雙向長距離水、鐵精礦管道輸送及尾礦干堆技術

寧輝棟 孟麗芳

(內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司給水廠，內蒙古 包頭 014010)

雙向長距離水、鐵精礦管道輸送及尾礦干堆技術

寧輝棟 孟麗芳

(內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司給水廠，內蒙古 包頭 014010)

雙向長距離水、鐵精礦管道輸送及尾礦干堆技術集成與應用是集流體力學、環境生態、礦山安全等專業為一體的科學集成技術，并成功用于包鋼實踐。該技術的集成與應用，解決了包鋼礦山地區工業用水制約經濟發展的瓶頸問題，改變了傳統的鐵路和公路運輸礦石和周邊筑壩的傳統尾礦堆放方式，實現了包鋼原料基地戰略轉移，實現了低品位礦石的高效開發利用，建立了我國冶金礦產資源綠色高效開發利用的新模式，并為尾礦中堆存的稀土等資源的再開發利用創造了條件，對國內選礦尾礦堆放和管道輸送建設具有廣泛的借鑒和推廣示范作用，對高寒缺水地區礦產資源開發具有示范引領作用，對于改善民生和生態保護、資源和環境保護、安全生產、提高企業競爭力等意義重大。

管道輸送 尾礦干堆 集成與應用 鐵精礦

包頭鋼鐵(集團)有限責任公司是我國重要的鋼鐵工業基地和最大的稀土工業基地。白云鄂博鐵礦是包鋼的原料基地。 包鋼采用水、固體物料礦漿，長距離、高揚程、大流量輸送和尾礦膏體干堆技術，實現了對白云鄂博西礦低品位礦石的高效開發利用。 即采用離心泵一次加壓,將工業水經外徑920 mm、長達130 km的管道，輸送到高程差504 m的白云鄂博地區，輸送能力為2 000萬m3/a，為國內外首創；在白云鄂博西礦采礦并就地選礦，通過隔膜泵一次加壓后，將鐵精礦經外徑355 mm、長達145 km的管道輸送到包鋼廠區過濾脫水，干礦輸送能力550萬t /a；尾礦經高效深錐濃縮以70%以上的濃度排放后，固結堆放在白云鄂博尾礦區，處理能力700萬t/a，成為國內首次采用大型深錐濃縮技術，實現尾礦干堆的項目。這樣的集成及應用為國內首創。

1 高濃度礦漿管道輸送技術

在高寒地區大宗固體物料陡降管道輸送中，解決了一定級配下輸送濃度、流速等關鍵技術參數的科學匹配問題，采用了一系列抑制加速流技術，實現了高濃度礦漿長距離管道輸送的長期安全經濟運行。

1.1 確定管道輸送的合理級配

利用加權法計算平均粒徑：

式中，DP為加權平均粒徑，mm；di為各級粒徑，mm；ΔPi為di級顆粒質量占總質量的百分數，%。包鋼鐵精礦礦漿粒徑分布見表1。通過磨選實驗及系列礦漿特性試驗證明，該粒級組成可實現管道輸送。

表1 包鋼鐵精礦礦漿粒徑分布

1.2 確定礦漿輸送濃度

根據固液兩相流能耗最小原理，及對濃度0～70%的礦漿流變特性試驗和沉降、安息角等測試研究和分析，礦漿固體質量濃度大于60%時，礦漿保持紊流，使兩相流中的礦漿顆粒處于懸浮狀態，減少對管道底部的過度磨損。濃度大于68%時，礦漿的屈服應力變高，較小的濃度變化引起屈服應力和黏度變化較大，管道壓力增加，對輕微的濃度變化非常敏感。故確定65%為設計濃度，運行的濃度范圍為62%～68%。

1.3 確定最佳流速

根據固液兩相流原理及摩阻特性，在漿體中，固體顆粒與粘性液體做相對運動時，由于固液邊界上流速梯度的存在，使液體對固體邊界產生繞流阻力，顆粒沉降阻力系數的大小是顆粒形狀系數和雷諾數的函數。管道最小運行速度的選擇是為了使礦漿中的固體顆粒懸浮，保證礦漿處于紊流狀態，流速過高會導致壓力損失和管道磨損率高。通過試驗，確定管道的運行流速為1.5～2.0 m/s，最佳流速為1.6 m/s，最小臨界(沉積)速度為1.25 m/s。

1.4 加速流控制

依據能量守恒原理，利用漿體通過孔板時的壓力損失計算公式，并對孔板中易產生的氣蝕進行控制。通過計算，選取4種孔徑規格的孔板，分6種組合方式，并輔以孔板的增減與主泵的速度及高點處的壓力信號進行連鎖控制，同時縮小孔板下游的管道直徑，用以控制鐵精礦管道經過大青山區域時，在不到50 km距離內，管道標高從海拔1 600 m陡降到1 060 m而產生的加速流現象。再通過水力瞬態分析模型的模擬試驗，保證管道的安全運行。

2 一級泵站輸水技術

一級泵站大流量、高揚程、長距離輸水技術在國內的第一次成功實踐，實現了高寒缺水地區供水技術的突破。

2.1 水力瞬態分析

水力瞬態分析，通過迭代計算對管道運行狀態進行模擬，對管道在非穩態運行時產生的瞬態壓力進行分析，通過對管道系統和閥門進行模擬，以確定管道中產生的瞬態壓力，驗證管道的壓力限制要求，為管道過壓保護措施提供依據。

經過計算，確定了輸水管道中的瞬態壓力，通過對正常停車和故障停車后從0～120 s不同時間段內關閉閥門的管道瞬態壓力進行模擬，首次選用關閉時間為0.15 s的快閉止回閥來避免產生破壞性水錘，并通過水力瞬態分析，確定了4個不同區段的管道壁厚。同時采用氮氣安全閥、真空排氣閥等輔助措施防止水錘，經過實踐檢驗。

2.2 長距離輸水管道充水研究

對于在長距離、高壓力、大管徑的輸水管道，首次啟動過程中極易出現以下問題：當水泵開啟時，水泵工作點由零流量向大流量迅速漂移，使水泵進入不穩定運行狀態，造成水泵部件的高溫耦合；同時，閥門開度小時，產生的氣蝕和振動會損壞閥門。

如何充水，國內外沒有任何可借鑒的經驗。本項目創新性地提出在長距離管道初次充水過程中，管道的特性曲線是隨時變化的。隨著管道中充入水量的增加，靜揚程增加，管道的沿程阻力增加，管道特性曲線會逐漸上移并變陡。因管道特性曲線隨時變化，導致了在充水過程中水泵工況的隨時變化。

通過對變化的水泵工況和閥門開度進行研究和分析，確定了調節泵速和閥門開度相結合的技術方案，從改變水泵的特性曲線和管道的特性曲線2個方面來改變水泵的工況點，使其處于高效區，保證了管道的充水安全。

3 大型尾礦庫膏體堆放技術

大型尾礦庫膏體堆放實現了國內首創，設計尾礦處理的新方法，在深錐濃縮和濃縮堆放2個方面，均取得了技術上的突破，使尾礦排放時的濃度得到了大幅度的提高，顯著減少了工藝水的損失，保證了尾礦庫的安全，減少占地及污染。

3.1 尾礦試驗室流變試驗

由流變試驗確定尾礦的排放濃度，依據非牛頓體賓漢塑性的流變特性進行。根據試驗結果，排放的尾礦固體質量濃度為73%，黏度為80 cP、屈服應力47 Pa。尾礦形成“低屈服應力膏體”，排放后不會發生顆粒離析，不會析出自由尾礦水。尾礦黏度與質量濃度關系見圖1，尾礦屈服應力與重量濃度關系見圖2。

圖1 尾礦黏度與質量濃度關系

圖2 尾礦屈服應力與質量濃度關系

3.2 深錐濃縮堆放半工業性試驗

由于工藝參數世界上沒有項目可以參考，在實驗室流變試驗的基礎上， 進行半工業試驗，一方面檢驗本項目中尾礦的沉降特點，另一方面驗證設備的能力并進行設備選型，最重要的是對濃縮成膏體狀的尾礦的堆放性質進行驗證。

利用直徑1 m、高10 m濃縮試驗機進行塌落度、溜槽、剪切變稀等半工業性試驗，通過調整絮凝劑投加量、床層高度、滯留時間，確定尾礦最佳濃縮指標及添加藥劑，為排放濃度≥70%，處理能力700萬t/a，排放后的坡度大于2%，直徑20 m、高18 m的深錐濃縮制造提供依據。現場半工業試驗設備見圖3。

4 結 論

采用水、固體物料礦漿、長距離、高揚程、大流量輸送和尾礦膏體干堆技術，加快了包鋼的結構調整，實現了低品位礦石的高效開發利用，形成了新的原料基地；降低了生產運行成本，把工業用水送到白云鄂博可以解決當地因缺水對地區經濟的制約問題，帶動了地方經濟的發展，同時給包頭市山北地區帶來了較好的經濟效益和社會效益；建立了我國冶金礦產資源環保利用的新模式，并為尾礦中堆存的稀土等資源的再開發利用，創造了條件。

圖3 現場半工業試驗設備

[1] 姜乃昌.水泵與水泵站[M].北京：中國建筑工業出版社,1993. Jiang Naichang.Pump and Pump Station[M].Beijing:China Architecture & Building Press，1993.

[2] 西南交通大學.水力學[M].北京：高等教育出版社，1988. Southwest Jiaotong University.Hydraulics[M]．Beijing：Higher Education Press，1988．

[3] 劉竹溪.劉光臨.泵站水錘及其防護[M].北京：中國水力電力出版社，1998． Liu Zhuxi,Liu Guanglin．Water Hammer and Protection for Pump Station[M].Beijing：China Water Power Press，1998．

[4] 梁智權.流體力學[M].重慶：重慶大學出版社，2002. Liang Zhiquan．Fluid Mechanics[M]．Chongqing：Chongqing University Press，2002．

[5] 長沙冶金設計研究院.CECS98—1998漿體長距離管道輸送工程設計規程[S]．北京：中國工程建設標準化協會，1998． Changsha Metallurgical Design and Research Institute．Design Code of Long Distance Pipeline Engineering for Slurry Transportation[S]．Beijing：China engineering construction standardization association，1998．

[6] 譚俊清,張利平．包鋼礦漿管線工程無縫管段現場壓力測試[J]．金屬礦山,2011(6):123-126． Tan Junqing,Zhang Liping．On-site pressure testing of seamless tube for pulp pipeline of Baotou Steel[J]．Metal Mine,2011(6):123-126．

[7] 譚俊清，沈翠良．包鋼白云礦漿管線工程建設實踐[J]．中國礦業,2011(11):106-111． Tan Junqing,Shen Cuiliang．Construction practices for ore slurry pipeline of Baiyunebo Iron Mine,Baotou Iron and Steel Company[J]．China Mining Magazine，2011(11):106-111．

[8] 董荔葦．瑞木鎳鈷紅土礦礦漿管道加速流消除技術[J]．金屬礦山,2012(6):106-108． Dong Liwei．Eliminating accelerated flow technique used on slurry pipeline in PNG Nico Red Soil Ore Project[J]．Metal Mine,2012(6):106-108．

(責任編輯 石海林)

Dual-way Long-distance Pipeline Transport of Water and Iron Concentrate, Dry Tailings Stockpiling Technique

Ning Huidong Meng Lifang

(WaterSupplyPlant,InnerMongoliaBaotouSteelUnionCo.,Ltd.,Baotou,014010,China)

The integration and application of dual-way long-distance pipeline transport of water and iron concentrate,and dry tailings stockpiling is an integrated science technique including fluid mechanics,ecological environment,mine safety etc.and has been successfully applied in Baotou Steel corp.The integration and application of the technique solves the bottleneck problem that industrial water restricts the development of Baotou Steel Mining Area.It modified the traditional railway and highway transportation for ore and the traditional tailings stacking mode of damming at surrounding.Also,it realized the strategic transfer of Baotou Steel raw materials base,and the efficient development and utilization of low grade ore respectively.A new model of green and efficient development and utilization of metallurgical mineral resources in China was established,which created conditions for re-utilization of rare earth resources remained at tailing pond.This technique has reference for tailings stockpiling and pipeline transportation construction and plays a leading role in exploring mineral resources in the high-cold water-deficient region.It also is of significance in improving the people's livelihood and ecological protection,keeping resource and environmental protection and production safety,and enhancing the competitiveness between enterprises.

Pipeline transport,Dry tailing stockpiling,Integration and application,Iron concentrate

2014-06-03

寧輝棟(1963—)，男，高級工程師。

TD56

A

1001-1250(2014)-08-108-03