小流量高揚程尾礦輸送設備選型與計算

汪賽琪

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

小流量高揚程尾礦輸送設備選型與計算

汪賽琪

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

通過對小流量高揚程尾礦輸送系統的選型計算、改進完善和運行管理，使尾礦輸送系統達到最佳運行效果。對有色金屬礦山尾礦輸送系統的選型設計和運行管理有一定的借鑒意義。

選礦廠；尾礦輸送系統； 渣漿泵； 選型； 運行管理

尾礦輸送是金屬礦山選礦生產的一個重要環節，其輸送設備選型是否合理，對選礦廠的生產運行、設備維護及輸送成本等方面有著較大影響。特別是對小流量高揚程的尾礦輸送顯得尤為重要，合理選型，科學管理，可使尾礦輸送系統保持高效穩定運行。

尾礦輸送系統高效穩定運行表現為3個方面：(1)輸送泵的運行效率高，能耗低；(2)泵的過流部件使用壽命相對較長，輸送成本低；(3)整個系統運行穩定，不會因為泵、管路的問題而影響選礦生產。黃山嶺礦新建尾礦輸送系統在總結歷史經驗基礎上，不斷改進完善，優化設計，經近10年的運行，一直保持良好的高效運行狀態。

1 計算資料

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

1.1 尾礦參數

尾礦試樣篩分分析見尾礦粒徑分布曲線圖(圖1)。依據分析結果計算尾礦參數：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：漿體流量Qm=65 m3/h，漿體比重Sm=1.21，漿體體積濃度Cv=10%。依據尾礦漿體特性通常將漿體分為三種類型，即均質漿體、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，當流速減小到某一值后，管道底部出現固定的或滑動的顆粒床面。通常把顆粒開始形成床面時的流速稱為淤積流速。為保證尾礦漿體在管道中正常流動，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速度，是整個系統選型設計的重要依據。對小流量尾礦輸送系統一般選用管徑在200 mm以下，臨界流速計算常用杜拉德公式：

(1)

式中VL—臨界流速，m/s；FL—與礦漿粒徑、濃度相關聯的速度系數，由速度系數曲線查得：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險，一般取Vp=(1.15～1.3)VL，當Vp過高時會加劇輸送泵過流件及輸送管道的磨損。

圖2 速度系數曲線圖

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輸送礦漿時漿體流量Qm與漿體揚程Hm的對應關系。通過漿體特性曲線圖查得在設計流量時的漿體揚程，從而計算出輸送泵所需的清水揚程。

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

依據上述原理，繪作本系統漿體管路特性曲線。按輸送系統管路布置圖計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特性曲線基礎上，選取0.7VL、1.0VL、1.3VL這3個流量點，找出漿體管路特性對應的水頭損失揚程，用光滑曲線連接兩個特性點，得到系統漿體管路特性曲線圖，見圖3。

在本系統漿體管路特性曲線圖上，當漿體流量Qm=65 m3/h時，漿體損失揚程Hm=25.8 m。按尾礦庫服務期內最高揚程幾何高差計算，輸送系統需要輸送漿體最高揚程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

渣漿泵的性能參數為輸送清水條件下的技術指標，同一臺渣漿泵在輸送清水與輸送漿體時，其揚程和效率都會發生變化，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。

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

將管路漿體揚程換算為渣漿泵的清水揚程H：

H=86.8÷0.91=95.4 m。

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

2.2 泵的選型

渣漿泵的類型很多，根據輸送漿體性質的不同、流量和揚程的大小及輸送系統的布置方式等眾多因素來選擇不同型號的泵。選型原則是進行多泵型方案比較，選擇投資合理，節電節水，無污染，過流件壽命長，運營費用低的泵型。

對每一型號泵都有一個運行效果最佳的參數區域，在選型設計時，應盡可能使泵的運行工況保持在該區域內。對輸送高濃度、強磨蝕漿體，泵的運行轉速應不超過泵設計最高轉速的3/4，流量為最高效率對應流量的40%～80%范圍內；對低濃度、磨蝕性漿體，選擇流量范圍可適當放寬，但一般不得超出最高效率對應的流量。在滿足流量要求的經濟轉速下，單泵輸送揚程不足時，應考慮采用多臺泵串聯方式輸送。

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

按本系統輸送流量Qm=65 m3/h(18 L/s)、最終揚程100 m參數選泵，選擇3/2D-HH型渣漿泵為宜。該泵轉速為850～1450 r/min,高效區域流量18～38 L/s，揚程25～85 m。按經濟轉速要求確定泵的最高工作轉速≤1100 r/min,當尾礦庫加高到中后期時，將采用兩臺同型號泵串聯運行，特性曲線見圖4。

圖4 3/2D-HH渣漿泵輸送系統特性曲線圖

2.3 系統布置

(1)尾礦輸送管路布置不合理，對尾礦輸送系統運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，影響系統的平穩運行。

黃山嶺礦尾礦輸送管路設計有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，但架設費用較高。從輸送系統長期運行角度考慮，本系統選擇了方案二，對系統多年來穩定運行起到積極作用。

(2)渣漿泵應保證在無汽蝕發生的條件下運行。如果泵在運行中發生汽蝕現象，會使泵的過流件在汽蝕和磨蝕的共同作用下提前損壞，嚴重時泵將產生振動和噪音，甚至導致揚程、流量、效率下降而無法運行。設計要求系統有效汽蝕裕量應大于泵的必需汽蝕裕量0.3～0.5 m。為減少進漿管路水頭損失，建議有條件的情況下，渣漿泵進漿管采用正壓進漿。

(3)當尾礦庫采用分期筑建子壩時，尾礦輸送系統應根據輸送揚程的需要分時段調整泵的運行參數，使尾礦輸送達到最佳經濟效果。黃山嶺礦尾礦庫在投入使用初期，輸送揚程35 m，設計采用單泵運行，泵的轉速為900～950 r/min，電機功率按實際流量、揚程配置。隨著尾礦庫子壩的逐年加高，泵的運行轉速也逐步提高，控制單泵轉速不超過1100 r/min。在尾礦庫子壩加高到中后期時，采用兩泵串聯運行，按實際輸送揚程分配兩泵轉速，到尾礦庫服務終期兩泵串聯運行轉速均達1100 r/min。

(4)輸送管道材質的選用對尾礦輸送經濟運行有著重要意義。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，又節省了維修費用，降低了輸送成本。

超高分子量聚乙烯耐磨管，具有優異耐磨性、耐腐蝕，內壁光滑，摩擦系數小，不易結垢，在漿體輸送過程中壓力損失小。化學性能穩定，有極高的耐沖擊性，抗疲勞強度高，耐環境應力開裂性最優。其重量輕，安裝方便，施工難度和強度較低，特別適合山區施工條件不好的情況使用。在投入費用上，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

渣漿泵過流件材質直接決定渣漿泵的使用壽命。為延長過流件的使用時間，選型設計中應根據輸送漿體的特性參數，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。

用來制作渣漿泵過流件的材料較多，不同的材質適用于不同的工況條件，常用過流件材質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，橡膠材質適用于無尖銳棱角的細顆粒、弱酸堿性漿體。輸送同一性質的漿體不同材質的過流件使用壽命差異較大，相同材質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，抗磨性較差且價格較高, 選用硬鎳鑄鐵材質較少。鉻鉬合金是公認的優良抗磨材料，硬度達65～67HRC，對粗顆粒強磨蝕漿體有較強的抗磨性。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,但材質太脆,在高速顆粒沖刷下金屬材料產生脫落磨損,磨面上磨蝕凹坑較為嚴重。為克服高鉻多元合金鑄鐵鑄態成分不均勻、組織偏析、晶粒粗大的問題，鑄造廠家改進淬火、回火熱處理工藝，使高鉻鑄鐵金相組織更細密，耐磨性和強韌性更高，在顆粒高速沖刷時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套使用壽命長,壽命價格比更優。

渣漿泵過流部件葉輪、護套、前護板、后護板中，護套磨損最為嚴重。若材質選擇不當,過流件使用周期短，更換頻繁，運營成本高，影響選礦生產。多種耐磨材質的金屬過流件在黃山嶺礦都進行過使用對比，不適應的材質，護套使用十天左右就報廢。選用改型高鉻多元合金鑄鐵護套，平均壽命在40天左右，最好的可達2個月。

表1 不同轉速過流件平均使用壽命 單位：天

4 運行管理

尾礦輸送系統能否達到預期的運行效果，做好運行參數調整工作尤為重要。

(1)從特性曲線圖看出，因有富余揚程存在，在更換新過流件時，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。在滿足生產排尾和保證臨界流速的前提下，此時應盡可能降低渣漿泵的轉速，減小富裕流量。

(2)當系統工況運行范圍較大時，泵的傳動方式最好選用帶式傳動，采用帶輪變速加電機變頻調速方式調整泵的工作轉速，調節更為方便，能較好地滿足系統輸送工況的調整要求。

(3)在生產輸送過程中，存在諸如尾礦排放口的調整帶來管路揚程變化；或泵的實際轉速調整過高或過低；或選礦生產的尾礦產量波動等眾多因素影響，會導致系統瞬時間輸送流量發生改變。特別是正壓進漿出現系統漿體供給量小于泵的輸送流量時，泵將產生吸空現象，在礦漿中夾帶空氣，使泵的磨損加劇，對泵的運行極為不利。建議正壓進漿時應在泵進漿箱處增設礦漿緩沖池和補充水管，隨時控制進漿箱液面。

(4)對連續工作的串聯輸送系統，且管路工況波動較大時，調速控制宜選在末級泵。避免在調節系統運行工況時，因工況改變影響到系統其他級泵的運行，使得系統整體運行失穩。

5 結束語

對有色金屬礦山小流量高揚程尾礦輸送系統，經詳細設計計算，合理選擇泵型和過流件，加強生產運行管理，使輸送系統保持穩定的運行狀態，尾礦輸送將會取得良好的經濟效果。

[1] 張啟溶.選礦設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，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，機械工程師，大學專科，主要從事礦山安全生產、設備管理、機械設計及礦山設計的審核工作，現任黃山嶺鉛鋅礦安全生產副礦長。

TH311

B

1003-8884(2014)01-0032-04