田家村半自磨產品粗粒礦漿長距離管道輸送參數優化

王志杰

（攀鋼集團礦業有限公司，四川 攀枝花 617000）

由于管道輸送具有成本較低、安全環保的優點，礦山行業采用礦漿管道輸送越來越普遍。目前鐵礦山采用長距離管道輸送精礦的有太鋼尖山鐵礦、昆鋼大紅山鐵礦、包鋼巴潤公司、攀鋼白馬礦等，精礦粒度普遍在-0.044 mm占70%左右［1］，最大顆粒基本控制在0.1 mm以下。鐵礦山尾礦普遍采用管道輸送，最大粒度一般控制在3 mm以內［2］，由于尾礦比重相對原礦或精礦較低，臨界流速較小，各礦山應用都非常成功。鐵礦山一段磨礦產品采用較長距離管道輸送未見報道。白馬田家村由于位于山區，為了降低投資和運行成本，設計采用了-3 mm半自磨礦漿管道輸送至磨礦廠房，距離6.5 km，但投產以后管道頻繁堵塞，不能正常運行。為找準管道堵塞的原因，以較少的投入盤活已建成的資產，避免投資浪費，開展了粗粒礦漿長距離管道輸送參數優化研究。

1 田家村礦漿管道輸送系統設計

1.1 半自磨系統工藝設計

田家村半自磨系統礦石來源于田家村采場，設計年處理礦石500萬t/a，礦石通過汽車運輸至田家村粗破碎站的受礦倉，礦山來礦粒度-1 200 mm，采用顎式破碎機一段破碎，破碎產品粒度P80=250 mm。破碎產品通過給料機為半自磨機供料，半自磨為φ9.15 m×5.03 m濕式半自磨機，磨機排料口配有圓筒篩隔粗，隔粗后的礦漿自流進入分級，分級采用2臺ZKR3070單層直線振動篩，篩孔尺寸為3 mm×30 mm，篩上物和圓筒篩的粗物料通過帶式輸送機返回半自磨機，直線振動篩篩下礦漿自流進泵池，通過兩級泵站揚送至萬年溝選礦廠。流程圖見圖1。

1.2 礦漿管道輸送系統設計

1.2.1 礦漿管道輸送參數

田家村設計半自磨處理礦石500萬t/a，干礦量672.04 t/h，產品粒度-3 mm，產品細度-0.074 mm約占20%，固體密度3.4 t/m3，礦漿濃度40%，漿體密度1.393 t/m3，礦漿量1 205.72 m3/h。由于前期不具備試驗條件，設計單位借鑒攀枝花密地選礦廠的尾礦輸送試驗數據（見表1），并根據密地選礦廠尾礦密度3.296 t/m3、濃度50%、尾礦細度-0.074 mm約60%等特性，考慮田家村半自磨礦石與密地選礦廠尾礦特性差異，設計計算田家村半自磨產品管道輸送為：水力坡降3.905%，管道內徑375 mm，輸送流量1 200 m3/h，設計揚程180 m，設計流速3.03 m/s。

1.2.2 礦漿管線設計

田家村半自磨車間至萬年溝二期選礦廠主廠房原礦管道輸送線路長度6 200 m，管道走向充分利用地形順坡布置。原礦加壓系統采用三級串聯，分兩級泵站設計。

原礦1號加壓泵站標高1 636 m，泵站設置在半自磨車間內，選用250PN渣漿泵4臺（2臺串聯工作、2臺備用），葉輪直徑為965 mm，管道為D408×8（8）鋼橡復合管，1條工作1條備用，輸送距離約5 000 m，泵揚程88 m。輸送礦漿至原礦2號加壓泵站。

田家村原礦2號加壓泵站標高1 540 m，選用250PN渣漿泵2臺（1臺工作、1臺備用），葉輪直徑為965 mm，管道為D408×8（8）鋼橡復合管，1條工作1條備用，輸送距離約1 500 m，最終接收礦漿池標高1 550 m，泵揚程92 m。

2 田家村礦漿管道運行參數考察及堵塞原因分析

田家村管道設計投產后，出現周期性管道堵塞，每連續運行12 h左右出現堵管，需要停車沖洗管道，嚴重時要分段拆卸管道加以沖洗，待管道內沉積礦洗完后再運行，如此反復，系統根本無法連續運行。為了查找管道堵塞的原因，尋找管道能夠正常運行的途徑，對運行中的礦漿粒度組成，礦漿流量、流速進行了測定及分析。

2.1 礦漿粒度分析

田家村半自磨設計臺時處理量為672.04 t/h，實際生產表明，處理量越大，輸送礦漿粗粒級越多，礦漿管道堵塞周期越短，為了能持續跟蹤考察產品粒度和流速等指標，考察時將原礦臺時降低至500 t/h左右，半自磨分級篩孔尺寸為3 mm×30 mm。通過原一泵站輸送5 km至二泵站后，在一泵站出口采取礦漿的粒度篩析數據見表2。

由表2可知，在原礦500 t/h左右時，一泵站出口取樣+3 mm在0.15%～3.69%，-0.074 mm在19.23%～35.75%之間。隨著運行時間延長，出口礦漿粒度粗粒級減少，細粒級增加，泵電流下降，管道出現堵塞征兆。分析認為：由于原礦一級泵站至原礦二級泵站距離為5 km，一開始運行時粗粒級+3 mm顆粒在管逐步沉積，通過滑動，僅有少部分粗顆粒到達原礦二級泵站出口，導致管道內粗細分層，管徑縮小，管道輸送出現異常，最終導致堵塞。

2.2 管道輸送礦漿輸送參數分析

在管道輸送運行周期內不同時間段進行了礦漿流量、濃度、流速等輸送參數考察。結果見表3。

由表3可知：

（1）在運行9 h統計周期內，平均臺時僅為522.61 t/h，與設計臺時672.04 t/h相差149.43 t/h，平均流量1 204.59 m3/h，平均濃度34.35%，平均流速為3.03 m/s。

（2）初始運行時管道礦漿流速較高，測定的最高流速可達3.67 m/s，流量較大，達到1 458.83 m3/h，濃度為29.22%。

（3）隨著運行時間延長，流量和流速呈明顯的下降趨勢。至管道接近堵塞時，流量下降至1 000 m3/h附近，流速下降到2.8 m/s左右，最低為2.54 m/s。低于設計流速3.03 m/s。礦漿濃度呈明顯上升趨勢，從29.22%上升到37.30%。

（4）分析認為，前期管道通暢時，礦漿流速快、輸送流量大、礦漿濃度低。隨著粗顆粒尤其是+3 mm粒級在管道逐步沉積，管道局部內徑變小，管道內壓力增大，礦漿流速和流量越來越低。同時礦漿濃度增大，泵出口壓力增大，泵出口短節爆裂，泵殼漏礦。根本原因在于設計前沒有進行礦漿流變特性、沉降等實驗工作，利用密地選廠尾礦輸送實驗參數推導的參數不可靠，導致設計的臨界流速和不淤流速偏低，粗顆粒沉降在管道底部，逐步累積到一定程度時，導致管道堵塞。

3 田家村礦漿管道輸送優化研究

由于田家村半自磨管道系統剛投產，為了盤活已建成資產，以盡可能少的投入對系統加以改進優化，以保證礦漿系統能正常運行。在試運行考察分析的基礎上，對田家村半自磨和管道系統進行了優化改進，并開展了相關礦漿水力學試驗，最終實現穩定運行。

3.1 礦漿管道輸送優化改進

3.1.1 降低輸送粒度，降低臨界流速

通過礦漿管道輸送數據分析，由于粗粒級尤其是+3 mm粒級在管道沉積是管道堵塞的主要原因，且篩下礦石顆粒以扁平長條形較多，因此將半自磨系統分級直線振動篩篩孔尺寸由設計的3.0 mm×30 mm調整為2.5 mm×15 mm，以降低礦石顆粒粒度，從而降低臨界流速和不淤流速。

3.1.2 增加葉輪直徑，提高流量和揚程

在前期運行中發現，即使管道運行初期流量較大時，電機電流僅66 A，距額定電流80 A還有提高的空間，因此決定在電機不變的前提下，將渣漿泵一級加壓泵站兩臺串聯渣漿泵葉輪直徑，由設計的965 mm改為990 mm，以提高渣漿泵的流量和揚程，同時增大渣漿泵泵池補加水，以保證適宜的礦漿輸送濃度和流量。二級加壓泵站在前期運行中需要大量補加水才能做到流量匹配，表明流量有一定的富余，因此保持設計965 mm葉輪不變。

3.1.3 泵池結構優化

為防止礦漿在泵池四角發生淤積、垮塌導致礦漿濃度波動，將渣漿泵池底部由平底四角結構改造為三面坡結構，向泵入口方向傾斜。

3.2 優化后管道輸送考察

為盡可能提高半自磨機處理能力，檢驗達到設計臺時處理量時管道能否正常運行，將半自磨鋼球充填率由12%提高到14%，由于田家村開采初期有部分風化礦，試驗期間原生礦與風化礦比例按2∶1配礦。通過72 h工業試驗表明，改造后礦石平均處理量超過設計指標，田家村礦漿管道運行平穩，不再發生堵塞。說明優化初步達到最初的目的。

3.2.1 半自磨運行工藝參數考察

優化后72 h工業試驗統計指標見表4。

從表4可以看出，半自磨機試驗期間處理礦石主要為原生礦，原礦處理量達到了690.53 t/h，超過了設計指標，通過對篩孔的縮小，返砂比提高到12.21%，但仍低于設計指標。

3.2.2 礦漿管道優化前后粒度考察

優化后，對管道輸送粒度進行了全粒級篩析，優化前后礦漿粒度分析結果見表5、圖2、圖3。

通過表5、圖2、圖3可看出：通過對直線篩篩孔縮小，使用2.5 mm×15 mm篩孔尺寸后半自磨系統產品粒度降低明顯，粗粒級含量明顯降低，+3 mm粒級基本消除，+0.45 mm粒級粗粒減少了13.07個百分點，-0.074 mm粒級增加了10.47個百分點左右。縮小篩孔有效地減少了粗粒級含量。

3.2.3 礦漿管道流量、流速考察

對正常輸送后的流量、流速、礦漿濃度等進行了考察對比，結果見表6。

由表6可知：優化后，管道流量非常穩定，平均流量達到1472.25 m3/h，提高了22.22%；平均流速為3.68 m/s，提高了21.45%；輸送礦漿濃度也有一定程度提升。說明優化后，輸送流量、流速指標超過設計指標，管道輸送正常穩定，達到了預期目的。

3.3 田家村礦漿流變特性研究

通過對管道輸送優化，在保證生產正常后，為了從理論上分析前期管道堵塞的原因，探討管道系統進一步優化的可行性，委托專業研究單位對田家村礦漿流變特性進行了系統研究。

3.3.1 礦漿沉降試驗

沉降速度試驗結果見表7、圖4。

從表7、圖4可以看出：田家村原礦漿體屬于沉降型漿體，濃度提高后沉降速度有明顯的減小，也就是說提高輸送濃度，臨界流速有可能降低。

3.3.2 不同礦漿濃度的流變特性試驗

為研究礦漿濃度對流變特性的影響，進行了25%、30%、35%、40%、45%、50%不同礦漿濃度的流變試驗，流變試驗結果見表8。試驗結果表明，礦漿屈服應力和剛度系數均隨濃度的增加而增加。

3.3.3 臨界流速

根據流變特性及沉降試驗結果，對輸送管道內徑375 mm的田家村原礦漿體管道輸送參數計算，包括臨界流速和管道摩阻分析計算，計算結果見表9。

根據表9分析，田家村原礦管道輸送的臨界流速較大，主要是田家村原礦粒級組成比較粗引起的，顆粒粒徑對臨界流速有較大的影響；隨著輸送濃度的增加，臨界流速有明顯的減小，其主要原因是由于漿體濃度的增加抑制了顆粒的沉降。

3.3.4 摩阻損失

田家村原礦漿體輸送已設計采用內徑375 mm鋼橡復合管輸送，其管道內壁絕對粗糙度遠大于直縫管或無縫管，由于該礦粒級組成比較粗，需要較大的輸送速度，其雷諾數在106數量級左右，流態屬于粗糙區，因此確定管道內壁絕對粗糙度顯得尤為重要，根據查找相關文獻資料和工程經驗，鋼橡復合管內壁絕對粗糙度取0.25，用于管道摩阻損失的計算，同時把實測的田家村原礦密度、顆粒組成、不同濃度下的流變參數輸入計算程序計算不同濃度、不同流速下的摩阻損失。

內徑375 mm、粒度3 mm摩阻損失的計算結果見表10，摩阻-速度曲線見圖5。

從表10、圖5分析，與鐵精礦和尾礦漿體相比，田家村原礦漿粒度較粗，摩阻系數更大。結合管道的敷設情況，計算-3 mm漿體輸送，最低運行流速下所需揚程，結果見表11。

從表11分析：隨著輸送礦漿濃度升高，輸送流速降低，輸送礦漿量減少，摩阻損失升高。計算的輸送揚程均大于200 m。

通過系統研究和計算，得到如下結論：優化后3臺泵串聯的揚程可以滿足輸送工況對揚程要求；田家村原礦輸送管道的臨界流速大于設計流速，造成的原因主要是物料粒度太粗，盡量降低物料的粒徑是保證本輸送管道正常運行的關鍵，因此將輸送粒度由-3 mm調整為-2.5 mm。雖然濃度提高有利于降低礦漿顆粒的沉降，但由于田家村管道內徑已定，原礦量受半自磨系統處理能力的制約，無法大幅度提高，只有通過增加給礦量小范圍內優化，并在生產過程中盡可能降低原礦量波動，保持礦漿濃度的相對穩定。

3.4 田家村礦漿管道最終優化及輸送參數確定

結合田家村管道輸送礦漿流體力學試驗成果，對礦漿管道輸送進行了進一步優化。

在前期粒度、葉輪、泵池等優化后，在運行中發現，管道輸送對粒度非常敏感，在2.5 mm×15 mm篩孔篩板運行大約一周后，篩板稍有磨損，篩孔粒度變大，管道中礦漿粒度略微變粗，管道開始出現堵塞現象。為保證管道能正常運行，且讓篩板保持相對較長的壽命，在生產中將篩板尺寸確定在2 mm×12 mm。

由于粒度降低，臨界流速減小，在保證管道輸送正常的前提下，為提高輸送濃度，減少環水消耗，通過摸索將一級泵站葉輪直徑優化為870 mm和980 mm，二級泵站葉輪直徑保持965 mm不變。

隨著采場的延伸，風化礦大幅度減少并逐步變為原生礦，半自磨機臺時穩定在平均613 t/h，測定管道流速為3.44 m/s，與礦漿流體力學試驗研究接近。礦漿粒度組成見表12。

由表12可見，通過將篩孔縮小為2 mm后，礦漿中+1.8 mm粒級僅為0.4%，由于原生礦更難磨，礦漿中-0.074 mm含量降到27.6%，但管道依然保持暢通，說明+3 mm粗顆粒大幅減少，礦漿臨界流速降低，是管道能正常運行的原因。通過最終優化，管道已穩定運行8 a。

4 結 論

（1）田家村半自磨礦漿管道設計前期沒有試驗數據，依靠類比法確定尾礦輸送參數，導致設計流速過低，投產初期管道發生堵塞。礦山管道系統投資比較大，要保證項目的成功，需要先開展充分的礦漿特性和流變特性等試驗，確定合理的輸送參數，為設計提供依據。

（2）在管道系統已經建成的情況下，通過工業試驗研究，將田建村礦漿輸送粒度由-3 mm優化為-2 mm，并在一定的范圍內對渣漿泵葉輪尺寸進行優化，適當提高流速，保證了管道的正常輸送，尾礦輸送優化改造取得了圓滿成功。

（3）輸送粒度的降低在一定程度上導致半自磨機循環負荷增大，半自磨系統一直未能達到設計的500萬t/a能力，在全部供礦為原生礦條件下，半自磨機臺時平均為613 t/h，僅為設計672 t/h臺時的91%。在管道已到更換周期時，下一步還應對輸送粒度、輸送濃度、管徑大小等進一步優化，以實現系統產能最大化，降低半自磨系統成本。