某鋁土礦尾礦管道輸送試驗研究①

2021-09-15 13:34:18鐘明旭曾建紅

礦冶工程 2021年4期

鐘明旭，方臣，曾建紅

（1．中冶長天國際工程有限責任公司，湖南長沙410007；2．長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南長沙410012）

固體物料長距離管道水力輸送是20世紀50年代發展起來的一種運輸方式，在國外金屬礦山和煤礦得到了廣泛應用。我國自20世紀70年代開始關注這一運輸方式并陸續建成了多條漿體長距離輸送管線，為我國應用長距離管道水力輸送開辟了道路。根據初步設計，某鋁土礦洗礦車間尾礦赤泥進入高效濃密池濃縮，底流赤泥通過泵壓管道輸送35 km至尾礦庫。依據GB 50863—2013《尾礦設施設計規范》的規定［1］：“輸送距離大于10 km的長距離尾礦輸送及特殊漿體的輸送，除應進行小型靜態試驗外，尚應進行半工業性環管試驗”，為了提高長距離礦漿管道工程設計的安全可靠度，本文在尾礦漿體流變試驗基礎上進行環管試驗，得到了管道阻力損失等關鍵工藝技術參數，為尾礦管道輸送系統設計提供參考。

1 漿體物化性質

試驗所用樣品取自洗礦廠濃密機底流。采用尾礦漿靜置沉降后的上層清液進行漿體水化學特性分析，測得其pH值為7．53，其中、Ca2＋含量較高，Cl－含量較低，其他參數見表1。根據漿體水化學成分可選擇合適的輸送管道材料，降低腐蝕率。

表1 漿體水化學特性測定結果／（mg·L－1）

采用比重瓶法測得尾礦干比重為2．69。篩分分析尾礦固體物料粒徑組成，粒徑－45μm粒級占比89%。采用Mastersizer2000激光粒度分析儀測定粒徑－45μm粒級尾礦，其特征值d10＝0．687μm，d50＝2．731μm，d90＝14．021μm，粒度分析結果見圖1。由圖1可知，尾礦粒級組成曲線大部分比較平緩。通常使用不均勻系數Cu反映粒度分布曲線上的顆粒分布范圍，使用曲率系數Cc描述級配曲線平滑程度，當Cu≥5、Cc＝1～3時為良好級配［2］。根據尾礦粒級組成測試結果計算得Cu＝7．03，Cc＝0．71，表明該尾礦粒組分布較廣，為非均勻粒徑組成，曲率系數略小，表示d30和d60范圍內有臺階，在這一范圍內缺少某粒徑尾礦。整體而言，該尾礦粒徑級配較好。

圖1 尾礦粒度組成曲線

2 漿體流變特性研究

采用數字黏度計測定尾礦漿體的動力黏度和屈服應力。測定礦漿在不同剪切率下的剪切應力，得到剪切應力和剪切速率的關系曲線，對該曲線進行擬合即得到漿體流變曲線，流變曲線上剪切速率零點對應的剪切應力點即為屈服應力，流變曲線的斜率為黏度。數字黏度計可自動分析測定數據，給出屈服應力和黏度數值。

根據尾礦輸送濃度范圍要求，進行了尾礦漿濃度13%～39%的流變測試，結果見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，濃度29%的尾礦漿體屈服應力達到20．3 Pa、黏度高達34．4 mPa·s，高于目前工業應用的遠距離輸送漿體屈服應力和黏度上限值；濃度25%的尾礦漿屈服應力11．45 Pa、動力黏度21．33 mPa·s，是該尾礦漿長距離管道輸送的最佳濃度。濃度25%尾礦漿的流變參數測定結果見表2，剪切應力和剪切速率的關系曲線如圖4所示。由圖4可知，尾礦礦漿黏度隨剪切率增加不斷降低，一直沒有穩定的黏度，表明這種礦漿是觸變性流體。觸變性流體內質點間形成結構，流動時結構破壞，停止流動時結構恢復，但結構破壞與恢復都不是立即完成的，因此系統的流動性質有明顯的時間依賴性。具有良好觸變性流體較適用于泵壓長距離輸送，連續輸送時，在外力作用下尾礦漿黏度低，沖刷力強，泵效率高，但一旦停泵，尾礦漿黏度迅速升高，尾礦漿內粗顆粒自然沉降阻力變大，不易出現離析現象，堵管風險較低［3－5］。

圖2 不同濃度礦漿的屈服應力

圖3 不同濃度礦漿的粘度

圖4 尾礦漿剪切應力和剪切速率的關系曲線

表2 濃度25%尾礦流變參數測定結果

3 管道輸送阻力損失分析

3．1 臨界流速計算

在管道輸送工程設計中，臨界流速表示輸送物料中固體顆粒保持紊流不沉降淤積所需的最低流速。比臨界流速更低的流速將導致管底形成固體顆粒沉積床面，摩擦阻力損失會隨之增大，并常具有脈動性。物料在管道內輸送的實際流速低于臨界流速，管道堵塞風險較高。

迄今為止，Durand、Wasp、Shook、劉德忠、費祥俊和鄒偉生等均提出了有代表性的臨界流速公式［6－10］，這些公式從不同角度對臨界流速進行了研究，由于各自研究的固體物料、試驗條件與手段以及研究目的存在一定差異和局限性，在各自研究范圍中這些公式具有一定的適用性。根據本次研究的尾礦物化特性及其流變特性參數，選擇Durand公式進行臨界流速的計算［11］：

式中VD為臨界流速，m／s；FL為速度系數，與濃度和粒徑相關，根據中值粒徑，查圖得FL≈0．45；D為輸送管道內徑，m；g為重力加速度，g＝9．8 m／s2；ρs為固體密度，t／m3；ρl為載體密度，t／m3。

不同管徑不同濃度下尾礦漿臨界流速見表3。

表3 臨界流速計算結果

由表3可知，同一濃度下，臨界流速隨輸送管徑增大而變大；同一輸送管徑條件下，臨界流速隨尾礦漿濃度提高而變小，即此物料的臨界流速與管徑成正比，與濃度成反比。

3．2 環管試驗

尾礦漿體在管道中流動，會受管壁粗糙程度、過流斷面大小、流動速度等因素的影響而產生壓頭損失，或稱為摩擦阻力，通常利用環管試驗測定漿體輸送阻力損失［12］。環管試驗系統由水力攪拌桶、輸送渣漿泵、調漿渣漿泵、試驗管道、測控系統組成。試驗管道為DN200無縫鋼管。試驗主泵采用變頻調速，以便試驗不同的流速，通過壓力傳感器測定固定長度水平管道上的阻力損失數值，以此試驗數據為基礎，按下式計算尾礦漿輸送的摩阻系數：

式中f為輸送礦漿時管道摩阻系數；ΔH為輸送礦漿時100 m管道的摩阻損失，m；L為輸送管道長度，L＝100 m；V為輸送礦漿時的流速，m／s。

對濃度20%～33%尾礦漿進行環管試驗，得到輸送阻力損失與流速關系如圖5所示，摩阻系數與流速關系如圖6所示。圖5～6表明，同一輸送流速下，管道阻力損失隨濃度增大而增加，這是由于濃度提高，漿體黏度變大，加大了漿體黏稠性，使得流動過程中摩擦阻力增大；同一濃度下，管道輸送流速增大，摩擦力做功損失動能值增大，使得壓頭降低，摩阻損失增大。