田家村半自磨产品粗粒矿浆长距离管道输送参数优化

王志杰

（攀钢集团矿业有限公司，四川 攀枝花 617000）

由于管道输送具有成本较低、安全环保的优点，矿山行业采用矿浆管道输送越来越普遍。目前铁矿山采用长距离管道输送精矿的有太钢尖山铁矿、昆钢大红山铁矿、包钢巴润公司、攀钢白马矿等，精矿粒度普遍在-0.044 mm占70%左右［1］，最大颗粒基本控制在0.1 mm以下。铁矿山尾矿普遍采用管道输送，最大粒度一般控制在3 mm以内［2］，由于尾矿比重相对原矿或精矿较低，临界流速较小，各矿山应用都非常成功。铁矿山一段磨矿产品采用较长距离管道输送未见报道。白马田家村由于位于山区，为了降低投资和运行成本，设计采用了-3 mm半自磨矿浆管道输送至磨矿厂房，距离6.5 km，但投产以后管道频繁堵塞，不能正常运行。为找准管道堵塞的原因，以较少的投入盘活已建成的资产，避免投资浪费，开展了粗粒矿浆长距离管道输送参数优化研究。

1 田家村矿浆管道输送系统设计

1.1 半自磨系统工艺设计

田家村半自磨系统矿石来源于田家村采场，设计年处理矿石500万t/a，矿石通过汽车运输至田家村粗破碎站的受矿仓，矿山来矿粒度-1 200 mm，采用颚式破碎机一段破碎，破碎产品粒度P80=250 mm。破碎产品通过给料机为半自磨机供料，半自磨为φ9.15 m×5.03 m湿式半自磨机，磨机排料口配有圆筒筛隔粗，隔粗后的矿浆自流进入分级，分级采用2台ZKR3070单层直线振动筛，筛孔尺寸为3 mm×30 mm，筛上物和圆筒筛的粗物料通过带式输送机返回半自磨机，直线振动筛筛下矿浆自流进泵池，通过两级泵站扬送至万年沟选矿厂。流程图见图1。

1.2 矿浆管道输送系统设计

1.2.1 矿浆管道输送参数

田家村设计半自磨处理矿石500万t/a，干矿量672.04 t/h，产品粒度-3 mm，产品细度-0.074 mm约占20%，固体密度3.4 t/m3，矿浆浓度40%，浆体密度1.393 t/m3，矿浆量1 205.72 m3/h。由于前期不具备试验条件，设计单位借鉴攀枝花密地选矿厂的尾矿输送试验数据（见表1），并根据密地选矿厂尾矿密度3.296 t/m3、浓度50%、尾矿细度-0.074 mm约60%等特性，考虑田家村半自磨矿石与密地选矿厂尾矿特性差异，设计计算田家村半自磨产品管道输送为：水力坡降3.905%，管道内径375 mm，输送流量1 200 m3/h，设计扬程180 m，设计流速3.03 m/s。

1.2.2 矿浆管线设计

田家村半自磨车间至万年沟二期选矿厂主厂房原矿管道输送线路长度6 200 m，管道走向充分利用地形顺坡布置。原矿加压系统采用三级串联，分两级泵站设计。

原矿1号加压泵站标高1 636 m，泵站设置在半自磨车间内，选用250PN渣浆泵4台（2台串联工作、2台备用），叶轮直径为965 mm，管道为D408×8（8）钢橡复合管，1条工作1条备用，输送距离约5 000 m，泵扬程88 m。输送矿浆至原矿2号加压泵站。

田家村原矿2号加压泵站标高1 540 m，选用250PN渣浆泵2台（1台工作、1台备用），叶轮直径为965 mm，管道为D408×8（8）钢橡复合管，1条工作1条备用，输送距离约1 500 m，最终接收矿浆池标高1 550 m，泵扬程92 m。

2 田家村矿浆管道运行参数考察及堵塞原因分析

田家村管道设计投产后，出现周期性管道堵塞，每连续运行12 h左右出现堵管，需要停车冲洗管道，严重时要分段拆卸管道加以冲洗，待管道内沉积矿洗完后再运行，如此反复，系统根本无法连续运行。为了查找管道堵塞的原因，寻找管道能够正常运行的途径，对运行中的矿浆粒度组成，矿浆流量、流速进行了测定及分析。

2.1 矿浆粒度分析

田家村半自磨设计台时处理量为672.04 t/h，实际生产表明，处理量越大，输送矿浆粗粒级越多，矿浆管道堵塞周期越短，为了能持续跟踪考察产品粒度和流速等指标，考察时将原矿台时降低至500 t/h左右，半自磨分级筛孔尺寸为3 mm×30 mm。通过原一泵站输送5 km至二泵站后，在一泵站出口采取矿浆的粒度筛析数据见表2。

由表2可知，在原矿500 t/h左右时，一泵站出口取样+3 mm在0.15%～3.69%，-0.074 mm在19.23%～35.75%之间。随着运行时间延长，出口矿浆粒度粗粒级减少，细粒级增加，泵电流下降，管道出现堵塞征兆。分析认为：由于原矿一级泵站至原矿二级泵站距离为5 km，一开始运行时粗粒级+3 mm颗粒在管逐步沉积，通过滑动，仅有少部分粗颗粒到达原矿二级泵站出口，导致管道内粗细分层，管径缩小，管道输送出现异常，最终导致堵塞。

2.2 管道输送矿浆输送参数分析

在管道输送运行周期内不同时间段进行了矿浆流量、浓度、流速等输送参数考察。结果见表3。

由表3可知：

（1）在运行9 h统计周期内，平均台时仅为522.61 t/h，与设计台时672.04 t/h相差149.43 t/h，平均流量1 204.59 m3/h，平均浓度34.35%，平均流速为3.03 m/s。

（2）初始运行时管道矿浆流速较高，测定的最高流速可达3.67 m/s，流量较大，达到1 458.83 m3/h，浓度为29.22%。

（3）随着运行时间延长，流量和流速呈明显的下降趋势。至管道接近堵塞时，流量下降至1 000 m3/h附近，流速下降到2.8 m/s左右，最低为2.54 m/s。低于设计流速3.03 m/s。矿浆浓度呈明显上升趋势，从29.22%上升到37.30%。

（4）分析认为，前期管道通畅时，矿浆流速快、输送流量大、矿浆浓度低。随着粗颗粒尤其是+3 mm粒级在管道逐步沉积，管道局部内径变小，管道内压力增大，矿浆流速和流量越来越低。同时矿浆浓度增大，泵出口压力增大，泵出口短节爆裂，泵壳漏矿。根本原因在于设计前没有进行矿浆流变特性、沉降等实验工作，利用密地选厂尾矿输送实验参数推导的参数不可靠，导致设计的临界流速和不淤流速偏低，粗颗粒沉降在管道底部，逐步累积到一定程度时，导致管道堵塞。

3 田家村矿浆管道输送优化研究

由于田家村半自磨管道系统刚投产，为了盘活已建成资产，以尽可能少的投入对系统加以改进优化，以保证矿浆系统能正常运行。在试运行考察分析的基础上，对田家村半自磨和管道系统进行了优化改进，并开展了相关矿浆水力学试验，最终实现稳定运行。

3.1 矿浆管道输送优化改进

3.1.1 降低输送粒度，降低临界流速

通过矿浆管道输送数据分析，由于粗粒级尤其是+3 mm粒级在管道沉积是管道堵塞的主要原因，且筛下矿石颗粒以扁平长条形较多，因此将半自磨系统分级直线振动筛筛孔尺寸由设计的3.0 mm×30 mm调整为2.5 mm×15 mm，以降低矿石颗粒粒度，从而降低临界流速和不淤流速。

3.1.2 增加叶轮直径，提高流量和扬程

在前期运行中发现，即使管道运行初期流量较大时，电机电流仅66 A，距额定电流80 A还有提高的空间，因此决定在电机不变的前提下，将渣浆泵一级加压泵站两台串联渣浆泵叶轮直径，由设计的965 mm改为990 mm，以提高渣浆泵的流量和扬程，同时增大渣浆泵泵池补加水，以保证适宜的矿浆输送浓度和流量。二级加压泵站在前期运行中需要大量补加水才能做到流量匹配，表明流量有一定的富余，因此保持设计965 mm叶轮不变。

3.1.3 泵池结构优化

为防止矿浆在泵池四角发生淤积、垮塌导致矿浆浓度波动，将渣浆泵池底部由平底四角结构改造为三面坡结构，向泵入口方向倾斜。

3.2 优化后管道输送考察

为尽可能提高半自磨机处理能力，检验达到设计台时处理量时管道能否正常运行，将半自磨钢球充填率由12%提高到14%，由于田家村开采初期有部分风化矿，试验期间原生矿与风化矿比例按2∶1配矿。通过72 h工业试验表明，改造后矿石平均处理量超过设计指标，田家村矿浆管道运行平稳，不再发生堵塞。说明优化初步达到最初的目的。

3.2.1 半自磨运行工艺参数考察

优化后72 h工业试验统计指标见表4。

从表4可以看出，半自磨机试验期间处理矿石主要为原生矿，原矿处理量达到了690.53 t/h，超过了设计指标，通过对筛孔的缩小，返砂比提高到12.21%，但仍低于设计指标。

3.2.2 矿浆管道优化前后粒度考察

优化后，对管道输送粒度进行了全粒级筛析，优化前后矿浆粒度分析结果见表5、图2、图3。

通过表5、图2、图3可看出：通过对直线筛筛孔缩小，使用2.5 mm×15 mm筛孔尺寸后半自磨系统产品粒度降低明显，粗粒级含量明显降低，+3 mm粒级基本消除，+0.45 mm粒级粗粒减少了13.07个百分点，-0.074 mm粒级增加了10.47个百分点左右。缩小筛孔有效地减少了粗粒级含量。

3.2.3 矿浆管道流量、流速考察

对正常输送后的流量、流速、矿浆浓度等进行了考察对比，结果见表6。

由表6可知：优化后，管道流量非常稳定，平均流量达到1472.25 m3/h，提高了22.22%；平均流速为3.68 m/s，提高了21.45%；输送矿浆浓度也有一定程度提升。说明优化后，输送流量、流速指标超过设计指标，管道输送正常稳定，达到了预期目的。

3.3 田家村矿浆流变特性研究

通过对管道输送优化，在保证生产正常后，为了从理论上分析前期管道堵塞的原因，探讨管道系统进一步优化的可行性，委托专业研究单位对田家村矿浆流变特性进行了系统研究。

3.3.1 矿浆沉降试验

沉降速度试验结果见表7、图4。

从表7、图4可以看出：田家村原矿浆体属于沉降型浆体，浓度提高后沉降速度有明显的减小，也就是说提高输送浓度，临界流速有可能降低。

3.3.2 不同矿浆浓度的流变特性试验

为研究矿浆浓度对流变特性的影响，进行了25%、30%、35%、40%、45%、50%不同矿浆浓度的流变试验，流变试验结果见表8。试验结果表明，矿浆屈服应力和刚度系数均随浓度的增加而增加。

3.3.3 临界流速

根据流变特性及沉降试验结果，对输送管道内径375 mm的田家村原矿浆体管道输送参数计算，包括临界流速和管道摩阻分析计算，计算结果见表9。

根据表9分析，田家村原矿管道输送的临界流速较大，主要是田家村原矿粒级组成比较粗引起的，颗粒粒径对临界流速有较大的影响；随着输送浓度的增加，临界流速有明显的减小，其主要原因是由于浆体浓度的增加抑制了颗粒的沉降。

3.3.4 摩阻损失

田家村原矿浆体输送已设计采用内径375 mm钢橡复合管输送，其管道内壁绝对粗糙度远大于直缝管或无缝管，由于该矿粒级组成比较粗，需要较大的输送速度，其雷诺数在106数量级左右，流态属于粗糙区，因此确定管道内壁绝对粗糙度显得尤为重要，根据查找相关文献资料和工程经验，钢橡复合管内壁绝对粗糙度取0.25，用于管道摩阻损失的计算，同时把实测的田家村原矿密度、颗粒组成、不同浓度下的流变参数输入计算程序计算不同浓度、不同流速下的摩阻损失。

内径375 mm、粒度3 mm摩阻损失的计算结果见表10，摩阻-速度曲线见图5。

从表10、图5分析，与铁精矿和尾矿浆体相比，田家村原矿浆粒度较粗，摩阻系数更大。结合管道的敷设情况，计算-3 mm浆体输送，最低运行流速下所需扬程，结果见表11。

从表11分析：随着输送矿浆浓度升高，输送流速降低，输送矿浆量减少，摩阻损失升高。计算的输送扬程均大于200 m。

通过系统研究和计算，得到如下结论：优化后3台泵串联的扬程可以满足输送工况对扬程要求；田家村原矿输送管道的临界流速大于设计流速，造成的原因主要是物料粒度太粗，尽量降低物料的粒径是保证本输送管道正常运行的关键，因此将输送粒度由-3 mm调整为-2.5 mm。虽然浓度提高有利于降低矿浆颗粒的沉降，但由于田家村管道内径已定，原矿量受半自磨系统处理能力的制约，无法大幅度提高，只有通过增加给矿量小范围内优化，并在生产过程中尽可能降低原矿量波动，保持矿浆浓度的相对稳定。

3.4 田家村矿浆管道最终优化及输送参数确定

结合田家村管道输送矿浆流体力学试验成果，对矿浆管道输送进行了进一步优化。

在前期粒度、叶轮、泵池等优化后，在运行中发现，管道输送对粒度非常敏感，在2.5 mm×15 mm筛孔筛板运行大约一周后，筛板稍有磨损，筛孔粒度变大，管道中矿浆粒度略微变粗，管道开始出现堵塞现象。为保证管道能正常运行，且让筛板保持相对较长的寿命，在生产中将筛板尺寸确定在2 mm×12 mm。

由于粒度降低，临界流速减小，在保证管道输送正常的前提下，为提高输送浓度，减少环水消耗，通过摸索将一级泵站叶轮直径优化为870 mm和980 mm，二级泵站叶轮直径保持965 mm不变。

随着采场的延伸，风化矿大幅度减少并逐步变为原生矿，半自磨机台时稳定在平均613 t/h，测定管道流速为3.44 m/s，与矿浆流体力学试验研究接近。矿浆粒度组成见表12。

由表12可见，通过将筛孔缩小为2 mm后，矿浆中+1.8 mm粒级仅为0.4%，由于原生矿更难磨，矿浆中-0.074 mm含量降到27.6%，但管道依然保持畅通，说明+3 mm粗颗粒大幅减少，矿浆临界流速降低，是管道能正常运行的原因。通过最终优化，管道已稳定运行8 a。

4 结 论

（1）田家村半自磨矿浆管道设计前期没有试验数据，依靠类比法确定尾矿输送参数，导致设计流速过低，投产初期管道发生堵塞。矿山管道系统投资比较大，要保证项目的成功，需要先开展充分的矿浆特性和流变特性等试验，确定合理的输送参数，为设计提供依据。

（2）在管道系统已经建成的情况下，通过工业试验研究，将田建村矿浆输送粒度由-3 mm优化为-2 mm，并在一定的范围内对渣浆泵叶轮尺寸进行优化，适当提高流速，保证了管道的正常输送，尾矿输送优化改造取得了圆满成功。

（3）输送粒度的降低在一定程度上导致半自磨机循环负荷增大，半自磨系统一直未能达到设计的500万t/a能力，在全部供矿为原生矿条件下，半自磨机台时平均为613 t/h，仅为设计672 t/h台时的91%。在管道已到更换周期时，下一步还应对输送粒度、输送浓度、管径大小等进一步优化，以实现系统产能最大化，降低半自磨系统成本。