粉矿仓堵塞原因与助流系统

吴佑俭 吉万健 刘 健

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000)

选矿厂设置的粉矿仓在生产过程中应满足两点要求:①储存规定数量的物料;②按生产要求调节入选矿量、均衡选矿流程。随着我国采矿业的高速发展，矿仓的容积被设计的越来越大，使用频率越来越高，单纯依靠物料自身重力溜出矿仓，容易发生矿仓内物料粘壁、棚拱等堵塞现象，特别是物料的含水率高、含粉量大时，更容易发生不同程度的堵塞，这样使矿仓失去了其应有的工艺功能，也严重破坏了生产的连续性。面对堵塞现状，有些矿山采用人工敲击仓壁振动、进仓捅料、高压水冲洗等办法解决堵塞难题，收效甚微且安全隐患大，每年都有此类事件的安全事故发生［1］。因此，研究高效、安全、环保的矿仓清堵技术和装备显得势在必行。

1 堵塞现状

粉矿仓是指以粉矿为主，含有少量细粒矿石的贮矿仓，常见于磨矿矿仓、成品矿仓等。此类矿仓一般采用高架式结构的矩形锥底仓和圆形平底仓［2］。通过调查国内多个金属矿山的粉矿仓堵塞现场，发现粉矿仓堵塞的主要类型可分为漏斗形堵塞、井状堵塞、拱状堵塞、粘团滚动形堵塞4种，如图1所示。

图1 粉矿仓常见堵塞类型Fig.1 Comm on types of powder ore bin blockage

漏斗状棚料是受矿仓斜壁的影响，物料易在流动中沿矿仓壁形成较大的滞留区和垂直料流通道造成的堵塞;井状棚料是受物料潮湿而泥化严重的粉矿物料沿矿仓壁逐渐粘结，最终在下料口中心形成一个圆形的空洞造成的堵塞;拱状棚料是由于矿仓下部的物料能正常的排出，其余物料在矿仓内起拱居高不下造成的堵塞;粘团滚动堵塞是由于矿仓内的物料粒度差异过大，某些大块物料集中在下料口周围，造成粉矿物料堆积在料口上方，无法下落。

从堵塞的表象来看，物料大多是从从矿仓内壁粘结开始，后逐渐向矿仓内部和顶部延伸，这是由于物料与仓壁的摩擦阻碍了物料的自然下落，造成了物料的粘壁现象;物料之间的相互摩擦又造成了物料的棚拱粘团现象。

2 堵塞原因分析

2.1 物料性质的影响

在工程应用中，常用内摩擦角和外摩擦角两个参数来评价散体物料的流动性。物料的内摩擦角反映了物料相互之间的作用力，即物料之间的黏聚力，它是造成物料之间棚料的主要因素，它受物料一些基本性质的影响［2-3］。

(1)含水率。研究发现，当物料含水率较高时，容易泥化粘结在矿仓内壁，造成矿仓堵塞。利用直接剪切试验测得的某铜矿物料内摩擦角随含水率的变化曲线如图2所示。

由于物料颗粒表面带有一定符号的电荷，这样就在固体颗粒附近的空间形成电场，在电场范围内，水分子被极化而吸附于固体颗粒表面。由于电荷的作用，使物料中的水分具有一些特殊的性质，如黏性大、不能自由流动等，它与固体颗粒之间结合很紧，形成固体颗粒的水膜。分子水膜极薄，但分子力很大，外力作用时，外荷通过一个颗粒向另一个颗粒传递，分子水作为固体颗粒的外壳与固体颗粒间的空隙一起变形，变形后由于固体颗粒的水分子膜变薄，水膜的吸附作用增大，因而固体颗粒间表现出一定的黏结力。这就是某些松散物料在潮湿的情况下，与干物料相比具有更大黏结力的原因［4］。上述的试验结果不难发现，物料的含水量增大后，由于水分子的极化作用，物料的内摩擦角、黏聚力也随之增大，物料的流动性变差，固结性增大，成拱棚料的几率也随之增大。

图2 含水率对物料内摩擦角的影响Fig.2 How moisture content influence of thematerial internal friction angle

(2)粒度。矿仓内物料的料流状态形同一个流动的椭圆体，该椭圆体内的料流有垂直运动和滚动流动2种状态，流动椭圆体边界以外的部分不产生运动，造成堵塞。以铁矿石为研究对象，得出不同物料粒度的流动椭圆体特征如图3所示。

图3 物料粒度对流动性的影响Fig.3 Effect of particle size on the liquidity of thematerial

从试验结果不难发现，物料的粒度越细、形状越不规则，由于其内摩擦力和内聚力的大幅度增加导致其比颗粒较大的物料更容易起拱。

(3)存储时间。物料的内摩擦角也随贮存的增加而增大，主要是由于物料在矿仓内挤压的时间长，相互间的嵌挤状态好，物料之间被压实，散装物料成集料后表面变粗糙，造成物料之间形成较大的内摩擦角。剪切试验测得某铜矿物料不同存储时间内的物料内摩擦角变化如图4所示。

图4 存储时间对物料内摩擦角的影响Fig.4 Storage time impact on material internal friction angle

物料在矿仓内存储的时间越长，物料堆积的高度越高，物料存储的密度越大，压实性越强，同时由于密封性等原因使得内部湿度增加，导致仓料的流动性变差，如不及时卸料，极容易起拱。

2.2 矿仓结构

(1)卸料口尺寸。矿仓设计时，卸料口尺寸是一个关键因素，它决定了物料的流量。合理的卸料口尺寸既要防止物料结拱，同时又要分配合适的矿量到后续生产中。防止结拱的卸料口最小尺寸计算公式为

式中，Ba为卸料口宽度(卸料口长度大于2.5Ba)，m; fcc为无侧限临界屈服强度，Pa;γ为物料松散密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2;dp为物料平均粒径，m;La为卸料口长度，m;

如Ba表示直径时，其计算公式为

从上面的计算公式可以得出:若

卸料口产生结拱;若

卸料口产生结拱。

(2)斜壁倾角。松散物料在堆放时能够保持自然稳定状态的最大角度(单边对水平面的角度)，称为物料的“安息角”［5］。在这个角度形成后，再往上堆加这种物料，就会自然下溜，保持这个角度，只会增加高度，同时加大底面积。因此，在设计矿仓时，在保证料仓最大容积的前提下，要求不能有死料堆积，即要求矿仓斜面与水平面之间的夹角大于物料的安息角，这样才能保证物料的正常下落。几种常用物料的最小斜面倾角归纳于表1中。

表1 矿仓贮存常用物料最小斜面倾角Table1 M inim um slant angle of comm on material storage in ore bin

2.3 矿仓材质

物料与仓壁之间的外摩擦力是阻碍物料下溜的另一个重要因素，它是造成物料沿仓壁堵塞、粘壁的重要原因。本实验中选用不锈钢板、碳钢板和环氧板3种不同粗糙度的仓壁材料进行Jenike壁摩擦实验，物料选用含水率为10%左右，粒径范围＜50 mm的粉状铁矿石。实验结果如图5所示。

图5 相同物料不同仓壁材质摩擦系数试验结果比较Fig.5 Com parison of differentmaterials warehouse wall friction coefficient test results on the same kinds ofmaterials

在3种仓壁材质上的摩擦系数大小有一个趋势，即不锈钢板＞碳钢板＞环氧板。其中碳钢板和环氧板的摩擦系数较接近，而不锈钢板的摩擦系数与碳钢板和环氧板的摩擦系数相差稍大。这主要是由于仓壁材质的粗糙度的差异引起的，粗糙度越大的仓壁材料，壁摩擦力越大，物料较难滑动。因此，在选用矿仓内壁材料时，应尽量选用粗糙度低的光滑材料，对于老矿仓改造可考虑铺设摩擦系数低的高分子衬板。

3 尝试的解决办法

3.1 人工清理

矿仓堵塞时，人工手持铁锤敲击矿仓下料口，以此产生振动，让物料下落。此法可能会有短暂的效果，但投入的劳动量巨大，效率低下且劳动成本高。长期敲打还会使矿仓的强度受到影响，不是解决问题的根本办法。当堵塞十分严重时，还需人工进入矿仓内部清理，此项工作危险性大，极易造成人身伤亡事故发生。

3.2 高压水冲洗

由于长期堵塞导致物料在矿仓内部板结很实，水管不能插入到仓壁，即使使用高压水，也只能将矿仓下料口部位的部分粘料清理下来，清理难度和劳动强度都大。另外，使用高压水冲洗，还会造成周围环境卫生差。

3.3 使用空气炮

国内部分矿山为解决矿仓堵塞试验过空气炮，此法是在矿仓壁上开若干个孔，安装空气炮(类似于小型储气罐)，利用空气炮瞬时释放的压缩空气将积料轰下。但空气炮只能将积料轰出一个洞，而不能将矿仓壁上的积料整片清除，试验效果有限。

3.4 使用振动电机

采用电力驱动，其频率为700～6 000 Hz/min，振幅可达1.2 cm［6］。从振动器的现场使用来看，该设备对振动物料下落具有一定的效果，但是很难将将矿仓“死区”的物料振动下来，往往还会适得其反，将某些区域的物料振实，加重矿仓的堵塞;同时振动器的工作噪音大、稳定性差，使用具有很大的局限性［7］。

3.5 改造矿仓结构

现有粉料矿仓大多采用一点正载装料方式，配皮带输送机装料。部分矿山曾设想通过增大矿仓下料口的数量、尺寸以及矿仓斜面倾角来解决矿仓堵塞的难题，由于大多数矿仓已使用多年，改造的费用较高且土建施工难度大，改造工期长直接影响矿仓的正常生产，因此此方法适用于新建矿仓，对于老矿仓改造意义不大。

4 助流方案的设计与应用

4.1 系统原理

根据矿仓堵塞的原因分析以及以往处理堵塞的经验，考虑到矿仓建成后改造的困难，优化矿仓的材质与土建改造等方案已不适合已建矿仓。在保证使用效果、矿仓强度和不影响矿仓正常生产的情况下，设计出了一套矿仓助流系统，系统的方案示意如图6所示。

图6 矿仓清堵系统方案Fig.6 Ore bin Blocking system Schematic

该清堵方案是将气动助流法和卸料口机械助流法相结合，以气动助流为主，机械助流为辅。气动助流法就是将压缩空气压入到矿仓V形斜面的内表面上，使物料与矿仓内表面之间形成瞬时的间隙，从而消除或减小物料同仓壁之间的外摩擦力，这就可使物料沿着仓壁下滑，消除物料粘壁和堵塞;机械助流法是将特制的气动清阻机的工作机构伸入到金属矿仓下料口内部来回捣碎，防止金属矿仓下料口堵塞，破坏物料堆积在下料口的内聚力，防止拱的形成。

该系统主要由空压机、储气罐、气动清阻机、助流喷嘴、电气控制系统以及各类控制阀门(图中未注明)等设备组成。空压机1是整个系统的动力源，用来产生压缩空气，额定压力为0.8 MPa。助流储气罐2的气流全部通过气动清阻机4、助流喷嘴5喷射到矿仓内部;控制储气罐3的压缩空气用于管路中各类电控气动阀门的开启，电控气动阀门得到电信号后，需要压缩空气控制阀门的开闭，动作迅速、敏捷。气动清阻机主要由气缸和工作机构组成，通过气缸的直线运动带动工作机构在卸料口部分进行捣碎工作，每个卸料口可安装1台气动清阻机。控制柜安装在人工便于操作的位置，1个矿仓装有1台控制柜，当矿仓堵塞时，人工操控控制按钮就可达到清仓的目的。助流喷嘴安装在矿仓斜面内壁四面上，喷射方向沿矿仓内壁朝下，喷嘴分层布置，同时对面交错布置，防止空气对吹，造成能量浪费;助流喷嘴的数量视矿仓的大小确定，一般按1 m3矿石/1个喷嘴进行设计。

4.2 使用效果

该系统先后应用于金钼股份百花岭选矿厂、马钢南山矿业等单位，系统的运行一直稳定、高效，为企业带来了可观的经济效益。百花岭选矿厂磨浮车间粉矿仓助流系统安装前后的部分生产数据参见表2所示。

表2 矿仓清堵系统安装前后粉矿仓生产数据对比Table2 Comparison of the ore bin production data before and after the Blocking system installation

由上表可看出，安装该系统后的生产效率和产量都得到了明显提高，真正实现了选矿流程的均衡生产。

南山矿业公司和尚桥选厂和凹山选厂也先后安装了该助流系统，根据南山矿业公司出具的效益计算书，仅2014年度，该系统的应用就为其带来27 968万元产值，新增利润1 800余万元，经济效益十分显著。在为企业带来经济效益的同时，还消除了人工清堵带来的安全隐患，降低了劳动强度、改善了劳动环境，同时对环境友好。

5 结语

通过对粉矿仓堵塞情况的调查与研究，高含水率、粒度不均、生产周期长、矿仓结构与材质设计的不合理是造成粉矿仓堵塞的主要原因。面对已建成矿仓改造难度大、费用高、影响生产的局限，设计出一套高效、环保、安全的矿仓清堵助流系统，从使用效果来看，该系统的经济效益和社会效益十分明显，不仅适用于金属矿山选矿厂矿仓改造，同时还适用于电力、冶金、煤炭等相关行业，市场应用前景广泛。

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