粉矿仓清堵技术研究

王向荣，陈 泽，张晓峥，张兆光

(1.中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021) (2.河北省建筑材料工业设计研究院有限公司，河北 石家庄 050051)

中国硬岩铀矿加工企业在选冶生产中普遍使用粉矿仓调节生产流程、分配矿石量，以保证选冶工艺的连续、稳定运行[1]。粉矿中的细粒级矿物含量和水分含量与物料的流动性成反比，物料的含水率越高，流动性越差。物料含水率高时，物料之间以及物料与仓壁之间都易产生粘结，特别是出料口处的物料一旦粘结，出料口将逐渐减小，从而发生粘壁和起拱现象，严重时将导致生产过程阻断。当粉矿仓出现堵塞时，当前铀矿企业普遍采用人工清堵方法，如操作人员进入矿仓清堵、人工仓外清堵、爆破法清堵等，清堵过程存在严重的安全隐患。

笔者对铀选冶厂粉矿仓堵塞原因进行了详细分析，在广泛调研国内铀选冶厂粉矿仓生产情况和国内粉矿仓主要清堵技术的基础上，对北方某铀业公司的粉矿仓进行了清堵专项研究，以期找到安全、高效的清堵方案。

1 铀选冶厂粉矿仓堵塞类型及原因

1.1 粉矿仓堵塞类型

粉矿仓堵塞类型主要分为粘壁性堵塞和拱型堵塞。卸矿过程中，物料沿仓壁及矿仓下部锥形面依靠重力下落，当物料含水率高且粘性成分较多时，物料就会粘附在出料口的仓壁和矿仓下部锥形面上，使得矿仓出料口阻塞和棚料，形成粘壁形堵塞，如图1(a)所示。随物料粘性的进一步增加，物料的内聚力也增大，当内聚力大于矿石自身重力时，形成拱型堵塞，此时仓内物料完全停止流动，如图1(b)所示。

图1 粉矿仓堵塞类型Fig. 1 Blockage type of fine ore bin

1.2 粉矿仓堵塞原因分析

对国内矿冶系统的27个粉矿仓进行了系统调研，其中：易堵塞矿仓包括软锰矿仓和破碎成品矿仓，共7个；堵塞后多采用人工清堵，堵塞严重时矿仓有效容积仅为设计的10%～20%。

为了提高矿仓利用率，每年在生产间歇期，操作工系安全绳后下至矿仓，用自制工具清理粘附在仓壁上的粉矿。每天清理的矿量供当天生产使用，每次清理历时约10 d，清理时间长，劳动强度大，清堵过程存在严重的安全隐患。铀选冶厂粉矿仓生产情况见表1。

表1 铀选冶厂粉矿仓生产情况Table 1 Production of fine ore bin in uranium mining and metallurgy plant

由表1可见，铀选冶厂的粉矿仓按照容积划分，包括1个600 m3矿仓、10个200～230 m3矿仓、6个130～180 m3矿仓以及10个100 m3以内的矿仓；按照结构形式分为仓底四面倾斜的矩形矿仓和圆形锥底仓；按照仓壁结构分为钢筋混凝土仓和钢仓；按照贮存的物料分软锰矿仓和铀矿石仓。

12 m3和18 m3软锰矿仓经常发生粘壁堵塞现象。分析认为当粒度较小、含水率高时，软锰矿粉容易发生粘结；含水率高是导致矿仓软锰矿堵塞的主要原因。通过调整软锰矿粉运输方式，将露天运输改为集装箱封闭运输后，有效避免了运输过程的降雨影响，自此软锰矿粉矿仓未发生堵塞现象。

600 m3软锰矿仓的软锰矿含水率经常达到20%，有时甚至达到30%，远超过冶金行业标准中产品的含水率不大于4%的规定。分析认为软锰矿在运输和存放过程中无遮雨措施，致使软锰矿含水率增高，含水率高是导致软锰矿仓产生粘壁堵塞的主要原因。

180 m3圆形锥底混凝土仓属于北方某铀业公司，用于贮存破碎后的铀矿石，矿石粒度分布见表2。矿仓锥体部分高2.1 m，倾角40°，非雨雪天气时的矿石含水率约为3%，堵塞形式主要为粘壁型堵塞；雨季或雪融季节矿石含水率升至18%～20%时，堵塞形式演变为拱型堵塞。分析认为粉矿中细粒级成分较多、遇水易发生泥化，以及矿仓倾角小是导致粉矿仓堵塞的主要原因。企业对粉矿仓进行了清堵技术改造，在仓内加衬钢板将锥体倾角加大至50°，并在钢板与原粉矿仓锥体部分之间加装4台仓壁振动器，单台功率0.12 kW。经过改造，堵塞情况明显改善；但仓壁振动器功率较小，粉矿仓的容积利用率提高有限，仓壁振动器也经常因为过载而损坏。

表2 粉矿粒度分布Table 2 Particle size distribution of fine ore

2 粉矿仓清堵技术现状

为了解决粉矿堵塞问题，大多采用炸药爆破、人工清堵等方法。这些方法不仅劳动强度大、效率低，而且容易发生人身伤亡事故。随着对安全生产的重视，安全、高效的机械清堵技术得到迅速发展，出现了气动法、机械振动法、机械逐层清理法等新型清堵技术。

2.1 气动法

2.1.1 喷气振动垫[2]

在矿仓内壁起拱位置安装喷气振动垫，压缩空气从喷气振动垫与矿仓内壁的间隙喷入矿仓，并在物料中释放，促使物料流动。关闭压缩空气后，物料的压力和喷气振动垫自身的独特结构迫使喷气振动垫紧贴在矿仓内壁上，防止物料进入喷气振动垫底部和供气管路。喷气振动垫体积小、重量轻，但维修困难、表面易磨损。喷气振动垫工作原理如图2所示。

图2 喷气振动垫工作示意图Fig. 2 Working diagram of air jet vibration pad

2.1.2 空气炮清堵装置

贮存于气罐的压缩空气通过排气管快速释放，产生的超音速冲击气流作用于矿仓内的物料上，使粘结、压实、起拱的物料产生破裂和位移。空气炮清堵装置在水泥、电厂、煤矿、钢铁厂、矿山、码头等，都取得了很好的效果[3-7]。空气炮清堵装置结构如图3所示。

图3 空气炮清堵装置结构图Fig. 3 Structural diagram of air cannon

2.1.3 旋风式清堵装置

旋风式清堵装置如图4所示，采用压缩空气作为驱动力。将高压空气管依螺旋线轨迹布置于矿仓外壁，空气管上的各个喷嘴同时向料仓内喷射高压空气，形成旋风式气流。在旋风式气流作用下，物料脱离仓壁，从而消除粘壁堵塞。旋风式清堵装置主要用于圆锥形或双曲线形粉矿仓[8]，在某电厂煤仓的应用效果较为理想。

图4 旋风式清堵装置实物图Fig. 4 Physical diagram of cyclone type plug cleaning device

2.1.4 矩阵式清堵装置[9]

矩阵式清堵装置的工作原理及系统组成与旋风式清堵装置类似，区别在于矩阵式清堵装置的清堵喷嘴采用矩阵式布置，而旋风式清堵装置的清堵喷嘴采用螺旋状布置。矩阵式清堵装置更适用于矩形粉矿仓。

2.2 机械振动法

机械振动法是通过仓壁振动器的高频振动来防止矿仓堵塞，振动器主要分为气动式[10]和电磁振动式。

2.2.1 气动式振动器

气动式振动器振动频率一般为60次/min。将振动器底座焊接于矿仓外壁，再将振动器通过紧固件与底座连接。气动式振动器的结构如图5所示。

图5 气动式振动器结构示意图Fig. 5 Structural diagram of pneumatic vibrator

2.2.2 电磁式振动器

电磁式振动器俗称仓壁振动器，广泛应用于煤矿、金属矿山和水泥等行业[11-14]。仓壁振动器以振动电机为激振源，通过振动电机的高速转动产生对仓壁的周期性高频振动，粘结在仓壁的物料在高频振动下与仓壁分离，从而消除堵塞。仓壁振动器由振动电机、底座两部分组成，可直接安装于仓壁钢板上，对于混凝土矿仓需先在矿仓内部安装振动钢板，然后在振动钢板上安装振动器。

2.3 机械逐层清理法

机械逐层清理法是指采用一种机械装置深入粉矿仓内，对粘附在矿仓内壁的物料由料仓中心至仓壁方向进行逐层清理的方法。机械逐层清理法的清堵装置主要以气压旋转式清堵装置为代表，气压旋转式清堵装置[15]主要由轱辘、机械臂、旋转式清堵头及连接装置构成，其结构如图6所示。

图6 气压旋转式清堵装置结构示意图Fig. 6 Structural diagram of pneumatic rotary plug cleaning device

2.4 机械离壁法

机械离壁法疏通装置主要由疏通臂和液压站组成，其安装方式如图7所示。疏通臂通过油缸以及油管路与液压站连接，启动液压站使疏通臂上下往复运动清扫仓壁，达到疏通目的。每个料仓通常配置4～6个疏通臂，每套液压站可根据需要配置多台疏通臂。该装置开发利用有10余年历史，但实际应用较少。

图7 机械离壁法疏通装置Fig. 7 Mechanical removal device

3 铀选冶厂粉矿仓清堵技术优选

根据上述研究可知，国内与铀选冶相近行业的粉矿仓主要采用气动法、机械振动法、机械逐层清理法、机械离壁法清堵技术，其中机械离壁法清堵疏通装置和气动法的喷气振动垫需要将清堵设备固定在料仓内部，维修、更换比较困难；而且清堵设备表面与物料直接接触，磨损较大，不考虑选为铀选冶厂粉矿仓清堵装置。

机械振动法的气动式振动器需要外界提供压缩空气和电源，对仓壁产生的击振力较小(一般不大于490 N)，振动频率低(60次/min)，振动效果差，只适用于小型料仓，其优点是可适用于防爆场合。机械振动法的电磁式振动器只需外界接入电源后便可开始清堵工作，振动力较大(最大可达14.7 kN)，振动频率高(最高可达3 000次/min)，清堵效果好，应用更为广泛。

铀选冶厂粉矿仓均为防爆场合，对于钢结构的粉矿仓，优先选用电磁式振动器；对于混凝土粉矿仓，可将空气炮、旋风式清堵装置、矩阵式清堵装置、气压旋转式清堵装置作为粉矿仓清堵备选设备。

在联系群众、服务群众方面，重点整治群众身边特别是群众反映强烈的形式主义、官僚主义突出问题。《工作意见》举例：“漠视群众利益和疾苦，对群众反映强烈的问题无动于衷、消极应付，对群众合理诉求推诿扯皮、冷硬横推，对群众态度简单粗暴、颐指气使。”这些现象，是严重脱离群众甚至侵害群众利益的恶劣行为，对此中央明确要求，一定要坚决整治。

4 典型铀选冶厂粉矿仓清堵方案研究

北方某铀业公司的粉矿仓，通过在粉矿仓锥体段加装仓壁振动器，矿仓堵塞情况有了明显改善；但仍存在仓壁振动器电机频繁过载等问题。以此粉矿仓为例，全面研究清除粘壁型和拱型堵塞的清堵方案。

4.1 清堵技术选择

该仓为圆锥形、钢筋混凝土结构，原“内部安装仓壁振动器+钢板”的方案检修较困难，可供选择的清堵装置主要有空气炮清堵装置和旋风式清堵装置。这2种清堵装置均需外界提供压缩空气，压力0.4～0.8 MPa，压缩空气的消耗量基本相同。

4.1.1 空气炮清堵方案

每台粉矿仓需安装9台空气炮，并配备1台控制箱，空气炮规格为150 L，改造费用约为4万元，主要包括设备费、材料费和安装费。

4.1.2 旋风式清堵方案

每台粉矿仓需安装1套空气助流系统及内置PLC控制系统的控制箱，并配备1台体积为2 m3的压缩空气缓冲罐，改造费用约为20万元，主要包括设备费、材料费和安装费。

4.1.3 推荐方案

旋风式清堵装置和空气炮清堵装置的操作及维修难易程度相当。旋风式清堵装置清堵效果好，但购置费用较高。空气炮为成熟产品，设备供应商较多且价格低廉。根据北方某铀业公司粉矿仓结构及物料特性，采用空气炮清堵装置是可行的，故推荐采用空气炮清堵方案。

4.2 清堵技术方案设计

4.2.1 工艺方案设计

该仓总高6.4 m，需布置上、下2层空气炮，第1层空气炮布置在底部以上1.5 m处，共3台；第2层空气炮布置在第1层上方2.6 m，共6台。上、下层空气炮分别布置在不同的铅垂线上，水平间距约为1.4 m，粉矿仓空气炮布置如图8所示。

图8 粉矿仓空气炮布置图Fig. 8 Layout of air cannon in fine ore bin

4.2.2 清堵系统控制设计与操作

每台粉矿仓附近设置1台控制箱，用于控制该仓的9台空气炮运转。控制箱内置PLC可编程序控制器，控制模式分就地单操、就地顺驱、程控方式，这3种控制模式在控制箱面板上有相应的按钮，可相互切换。

在控制箱面板上设有全部空气炮控制按钮，在就地单操模式下可逐个进行控制。就地顺驱分2种情况，当粉矿仓堵塞较严重时，逐个启动全部空气炮；当粉矿仓堵塞程度较轻时，逐个启动锥体部分的空气炮。当控制模式切换为就地顺驱时，开始启动第1台空气炮，系统延迟一定时间后，启动第2台空气炮，直至空气炮全部启动完毕。当控制模式切换为程控方式，即开始周期延时，如周期延时设定的参数为120 min，空气炮专用控制仪延时2 h后，启动一个周期的顺驱模式，顺驱模式运行完毕后，自动进入下一个周期的延时。

该空气炮清堵方案已应用于北方某铀业公司，清堵装置正常运行1年多，经历了雨季矿石含水率较高的情况。在生产管理中通过定期开启空气炮，粉矿仓从此未发生过堵塞。与人工清堵相比，空气炮清堵装置用时短，清堵时不影响粉矿仓前后工序生产，也避免了人工清堵安全隐患大、清堵时间长、劳动强度大、卫生条件差的缺点。

5 结论

通过对铀选冶厂粉矿仓堵塞类型和原因的分析，优选出了适用于铀选冶厂粉矿仓的清堵技术。以北方某铀业公司粉矿仓为例，开展了方案研究和生产应用，解决了生产中粉矿仓堵塞的实际问题，验证了空气炮清堵技术的可行性。空气炮清堵技术的成功应用，消除了企业人工清堵的安全隐患，减轻了劳动强度，达到了提质增效的效果。