一種新的礦山破碎站成品礦倉振動助流器的研制及應用

張春陽，曹平，仵鋒鋒，萬琳輝

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 長沙礦山研究院，湖南 長沙，410012)

礦石作為一種顆粒物質，在倉內長時間堆積，很容易因黏倉、起拱、卡斗而發生堵礦，嚴重影響礦山生產。在國外，例如 Anand等[1?2]對顆粒屬性、筒倉結構、尺寸等因素下顆粒流動特征和力學關系進行了研究，指出顆粒流模型對優化顆粒流動和設備設計具有重要意義。在國內，李海旺等[3]用顆粒流程序分析了裝、卸料中散料對倉壁的靜、動態壓力，發現與國家現行規范和ISO方法計算的異同；鄭利嬌等[4]認為料斗有效流通面積、加壓氣和流化氣量會影響料倉內粉煤多股下料的流動性；肖國先[5]通過數值模擬得出了倉內散體流動、倉壁應力分布、改流體作用、濕顆粒流動的影響規律；陳汝超等[6]進行了有機玻璃料倉實驗，發現出口直徑、粒煤粒徑和外水分對寬篩分粒煤在補氣料倉中的下料特性有顯著影響；秦雯等[7]通過室內模型實驗，發現倉體流出過程中的離析現象主要是由于細料向下滲透，并分析了流出顆粒均勻性變化及影響因素；此外，肖國先等[8?13]對倉內顆粒物質也進行了研究。隨著倉內顆粒物質流動特性及影響因素研究的推進，以這些研究成果為基礎的助流設備研制已成為倉體工程的重要課題之一。傳統的助流設備如底部振動助流器、空氣炮、機器爪等對于高黏性鋁土礦在實際生產中的助流效果不理想，如：底部振動助流器雖然改善了倉體底部礦石流動性，但振動波在傳播過程中會不斷衰減，振能難以有效到達倉體上部，對于大型倉體，有效助流范圍十分有限；采用人工處理花費時間長，強度大，效率低，環境差，安全隱患極大。因此，研制適合高黏性鋁土礦的除黏、破拱、防堵設備具有重要意義。

1 鋁土礦黏倉及卡斗室內研究

1.1 模型實驗

為了了解倉內鋁土礦流動規律，找到合適的除黏、破拱方案，在現場取樣后，以底部放礦為例，進行室內模型實驗(該原理同樣適合側面放礦)。由于破碎站礦倉尺寸、形式已經固定，因此，實驗主要研究不同水的質量分數和倉內壁摩擦因數下的流動特征。模型根據相似性原理，按礦倉實際尺寸縮制而成，幾何相似比為1:12。

從現場采集礦石，用塑料袋密封，確保礦石水的質量分數不變。原形礦石的最大直徑為30 cm，依據相似比，模擬實驗礦石最大直徑為3 cm。用孔徑為3 cm的篩子對礦石進行篩分，用孔徑小于3 cm的礦石進行室內放礦實驗。

實驗前先檢測礦石中水的質量分數，3組礦石中水的質量分數分別為8.2%，9.5%和10.8%。實驗表明：當水的質量分數為8.2%時，打開倉底閥門，有礦石稀疏流出；當水的質量分數為9.5%時，沒有礦石流出；外力破拱后，礦石才繼續流出。可見：當水的質量分數為9.5%時，在倉內已經結拱，礦石流出一段時間后又停止流動，說明又形成了新的拱，阻止了礦石繼續流動，再次破拱后礦石又繼續下落，前后破拱5次，才全部放完；當水的質量分數為 10.8%時，礦石流動性更差，前后需要至少7次破拱處理，且放礦后在底部四角仍有少量殘余礦石，可見倉內死角處流動性最差。

此外，倉壁摩擦因素對礦石流動性影響也很大，尤其在倉內漏斗部分。模型通過在倉體漏斗壁面貼摩擦砂紙來實現。由于水的質量分數為8.2%時，礦石能夠實現自流，因此，實驗采用水的質量分數為8.2%的礦石。結果表明：采用摩擦因素較小的砂紙時，需破拱3次；采用摩擦因素較大的砂紙時，需破拱5次，倉體死角處礦石流動性最差。

1.2 實驗分析

水的質量分數對礦石流動性影響很大。隨著水的質量分數增大，礦石與倉壁間外摩擦因素增加，顆粒與倉壁間的吸附力增強，直至達到最大值，此時，礦石沿倉壁的流動性最差。當水的質量分數增加至某一限度后，就不再被礦石吸收，多余水以自由水的形式存在，在礦石和倉壁之間起潤滑作用，使顆粒容易沿斗壁滑動，因而外摩擦因素反而降低。當實驗礦石水的質量分數為8.2%～10.8%時，剛好處在外摩擦因素增大階段，因此，倉壁處礦石流動性變差。

雖然水的質量分數增加使礦石顆粒間的內摩擦因素減小，但在初始階段，礦石顆粒間黏結力加強。隨著水的質量分數增大，礦粒間形成水膜，在氣水界面產生表面張力的同時，存在顆粒間的膠凝物質和水分生成的水化結晶物產生黏結作用；當水的質量分數達到飽和狀態之后，破壞了顆粒間形成的水膜和表面張力，黏結力又有所降低[14]。本實驗中，當水的質量分數為8.2%～10.8%時，內摩擦角與黏結力相比，其影響相對偏小，導致倉內礦石的流動性變差，顆粒間的接觸力變大，增加了倉內平衡拱的穩定性。

倉壁摩擦因素增大，使礦石與倉壁的摩擦力變大。在放礦過程中，倉內中間礦石流動最快，四周最慢，礦石在倉內受到摩擦力、黏結力的作用，在一定條件下形成平衡拱。由于拱承受上部荷載，所以，傳給拱腳以力F，該力可以分解為垂直分力N和水平分力P[15](圖1)。對于穩定拱，力F由倉壁處礦石與倉壁摩擦力平衡，因此，倉壁摩擦因素增大導致拱角承載力增大，破拱難度加大。

圖1 拱的形成原理及作用力Fig. 1 Arch formation principle and force

2 振動助流機理分析

振動放礦是借助振動器振動和礦石自身重力，強制礦石自漏斗放出的放礦方法[16]。目前，振動放礦都是在倉底部安裝振動器，振動在礦巖中以波的形式傳播。傳播的波有縱波和橫波2種，縱波的波速可用下式計算：

式中：νz為縱波速度，m/s；E為松散礦石的動彈性模量，Pa；μ為松散礦石的泊松比；ρ為松散礦石密度，kg/m3。

橫波的波速可用下式計算：

式中：νh為橫波速度，m/s。由于所有礦石獲得的振動強度并不相同，與振動器距離越近，振幅越大，遠離振動器時振幅減小，并逐漸趨近于 0。這主要是振動脈沖在向外傳播過程中，振能消耗于克服重力、摩擦力以及轉換為不可恢復的變形能，使振能在傳播中逐層衰減，直至為 0，這種特性叫內阻尼，可用“衰減系數”表示，其表達式為

式中：Kz為松散礦石振能衰減系數；νb為振動波速，m/s；N為振幅對數遞減率；?為振動頻率，1/s。

2.1 振動助流除黏作用

由于水的作用，礦石間因黏結而結塊，靠近漏斗壁的礦石受到儲存礦石壓實影響，被擠壓在漏斗倉壁上，并與倉壁緊密黏附在一起，容易在倉內漏斗附近形成壓縮小漏斗，使倉內有效斷面減小：因此，為了確保高黏性礦石順利放出，應盡可能保證放礦口有效斷面尺寸。

礦石的通過性常以通過系數表示[16]。通過系數是指放礦口的有效尺寸與最大塊尺寸之比，其表達式為

式中：Kt為通過系數；hx為放礦口的有效尺寸，m；gk為最大塊的尺寸，m。

振動放礦是通過增加放礦口有效斷面，增大礦倉通過系數Kt，實現除黏，從而降低黏結成拱幾率。在振動放礦條件下，礦石承受振動后，內摩擦因素減小，礦石顆粒黏結成拱的支撐力受到削弱，此時已不全靠重力放礦，能極大提高放礦效率。

2.2 振動助流破拱作用

拱基滑動使拱破壞的力系分析如圖2所示[16]。首先對反作用力Wp的作用點取力矩，可得出反作用力的水平分量：

式中：Wp為反作用力的水平分量，N；hg為拱高，m；Gd為單位長度上的重力，N；lg為拱跨度，m。

反作用力的垂直分量為

式中：αp為反作用力與其水平分量的夾角；wc為反作用力的垂直分量，N。

反作用力的垂直分量的最大值為垂直載荷的一半，因此，成拱的條件為

礦塊組拱示意圖見圖 2。振動放礦時，由于放礦口有效高度增大，使成拱的跨度增加，從而降低了礦塊成拱的可能性，即使出現平衡拱，借助振能傳播，也可削弱成拱的拱基，所以，不容易出現穩定平衡拱。同時，振動場內礦塊間速度差小，能夠有效降低礦石下降速度差引起的礦塊成拱概率。雖然礦石在下降過程中，礦塊間存在相互咬合的成拱條件，但由于振能的傳播作用，有效降低了礦石間內摩擦角，從而阻止拱的形成，起到了很好的破拱效果。

2.3 倉內懸垂式振動助流器助流作用

雖然振動放礦具有很好的除黏、破拱效果，但是，傳統的振動放礦裝置安裝在倉體底部，振能不能有效傳播到倉內上部，因此，不能有效發揮振動助流作用。室內模型實驗結果表明：倉內死角處礦石流動性最差，死角很容易因長期堆積礦石而黏倉，底部振動助流也無法優化倉內礦石的流動速度，礦石容易發生起拱。采用離散元軟件PFC2D模擬倉內礦石流動規律，結果見圖3。從圖3可見：對于底部放礦礦倉，中間礦石流動性比四周大；側面放礦礦倉離放礦口水平距離越遠，流動性越差，且漏斗部分容易殘留礦石，使倉漏斗部分有效斷面尺寸降低，放礦難度增大。

圖2 礦塊組拱示意圖Fig. 2 Ore arching schematic diagram

圖3 倉內礦石流動特征模擬Fig. 3 Flow characteristics simulation of ore in hopper

3 倉內懸垂式振動助流器的研制

為了有效解決黏倉、起拱問題，可以采用插入式振動器，將其振動棒從料倉頂部直接延伸到料倉截面收縮部位，以達到改善礦石流動性目的。振動器結構由原動機、傳動裝置和工作裝置3部分構成，見表1。工作裝置是1個棒狀空心圓柱體，通稱振動棒，內部裝有振動子，在動力源驅動下，振動子使整個振動棒產生高頻微幅機械振動，振動棒由傳動裝置連接插入至料倉截面突然收縮部位，振動通過振動棒傳遞給礦石。在礦倉各死角處安裝1個振動器，底部放礦礦倉可安裝4個振動器，側面放礦礦倉只需2個，其中底部放礦礦倉振動器安裝如圖4所示，振動器固定鋼板安裝如圖5所示。

由于倉內礦石貯量大，礦石對設備的摩擦也大，放礦時軟管的拉力和磨損比較嚴重。為了改善軟管和振動棒抗拉耐磨性能，保護振動棒，在固定防滑耐磨鏈條下端將振動棒壁層加厚，將鏈條繞一圈焊接在振動棒上，并承擔拉力，如圖6所示。這樣，振動器的使用壽命大大增強。當振動器倉內部分出現故障時，只需扭開頂部鋼筋混凝土蓋板固定螺栓，把振動棒從倉內取出即可，大大提高了檢修安全性；當1個振動棒出現故障時，其他振動棒可以繼續工作，確保了振動助流的連續性。

圖4 倉內懸垂式振動主流器安裝圖Fig. 4 Installation plans for vertical vibration flow-aiding device

圖5 固定鋼板安裝示意圖Fig. 5 Steel plate installation diagram

表1 振動器參數Table 1 Vibrator parameters

據室內實驗結果，倉壁摩擦因素對礦石流動性影響也很大。為了充分發揮倉內懸垂式振動助流器助流作用，可以考慮在倉體漏斗部分安裝超高相對分子質量聚乙烯輔助襯板，降低漏斗部分的摩擦力。安裝時，充分利用倉內原有鋼軌結構，將聚乙烯板材安裝在相鄰鋼軌的縫隙中，形成鋼軌與高分子材料的復合板材，增加板材抗沖擊性能。聚乙烯板材與鋼軌間隔安裝效果如圖7所示。

圖6 抗拉耐磨鏈條固定示意圖Fig. 6 Tensile wear resistant chain fixed diagram

圖7 超高相對分子質量聚乙烯復合板材安裝效果Fig. 7 Installation plans for ultra-high molecular weight polyethylene composite sheet

4 助流效果PFC2D模擬

為驗證倉內懸垂式振動助流器結合超高分子量聚乙烯復合板材的助流效果，本文采用離散元軟件PFC2D對底部放礦和側面放礦效果分別進行模擬[17]。模型采用PFC2D自帶的fish語言編輯，振動器安裝在礦粒最容易黏倉的死角部位，模擬分為有振動器和無振動器2種情況。材料參數和料倉尺寸不變，振動頻率為70 Hz，振幅為1.2 mm。振動器位于倉內直墻與漏斗結合處(圖8)，在模擬中提供振動能，破壞模型倉死角處形成的拱基，確保顆粒向漏斗口運動。超高分子量聚乙烯復合板材通過降低模型倉壁材料摩擦因素來實現助流。

由圖8可見：加入振動后，顆粒的流動性得到極大改善，只需要運算20萬步，倉筒部分的顆粒就差不多放完(見圖8(b)和8(d))，并且倉口處顆粒流速很快，倉壁內顆粒迅速朝倉口匯集，可見在振動作用下，倉內顆粒的運動得到極大優化，能夠避免死角處顆粒的堆積問題。在PFC2D模擬中，沿倉壁布置壓力監測點，發現在倉內死角安裝模擬振動器后，倉內壁的動態側壓力大大減小(見圖9)，且比較均勻，動態側壓力的優化有利于提高倉體使用壽命，降低檢修頻率。PFC2D數值模擬結果表明：采用倉內懸垂式振動助流器具有一定可行性。

圖8 放礦效果對比Fig. 8 Ore discharge effect contrast

圖9 動態側壓力對比Fig. 9 Dynamic lateral pressure contrast

5 振動助流工業試驗

PFC2D數值模擬結果表明倉內懸垂式振動助流器具有很好的助流效果。為了驗證助流器的實用性，選擇洛陽鋁礦破碎站其中1個底部放礦礦倉進行工業試驗，振動器安裝在礦石流動性最差的死角。為了增加放礦難度，采用邊裝礦邊加水的方式，使礦石中水的質量分數分布均勻，同時，水可以從料倉底部的閘門流出，裝滿礦石并貯存24 h以上，確保倉底部不會聚集多余水分，使礦石粉末在倉內充分黏結，從而增加礦石放出難度。

放礦時首先采用重力放礦，充分發揮超高分子量聚乙烯復合板材摩擦因數小的優點，當重力放礦停止后再開動振動器進行振動放礦，這樣既降低振動器的耗損，又減少電耗。現場工業試驗結果表明：礦石在振動助流條件下，助流效果十分明顯，礦石放出率達到95%以上，安全系數達100%[17]。圖10所示為礦石放出前與放出后的效果。底部放礦現場工業實驗結果表明：倉內懸垂式振動助流器在礦倉放礦中的應用具有重要意義。

圖10 礦石放出前和放出后效果Fig. 10 Effect before and after discharge

6 結論

(1) 水的質量分數和倉壁摩擦因素對礦石流動性影響很大，是引起倉內礦石黏倉、起拱、卡斗的重要原因。當水的質量分數從8.2%增加到10.8%時，礦石流動性急劇下降；倉壁摩擦因素增大導致拱角承載力增加，破拱的難度加大。尤其對于礦石流動性差的死角處，容易殘留大量礦石，導致礦倉有效容積減小。

(2) 在倉內死角安裝振動器后，顆粒很快從漏斗流出，證明倉內振動助流能克服底部振動助流的缺點，振動波能夠在倉內上部有效傳播，使倉內礦石流動性得到優化；同時，倉內壁的動態側壓力也大大減小，且比較均勻，有利于提高倉體的使用壽命。

(3) 倉內懸垂式振動助流器與超高分子量聚乙烯輔助板材相結合，具有很好的助流效果，礦石放出率達95%以上，安全系數達100%。

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