镜铁精矿长距离管道水力输送的探索

杨海龙 韩文亮 王雪姣

(1.中冶北方工程技术有限公司，辽宁 大连 116600；2.清华大学，北京 100084)

0 引言

长距离管道水力输送与铁路、公路和水路等传统运输方式相比，具有一次性投资长期受益，运行费用低，经济效益高，受天气影响小，工作稳定，有利于环境保护等诸多优点[1]。其主要应用于精煤矿、铜精矿、铝土矿、磷精矿、铁精矿、铅锌精矿输送，个别还应用于尾矿输送。

矿浆的长距离商业化管道输送应用研究开始于上世纪六十年代。1967年，澳大利亚在Savage River建成了世界第一条铁精矿输送管道[2]。1970年，美国在Black Mesa建成了世界第一条输煤管道—俄亥俄洲煤浆输送管线。我国自20世纪80年代初开始关注这一新的运输方式。自20世纪90年代相继建成贵州省瓮福磷精矿浆体输送管线和山西太钢尖山铁精矿浆体输送管线以来，长距离管道水力输送这一技术在越来越多的国内金属矿山及非金属矿山得到了应用[3]。

我国的铁精矿长距离管道水力输送应用始于太钢尖山，近些年在太钢、鞍钢、昆钢以及攀钢等企业都已经得到了成功应用。国内外的工程案例，输送的铁精矿皆为赤铁矿、磁铁矿、半氧化矿，个别为钒钛磁铁矿，并无镜铁精矿的长距离管道水力输送案例。通过对安徽某选矿厂的镜铁精矿进行长距离管道水力输送试验研究以及理论分析，以获得镜铁精矿进行长距离管道水力输送的参数，输送的可行性的一些规律，为镜铁精矿进行长距离管道水力输送研究提供详实的数据参考。

1 镜铁矿简介

镜铁矿为赤铁矿的亚种，具金属光泽的片状集合体，铁黑至钢灰色，晶面光泽强，闪烁如镜，因而得名[4]。图1为高纯度镜铁矿矿样照片。镜铁矿是一种重要的铁矿石，主要赋存于沉积变质型矿床和接触交代一热液型铁矿床中，由于磁性较弱，属传统的难选、难利用矿石。其探明储量约占全国探明总储量的1.1%。在我国已探明具有工业开发价值的镜铁矿主要为沉积变质型铁矿，分布于安徽霍丘、山西袁家村、甘肃镜铁山等矿区。

图1 高纯度镜铁矿矿样照片

从矿石结构来看，镜铁矿型矿石以鳞片变晶结构为主，其次有他形粒状变晶结构，假象自形半自形晶结构，交代结构及残余结构等。矿石中有用矿物成分主要由细鳞片状、叶片状及厚板状镜铁矿，极少量的磁铁矿、褐铁矿，有害矿物黄铁矿等组成。粒度主要为0.05～0.25mm，其次为0.25～0.5mm，部分大于0.5mm和少量小于0.05mm。

矿石构造以带状构造为主，其次有斑点状构造、片状构造和块状构造。带状构造以细纹条纹为主，细条痕一条痕次之，两者常交替或重叠；浸染状构造以稠密浸染状为主，稀疏浸染状次之。

2 镜铁精矿物理性能特性

2.1 原矿工艺矿物学研究

该铁矿矿床均为大型沉积变质型铁矿床，在富铁条带中镜铁矿呈叶片状或厚板状晶体形状产出，晶粒稍粗多数变化在0.075～0.833 mm。对该镜铁矿原矿进行了磨片和岩矿鉴定，条带类型中镜铁矿的结构、嵌布及连晶形式如图2所示。选矿试验过程中，粗粒片状镜铁矿在螺旋溜槽中易沉积，较赤铁矿、磁铁矿明显，严重影响螺旋溜槽的重选效果。

图2 镜铁矿反光镜下25倍照片

2.2 比重测定及粒度组成的测定、分析

2.2.1 比重测定

对该试验矿进行了矿样比重测定试验。矿样比重试验是完全按照国标GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》进行的，比重采用比重瓶法测量。镜铁精矿比重实测结果见表1。

表1 镜铁精矿比重测量表(%)

从上表看出，镜铁精矿比重为4.908。

2.2.2 粒度组成测定及分析

该实验过程利用Socket实现服务器与查询端之间的数据通信。本实验结果受到待测试数据集基数和服务器数量的影响，并且不同数据集锚点分布不同，会对实验结果造成一定的影响。图4展示了在Core数据集中，PP-VPS协议和VPS协议在服务器数量从2增长到9的过程中的计算时间。当服务器数量从2增长到5时，PPVPS协议运行时间从65.849秒增加到200.945秒。当服务器数量小于5时，PPVPS和VPS算法执行时间近似，当服务器数量大于5时，PPVPS执行时间出现较快增长。

目前对颗粒粒度组成测定有三种方法：一种

是筛分，对矿样烘干利用标准筛进行筛分；一种是采用激光颗度分仪器进行；再一种方法是采用比重计法。激光颗度分析仪取样少，但容易沉积，比较适合细颗粒物料粒度测定；比重计法适合比重小、颗粒细、沉降慢的颗粒。由于该镜铁精矿颗粒偏粗，比重大，为了确保测定结果准确，采用筛分法、激光粒度仪分析法及沉降法三种方法同时进行比测。

从测量结果看，比重计法偏差太大，其测定结果未被采用。通过比对分析最终以筛分(湿筛)结果为准，结果见表2。

表2 镜铁精矿颗粒组成表

为了更好的选取参数，与类似工程进行类比。以下列出了5个项目的铁精矿颗粒组成数据，详见表3～7。镜铁精矿粒度组成及5个铁精矿管线颗粒案例见图3。由图3可见，尖山、大红山铁精矿最细，攀钢密地铁精矿最粗，该镜铁精矿颗粒组成其次。从颗粒组成分析，该镜铁精矿可能沉降快，沉积产生硬底，不利于管道输送。

表3 白象山铁精矿矿样粒度组成表

表4 调军台铁精矿颗粒组成表

表5 尖山铁精矿矿样粒度组成表

表6 大红山铁精矿矿样粒度组成表

表7 攀钢密地铁精矿颗粒组成表

图3 镜铁精矿粒度组成及5个铁精矿管线颗粒案例粒度曲线

2.3 沉降特性测定及分析

镜铁精矿浆的沉降试验主要是为了了解矿浆的稳定性，以分析其沉降特性对管道输送的影响，分析研究矿浆特性对停泵再启动的影响。铁精矿沉降试验的重量浓度为50%、55%、60%、65%。

试验发现该镜铁精矿沉降为分选沉降，粗颗粒先沉，细颗粒后沉，表层浑液面不够清晰，而底部沉积层却清晰上升。另外，镜铁精矿沉积极限浓度比较大，通过沉积层计算极限浓度可知，初始浓度无论是50%，还是65%，其极限浓度都在80%左右，体积极限浓度都在45%左右，数据见表8。

表8 镜铁精矿浆沉降极限浓度数据表

该镜铁精矿沉降很快，在很3～5分钟就沉降下来，而且浓度越低，沉降越快，沉积8小时后产生一定硬底，插入度不好。生产时存在事故停车再启动困难的风险。

从该镜铁精矿沉降特性看，该镜铁精矿管道输送的问题主要为临界淤积流速问题(磨蚀)及停泵再启动的问题，其体现在流变特性上。

2.4 流变特性计算及分析

浆体的流变特性与管道输送有密切的关系，是影响浆体管道输送阻力的重要因素。因此，流变特性的测量是试验的重要部分之一。从宏观上分析，影响矿浆流变特性的因素有很多，包括固体颗粒浓度，颗粒的粒径组成，颗粒的表面特性，浆体的温度等，但对于由一定矿砂组成的浆体，颗粒组成和颗粒表面活性已经是原始条件，主要可变因素为浓度。另外，关于温度对浆体流变特性的影响，根据前人的研究成果，温度对浆体屈服应力τ0影响较小，而温度对刚度系数的影响，基本与温度对清水粘度的影响规律一致。因此，主要研究浆体浓度对矿浆流变特性的影响。

镜铁精矿流变特性采用清华大学毛细管粘度计进行测定，通过试验测定不同浓度镜铁精矿浆的τw和8V/D，试验中浆体温度为20℃左右。实测的毛细管的边壁剪切应力τw和对应的8V/D见图4。从图看出，τw和8V/D基本呈一条直线，直线的截距为τ0，斜率为刚度系数η。通过图4可求出不同浓度浆体的流变参数，屈服剪切应力τ0与刚度系数η，其值见表9。其他一些铁精矿矿的流变特性，见表10。

图4 镜铁精矿毛细管粘度计实测剪切应力τw与切变速率8V/D关系图

表9 矿浆流变参数表T=20～22.0℃

表10 莱芜、尖山、大红山铁精矿流变特性数据表

从表9与表10比较可见，镜铁精矿浆流变特性与其他铁精矿浆相比，同浓度时镜铁精矿流变参数要小，特别是表征矿浆结构的屈服应力τ0更小。浓度小于62%时基本没有屈服应力，为牛顿体。这就解释了该镜铁精矿为什么矿浆稳定性差，沉降快，而且呈分选沉降的原因。

图5 镜铁精矿刚度系数与浓度的关系图

图6 镜铁精矿屈服应力与浓度的关系图

由流变特性可见，镜铁精矿由于其特殊的片状机构，易沉降，常规浓度条件下，很难满足输送所要求的屈服应力。如果想实现常规条件下的输送，就需要降低精矿粒度、提高浓度或者提高输送流速。降低精矿粒度需要精矿再磨，能耗较高，其经济性需要进一步论证。

由图5、图6刚度系数和屈服应力与浓度的关系可见，由于安开铁精矿颗粒粗，65%稳定性还不好，必须达到70%或75%，其屈服应力τ0才能达到2～4Pa，矿浆稳定性才能显著改观。提高输送浓度到70%以上，其浓缩的经济性及可行性需要进一步论证。提高流速会大大增加管道磨损，且需要较大的输送功率，安全性和经济性方面都存在难题。

3 结语

——镜铁精矿有其结构的特殊性，对输送参数有着较为明显的影响。

——镜铁精矿的沉降出现明显等分选沉降，粗颗粒先沉，细颗粒后沉，而且沉积层有一定的硬底，插入度不好。

——镜铁精矿矿浆流变参数随浓度增加而略有增加，在大于62%浓度后，呈宾汉体，低于62%浓度呈牛顿体。

——需要改变粒度组成、提高输送浓度或者提高输送流速才有实现长距离管道水力输送的可能性，但同时也带来一系列的并发问题，其具体的工业化应用，有待于进一步研究。