張晶

（金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

在礦石生產(chǎn)系統(tǒng)中，礦石首先通過采礦區(qū)經(jīng)過初步破碎形成塊狀礦石，然后通過自磨與半自磨中碎設(shè)備進行進一步破碎，再通過球磨機與棒磨機進行細碎，產(chǎn)出適合浮選粒度的礦粉，然后進入多段浮選流程將礦漿分選為高品位精礦與低品位精礦，最后進入精礦脫水環(huán)節(jié)，精礦通過濃密機的進一步富集，將底流礦漿輸送至臥式高能壓濾機進行過濾與脫水流程。為冶煉廠提供具有合格水分的濾餅，通過皮帶運輸至粉礦倉備用。一般來講，精礦車間主要是完成高品位精礦與低品位精礦的濃縮、過濾、脫水任務(wù)。隨著礦山機械的發(fā)展，為了選出更多的有價金屬，礦石的粒度進一步提高，對過濾設(shè)備的過濾性能與效率提了來更高的要求，金川集團的過濾設(shè)備先后經(jīng)歷了立式壓濾機、陶瓷過濾機以及目前最先進的臥式壓濾機。立式壓濾機的濾板既用于脫水，也作為皮帶進行精礦的運輸，但是該設(shè)備的一個致命缺陷是濾餅水分不均勻，最底層的濾餅由于壓力不足導(dǎo)致水分過高，如果進一步提高擠壓壓力，會極大降低設(shè)備的使用壽命，同時整體上濾餅水分也難以達到冶煉所要求的水分，需要單獨進行進一步干燥。陶瓷過濾機的缺點也顯而易見，由于精礦粒度很小，導(dǎo)致陶瓷過濾機經(jīng)常發(fā)生堵塞，設(shè)備故障率高，同樣，該設(shè)備也不能一次性達到冶煉所需要的濾餅水分。濾餅水分過高所帶來的最直接結(jié)果就是冶煉時由于水分的存在導(dǎo)致爐子炸裂，后果非常嚴重。而臥式高能壓濾機與前兩種設(shè)備不同，最大的特點就是處理量大，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，同時濾餅水分均勻，可以達到冶煉要求，省去了干燥過程，因此大幅度提高了生產(chǎn)效率，簡化了流程。因此，目前只需要經(jīng)過濃縮與過濾就可以生產(chǎn)出合格的精礦礦粉。

在精礦車間脫水過程中，由于毛細現(xiàn)象的存在，固體顆粒表面具有吸附作用，水分子被吸附在其表面，通過顆粒之間的空隙通道，在遇到水時滲透到固體精礦顆粒的內(nèi)部。附著在顆粒內(nèi)部的水分叫吸附水分，滲透到顆粒內(nèi)部的水分叫吸收水分，僅僅通過機械脫水很難將滲透到礦漿中的水分子除盡。在生產(chǎn)中所采取的方式是升高溫度，因此，需要采用熱能脫水的方法，將水分子從固體顆粒中分離出來。但如果加熱溫度過低，水分子無法完全析出，固液分離效果差，影響產(chǎn)品質(zhì)量，依然會導(dǎo)致炸爐，而溫度過高又會造成能源的浪費及設(shè)備損傷。

目前為止，熱能脫水方法主要是礦漿管浸沒式加熱方式，具體有：套管換熱器、螺旋套管換熱器、端焊式套管換熱器、管束式套管換熱器、螺旋式偏心套管換熱器等。該類設(shè)備主要是在礦漿脫水前的攪拌槽體內(nèi)直接引入蒸汽加溫，加溫裝置為插入1只加熱汽管并沒入礦漿液面。是一種傳熱介質(zhì)與被處理流體進行直接接觸的加熱方式，熱氣主要是通到液面以下的浸沒管，經(jīng)過溶液上升進行高效傳熱而使水分蒸發(fā)。此方法結(jié)構(gòu)簡單，存在很多問題。首先蒸汽為長流，能源浪費嚴重；其次，由于礦漿管受熱面積較小，導(dǎo)致攪拌槽內(nèi)礦漿介質(zhì)受熱不均勻，極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量；同時受下級工序影響較大，若下級工序處理礦漿速度較慢，將導(dǎo)致礦漿介質(zhì)在攪拌槽內(nèi)長時間滯留，使其溫度降低，影響脫水效率。因此該文將改變傳統(tǒng)的浸沒管加熱方式，設(shè)計一種預(yù)加熱自動加熱系統(tǒng)，以提高能源利用效率。

1 設(shè)計條件

首先在設(shè)計前，應(yīng)對系統(tǒng)的整體硬件部分進行分析，該系統(tǒng)的設(shè)計涉及到的參數(shù)主要有：管道材質(zhì)的選擇、管道尺寸的計算、力學(xué)性能以及蒸汽需求量等參數(shù)。

1.1 管道材質(zhì)

蒸汽管道要依據(jù)具體情況合理選擇。在設(shè)計管道過程中不僅有考慮流體的物理化學(xué)性質(zhì)，更要考慮實際生產(chǎn)中的工況。本次設(shè)計所圍繞的礦漿是基于精礦車間所處理的原料，該礦漿是由30%~40%的水與細粒級精礦組成，處理過程中是采用壓力輸送的方式，由于壓力作用，礦漿具有一定的流速，會與管道內(nèi)壁進行持續(xù)不斷的沖刷，該過程在礦漿流動過程中容易導(dǎo)致管道磨損。因此管道的材質(zhì)需要具備一定的耐磨性能，同時由于生產(chǎn)過程中存在各種酸性和堿性的浮選藥劑，管道需要具備耐酸、耐堿、耐腐蝕等化學(xué)性能。另外礦漿輸送過程屬于壓力輸送，則對管道的機械強度有一定要求。

在大量的實驗過程中，最終通過對比選擇管道材質(zhì)為C276哈氏合金材料，該材料屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金，具有良好的耐點蝕能力，在各種酸、堿環(huán)境中均有較強的耐蝕性。而且其耐高溫強度較好，可在1000℃環(huán)境下持續(xù)使用。具有高強度、高耐性的特點，極大程度上滿足了生產(chǎn)過程中高濃度礦漿的輸送，保障了設(shè)備的耐磨性。

1.2 蒸汽需求量計算

在選礦作業(yè)過程中，由于各種浮選藥劑的添加，會導(dǎo)致礦漿具有一定的粘性，在精礦脫水過程中，會影響到濃縮效果與過濾效率，對精礦加熱的目的就為了降低礦漿的粘度，使礦粒分開，將礦粒內(nèi)部的水分析出，降低濾餅水分的同時減小有價金屬的浪費。在設(shè)計一套蒸汽加熱系統(tǒng)時，確定蒸汽的使用量是至關(guān)重要的一步，因為蒸汽耗量的大小是確定蒸汽管口直徑的關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)系著選用何種減壓閥門、控制閥門、疏水閥門以及其他附件，對于后期進行蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計和優(yōu)化顯得尤為重要。

由于加熱過程受眾多因素影響，即使蒸汽溫度再高，也無法保證介質(zhì)加熱效率，在設(shè)計中需要考慮蒸汽壓力、介質(zhì)濃度、換熱面積以及金屬礦漿管的升溫汽損，根據(jù)相關(guān)熱傳導(dǎo)理論，一般熱量的計算方式如下式所示：

1.3 管道出口管徑計算

管道內(nèi)徑的大小直接關(guān)系到熱量輸送的大小，尤其是高濃度輸送過程中，熱量不足則起不到降低礦漿粘度、去除浮選藥劑的影響的目的，將極大降低脫水效果。因此下面將對管道內(nèi)徑進行計算。

由于蒸汽使用的是飽和蒸汽，而飽和蒸汽的計算公式與水是一樣的，只是流速不同，另一方面由于蒸汽的狀態(tài)和水的狀態(tài)不同，此處在計算流量時采用的是體積流量，綜上所述，管道出口內(nèi)徑就可以通過下式計算：

式中：

δ：計算系數(shù)—根據(jù)《動力管道設(shè)計手冊》取為594.5。

m：輸送的蒸汽量—2.1t/h。

V：單位質(zhì)量的蒸汽體積—0.6。

v：蒸汽流速—30m/s。

為了保證蒸汽在最低汽溫時，蒸汽使用量依然能夠達到2.1t/h，在設(shè)計中蒸汽管內(nèi)徑選擇為DN125mm。

2 設(shè)計方案

通過上述對蒸汽使用量與礦漿出口管直徑的計算與設(shè)計，加熱系統(tǒng)是最為重要的一個環(huán)節(jié)，因為加熱控制系統(tǒng)影響著熱輸入的大小。加熱系統(tǒng)原理如圖1所示：在礦漿流動管道中部上方開1個直徑為125mm的孔作為蒸汽入口，通過焊接的方式將蒸汽管道接入，在礦漿流動過程中，由于礦漿進口與出口位置是一段直徑更大的管道，在該段管道內(nèi)，蒸汽可以與礦漿進行更加充分的熱交換過程，保證了輸出的礦漿溫度更加均勻，有利于內(nèi)部水分子脫去，提高精礦的脫水效率。

該設(shè)計實際上是一種對礦漿介質(zhì)進行預(yù)加熱的節(jié)能設(shè)備，安裝在礦漿輸送管中部，實現(xiàn)對礦漿的直接加熱，同時引導(dǎo)蒸汽在內(nèi)腔中流動，增加其滯留時間，從而使礦漿持續(xù)受熱。為確保礦漿均勻受熱，蒸汽進入管口處設(shè)計發(fā)散式噴射口如圖1所示，該設(shè)計不僅增大了礦漿介質(zhì)受熱面積，同時提高了蒸汽輸送壓力，確保了礦漿介質(zhì)充分受熱。除此之外，該部分排放的蒸汽可以再次對攪拌槽中的介質(zhì)進行二次加熱，不僅提高了熱交換率，還增加了蒸汽循環(huán)利用率。

圖1 蒸汽發(fā)散式噴射口

3 控制系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)控制原理如圖2所示：該設(shè)備自動控制系統(tǒng)是由PLC、中間繼電器、電磁閥、測溫元件以及執(zhí)行機構(gòu)組成的智能控制系統(tǒng)，且與上游工序進行連鎖。適應(yīng)物料負荷的需求，保證能源利用的經(jīng)濟性和礦漿加熱系統(tǒng)的安全運行，使物料溫度與蒸汽流量相適應(yīng)。上游工序為自動來礦，當濃密機底流渣漿泵開始工作時，PLC接受輸入信號并執(zhí)行內(nèi)部程序，延時將輸出信號發(fā)送至電磁閥，以此來控制執(zhí)行機構(gòu)動作。執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)電磁閥所給的數(shù)字信號來控制閥的開停。該自控系統(tǒng)中測溫元件采用紅外溫度傳感器，利用輻射熱效應(yīng)，使探測器件接收輻射能后引起溫度升高，以此來直接測量攪拌槽中礦漿溫度，溫度作為模擬量信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸出到PLC中，通過改變變頻器的頻率控制加熱快慢的程度，換句話說，就是控制熱輸入的大小。在控制系統(tǒng)中設(shè)定了溫度的上限值與下限值，作用是使得礦漿溫度適應(yīng)上游來量，使其處于一種動態(tài)平衡，若下游生產(chǎn)速率較慢，導(dǎo)致攪拌槽內(nèi)礦漿溫度降低于設(shè)定值時，PLC將通過變頻器自動控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)攪拌槽內(nèi)二次加溫，以保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 礦漿加熱過程

圖3 礦漿加熱控制系統(tǒng)原理

4 效果對比

通過該預(yù)加熱自動控制系統(tǒng)的實施，在很大程度上降低了能耗，因此，在完成技術(shù)改進后，對單臺高能壓濾機7個月的蒸汽使用量與電能使用量進行了統(tǒng)計，并與上一年7個月的數(shù)據(jù)進行對比，如圖4與圖5所示。

由圖4所示：礦漿自動加熱系統(tǒng)應(yīng)用前后單臺高能壓濾機的蒸汽使用情況有明顯下降，改進后單臺平均蒸汽使用量下降33.86%，最高下降84.62%，節(jié)能效果較為明顯，說明本套加熱系統(tǒng)在實用性方面效果是比較顯著的。

圖4 單臺蒸汽使用量統(tǒng)計

由圖5所示：在單臺高能壓濾機電量使用方面，雖然處于波動狀態(tài)，但是總體而言都維持在一個較低的水平，平均電單耗下降13.43%，最高下降20.81%，也就是說自動加熱系統(tǒng)在能源利用方面做到了充分利用的效果。

圖5 單臺電能使用量統(tǒng)計

5 總結(jié)與展望

本文主要是針對礦漿加熱系統(tǒng)進行了研究，通過查閱國內(nèi)外管道加熱系統(tǒng)的形式與加熱方式入手，設(shè)計了一種管道預(yù)先加熱系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的浸沒式加熱方式，結(jié)合PLC自動控制，對基于上游來礦情況、下游生產(chǎn)情況對熱輸入量的大小進行實時控制，另外管道直徑的設(shè)計是通過計算得到的，而且在輸入管道與輸出管道之間設(shè)計的大管徑提高了熱交換效率，同時蒸汽管道入口處采用了噴射孔設(shè)計，提高了蒸汽壓力，使蒸汽與礦漿發(fā)生充分的熱交換作用。最后結(jié)合蒸汽使用量數(shù)據(jù)和單臺電耗與未進行改造前的7個月的數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了該加熱系統(tǒng)的實用效果。

雖然該研究取得了可觀的研究結(jié)果，但是筆者認為在能源利用方面，依然存在以下2點不足之處。（1）除了控制礦漿溫度，還應(yīng)將礦漿流量考慮在內(nèi)，結(jié)合自動化，靈活控制閥門開度大小，能夠保證攪拌槽動態(tài)調(diào)整下一道工序的礦漿實際使用量與高能壓濾機的給礦壓力，使得攪拌槽與高能壓濾機一直處于最優(yōu)的工作狀態(tài)。（2）該設(shè)計中蒸汽管道的安裝方式為垂直礦漿管安裝，雖然該管道的材質(zhì)具有抗磨性能，但是此種方式在長時間的供汽過程中，由于氣蝕作用會使得正下方管道的強度降低，因此，應(yīng)該研究供汽管道，以一定的角度安裝或者對管道沖刷處進行額外的減磨設(shè)計，延長管道的使用壽命。