双向长距离水、铁精矿管道输送及尾矿干堆技术

宁辉栋 孟丽芳

(内蒙古包钢钢联股份有限公司给水厂，内蒙古 包头 014010)

双向长距离水、铁精矿管道输送及尾矿干堆技术

宁辉栋 孟丽芳

(内蒙古包钢钢联股份有限公司给水厂，内蒙古 包头 014010)

双向长距离水、铁精矿管道输送及尾矿干堆技术集成与应用是集流体力学、环境生态、矿山安全等专业为一体的科学集成技术，并成功用于包钢实践。该技术的集成与应用，解决了包钢矿山地区工业用水制约经济发展的瓶颈问题，改变了传统的铁路和公路运输矿石和周边筑坝的传统尾矿堆放方式，实现了包钢原料基地战略转移，实现了低品位矿石的高效开发利用，建立了我国冶金矿产资源绿色高效开发利用的新模式，并为尾矿中堆存的稀土等资源的再开发利用创造了条件，对国内选矿尾矿堆放和管道输送建设具有广泛的借鉴和推广示范作用，对高寒缺水地区矿产资源开发具有示范引领作用，对于改善民生和生态保护、资源和环境保护、安全生产、提高企业竞争力等意义重大。

管道输送 尾矿干堆 集成与应用 铁精矿

包头钢铁(集团)有限责任公司是我国重要的钢铁工业基地和最大的稀土工业基地。白云鄂博铁矿是包钢的原料基地。 包钢采用水、固体物料矿浆，长距离、高扬程、大流量输送和尾矿膏体干堆技术，实现了对白云鄂博西矿低品位矿石的高效开发利用。 即采用离心泵一次加压,将工业水经外径920 mm、长达130 km的管道，输送到高程差504 m的白云鄂博地区，输送能力为2 000万m3/a，为国内外首创；在白云鄂博西矿采矿并就地选矿，通过隔膜泵一次加压后，将铁精矿经外径355 mm、长达145 km的管道输送到包钢厂区过滤脱水，干矿输送能力550万t /a；尾矿经高效深锥浓缩以70%以上的浓度排放后，固结堆放在白云鄂博尾矿区，处理能力700万t/a，成为国内首次采用大型深锥浓缩技术，实现尾矿干堆的项目。这样的集成及应用为国内首创。

1 高浓度矿浆管道输送技术

在高寒地区大宗固体物料陡降管道输送中，解决了一定级配下输送浓度、流速等关键技术参数的科学匹配问题，采用了一系列抑制加速流技术，实现了高浓度矿浆长距离管道输送的长期安全经济运行。

1.1 确定管道输送的合理级配

利用加权法计算平均粒径：

式中，DP为加权平均粒径，mm；di为各级粒径，mm；ΔPi为di级颗粒质量占总质量的百分数，%。包钢铁精矿矿浆粒径分布见表1。通过磨选实验及系列矿浆特性试验证明，该粒级组成可实现管道输送。

表1 包钢铁精矿矿浆粒径分布

1.2 确定矿浆输送浓度

根据固液两相流能耗最小原理，及对浓度0～70%的矿浆流变特性试验和沉降、安息角等测试研究和分析，矿浆固体质量浓度大于60%时，矿浆保持紊流，使两相流中的矿浆颗粒处于悬浮状态，减少对管道底部的过度磨损。浓度大于68%时，矿浆的屈服应力变高，较小的浓度变化引起屈服应力和黏度变化较大，管道压力增加，对轻微的浓度变化非常敏感。故确定65%为设计浓度，运行的浓度范围为62%～68%。

1.3 确定最佳流速

根据固液两相流原理及摩阻特性，在浆体中，固体颗粒与粘性液体做相对运动时，由于固液边界上流速梯度的存在，使液体对固体边界产生绕流阻力，颗粒沉降阻力系数的大小是颗粒形状系数和雷诺数的函数。管道最小运行速度的选择是为了使矿浆中的固体颗粒悬浮，保证矿浆处于紊流状态，流速过高会导致压力损失和管道磨损率高。通过试验，确定管道的运行流速为1.5～2.0 m/s，最佳流速为1.6 m/s，最小临界(沉积)速度为1.25 m/s。

1.4 加速流控制

依据能量守恒原理，利用浆体通过孔板时的压力损失计算公式，并对孔板中易产生的气蚀进行控制。通过计算，选取4种孔径规格的孔板，分6种组合方式，并辅以孔板的增减与主泵的速度及高点处的压力信号进行连锁控制，同时缩小孔板下游的管道直径，用以控制铁精矿管道经过大青山区域时，在不到50 km距离内，管道标高从海拔1 600 m陡降到1 060 m而产生的加速流现象。再通过水力瞬态分析模型的模拟试验，保证管道的安全运行。

2 一级泵站输水技术

一级泵站大流量、高扬程、长距离输水技术在国内的第一次成功实践，实现了高寒缺水地区供水技术的突破。

2.1 水力瞬态分析

水力瞬态分析，通过迭代计算对管道运行状态进行模拟，对管道在非稳态运行时产生的瞬态压力进行分析，通过对管道系统和阀门进行模拟，以确定管道中产生的瞬态压力，验证管道的压力限制要求，为管道过压保护措施提供依据。

经过计算，确定了输水管道中的瞬态压力，通过对正常停车和故障停车后从0～120 s不同时间段内关闭阀门的管道瞬态压力进行模拟，首次选用关闭时间为0.15 s的快闭止回阀来避免产生破坏性水锤，并通过水力瞬态分析，确定了4个不同区段的管道壁厚。同时采用氮气安全阀、真空排气阀等辅助措施防止水锤，经过实践检验。

2.2 长距离输水管道充水研究

对于在长距离、高压力、大管径的输水管道，首次启动过程中极易出现以下问题：当水泵开启时，水泵工作点由零流量向大流量迅速漂移，使水泵进入不稳定运行状态，造成水泵部件的高温耦合；同时，阀门开度小时，产生的气蚀和振动会损坏阀门。

如何充水，国内外没有任何可借鉴的经验。本项目创新性地提出在长距离管道初次充水过程中，管道的特性曲线是随时变化的。随着管道中充入水量的增加，静扬程增加，管道的沿程阻力增加，管道特性曲线会逐渐上移并变陡。因管道特性曲线随时变化，导致了在充水过程中水泵工况的随时变化。

通过对变化的水泵工况和阀门开度进行研究和分析，确定了调节泵速和阀门开度相结合的技术方案，从改变水泵的特性曲线和管道的特性曲线2个方面来改变水泵的工况点，使其处于高效区，保证了管道的充水安全。

3 大型尾矿库膏体堆放技术

大型尾矿库膏体堆放实现了国内首创，设计尾矿处理的新方法，在深锥浓缩和浓缩堆放2个方面，均取得了技术上的突破，使尾矿排放时的浓度得到了大幅度的提高，显著减少了工艺水的损失，保证了尾矿库的安全，减少占地及污染。

3.1 尾矿试验室流变试验

由流变试验确定尾矿的排放浓度，依据非牛顿体宾汉塑性的流变特性进行。根据试验结果，排放的尾矿固体质量浓度为73%，黏度为80 cP、屈服应力47 Pa。尾矿形成“低屈服应力膏体”，排放后不会发生颗粒离析，不会析出自由尾矿水。尾矿黏度与质量浓度关系见图1，尾矿屈服应力与重量浓度关系见图2。

图1 尾矿黏度与质量浓度关系

图2 尾矿屈服应力与质量浓度关系

3.2 深锥浓缩堆放半工业性试验

由于工艺参数世界上没有项目可以参考，在实验室流变试验的基础上， 进行半工业试验，一方面检验本项目中尾矿的沉降特点，另一方面验证设备的能力并进行设备选型，最重要的是对浓缩成膏体状的尾矿的堆放性质进行验证。

利用直径1 m、高10 m浓缩试验机进行塌落度、溜槽、剪切变稀等半工业性试验，通过调整絮凝剂投加量、床层高度、滞留时间，确定尾矿最佳浓缩指标及添加药剂，为排放浓度≥70%，处理能力700万t/a，排放后的坡度大于2%，直径20 m、高18 m的深锥浓缩制造提供依据。现场半工业试验设备见图3。

4 结 论

采用水、固体物料矿浆、长距离、高扬程、大流量输送和尾矿膏体干堆技术，加快了包钢的结构调整，实现了低品位矿石的高效开发利用，形成了新的原料基地；降低了生产运行成本，把工业用水送到白云鄂博可以解决当地因缺水对地区经济的制约问题，带动了地方经济的发展，同时给包头市山北地区带来了较好的经济效益和社会效益；建立了我国冶金矿产资源环保利用的新模式，并为尾矿中堆存的稀土等资源的再开发利用，创造了条件。

图3 现场半工业试验设备

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[8] 董荔苇．瑞木镍钴红土矿矿浆管道加速流消除技术[J]．金属矿山,2012(6):106-108． Dong Liwei．Eliminating accelerated flow technique used on slurry pipeline in PNG Nico Red Soil Ore Project[J]．Metal Mine,2012(6):106-108．

(责任编辑 石海林)

Dual-way Long-distance Pipeline Transport of Water and Iron Concentrate, Dry Tailings Stockpiling Technique

Ning Huidong Meng Lifang

(WaterSupplyPlant,InnerMongoliaBaotouSteelUnionCo.,Ltd.,Baotou,014010,China)

The integration and application of dual-way long-distance pipeline transport of water and iron concentrate,and dry tailings stockpiling is an integrated science technique including fluid mechanics,ecological environment,mine safety etc.and has been successfully applied in Baotou Steel corp.The integration and application of the technique solves the bottleneck problem that industrial water restricts the development of Baotou Steel Mining Area.It modified the traditional railway and highway transportation for ore and the traditional tailings stacking mode of damming at surrounding.Also,it realized the strategic transfer of Baotou Steel raw materials base,and the efficient development and utilization of low grade ore respectively.A new model of green and efficient development and utilization of metallurgical mineral resources in China was established,which created conditions for re-utilization of rare earth resources remained at tailing pond.This technique has reference for tailings stockpiling and pipeline transportation construction and plays a leading role in exploring mineral resources in the high-cold water-deficient region.It also is of significance in improving the people's livelihood and ecological protection,keeping resource and environmental protection and production safety,and enhancing the competitiveness between enterprises.

Pipeline transport,Dry tailing stockpiling,Integration and application,Iron concentrate

2014-06-03

宁辉栋(1963—)，男，高级工程师。

TD56

A

1001-1250(2014)-08-108-03