新型充填造漿噴嘴的研制

張 鵬 林曉飛 張傳信

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心；4.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院)

隨著社會的進(jìn)步，環(huán)保意識越來越強(qiáng)，“綠水青山就是金山銀山，寧要綠水青山不要金山銀山”的理念深入人心。對于礦山企業(yè)，采空區(qū)、露天坑的恢復(fù)治理問題越來越突出，而目前解決這個問題的有效途徑就是充填。因此，充填站在諸多礦山中普遍建設(shè)。

充填工藝有多種，目前大部分礦山企業(yè)采用濕式造漿，這種工藝流程中核心內(nèi)容是充填漿料的制備。濕式造漿工藝發(fā)展至今，有砂倉(臥式或立式)造漿和深錐濃密機(jī)造漿2種方式。砂倉造漿主要通過自然沉降充填骨料，達(dá)到一定濃度后底流放出；深錐濃密機(jī)是通過骨料的自然沉降加上圍繞深錐中心緩慢轉(zhuǎn)動的砂耙聚攏充填骨料，達(dá)到一定濃度后底流放出。兩者也有共同點(diǎn)，即骨料在倉體內(nèi)沉積時需要流化，具體為沉降的漿料需要壓氣噴嘴或者壓水噴嘴使其流動起來而不產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象。在造漿的過程中噴嘴的使用頻率高、單次使用時間短，噴嘴的使用壽命很大程度上影響漿體的均勻程度和充填作業(yè)的質(zhì)量。在保證原有的通氣量的前提下，如何提高充填造漿噴嘴的使用壽命是充填項(xiàng)目亟需解決的一個切實(shí)問題。

1 充填造漿噴嘴概況

立式砂倉和臥式砂倉充填漿料制備的一個重要部件是充填造漿噴嘴，其使用數(shù)量多(一個倉多達(dá)上百個)、工作條件惡劣、易磨損、易堵塞、容易受到腐蝕，造漿濃度的高低和噴嘴的好壞有密不可分的關(guān)系。

第一代造漿噴嘴大多為彈力套式逆止噴嘴(圖1)[1]或此種噴嘴的變形。

圖1 一種常見的彈力套式逆止噴嘴結(jié)構(gòu)示意

第二代造漿噴嘴主要改進(jìn)了彈力膠套，采用金屬材料配合彈簧作為閥體的逆止機(jī)構(gòu)。改進(jìn)后無橡膠套的噴嘴見圖2。

圖2 改進(jìn)后的一種彈簧逆止噴嘴結(jié)構(gòu)示意

上述常見的噴嘴使用中缺點(diǎn)明顯，第一代噴嘴的橡膠易老化，第二代噴嘴雖然使用了彈簧代替橡膠管，但是出氣孔容易進(jìn)入充填漿料而堵塞噴嘴，同時在工作中彈簧處于高頻振動，彈簧的機(jī)械疲勞使其過早的斷裂，失去逆止回彈的作用。

從金山店鐵礦、白象山鐵礦、冬瓜山銅礦等幾家礦山的充填噴嘴使用情況反饋來看，導(dǎo)致噴嘴失效的主要原因是彈簧問題，其次是磨損故障，噴嘴失效的主要原因分析見表1。

2 新型噴嘴的研制與改進(jìn)

為解決上述2種噴嘴存在的問題，經(jīng)過不斷試驗(yàn)，研制出一種新型的造漿噴嘴。通過對內(nèi)部機(jī)械部分進(jìn)行改進(jìn)，克服了第一代噴嘴乳膠管老化的問題，同時解決了第二代噴嘴容易堵塞的缺點(diǎn)，大大增加了使用壽命。

新型噴嘴結(jié)構(gòu)見圖3。工作時，壓縮氣體推動活塞壓縮彈簧，活塞移動至排氣孔后停止運(yùn)動，氣體排出，進(jìn)行造漿；不工作時，活塞在彈簧的壓力下恢復(fù)原位，封閉排氣孔，防止充填漿料進(jìn)入閥體[2]。

新型噴嘴完全滿足充填造漿的要求，使用壽命較長。但是發(fā)現(xiàn)閥體彈簧的壽命仍然不夠理想，大約工作500～800 h。

表1 部分礦山噴嘴損壞情況

注：統(tǒng)計(jì)為粗計(jì)，周期為1 a或平均到1 a，冬瓜山銅礦沒有具體數(shù)據(jù)。

圖3 新型造漿噴嘴結(jié)構(gòu)示意

后期經(jīng)過研究，采取升級彈簧的材質(zhì)，提高彈簧硬度至45～50HRC，合理設(shè)計(jì)彈簧的尺寸，提高活塞后導(dǎo)孔間隙配合的加工精度等一系列措施，彈簧的使用壽命提高約20%以上，個別噴嘴使用壽命達(dá)到1 100 h，仍能夠正常使用，噴嘴用彈簧改進(jìn)項(xiàng)目見表2。

表2 噴嘴用彈簧改進(jìn)項(xiàng)目

3 新型噴嘴的應(yīng)用

新型噴嘴設(shè)計(jì)及試驗(yàn)后在多家礦山企業(yè)使用，取得良好的效果。

2009年6月在吳莊鐵礦充填站首次使用新型噴嘴。使用1 a后，基本滿足使用要求。損壞部件主要為彈簧，之后經(jīng)過改進(jìn)彈簧設(shè)計(jì)，彈簧損壞的情況明顯好轉(zhuǎn)，噴嘴損壞率大大降低。

2013年11月在富凱礦業(yè)充填站建設(shè)完成后使用改進(jìn)后的新型噴嘴，4座砂倉安裝的384個造漿噴嘴90%以上使用壽命超過1 a。2014年和2015年生產(chǎn)期間更換噴嘴大約150個，約61%的噴嘴使用達(dá)到2 a。

2015年5月大浞河鐵礦采用123個新型充填噴嘴。由于此礦山使用的造漿水含有腐蝕性的氯離子，為提高使用壽命，設(shè)計(jì)材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2(316)奧氏體不銹鋼，80%以上充填噴嘴使用1 a以上，效果良好。

4 噴嘴壽命提升

新型噴嘴的研制成功表明造漿噴嘴的提升是可能的。隨著選礦工藝的進(jìn)步、工礦企業(yè)對充填的要求更為迫切、更為惡劣的使用環(huán)境(比如各種酸、堿溶液的環(huán)境，有色礦山極細(xì)粒尾礦的環(huán)境，需要連續(xù)充填的工作條件等)都對充填造漿噴嘴的使用壽命、耐腐蝕性提出更高的要求。

從材質(zhì)出發(fā)，理想的閥體材質(zhì)為鈦合金。鈦合金耐酸堿、耐磨、硬度高、不易磨損，是制造噴嘴的最佳選擇。但是，鈦合金作為材料加工成本太大，成品率小，使鈦合金的使用大大受到限制。

另一方面，隨著冶金科技的進(jìn)步，耐磨不銹鋼材的性能逐步提高，因此，高強(qiáng)度耐磨不銹鋼是噴嘴材質(zhì)合適的選擇方向。耐磨損宜選用馬氏體型不銹鋼，抗腐蝕宜選用奧氏體型不銹鋼。

第三個提高閥體壽命的方法是改進(jìn)金屬摩擦面的表面處理工藝。腔體與活塞經(jīng)過退火、淬火和回火的處理，能大大提高表面的硬度。奧氏體不銹鋼成分(質(zhì)量，%)為C0.04,M 1.3,Si0.6,Cr16,Ni10.4,Mo2.2,退火態(tài)的硬度為HV148；馬氏體不銹鋼成分(質(zhì)量，%)為C0.15,Mn1.0,Cr16.4,淬火回火態(tài)的硬度為HV387[3]。

5 結(jié) 語

充填漿料均勻與否、濃度高低由多種因素決定，充填造漿噴嘴往往是被忽略的一個方面。新型造漿噴嘴的成功研制大幅度增加了使用壽命，減少了故障率。使用新型造漿噴嘴造漿，大大提高了充填的料漿制備的均勻程度和質(zhì)量濃度，從而間接提高了充填強(qiáng)度，減少了充填膠凝劑的使用，降低了企業(yè)成本。充填造漿噴嘴集合了機(jī)械制造工藝的進(jìn)步、冶金材料科學(xué)的發(fā)展和精巧的設(shè)計(jì)，其更新?lián)Q代也推動著充填工藝朝著更先進(jìn)的方向發(fā)展。