粉礦倉堵塞原因與助流系統

吳佑儉 吉萬健 劉 健

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

選礦廠設置的粉礦倉在生產過程中應滿足兩點要求:①儲存規定數量的物料;②按生產要求調節入選礦量、均衡選礦流程。隨著我國采礦業的高速發展，礦倉的容積被設計的越來越大，使用頻率越來越高，單純依靠物料自身重力溜出礦倉，容易發生礦倉內物料粘壁、棚拱等堵塞現象，特別是物料的含水率高、含粉量大時，更容易發生不同程度的堵塞，這樣使礦倉失去了其應有的工藝功能，也嚴重破壞了生產的連續性。面對堵塞現狀，有些礦山采用人工敲擊倉壁振動、進倉捅料、高壓水沖洗等辦法解決堵塞難題，收效甚微且安全隱患大，每年都有此類事件的安全事故發生［1］。因此，研究高效、安全、環保的礦倉清堵技術和裝備顯得勢在必行。

1 堵塞現狀

粉礦倉是指以粉礦為主，含有少量細粒礦石的貯礦倉，常見于磨礦礦倉、成品礦倉等。此類礦倉一般采用高架式結構的矩形錐底倉和圓形平底倉［2］。通過調查國內多個金屬礦山的粉礦倉堵塞現場，發現粉礦倉堵塞的主要類型可分為漏斗形堵塞、井狀堵塞、拱狀堵塞、粘團滾動形堵塞4種，如圖1所示。

圖1 粉礦倉常見堵塞類型Fig.1 Comm on types of powder ore bin blockage

漏斗狀棚料是受礦倉斜壁的影響，物料易在流動中沿礦倉壁形成較大的滯留區和垂直料流通道造成的堵塞;井狀棚料是受物料潮濕而泥化嚴重的粉礦物料沿礦倉壁逐漸粘結，最終在下料口中心形成一個圓形的空洞造成的堵塞;拱狀棚料是由于礦倉下部的物料能正常的排出，其余物料在礦倉內起拱居高不下造成的堵塞;粘團滾動堵塞是由于礦倉內的物料粒度差異過大，某些大塊物料集中在下料口周圍，造成粉礦物料堆積在料口上方，無法下落。

從堵塞的表象來看，物料大多是從從礦倉內壁粘結開始，后逐漸向礦倉內部和頂部延伸，這是由于物料與倉壁的摩擦阻礙了物料的自然下落，造成了物料的粘壁現象;物料之間的相互摩擦又造成了物料的棚拱粘團現象。

2 堵塞原因分析

2.1 物料性質的影響

在工程應用中，常用內摩擦角和外摩擦角兩個參數來評價散體物料的流動性。物料的內摩擦角反映了物料相互之間的作用力，即物料之間的黏聚力，它是造成物料之間棚料的主要因素，它受物料一些基本性質的影響［2-3］。

(1)含水率。研究發現，當物料含水率較高時，容易泥化粘結在礦倉內壁，造成礦倉堵塞。利用直接剪切試驗測得的某銅礦物料內摩擦角隨含水率的變化曲線如圖2所示。

由于物料顆粒表面帶有一定符號的電荷，這樣就在固體顆粒附近的空間形成電場，在電場范圍內，水分子被極化而吸附于固體顆粒表面。由于電荷的作用，使物料中的水分具有一些特殊的性質，如黏性大、不能自由流動等，它與固體顆粒之間結合很緊，形成固體顆粒的水膜。分子水膜極薄，但分子力很大，外力作用時，外荷通過一個顆粒向另一個顆粒傳遞，分子水作為固體顆粒的外殼與固體顆粒間的空隙一起變形，變形后由于固體顆粒的水分子膜變薄，水膜的吸附作用增大，因而固體顆粒間表現出一定的黏結力。這就是某些松散物料在潮濕的情況下，與干物料相比具有更大黏結力的原因［4］。上述的試驗結果不難發現，物料的含水量增大后，由于水分子的極化作用，物料的內摩擦角、黏聚力也隨之增大，物料的流動性變差，固結性增大，成拱棚料的幾率也隨之增大。

圖2 含水率對物料內摩擦角的影響Fig.2 How moisture content influence of thematerial internal friction angle

(2)粒度。礦倉內物料的料流狀態形同一個流動的橢圓體，該橢圓體內的料流有垂直運動和滾動流動2種狀態，流動橢圓體邊界以外的部分不產生運動，造成堵塞。以鐵礦石為研究對象，得出不同物料粒度的流動橢圓體特征如圖3所示。

圖3 物料粒度對流動性的影響Fig.3 Effect of particle size on the liquidity of thematerial

從試驗結果不難發現，物料的粒度越細、形狀越不規則，由于其內摩擦力和內聚力的大幅度增加導致其比顆粒較大的物料更容易起拱。

(3)存儲時間。物料的內摩擦角也隨貯存的增加而增大，主要是由于物料在礦倉內擠壓的時間長，相互間的嵌擠狀態好，物料之間被壓實，散裝物料成集料后表面變粗糙，造成物料之間形成較大的內摩擦角。剪切試驗測得某銅礦物料不同存儲時間內的物料內摩擦角變化如圖4所示。

圖4 存儲時間對物料內摩擦角的影響Fig.4 Storage time impact on material internal friction angle

物料在礦倉內存儲的時間越長，物料堆積的高度越高，物料存儲的密度越大，壓實性越強，同時由于密封性等原因使得內部濕度增加，導致倉料的流動性變差，如不及時卸料，極容易起拱。

2.2 礦倉結構

(1)卸料口尺寸。礦倉設計時，卸料口尺寸是一個關鍵因素，它決定了物料的流量。合理的卸料口尺寸既要防止物料結拱，同時又要分配合適的礦量到后續生產中。防止結拱的卸料口最小尺寸計算公式為

式中，Ba為卸料口寬度(卸料口長度大于2.5Ba)，m; fcc為無側限臨界屈服強度，Pa;γ為物料松散密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;dp為物料平均粒徑，m;La為卸料口長度，m;

如Ba表示直徑時，其計算公式為

從上面的計算公式可以得出:若

卸料口產生結拱;若

卸料口產生結拱。

(2)斜壁傾角。松散物料在堆放時能夠保持自然穩定狀態的最大角度(單邊對水平面的角度)，稱為物料的“安息角”［5］。在這個角度形成后，再往上堆加這種物料，就會自然下溜，保持這個角度，只會增加高度，同時加大底面積。因此，在設計礦倉時，在保證料倉最大容積的前提下，要求不能有死料堆積，即要求礦倉斜面與水平面之間的夾角大于物料的安息角，這樣才能保證物料的正常下落。幾種常用物料的最小斜面傾角歸納于表1中。

表1 礦倉貯存常用物料最小斜面傾角Table1 M inim um slant angle of comm on material storage in ore bin

2.3 礦倉材質

物料與倉壁之間的外摩擦力是阻礙物料下溜的另一個重要因素，它是造成物料沿倉壁堵塞、粘壁的重要原因。本實驗中選用不銹鋼板、碳鋼板和環氧板3種不同粗糙度的倉壁材料進行Jenike壁摩擦實驗，物料選用含水率為10%左右，粒徑范圍＜50 mm的粉狀鐵礦石。實驗結果如圖5所示。

圖5 相同物料不同倉壁材質摩擦系數試驗結果比較Fig.5 Com parison of differentmaterials warehouse wall friction coefficient test results on the same kinds ofmaterials

在3種倉壁材質上的摩擦系數大小有一個趨勢，即不銹鋼板＞碳鋼板＞環氧板。其中碳鋼板和環氧板的摩擦系數較接近，而不銹鋼板的摩擦系數與碳鋼板和環氧板的摩擦系數相差稍大。這主要是由于倉壁材質的粗糙度的差異引起的，粗糙度越大的倉壁材料，壁摩擦力越大，物料較難滑動。因此，在選用礦倉內壁材料時，應盡量選用粗糙度低的光滑材料，對于老礦倉改造可考慮鋪設摩擦系數低的高分子襯板。

3 嘗試的解決辦法

3.1 人工清理

礦倉堵塞時，人工手持鐵錘敲擊礦倉下料口，以此產生振動，讓物料下落。此法可能會有短暫的效果，但投入的勞動量巨大，效率低下且勞動成本高。長期敲打還會使礦倉的強度受到影響，不是解決問題的根本辦法。當堵塞十分嚴重時，還需人工進入礦倉內部清理，此項工作危險性大，極易造成人身傷亡事故發生。

3.2 高壓水沖洗

由于長期堵塞導致物料在礦倉內部板結很實，水管不能插入到倉壁，即使使用高壓水，也只能將礦倉下料口部位的部分粘料清理下來，清理難度和勞動強度都大。另外，使用高壓水沖洗，還會造成周圍環境衛生差。

3.3 使用空氣炮

國內部分礦山為解決礦倉堵塞試驗過空氣炮，此法是在礦倉壁上開若干個孔，安裝空氣炮(類似于小型儲氣罐)，利用空氣炮瞬時釋放的壓縮空氣將積料轟下。但空氣炮只能將積料轟出一個洞，而不能將礦倉壁上的積料整片清除，試驗效果有限。

3.4 使用振動電機

采用電力驅動，其頻率為700～6 000 Hz/min，振幅可達1.2 cm［6］。從振動器的現場使用來看，該設備對振動物料下落具有一定的效果，但是很難將將礦倉“死區”的物料振動下來，往往還會適得其反，將某些區域的物料振實，加重礦倉的堵塞;同時振動器的工作噪音大、穩定性差，使用具有很大的局限性［7］。

3.5 改造礦倉結構

現有粉料礦倉大多采用一點正載裝料方式，配皮帶輸送機裝料。部分礦山曾設想通過增大礦倉下料口的數量、尺寸以及礦倉斜面傾角來解決礦倉堵塞的難題，由于大多數礦倉已使用多年，改造的費用較高且土建施工難度大，改造工期長直接影響礦倉的正常生產，因此此方法適用于新建礦倉，對于老礦倉改造意義不大。

4 助流方案的設計與應用

4.1 系統原理

根據礦倉堵塞的原因分析以及以往處理堵塞的經驗，考慮到礦倉建成后改造的困難，優化礦倉的材質與土建改造等方案已不適合已建礦倉。在保證使用效果、礦倉強度和不影響礦倉正常生產的情況下，設計出了一套礦倉助流系統，系統的方案示意如圖6所示。

圖6 礦倉清堵系統方案Fig.6 Ore bin Blocking system Schematic

該清堵方案是將氣動助流法和卸料口機械助流法相結合，以氣動助流為主，機械助流為輔。氣動助流法就是將壓縮空氣壓入到礦倉V形斜面的內表面上，使物料與礦倉內表面之間形成瞬時的間隙，從而消除或減小物料同倉壁之間的外摩擦力，這就可使物料沿著倉壁下滑，消除物料粘壁和堵塞;機械助流法是將特制的氣動清阻機的工作機構伸入到金屬礦倉下料口內部來回搗碎，防止金屬礦倉下料口堵塞，破壞物料堆積在下料口的內聚力，防止拱的形成。

該系統主要由空壓機、儲氣罐、氣動清阻機、助流噴嘴、電氣控制系統以及各類控制閥門(圖中未注明)等設備組成。空壓機1是整個系統的動力源，用來產生壓縮空氣，額定壓力為0.8 MPa。助流儲氣罐2的氣流全部通過氣動清阻機4、助流噴嘴5噴射到礦倉內部;控制儲氣罐3的壓縮空氣用于管路中各類電控氣動閥門的開啟，電控氣動閥門得到電信號后，需要壓縮空氣控制閥門的開閉，動作迅速、敏捷。氣動清阻機主要由氣缸和工作機構組成，通過氣缸的直線運動帶動工作機構在卸料口部分進行搗碎工作，每個卸料口可安裝1臺氣動清阻機。控制柜安裝在人工便于操作的位置，1個礦倉裝有1臺控制柜，當礦倉堵塞時，人工操控控制按鈕就可達到清倉的目的。助流噴嘴安裝在礦倉斜面內壁四面上，噴射方向沿礦倉內壁朝下，噴嘴分層布置，同時對面交錯布置，防止空氣對吹，造成能量浪費;助流噴嘴的數量視礦倉的大小確定，一般按1 m3礦石/1個噴嘴進行設計。

4.2 使用效果

該系統先后應用于金鉬股份百花嶺選礦廠、馬鋼南山礦業等單位，系統的運行一直穩定、高效，為企業帶來了可觀的經濟效益。百花嶺選礦廠磨浮車間粉礦倉助流系統安裝前后的部分生產數據參見表2所示。

表2 礦倉清堵系統安裝前后粉礦倉生產數據對比Table2 Comparison of the ore bin production data before and after the Blocking system installation

由上表可看出，安裝該系統后的生產效率和產量都得到了明顯提高，真正實現了選礦流程的均衡生產。

南山礦業公司和尚橋選廠和凹山選廠也先后安裝了該助流系統，根據南山礦業公司出具的效益計算書，僅2014年度，該系統的應用就為其帶來27 968萬元產值，新增利潤1 800余萬元，經濟效益十分顯著。在為企業帶來經濟效益的同時，還消除了人工清堵帶來的安全隱患，降低了勞動強度、改善了勞動環境，同時對環境友好。

5 結語

通過對粉礦倉堵塞情況的調查與研究，高含水率、粒度不均、生產周期長、礦倉結構與材質設計的不合理是造成粉礦倉堵塞的主要原因。面對已建成礦倉改造難度大、費用高、影響生產的局限，設計出一套高效、環保、安全的礦倉清堵助流系統，從使用效果來看，該系統的經濟效益和社會效益十分明顯，不僅適用于金屬礦山選礦廠礦倉改造，同時還適用于電力、冶金、煤炭等相關行業，市場應用前景廣泛。

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