粉礦倉(cāng)堵塞原因與助流系統(tǒng)

吳佑儉 吉萬健 劉 健

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

選礦廠設(shè)置的粉礦倉(cāng)在生產(chǎn)過程中應(yīng)滿足兩點(diǎn)要求:①儲(chǔ)存規(guī)定數(shù)量的物料;②按生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)入選礦量、均衡選礦流程。隨著我國(guó)采礦業(yè)的高速發(fā)展，礦倉(cāng)的容積被設(shè)計(jì)的越來越大，使用頻率越來越高，單純依靠物料自身重力溜出礦倉(cāng)，容易發(fā)生礦倉(cāng)內(nèi)物料粘壁、棚拱等堵塞現(xiàn)象，特別是物料的含水率高、含粉量大時(shí)，更容易發(fā)生不同程度的堵塞，這樣使礦倉(cāng)失去了其應(yīng)有的工藝功能，也嚴(yán)重破壞了生產(chǎn)的連續(xù)性。面對(duì)堵塞現(xiàn)狀，有些礦山采用人工敲擊倉(cāng)壁振動(dòng)、進(jìn)倉(cāng)捅料、高壓水沖洗等辦法解決堵塞難題，收效甚微且安全隱患大，每年都有此類事件的安全事故發(fā)生［1］。因此，研究高效、安全、環(huán)保的礦倉(cāng)清堵技術(shù)和裝備顯得勢(shì)在必行。

1 堵塞現(xiàn)狀

粉礦倉(cāng)是指以粉礦為主，含有少量細(xì)粒礦石的貯礦倉(cāng)，常見于磨礦礦倉(cāng)、成品礦倉(cāng)等。此類礦倉(cāng)一般采用高架式結(jié)構(gòu)的矩形錐底倉(cāng)和圓形平底倉(cāng)［2］。通過調(diào)查國(guó)內(nèi)多個(gè)金屬礦山的粉礦倉(cāng)堵塞現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)粉礦倉(cāng)堵塞的主要類型可分為漏斗形堵塞、井狀堵塞、拱狀堵塞、粘團(tuán)滾動(dòng)形堵塞4種，如圖1所示。

圖1 粉礦倉(cāng)常見堵塞類型Fig.1 Comm on types of powder ore bin blockage

漏斗狀棚料是受礦倉(cāng)斜壁的影響，物料易在流動(dòng)中沿礦倉(cāng)壁形成較大的滯留區(qū)和垂直料流通道造成的堵塞;井狀棚料是受物料潮濕而泥化嚴(yán)重的粉礦物料沿礦倉(cāng)壁逐漸粘結(jié)，最終在下料口中心形成一個(gè)圓形的空洞造成的堵塞;拱狀棚料是由于礦倉(cāng)下部的物料能正常的排出，其余物料在礦倉(cāng)內(nèi)起拱居高不下造成的堵塞;粘團(tuán)滾動(dòng)堵塞是由于礦倉(cāng)內(nèi)的物料粒度差異過大，某些大塊物料集中在下料口周圍，造成粉礦物料堆積在料口上方，無法下落。

從堵塞的表象來看，物料大多是從從礦倉(cāng)內(nèi)壁粘結(jié)開始，后逐漸向礦倉(cāng)內(nèi)部和頂部延伸，這是由于物料與倉(cāng)壁的摩擦阻礙了物料的自然下落，造成了物料的粘壁現(xiàn)象;物料之間的相互摩擦又造成了物料的棚拱粘團(tuán)現(xiàn)象。

2 堵塞原因分析

2.1 物料性質(zhì)的影響

在工程應(yīng)用中，常用內(nèi)摩擦角和外摩擦角兩個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)散體物料的流動(dòng)性。物料的內(nèi)摩擦角反映了物料相互之間的作用力，即物料之間的黏聚力，它是造成物料之間棚料的主要因素，它受物料一些基本性質(zhì)的影響［2-3］。

(1)含水率。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物料含水率較高時(shí)，容易泥化粘結(jié)在礦倉(cāng)內(nèi)壁，造成礦倉(cāng)堵塞。利用直接剪切試驗(yàn)測(cè)得的某銅礦物料內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線如圖2所示。

由于物料顆粒表面帶有一定符號(hào)的電荷，這樣就在固體顆粒附近的空間形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)范圍內(nèi)，水分子被極化而吸附于固體顆粒表面。由于電荷的作用，使物料中的水分具有一些特殊的性質(zhì)，如黏性大、不能自由流動(dòng)等，它與固體顆粒之間結(jié)合很緊，形成固體顆粒的水膜。分子水膜極薄，但分子力很大，外力作用時(shí)，外荷通過一個(gè)顆粒向另一個(gè)顆粒傳遞，分子水作為固體顆粒的外殼與固體顆粒間的空隙一起變形，變形后由于固體顆粒的水分子膜變薄，水膜的吸附作用增大，因而固體顆粒間表現(xiàn)出一定的黏結(jié)力。這就是某些松散物料在潮濕的情況下，與干物料相比具有更大黏結(jié)力的原因［4］。上述的試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，物料的含水量增大后，由于水分子的極化作用，物料的內(nèi)摩擦角、黏聚力也隨之增大，物料的流動(dòng)性變差，固結(jié)性增大，成拱棚料的幾率也隨之增大。

圖2 含水率對(duì)物料內(nèi)摩擦角的影響Fig.2 How moisture content influence of thematerial internal friction angle

(2)粒度。礦倉(cāng)內(nèi)物料的料流狀態(tài)形同一個(gè)流動(dòng)的橢圓體，該橢圓體內(nèi)的料流有垂直運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)流動(dòng)2種狀態(tài)，流動(dòng)橢圓體邊界以外的部分不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，造成堵塞。以鐵礦石為研究對(duì)象，得出不同物料粒度的流動(dòng)橢圓體特征如圖3所示。

圖3 物料粒度對(duì)流動(dòng)性的影響Fig.3 Effect of particle size on the liquidity of thematerial

從試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，物料的粒度越細(xì)、形狀越不規(guī)則，由于其內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力的大幅度增加導(dǎo)致其比顆粒較大的物料更容易起拱。

(3)存儲(chǔ)時(shí)間。物料的內(nèi)摩擦角也隨貯存的增加而增大，主要是由于物料在礦倉(cāng)內(nèi)擠壓的時(shí)間長(zhǎng)，相互間的嵌擠狀態(tài)好，物料之間被壓實(shí)，散裝物料成集料后表面變粗糙，造成物料之間形成較大的內(nèi)摩擦角。剪切試驗(yàn)測(cè)得某銅礦物料不同存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)的物料內(nèi)摩擦角變化如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)物料內(nèi)摩擦角的影響Fig.4 Storage time impact on material internal friction angle

物料在礦倉(cāng)內(nèi)存儲(chǔ)的時(shí)間越長(zhǎng)，物料堆積的高度越高，物料存儲(chǔ)的密度越大，壓實(shí)性越強(qiáng)，同時(shí)由于密封性等原因使得內(nèi)部濕度增加，導(dǎo)致倉(cāng)料的流動(dòng)性變差，如不及時(shí)卸料，極容易起拱。

2.2 礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)

(1)卸料口尺寸。礦倉(cāng)設(shè)計(jì)時(shí)，卸料口尺寸是一個(gè)關(guān)鍵因素，它決定了物料的流量。合理的卸料口尺寸既要防止物料結(jié)拱，同時(shí)又要分配合適的礦量到后續(xù)生產(chǎn)中。防止結(jié)拱的卸料口最小尺寸計(jì)算公式為

式中，Ba為卸料口寬度(卸料口長(zhǎng)度大于2.5Ba)，m; fcc為無側(cè)限臨界屈服強(qiáng)度，Pa;γ為物料松散密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;dp為物料平均粒徑，m;La為卸料口長(zhǎng)度，m;

如Ba表示直徑時(shí)，其計(jì)算公式為

從上面的計(jì)算公式可以得出:若

卸料口產(chǎn)生結(jié)拱;若

卸料口產(chǎn)生結(jié)拱。

(2)斜壁傾角。松散物料在堆放時(shí)能夠保持自然穩(wěn)定狀態(tài)的最大角度(單邊對(duì)水平面的角度)，稱為物料的“安息角”［5］。在這個(gè)角度形成后，再往上堆加這種物料，就會(huì)自然下溜，保持這個(gè)角度，只會(huì)增加高度，同時(shí)加大底面積。因此，在設(shè)計(jì)礦倉(cāng)時(shí)，在保證料倉(cāng)最大容積的前提下，要求不能有死料堆積，即要求礦倉(cāng)斜面與水平面之間的夾角大于物料的安息角，這樣才能保證物料的正常下落。幾種常用物料的最小斜面傾角歸納于表1中。

表1 礦倉(cāng)貯存常用物料最小斜面傾角Table1 M inim um slant angle of comm on material storage in ore bin

2.3 礦倉(cāng)材質(zhì)

物料與倉(cāng)壁之間的外摩擦力是阻礙物料下溜的另一個(gè)重要因素，它是造成物料沿倉(cāng)壁堵塞、粘壁的重要原因。本實(shí)驗(yàn)中選用不銹鋼板、碳鋼板和環(huán)氧板3種不同粗糙度的倉(cāng)壁材料進(jìn)行Jenike壁摩擦實(shí)驗(yàn)，物料選用含水率為10%左右，粒徑范圍＜50 mm的粉狀鐵礦石。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 相同物料不同倉(cāng)壁材質(zhì)摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.5 Com parison of differentmaterials warehouse wall friction coefficient test results on the same kinds ofmaterials

在3種倉(cāng)壁材質(zhì)上的摩擦系數(shù)大小有一個(gè)趨勢(shì)，即不銹鋼板＞碳鋼板＞環(huán)氧板。其中碳鋼板和環(huán)氧板的摩擦系數(shù)較接近，而不銹鋼板的摩擦系數(shù)與碳鋼板和環(huán)氧板的摩擦系數(shù)相差稍大。這主要是由于倉(cāng)壁材質(zhì)的粗糙度的差異引起的，粗糙度越大的倉(cāng)壁材料，壁摩擦力越大，物料較難滑動(dòng)。因此，在選用礦倉(cāng)內(nèi)壁材料時(shí)，應(yīng)盡量選用粗糙度低的光滑材料，對(duì)于老礦倉(cāng)改造可考慮鋪設(shè)摩擦系數(shù)低的高分子襯板。

3 嘗試的解決辦法

3.1 人工清理

礦倉(cāng)堵塞時(shí)，人工手持鐵錘敲擊礦倉(cāng)下料口，以此產(chǎn)生振動(dòng)，讓物料下落。此法可能會(huì)有短暫的效果，但投入的勞動(dòng)量巨大，效率低下且勞動(dòng)成本高。長(zhǎng)期敲打還會(huì)使礦倉(cāng)的強(qiáng)度受到影響，不是解決問題的根本辦法。當(dāng)堵塞十分嚴(yán)重時(shí)，還需人工進(jìn)入礦倉(cāng)內(nèi)部清理，此項(xiàng)工作危險(xiǎn)性大，極易造成人身傷亡事故發(fā)生。

3.2 高壓水沖洗

由于長(zhǎng)期堵塞導(dǎo)致物料在礦倉(cāng)內(nèi)部板結(jié)很實(shí)，水管不能插入到倉(cāng)壁，即使使用高壓水，也只能將礦倉(cāng)下料口部位的部分粘料清理下來，清理難度和勞動(dòng)強(qiáng)度都大。另外，使用高壓水沖洗，還會(huì)造成周圍環(huán)境衛(wèi)生差。

3.3 使用空氣炮

國(guó)內(nèi)部分礦山為解決礦倉(cāng)堵塞試驗(yàn)過空氣炮，此法是在礦倉(cāng)壁上開若干個(gè)孔，安裝空氣炮(類似于小型儲(chǔ)氣罐)，利用空氣炮瞬時(shí)釋放的壓縮空氣將積料轟下。但空氣炮只能將積料轟出一個(gè)洞，而不能將礦倉(cāng)壁上的積料整片清除，試驗(yàn)效果有限。

3.4 使用振動(dòng)電機(jī)

采用電力驅(qū)動(dòng)，其頻率為700～6 000 Hz/min，振幅可達(dá)1.2 cm［6］。從振動(dòng)器的現(xiàn)場(chǎng)使用來看，該設(shè)備對(duì)振動(dòng)物料下落具有一定的效果，但是很難將將礦倉(cāng)“死區(qū)”的物料振動(dòng)下來，往往還會(huì)適得其反，將某些區(qū)域的物料振實(shí)，加重礦倉(cāng)的堵塞;同時(shí)振動(dòng)器的工作噪音大、穩(wěn)定性差，使用具有很大的局限性［7］。

3.5 改造礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有粉料礦倉(cāng)大多采用一點(diǎn)正載裝料方式，配皮帶輸送機(jī)裝料。部分礦山曾設(shè)想通過增大礦倉(cāng)下料口的數(shù)量、尺寸以及礦倉(cāng)斜面傾角來解決礦倉(cāng)堵塞的難題，由于大多數(shù)礦倉(cāng)已使用多年，改造的費(fèi)用較高且土建施工難度大，改造工期長(zhǎng)直接影響礦倉(cāng)的正常生產(chǎn)，因此此方法適用于新建礦倉(cāng)，對(duì)于老礦倉(cāng)改造意義不大。

4 助流方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)礦倉(cāng)堵塞的原因分析以及以往處理堵塞的經(jīng)驗(yàn)，考慮到礦倉(cāng)建成后改造的困難，優(yōu)化礦倉(cāng)的材質(zhì)與土建改造等方案已不適合已建礦倉(cāng)。在保證使用效果、礦倉(cāng)強(qiáng)度和不影響礦倉(cāng)正常生產(chǎn)的情況下，設(shè)計(jì)出了一套礦倉(cāng)助流系統(tǒng)，系統(tǒng)的方案示意如圖6所示。

圖6 礦倉(cāng)清堵系統(tǒng)方案Fig.6 Ore bin Blocking system Schematic

該清堵方案是將氣動(dòng)助流法和卸料口機(jī)械助流法相結(jié)合，以氣動(dòng)助流為主，機(jī)械助流為輔。氣動(dòng)助流法就是將壓縮空氣壓入到礦倉(cāng)V形斜面的內(nèi)表面上，使物料與礦倉(cāng)內(nèi)表面之間形成瞬時(shí)的間隙，從而消除或減小物料同倉(cāng)壁之間的外摩擦力，這就可使物料沿著倉(cāng)壁下滑，消除物料粘壁和堵塞;機(jī)械助流法是將特制的氣動(dòng)清阻機(jī)的工作機(jī)構(gòu)伸入到金屬礦倉(cāng)下料口內(nèi)部來回?fù)v碎，防止金屬礦倉(cāng)下料口堵塞，破壞物料堆積在下料口的內(nèi)聚力，防止拱的形成。

該系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)清阻機(jī)、助流噴嘴、電氣控制系統(tǒng)以及各類控制閥門(圖中未注明)等設(shè)備組成?？諌簷C(jī)1是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，用來產(chǎn)生壓縮空氣，額定壓力為0.8 MPa。助流儲(chǔ)氣罐2的氣流全部通過氣動(dòng)清阻機(jī)4、助流噴嘴5噴射到礦倉(cāng)內(nèi)部;控制儲(chǔ)氣罐3的壓縮空氣用于管路中各類電控氣動(dòng)閥門的開啟，電控氣動(dòng)閥門得到電信號(hào)后，需要壓縮空氣控制閥門的開閉，動(dòng)作迅速、敏捷。氣動(dòng)清阻機(jī)主要由氣缸和工作機(jī)構(gòu)組成，通過氣缸的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)在卸料口部分進(jìn)行搗碎工作，每個(gè)卸料口可安裝1臺(tái)氣動(dòng)清阻機(jī)?？刂乒癜惭b在人工便于操作的位置，1個(gè)礦倉(cāng)裝有1臺(tái)控制柜，當(dāng)?shù)V倉(cāng)堵塞時(shí)，人工操控控制按鈕就可達(dá)到清倉(cāng)的目的。助流噴嘴安裝在礦倉(cāng)斜面內(nèi)壁四面上，噴射方向沿礦倉(cāng)內(nèi)壁朝下，噴嘴分層布置，同時(shí)對(duì)面交錯(cuò)布置，防止空氣對(duì)吹，造成能量浪費(fèi);助流噴嘴的數(shù)量視礦倉(cāng)的大小確定，一般按1 m3礦石/1個(gè)噴嘴進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 使用效果

該系統(tǒng)先后應(yīng)用于金鉬股份百花嶺選礦廠、馬鋼南山礦業(yè)等單位，系統(tǒng)的運(yùn)行一直穩(wěn)定、高效，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。百花嶺選礦廠磨浮車間粉礦倉(cāng)助流系統(tǒng)安裝前后的部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)參見表2所示。

表2 礦倉(cāng)清堵系統(tǒng)安裝前后粉礦倉(cāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table2 Comparison of the ore bin production data before and after the Blocking system installation

由上表可看出，安裝該系統(tǒng)后的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量都得到了明顯提高，真正實(shí)現(xiàn)了選礦流程的均衡生產(chǎn)。

南山礦業(yè)公司和尚橋選廠和凹山選廠也先后安裝了該助流系統(tǒng)，根據(jù)南山礦業(yè)公司出具的效益計(jì)算書，僅2014年度，該系統(tǒng)的應(yīng)用就為其帶來27 968萬元產(chǎn)值，新增利潤(rùn)1 800余萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。在為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還消除了人工清堵帶來的安全隱患，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了勞動(dòng)環(huán)境，同時(shí)對(duì)環(huán)境友好。

5 結(jié)語

通過對(duì)粉礦倉(cāng)堵塞情況的調(diào)查與研究，高含水率、粒度不均、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)與材質(zhì)設(shè)計(jì)的不合理是造成粉礦倉(cāng)堵塞的主要原因。面對(duì)已建成礦倉(cāng)改造難度大、費(fèi)用高、影響生產(chǎn)的局限，設(shè)計(jì)出一套高效、環(huán)保、安全的礦倉(cāng)清堵助流系統(tǒng)，從使用效果來看，該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分明顯，不僅適用于金屬礦山選礦廠礦倉(cāng)改造，同時(shí)還適用于電力、冶金、煤炭等相關(guān)行業(yè)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。

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