粗粒徑漿體輸送管道磨蝕試驗(yàn)研究

高 偉，李緒忠，全 源

（1. 長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2. 長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 工程概況

某選礦廠排出尾礦量約38000t/d，尾礦輸送管線起點(diǎn)為選礦廠尾礦濃密池，終點(diǎn)為尾礦庫(kù)。管道起點(diǎn)標(biāo)高3500米，終點(diǎn)標(biāo)高3550米。為了提高長(zhǎng)距離礦漿管道工程設(shè)計(jì)的安全可靠度，在管道工程詳細(xì)設(shè)計(jì)前，對(duì)輸送礦漿進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)和半工業(yè)環(huán)管磨蝕輸送試驗(yàn)，為長(zhǎng)距離尾礦輸送管道的工程參數(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供依據(jù)。

管道試驗(yàn)研究主要研究?jī)?nèi)容：1）不同材質(zhì)管道在輸送礦漿體時(shí)的磨蝕速率研究；2）漿體流變特性研究；3）漿體的極限坡度研究。4）通過(guò)試驗(yàn)研究獲得漿體管道輸送工藝參數(shù)。

2 漿體流變?cè)囼?yàn)研究

（1）漿體流變特性測(cè)試方法。流變特性研究包括漿體的粘度和屈服應(yīng)力，兩個(gè)參數(shù)由HAAKE VT550數(shù)字粘度計(jì)測(cè)得。HAAKE VT550是業(yè)界通用的用于測(cè)定礦漿屈服應(yīng)力和塑性粘度的儀器，本次測(cè)定屈服應(yīng)力的轉(zhuǎn)子是6刃葉片轉(zhuǎn)子FL-100，

圖1 流動(dòng)曲線

屈服應(yīng)力的測(cè)定方法：測(cè)定礦漿不同剪切率下的剪切應(yīng)力，得到圖1所示的流動(dòng)曲線，流動(dòng)曲線同時(shí)給出剪切應(yīng)力、粘度和剪切率的關(guān)系，如圖1直線和縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為屈服應(yīng)力，圖中直線的斜率為粘度。數(shù)字粘度計(jì)自動(dòng)給出屈服應(yīng)力和粘度數(shù)值。

（2）屈服應(yīng)力的測(cè)定方法。測(cè)定礦漿不同剪切率下的剪切應(yīng)力，得到圖1所示的流動(dòng)曲線，流動(dòng)曲線同時(shí)給出剪切應(yīng)力、粘度和剪切率的關(guān)系，如圖1直線和縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為屈服應(yīng)力，圖中直線的斜率為粘度。數(shù)字粘度計(jì)自動(dòng)給出屈服應(yīng)力和粘度數(shù)值。漿體流變特性測(cè)試結(jié)果采用HAAKE VT550流變測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行漿體流變性能測(cè)試，包括不同濃度漿體的動(dòng)力粘度與屈服應(yīng)力。不同濃度漿體的屈服應(yīng)力和粘度詳見(jiàn)圖2。

屈服應(yīng)力和粘度測(cè)試結(jié)果表明：礦漿濃度為50%時(shí)屈服應(yīng)力和粘度仍較低，仍呈現(xiàn)典型的漿體特性；當(dāng)?shù)V漿濃度超過(guò)50%時(shí)，濃度的較小變化導(dǎo)致屈服應(yīng)力和粘度的較大變化，屈服應(yīng)力和粘度對(duì)濃度變得較敏感，因此合適的輸送濃度應(yīng)為50%左右。

圖2 不同濃度漿體屈服應(yīng)力和粘度

3 漿體滑移角安息角試驗(yàn)

漿體輸送管道的最大敷設(shè)坡度是通過(guò)漿體沉積層靜止沉降安息角和滑移角試驗(yàn)來(lái)確定的。

滑移角是指沉積在水平管道內(nèi)的漿體沉積層滑動(dòng)時(shí)的管道傾角α；安息角是指漿體在傾斜管內(nèi)沉積時(shí)，沉積面和水平面之間的夾角β。

前者試驗(yàn)時(shí)，將制成所需濃度的漿體裝入直徑100mm長(zhǎng)1m的有機(jī)玻璃試管內(nèi)。搖動(dòng)均勻后，水平放置在試驗(yàn)裝置上，待漿體顆粒完全沉降形成沉積層后，將試管一頭慢慢均勻升起，直至沉積層開(kāi)始向下滑動(dòng)時(shí)止，滑動(dòng)前的極限角即為滑移角（沉積層水下靜止安息角）。后者試驗(yàn)時(shí)，將試管內(nèi)漿體搖動(dòng)均勻后，快速置于預(yù)先設(shè)定好角度的試管裝置上，待管內(nèi)漿體固體顆粒自然沉降后，測(cè)量沉積層的角度。這一角度與試驗(yàn)管的預(yù)先設(shè)定角度有關(guān)，需要多次試驗(yàn)才能確定。最后以形成的沉積層基本無(wú)滑動(dòng)，不堵塞斜管下部端面為準(zhǔn)。經(jīng)多次試驗(yàn)，銅礦漿體的滑移角和安息角見(jiàn)表1、表2。

表1 漿體滑移角實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 漿體安息角實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 磨蝕試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

研究不同材質(zhì)尾礦漿體輸送管道的磨蝕性能。

4.2 被測(cè)樣品

（1）樣品種類(lèi)。共三種試驗(yàn)樣品。分別為：①裸鋼管，X52材質(zhì)，用A表示。②超高PE，用B表示。③鋼膠鋼管，用C表示。

（2）樣品規(guī)格。每種樣品提供兩套，每套由五個(gè)試件組成，每個(gè)試件長(zhǎng)40mm～80mm。

4.3 試驗(yàn)介質(zhì)條件

尾礦漿體，重量濃度50%。

4.4 試驗(yàn)方法

采用環(huán)管磨蝕模擬試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)。每種樣品有五個(gè)相同的試件組成，其中間三個(gè)為有效磨損試件，前后各一為過(guò)渡試件。通過(guò)止口串聯(lián)于管道上測(cè)試。

4.5 試驗(yàn)系統(tǒng)

①試驗(yàn)系統(tǒng)由30m內(nèi)徑50mm環(huán)管、直徑800mm礦漿攪拌槽、50ZJ-I-A-33渣漿泵、兩組冷水套管、流量計(jì)等附件組成。②溫度控制：為控制漿體溫度，管路上裝置兩組冷水套管，試驗(yàn)時(shí)通入自來(lái)水對(duì)管道降溫。③流量控制：渣漿泵配置變頻器，出口安裝調(diào)節(jié)閥和電磁流量計(jì)，控制和測(cè)定環(huán)管內(nèi)漿體流量，以確定試驗(yàn)漿體流速，保持試驗(yàn)過(guò)程穩(wěn)定。④濃度控制：人工測(cè)定，每四小時(shí)測(cè)定一次，保證循環(huán)漿體成分恒定。

4.6 試驗(yàn)步驟

①3.5噸原礦按照碎磨工藝參數(shù)進(jìn)行破碎、磨礦。②將細(xì)度合格礦樣與水按照比例配成50%重量濃度漿體，加入CaO（因選礦工藝采用石灰作為調(diào)整劑）調(diào)整漿體PH值到8.0。③漿體在攪拌槽中攪拌均勻后，開(kāi)啟渣漿泵進(jìn)行環(huán)管循環(huán)磨損試驗(yàn)，循環(huán)流速2.75m/s，渣漿泵流量15m3/h。④為保持試樣粒級(jí)組成的穩(wěn)定，排除粒級(jí)變化給磨蝕試驗(yàn)帶來(lái)的誤差，初次試驗(yàn)時(shí)間暫定30小時(shí)，試驗(yàn)后通過(guò)分析粒度組成和顆粒形狀變化情況確定每次試驗(yàn)時(shí)間。單一粒度單一流速工況下，進(jìn)行三次試驗(yàn)。⑤每次試驗(yàn)需要測(cè)試和記錄運(yùn)行工況數(shù)據(jù)：濃度C、流量Q、漿體溫度T、粒度分布。數(shù)據(jù)每四小時(shí)測(cè)定記錄一次。⑥磨蝕量采用稱(chēng)量法測(cè)定。串接于環(huán)管中的短管試件經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間的運(yùn)行磨蝕后卸下，清除污垢后烘干至恒重，采用精密電子分析天平稱(chēng)量。用測(cè)得試件的磨蝕量進(jìn)行換算，得到管道內(nèi)壁平均磨蝕量，并換算為管道年平均磨蝕厚度。

4.7 磨蝕試驗(yàn)結(jié)果

管道磨蝕量采用稱(chēng)重法測(cè)定。為盡量避免試件機(jī)加工微小刀紋對(duì)磨蝕試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)分兩步進(jìn)行。首先把試件串接于環(huán)管中，經(jīng)過(guò)30小時(shí)初磨蝕后卸下，清除礦漿污垢后烘干至恒重。測(cè)定30小時(shí)的磨蝕量。然后再把試件串接于環(huán)管中進(jìn)行兩次72小時(shí)的磨蝕試驗(yàn)。采用下式進(jìn)行計(jì)算。

管道磨蝕試驗(yàn)表明：此種礦漿對(duì)鋼管的磨蝕較高，超高PE和襯橡膠鋼管的磨蝕較低，三種管道材質(zhì)以襯膠鋼管最為耐磨。

5 結(jié)論

（1）漿體流變特性研究表明。礦漿濃度為50%時(shí)屈服應(yīng)力和粘度仍較低，仍呈現(xiàn)典型的漿體特性；當(dāng)?shù)V漿濃度超過(guò)50%時(shí)，濃度的較小變化導(dǎo)致屈服應(yīng)力和粘度的較大變化，屈服應(yīng)力和粘度對(duì)濃度變得較敏感，因此合適的輸送應(yīng)為50%.

（2）管道磨蝕試驗(yàn)表明。此種礦漿對(duì)鋼管的磨蝕較高，超高PE和襯膠鋼管的磨蝕較低，三種管道材質(zhì)以襯膠鋼管最為耐磨。對(duì)于襯膠鋼管，一般的襯膠厚度大于5mm,此種管道在輸送濃度為50%，輸送速度為2.75m/s時(shí)，服務(wù)壽命可達(dá)25年以上。