高黏性物料粉礦倉氣力清堵助流系統的設計與應用

吳佑儉 徐進軍 吉萬健 劉 健 閆 薇

（1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，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；4.馬鋼（集團）控股有限公司南山礦業公司，安徽 馬鞍山 243000）

和尚橋鐵礦隸屬于安徽馬鋼礦業資源集團南山礦業公司，是馬鋼集團“十二五”期間開發建設的大型露天礦山［1-2］，設計處理原礦石500萬t/a。和尚橋鐵礦石以貧磁鐵礦為主，原礦品位低，且黏土、泥土占比較大，原礦經粗中細碎和高壓輥磨后轉運至粉礦倉儲存。2013年7月，和尚橋選礦廠投產試運行后，主廠房12座粉礦倉均出現不同程度的結拱、棚料堵塞情況，造成球磨機給礦中斷，嚴重影響選礦廠的正常運轉，球磨機較低的處理能力和作業率使得生產成本居高不下。和尚橋選礦廠技術人員嘗試通過人工振搗、高壓水沖洗、振動器振蕩等方法來解決堵倉問題，但收效甚微，且安全隱患較大。

粉礦倉建成后很難再改造，借助外力來改善物料的流動能力是一條有效的手段，其中氣動助流法是一種高效、經濟、環保的方法。本文首先基于Jenike剪切理論［3］分析了高壓輥磨產品粒度及含水率對內摩擦角的影響，從而明確粉礦倉內物料的黏聚性及流動能力；然后基于Jenike理論的流動-不流動準則，對粉礦倉的半頂角和卸料口尺寸進行計算分析，并與實際參數進行對比分析。基于上述研究結果，提出了一種氣力清堵助流系統，分析了噴射點的布置原則和噴射能量的計算方法，指導方案的設計及關鍵零部件的選型，以達到高效、經濟適用的目的；最后通過氣力清堵助流系統在和尚橋選礦廠粉礦倉的應用，分析了其應用效果。

1 物料的流動及受力分析

1.1 物料的流動形式

粉礦倉內的物料主要依靠其自身重力作用在粉礦倉內部進行滑動和滾動，以實現自頂向底的均勻沉降，這種流動方式稱之為重力流動［4］。受物料性質、粉礦倉的結構與尺寸及其他因素的共同影響，顆粒物料在容器中很難像液體那樣做到均勻、規則有序地流動。在粉礦倉的實際生產過程中，重力整體流（圖1（a））是一種理想的料流方式，由于粉礦倉內部出現結拱、棚料堵塞等現象，粉礦倉的有效容積逐漸縮小，最后只能沿卸礦口正上方的“洞口”進行卸料，因此，實際生產中大多數情況為局部物料形成的重力中心流（圖1（b））。

1.2 物料的受力分析

選廠大部分的粉礦倉為上槽體下錐體結構，這種結構一方面可以保證足夠的儲存容積，另一方面可以保證卸礦口周邊物料的流動。物料流動到下部錐斗部分時，從A—A截面（見圖2）開始流動截面不斷收縮，這樣物料之間的相互位置需要重新排列，在物料作相互運動的過程中，極易造成粉礦倉堵塞。

在物料顆粒作相對移動和互相擠壓的過程中，隨之產生摩擦阻力和能量消耗，這一摩擦阻力稱之為內摩擦力［5］。物料顆粒在粉礦倉中流動時，還存在著物料與倉壁之間的外部摩擦阻力，即壁面摩擦力。當散體物料中含有一定的粉料時，由于水分的作用，粉料粘附在一起或粘附在倉壁上，從而對物料顆粒的運動產生阻力，這種阻力稱之為黏聚力。

物料在粉礦倉內部的流動主要受到礦物之間的內摩擦力、礦物與倉壁面的壁面摩擦力以及粉體物料在水分子作用下相互間的黏聚力影響，只有使物料自身重力在流動方向上的分力大于物料所受摩擦力和黏聚力之和才能實現物料的流動，否則物料在粉礦倉內部就會出現結拱、棚料等堵塞情況，難以得到較為理想的流動方式。

2 物料性質及粉礦倉結構對流動性的影響

2.1 理論基礎

根據Jenike剪切理論，松散物料內部摩擦性質直接受物料內摩擦角的影響［6-7］，物料的內摩擦角越大，松散物料之間的內摩擦力也越大，物料的流動性變差。基于Jenike剪切理論，對和尚橋選礦廠入磨前的礦石物料采用剪切測試儀進行剪切試驗，剪切試驗裝置如圖3所示。通過測量不同正應力下試樣被剪切破壞所對應的剪應力，作出切應力τ與正應力σ之間的關系圖，可計算出物料的內摩擦角，如圖4所示。

圖中P為預剪切點，S1～S4為剪切點，通過4個剪切點作位于P點上方的直線，即屈服軌跡YL，該直線與橫軸的夾角即為物料的安息角。過原點作莫爾圓（圖4中小半圓）與YL相切，圓心位于橫軸，與橫軸相交于兩點，一個為原點，另一個即為無約束屈服強度fc。過P點作主莫爾圓（圖4中大半圓）與YL相切，圓心位于橫軸，主莫爾圓與橫軸相交于兩點，取右邊點為最大主應力σ1。過原點作主莫爾圓的切線，即為有效屈服軌跡EYL，其與橫軸的夾角即為物料的內摩擦角δ。

Jenike剪切理論定義最大主應力σ1與無約束屈服強度fc之間的函數關系稱為流動函數FF，用來表征粉體的流動能力，即

Jenike剪切理論還定義流動因素ff為粉礦倉內最大主應力σ1與拱腳的最大主應力1之比，用來衡量粉礦倉的流動能力，即

式中，γ為物料松散密度，kg/m3；Ba為卸料口尺寸，m；m為粉礦倉形狀系數，軸對稱粉礦倉，m=1；α為粉礦倉的半頂角，（°）。

2.2 物料性質對流動性的影響

物料性質是影響粉礦倉堵塞程度的重要因素，眾多學者研究結論表明［8-11］，物料粒度及含水率對物料流動性的影響最為明顯。和尚橋鐵礦入選物料含水率較高，原礦品位低，泥土占比較大，經高壓輥磨后物料顆粒的粒徑細小。進入粉礦倉的物料粒度及含水率對其內摩擦角影響明顯，導致物料顆粒的摩擦系數發生變化，增大了物料的總摩擦阻力。通過測定物料內摩擦角的變化，可以推斷物料流動時摩擦阻力的變化。

2.2.1 物料粒度的影響

和尚橋選礦廠入磨前的物料經高壓輥磨處理后，粉磨特性大為改善，已有較多達到最終磨碎粒度要求的產品。推薦壓力和轉速下物料的粒度篩析結果見表1。

注：工作壓力為4.0 N/mm2，輥面線速度為1.1 m/s。

經高壓輥磨處理后的物料雖然粉磨效果得到明顯提升，提高了礦石的磨選效率，但是隨之帶來了粉礦倉堵塞問題。一般來說，物料的粒度越小，物料顆粒的比表面積越大，物料顆粒相互之間的接觸面積就越大，從而引起物料之間的內摩擦力增大，容易造成物料在粉礦倉內部的結拱、棚料堵塞。

利用剪切試驗裝置測定不同粒度下內摩擦角變化趨勢，結果見圖5。

由圖5可知，物料的內摩擦角隨物料粒度的增大呈減小趨勢，當粒度大于3 mm后，變化趨勢趨于平緩。對于和尚橋選礦廠高壓輥磨處理后的物料，物料的內摩擦角維持在相對較高水平，因此在該粒度組合下的物料流動性較差。

2.2.2 物料含水率的影響

和尚橋選礦廠入磨的物料含水率長期維持在9%～11%之間，處于相對較高水平。利用剪切試驗裝置，測得粉礦倉內物料的含水率對其內摩擦角的影響，結果見圖6。

由圖6可知，隨著含水率的增加，物料的內摩擦角呈增大趨勢；但當含水率增加到某一范圍時，內摩擦角處于最大值，之后逐漸減小。這主要是因為隨著含水率的增加，增加的水分易被物料自身吸收，增加了物料顆粒間的黏聚力；當含水率達到某一區間時，不再為物料顆粒吸收，多余水分以自由水的形式存在，起到一定的潤滑作用，所以內摩擦角反而減小。和尚橋選礦廠物料的含水率在10%～11%之間時，內摩擦角達到極限值47.2°，此時物料的流動性最差。

2.3 粉礦倉結構對流動性的影響

2.3.1 粉礦倉半頂角

粉礦倉半頂角對倉內物料的流動方式作用明顯，它是粉礦倉內物料能否得到整體重力流的關鍵。通常來說，粉礦倉的半頂角越小，物料的流動效果越好，越容易得到整體重力流流型。和尚橋選礦廠主廠房粉礦倉錐段結構示意如圖7所示。

對于四棱錐形整體流的粉礦倉，粉礦倉的半頂角α應滿足

式中，φw為壁面摩擦角，（°）；δ為內摩擦角，（°）。

壁面摩擦角同樣可以通過剪切試驗裝置進行測量，只需將圖3中的基環用壁面材料代替，由剪切儀的推桿推動剪切環在壁面材料上移動。以正應力為橫軸，剪應力為縱軸，繪制不同正應力下的剪應力值，即可得到壁面屈服軌跡WYL［12］，進而可以通過壁面屈服軌跡WYL的斜率得到壁面摩擦角φw。

2.3.2 卸料口尺寸

卸料口的結構與尺寸是物料能否正常流動的重要影響因素，根據Jenike理論的流動-不流動準則［13-14］，預防粉礦倉內物料結拱的卸料口尺寸計算公式為

式中，Ba為卸料口寬度，m；fcc為無約束臨界屈服強度，kPa，臨界條件下fcc=1；γ為物料松散密度，kg/m3。

2.3.3 粉礦倉結構防堵功能驗證

和尚橋選礦廠主廠房粉礦倉上部采用矩形現澆鋼筋混凝土結構，下部采用四棱錐形鋼結構，粉礦倉呈一字形直線排開，共計13座，其中1座備用。粉礦倉上部矩形截面尺寸為7.5 m×9 m，下部四棱錐的斜面坡度為60°，有效儲料高度為12.35 m，設計儲料容積為610 m3，有效儲料容積為488 m3，有效儲礦量可達1 000 t。粉礦倉底部中央采用圓盤給料機卸料，卸料口尺寸為Ba=1.2 m。粉礦倉的具體結構尺寸如圖8所示。

通過粉礦倉內物料的剪切試驗得到有效屈服軌跡方程為y=0.92x，內摩擦角為42.61°；經數據處理后得到的流動函數擬合方程為y=0.26x+4.61，則FF=1/0.26=3.85。粉礦倉的壁面材料為Q345B合金鋼，其壁面屈服軌跡WYL擬合直線方程斜率k=0.57，壁面摩擦角為29.68°。剪切試驗結果見表2。

將上述的剪切試驗數據結果分別代入公式（5）和（6），得到粉礦倉錐段半頂角α應不大于12.35°，卸料口的尺寸Ba應不小于1.24 m。和尚橋選礦廠主廠房粉礦倉的錐段半頂角為15°，超出了物料整體重力流對粉礦倉半頂角的要求，所以加劇了物料在粉礦倉中的堵塞；和尚橋選礦廠主廠房粉礦倉的卸料口尺寸為1.2 m，同樣沒有滿足卸料口防結拱尺寸要求，在條件允許的情況下應盡可能加大卸料口尺寸，防止卸料口底部結拱堵塞。

3 粉礦倉氣力清堵助流系統的設計及應用

根據上述結論，物料性質以及粉礦倉結構是影響倉內物料能否正常流動的主要因素。但對于已經建好的粉礦倉，上述2個因素難以改變，因此需要借助一定的外力，來降低倉內物料的摩擦阻力、黏聚力以及物料與倉壁之間的壁面摩擦力，從而提升物料的流動能力。

3.1 系統工作原理及組成

氣力清堵助流系統主要利用某一壓力區間壓縮空氣的瞬時爆破力和沖擊力，分面、分段、分點減弱物料之間的內摩擦力以及物料與粉礦倉內壁之間的壁面摩擦力，破壞粉礦倉內壁物料的受力平衡狀態，進而促使粉礦倉內部的物料在自身重力作用下正常流動卸料。實踐證明，氣力清堵助流系統工作介質的適宜工作壓力區間為0.6～1.0 MPa，過大的工作壓力對粉礦倉內壁產生的反作用力，可能影響粉礦倉本體和其他設備的穩定性；過小的工作壓力會造成噴射能量不足，影響清堵助流效果。

氣力清堵助流系統主要包括氣源設備系統、管道系統、噴射機構以及電控系統。氣源設備系統的作用是產生和儲存壓縮空氣，具體組成如圖9所示。

管道系統包括控制氣路管道系統和工作氣路管道系統，控制氣路管道系統的作用是將控制儲氣罐的氣源經凈化處理后輸送到工作氣路系統中各氣動閥門執行機構，工作氣路管道系統的作用是將助流儲氣罐內的壓縮空氣源源不斷地輸送給噴射機構，以實現連續的清倉動作。

噴射機構包括成套噴嘴組、助流連接管以及氣動閥門，噴嘴數量和位置的設置根據物料的性質、粉礦倉的結構、卸料口數量及卸料方式以及噴射能量分布等因素綜合確定。

電控系統既可以實現現場的手動控制，又可以實現系統的遠程自動控制，實現“料位監測—信號傳輸、反饋—信號轉換、處理—可編程控制器響應—清倉動作”的閉環全自動控制。全自動控制系統可使操作崗位工人遠離現場職業危害和安全隱患。氣力清堵助流系統全自動控制系統流程如圖10所示。

3.2 粉礦倉氣力清堵助流系統設計

3.2.1 粉礦倉氣力清堵助流系統整體設計

根據和尚橋選礦廠粉礦倉內儲存物料的性質、粉礦倉的結構型式、卸料方式等因素，結合粉礦倉的實際生產，發現粉礦倉內產生物料堵塞的部位主要集中在粉礦倉下半部分的鋼結構錐斗部分，堵料高度從卸礦口圓盤給料機一直延伸到鋼結構錐斗和鋼筋混凝土的結合處，堵塞形式主要為粘壁堵塞和粘團堵塞。因此，針對這些易堵塞部位安裝氣力清堵助流系統。設計的粉礦倉氣力助流系統在高度方向分為6層，以粉礦倉底部卸礦口作為基準，第Ⅰ層距離基準面0.5 m，第Ⅱ層距離基準面1.25 m，第Ⅲ層距離基準面2 m，第Ⅳ層距離基準面3 m，第Ⅴ層距離基準面4 m，第Ⅵ層距離基準面5 m，第Ⅵ層的位置處于粉礦倉鋼筋混凝土部分和鋼結構部分的結合處，如圖11所示。

氣力清堵助流系統的功能是分面、分段、多點位對粉礦倉內的壁附料、黏聚料進行瞬時高強度的精準吹射。在平面布置上，同一高度的助流噴嘴按西北、東南兩個方位分成兩段（見圖12），以保證噴嘴噴射的氣量充足。隨著布置高度的增加，對應的錐斗截面積也隨之增大，因此，噴嘴的布置隨高度的增加而遞增，以保證噴射范圍的全覆蓋；與此同時，上下兩層的噴嘴在高度方向上應相互錯位，以使噴射效果發揮到最佳。

3.2.2 噴射能量的計算

伯努利方程常用于計算流體動力學，其表達式為

可根據伯努利方程計算得出噴嘴噴射氣體的速度，進而根據動能計算公式計算出噴嘴的噴射能量。氣力清堵助流系統的工作介質為壓縮空氣，工作壓力范圍通常為0.6～1.0 MPa，噴嘴的直徑通常根據粉礦倉的結構、物料的性質等因素有所區別，大多數情況下采用DN50 mm左右的規格。式（7）中，h1=h2，v1=0，則可得出

式中，P1的范圍為0.6～1.0 MPa，P2為標準大氣壓，100 kPa；標準狀態下空氣的密度ρ=1.29 kg/m3。根據不同的P1可計算出v2為880～1 181 m/s。

根據動能定理計算公式

設定噴射機構每次噴射的時間為3 s，再將空氣的密度、管道的直徑以及噴射氣體的速度帶入式（9），可得到不同工作壓力下噴射氣體的能量，結果見表3。

由表3可知，噴射能量隨著工作壓力和噴嘴直徑的增加呈遞增趨勢，可根據粉礦倉的實際堵塞情況和清理的難易程度選擇較為合適的噴嘴管徑和工作壓力。

3.2.3 粉礦倉氣力清堵助流系統關鍵部件選型

和尚橋選礦廠粉礦倉氣力清堵助流系統設計的噴嘴管徑為DN50 mm，額定工作壓力為0.8 MPa，噴射能量可達102.88 kJ，實踐證明，噴射出的能量對于經高壓輥磨處理后的粉料流動具有良好的效果。根據噴嘴的管徑和數量，設計的主管道和控制閥門的規格為DN125 mm系列，能保證每次噴射時的流量需求。助流儲氣罐選用了兩臺12.5 m3串聯的方案，滿足了單位時間內噴射的氣量需求，控制儲氣罐選用一臺容積為2 m3的儲氣罐。空壓機選用了兩臺55 kW的螺桿壓縮機，一備一用，額定流量為9.5 m3/min，將儲氣罐和管道的氣量充滿只需25 min，保證工作效率的同時也節約了成本。

3.3 應用效果及效益分析

針對和尚橋選礦廠粉礦倉設計的氣力清堵助流系統安裝試運行后，對安裝前后各6個月內部分生產數據的月平均數據做出統計，結果如表4所示。

粉礦倉氣力清堵助流系統運行效果及表4中的數據表明，粉礦倉內料流一直保持穩定狀態，呈現較為理想的重力流形式（物料自上而下均勻沉降），圓盤給料機源源不斷地給球磨機供料，保證了選礦生產流程的暢通，實現了500萬t/a的設計產能；粉礦倉的有效容積率由62.4%提高到88.5%，同時有效儲礦量也由761 t提高到1 055 t，說明粉礦倉內滯留料明顯減少，粉礦倉的實際儲料功能得到進一步提升，調節和均衡選礦生產的能力得到明顯增強。

氣力清堵助流系統投入運行后，選礦廠的運行一直高效、穩定，再未發生過堵倉事故；杜絕了人工清倉各類安全事故的發生，改善了工人的勞動環境，降低了勞動強度；改善了現場的工作環境，避免了以往使用高壓水沖洗粉礦倉進行通料造成現場“臟、亂、差”的局面，有利于礦山生產現場的精益化管理。與此同時，該套系統裝置的使用為企業帶來了較大的經濟效益，根據估算，系統投入使用后每年增加的原礦處理量和因堵塞造成的選礦工藝設備空轉消耗的能源節約，年均可為選礦廠增加1 400余萬元的經濟效益。綜上所述，氣力清堵助流系統在粉礦倉中的運用具有經濟、高效、安全、環保等特點，經濟社會效益顯著。

4 結論及建議

（1）物料性質是影響粉礦倉內部物料流動能力的一個重要因素，其中以物料的含水率和粒度對其影響最為明顯。以和尚橋選礦廠經高壓輥磨處理后進入粉礦倉儲存的物料為例，隨著含水率的增加，物料的內摩擦角呈增大趨勢，但當含水率增加到10%～11%之間時，內摩擦角達到47.2°極限值，隨后物料的內摩擦角隨著含水率的進一步增加而逐漸減小。因此，在物料進入粉礦倉前，建議盡量控制其含水率，進而降低物料的黏聚力和堵倉的程度。

（2）粉礦倉的結構是影響粉礦倉內部物料流動能力的另一個重要因素，在進行粉礦倉結構設計時，建議使粉礦倉的卸料口尺寸和半頂角滿足預防粉礦倉內物料結拱和實現整體重力流型的尺寸要求。

（3）利用壓縮空氣的瞬時爆破力和沖擊力，是借助外力來解決粉礦倉堵塞問題的有效手段，建議根據粉礦倉內物料的易堵塞部位、物料黏聚程度合理選擇助流噴嘴的位置、工作壓力和噴射能量等工作參數。

（4）在粉礦倉上合理設計和安裝氣力清堵助流系統，對粉礦倉內物料流動性能改善作用明顯。以和尚橋選礦廠12套粉礦倉為例，氣力清堵助流系統安裝后，粉礦倉的有效容積率提升至88.5%，單個粉礦倉的有效儲礦量提升至1 055 t，較安裝前指標提升40%以上；在500萬t/a產量下，年均為選礦廠增加1 400余萬元的經濟效益，同時改善了作業環境，實現了無人化清堵，經濟、社會、環境效益顯著。氣力清堵助流系統在和尚橋選礦廠的成功應用，為其他礦山企業處理粉礦倉堵塞問題提供了參考和借鑒。