金屬材料不易從本體脫落,耐磨性大為提高。這種改型高鉻多元合金鑄鐵護(hù)套使用壽命長,壽命價(jià)格比更優(yōu)。

渣漿泵過流部件葉輪、護(hù)套、前護(hù)板、后護(hù)板中，護(hù)套磨損最為嚴(yán)重。若材質(zhì)選擇不當(dāng),過流件使用周期短，更換頻繁，運(yùn)營成本高，影響選礦生產(chǎn)。多種耐磨材質(zhì)的金屬過流件在黃山嶺礦都進(jìn)行過使用對比，不適應(yīng)的材質(zhì)，護(hù)套使用十天左右就報(bào)廢。選用改型高鉻多元合金鑄鐵護(hù)套，平均壽命在40天左右，最好的可達(dá)2個(gè)月。

表1 不同轉(zhuǎn)速過流件平均使用壽命 單位：天

4 運(yùn)行管理

尾礦輸送系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果，做好運(yùn)行參數(shù)調(diào)整工作尤為重要。

(1)從特性曲線圖看出，因有富余揚(yáng)程存在，在更換新過流件時(shí)，泵的輸送流量會增大。泵的流量越大，礦漿與葉輪的相對流速也就越高，泵的過流件磨損速度加快，其使用壽命就會降低。在滿足生產(chǎn)排尾和保證臨界流速的前提下，此時(shí)應(yīng)盡可能降低渣漿泵的轉(zhuǎn)速，減小富裕流量。

(2)當(dāng)系統(tǒng)工況運(yùn)行范圍較大時(shí)，泵的傳動(dòng)方式最好選用帶式傳動(dòng)，采用帶輪變速加電機(jī)變頻調(diào)速方式調(diào)整泵的工作轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)更為方便，能較好地滿足系統(tǒng)輸送工況的調(diào)整要求。

(3)在生產(chǎn)輸送過程中，存在諸如尾礦排放口的調(diào)整帶來管路揚(yáng)程變化；或泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速調(diào)整過高或過低；或選礦生產(chǎn)的尾礦產(chǎn)量波動(dòng)等眾多因素影響，會導(dǎo)致系統(tǒng)瞬時(shí)間輸送流量發(fā)生改變。特別是正壓進(jìn)漿出現(xiàn)系統(tǒng)漿體供給量小于泵的輸送流量時(shí)，泵將產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，在礦漿中夾帶空氣，使泵的磨損加劇，對泵的運(yùn)行極為不利。建議正壓進(jìn)漿時(shí)應(yīng)在泵進(jìn)漿箱處增設(shè)礦漿緩沖池和補(bǔ)充水管，隨時(shí)控制進(jìn)漿箱液面。

(4)對連續(xù)工作的串聯(lián)輸送系統(tǒng)，且管路工況波動(dòng)較大時(shí)，調(diào)速控制宜選在末級泵。避免在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行工況時(shí)，因工況改變影響到系統(tǒng)其他級泵的運(yùn)行，使得系統(tǒng)整體運(yùn)行失穩(wěn)。

5 結(jié)束語

對有色金屬礦山小流量高揚(yáng)程尾礦輸送系統(tǒng)，經(jīng)詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，合理選擇泵型和過流件，加強(qiáng)生產(chǎn)運(yùn)行管理，使輸送系統(tǒng)保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，尾礦輸送將會取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。

[1] 張啟溶.選礦設(shè)計(jì)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1988.

Selection and Calculation of Small Flow and High Lift Tailing Conveyer Equipment

WANG Sai-qi

(Huangshanling Lead and Zinc Mine, Anhui Tongguan Non-ferrous Metal Co., Ltd. Chizhou 247157, China)

Based on selection and calculation of small flow and high lift tailing conveyer equipment, the tailing conveyer equipment will be improved and achieve to the best operating results. And the results will have reference significance to the selection design and operation management of nonferrous metals mine tailing conveyer equipment.

concentration plant; tailings conveyor system; slurry pump; selection; operational management

2013-09-03

汪賽琪(1958-)，男，安徽宿松人，機(jī)械工程師，大學(xué)?？?，主要從事礦山安全生產(chǎn)、設(shè)備管理、機(jī)械設(shè)計(jì)及礦山設(shè)計(jì)的審核工作，現(xiàn)任黃山嶺鉛鋅礦安全生產(chǎn)副礦長。

TH311

B

1003-8884(2014)01-0032-04