高速氣流破拱清堵技術(shù)在某鐵礦選礦廠的應(yīng)用

汪加軍

(安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237474)

0 引言

安徽某礦業(yè)公司是一家大型鐵礦石采選聯(lián)合企業(yè)，地處安徽省霍邱縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)核心區(qū)域，鐵礦石資源儲量2.78 億t，其中磁鐵礦資源儲量1.05 億t，設(shè)計磁鐵礦采選系統(tǒng)年處理鐵礦石250 萬t，年生產(chǎn)鐵精粉83 萬t。磁鐵礦系統(tǒng)主要入選礦石為單一磁鐵礦石，原礦鐵品位26.82%，品位較低，硫、磷雜質(zhì)含量低，為低品位易選礦石。設(shè)計采用“三段-閉路干選-階段磨礦-階段選別”工藝流程，生產(chǎn)鐵精礦品位66.5%，綜合尾礦鐵品位為7.04%[1]。

安徽某礦業(yè)公司選礦廠鐵礦石經(jīng)過“三段-閉路”流程后，礦料通過膠帶運輸布料小車移動分礦進入原礦倉儲存，再依靠礦料自重從礦倉底部下礦口流出，通過膠帶機輸送至選礦廠磨選系統(tǒng)。受鐵礦石原礦性質(zhì)及原礦倉結(jié)構(gòu)等因素影響，原礦倉容易發(fā)生礦料堆積、棚拱、粘結(jié)等堵塞不下礦現(xiàn)象，特別是礦料潮濕、粉礦量大時表現(xiàn)更為明顯，直接導(dǎo)致原礦倉有效儲存容積減少，生產(chǎn)連續(xù)性降低，從而使原礦倉失去了儲存礦料、均衡調(diào)節(jié)生產(chǎn)的工藝功能，破壞了選礦生產(chǎn)的連續(xù)性，嚴(yán)重制約著選礦生產(chǎn)效率。

1 原礦倉堵塞現(xiàn)象原因分析

選礦廠破碎系統(tǒng)采用傳統(tǒng)“三段-閉路”干選流程，破碎最終礦料經(jīng)膠帶機輸送至磁鐵礦原礦倉儲存，大部分礦料產(chǎn)品粒度較細(xì),粉礦較多。為降低生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵濃度，在各作業(yè)工序易揚塵點均采取了噴淋抑塵措施，導(dǎo)致進入原礦倉的礦料含水量較高，因此在生產(chǎn)運行中原礦倉經(jīng)常出現(xiàn)堵塞不下礦現(xiàn)象。通過長期現(xiàn)場觀察，發(fā)生上述現(xiàn)象時原礦倉內(nèi)礦料的礦料堆積狀態(tài)主要有礦料堆積粘壁、礦料棚拱、漏斗粘結(jié)堵塞等三種狀態(tài)，如圖1所示。

(a)堆積粘壁 (b)礦料棚拱 (c)漏斗粘結(jié)堵塞

堆積沾壁是由于礦倉結(jié)構(gòu)存在流動死區(qū)、礦料在流動過程中沿倉內(nèi)壁形成較大的滯留區(qū)、礦料粉礦量大、含水量高容易沿倉內(nèi)壁逐漸粘結(jié)等因素；礦料棚拱是由于受到了礦料之間的相互吸附作用，從而在倉內(nèi)起拱居高不下而造成的堵塞；漏斗粘結(jié)堵塞是由于倉內(nèi)礦料粘結(jié)成塊或者大塊礦石集中在下礦漏斗周圍，導(dǎo)致其余礦料無法正常流動下礦。

從原礦倉內(nèi)礦料堆積狀態(tài)可以分析得出，礦料與倉壁間的作用力是阻礙礦料正常下礦的主要因素，容易產(chǎn)生礦料沿倉壁粘結(jié)、堆積等現(xiàn)象；礦料之間的作用力是阻礙礦料間相對運動的主要因素，容易產(chǎn)生礦料堆積、棚拱等現(xiàn)象。因此，礦料與倉壁之間的作用力和礦料之間作用力是導(dǎo)致原礦倉內(nèi)礦料堆積、粘結(jié)、棚拱等現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因。

2 選礦廠原礦性質(zhì)及原礦倉結(jié)構(gòu)分析

2.1 原礦性質(zhì)

選礦廠原礦倉內(nèi)礦料在工程上可以看作散狀物料，因此可以用內(nèi)摩擦角來評價礦料的流動性。內(nèi)摩擦角反映了礦料之間相互作用力，內(nèi)摩擦角越大，礦料之間相互作用力越大，流動性越差[2]。礦料內(nèi)摩擦角與其組成顆粒的大小、形狀、含水量等因素有直接的關(guān)系，一般來說，鐵礦石礦料粒度越小，含水量越大，其內(nèi)摩擦角越大，礦料之間相互作用力越大，流動性就越差，從而導(dǎo)致原礦倉礦料無法正常流動下礦。

1)礦料粒度：經(jīng)破碎篩分后的鐵礦石礦料粒度為0～12 mm，最小者僅為幾個微米，且形狀不一。當(dāng)?shù)V料中粉礦量增多時，其內(nèi)摩擦角增大，礦料間相互作用力越大，越容易產(chǎn)生堆積、拱棚等現(xiàn)象。

2)礦料含水量：經(jīng)長期監(jiān)測，原礦倉內(nèi)礦料含水量一般在2%左右，最高可以達到5%以上。當(dāng)?shù)V料含水量較大時，由于水分子的極化作用，礦料內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力隨之增大，容易粘結(jié)成團，具有粘結(jié)性，流動性急劇變差，容易粘結(jié)在礦倉內(nèi)壁或者結(jié)拱，造成粘結(jié)、拱棚等現(xiàn)象。

3)礦料儲存時間：選礦廠原礦倉儲存礦料為鐵礦石，松散密度較大，約為2.22 t/m3。礦料儲存時間越長，礦料堆積的高度越高，礦料之間越容易被壓實，礦料容易由散料轉(zhuǎn)變成集料，導(dǎo)致表面粗糙度增加，內(nèi)摩擦角增大，流動性變差。選礦廠原礦倉設(shè)計儲存礦料8 200 t，儲存緩沖時間28 h，儲存時間過長。在實際生產(chǎn)中，礦倉儲礦時間保持在10 h以下，超過10 h以上時礦倉做放空處理，以減少堵塞不下礦情況出現(xiàn)。

2.2 原礦倉結(jié)構(gòu)

選礦廠原礦倉為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筒倉，倉內(nèi)襯采用厚度為30 mm的高強度耐磨料，選礦廠共配套4座原礦倉，呈一字型排布。自南向北編號為磁1#～磁4#礦倉，原礦倉總?cè)莘e約3 700 m3。礦倉上部由膠帶運輸布料小車，沿著礦倉縱向分兩側(cè)向礦倉內(nèi)布料，礦倉下部結(jié)構(gòu)為圓形平底，在平底底部均勻分布有6個800 mm×800 mm下礦口，礦料從下礦口下料至漏斗中，再經(jīng)膠帶運輸機轉(zhuǎn)運至磨選系統(tǒng)。原礦倉及倉底下礦口示意圖，見圖2。

圖2 原礦倉及倉底下礦口示意圖

由圖2可見，礦倉內(nèi)非下礦口區(qū)域容易形成礦料流動死區(qū)，礦料容易在死區(qū)堆積并向頂部及周圍延伸，降低礦倉內(nèi)部的有效容積，影響礦料流動性。倉內(nèi)襯為高強度耐磨料，表面摩擦系數(shù)大，粗糙度大，導(dǎo)致礦料與倉壁間摩擦力增大，礦料流動性變差。

3 原礦倉堵塞的常規(guī)處理方法

3.1 人工清理

人工清理主要有倉內(nèi)清理、人工搗捅、敲擊振動等三種方式。倉內(nèi)清理，即作業(yè)人員進入礦倉內(nèi)部，自上而下逐層清理，清理過程中安全風(fēng)險較大，且工作量巨大；人工搗捅，人工使用6 m長的DN25鋼管通過下礦漏斗觀察孔處通入倉內(nèi)，不斷搗捅以保證正常下礦，搗捅過程中需要極強的臂力，下礦過程中礦料不斷從觀察孔掉落，存在較大安全隱患，現(xiàn)場文明生產(chǎn)環(huán)境難以保持；敲擊振動，人工使用18磅大錘不間斷的敲擊下料漏斗，產(chǎn)生振動確保正常下礦，大錘持續(xù)敲擊導(dǎo)致下料漏斗變形情況嚴(yán)重，內(nèi)部襯板及連接部位容易脫落，存在較大安全生產(chǎn)隱患，敲擊振動僅對解決下礦口附近粘結(jié)堵塞有效，對倉內(nèi)礦料堆積、棚拱等幾乎沒有效果。

3.2 倉內(nèi)爆破清理

倉內(nèi)爆破清理是由具有爆破作業(yè)資格的人員，按照安全操作規(guī)程，從下礦漏斗觀察孔處將爆破器材送入礦倉內(nèi)部，然后起爆，通過爆破產(chǎn)生的強烈振動破除礦料堆積、拱棚等現(xiàn)象，確保下礦順利。爆破清理方法直接有效，但對倉內(nèi)結(jié)構(gòu)和下礦漏斗具有一定的破壞作用，同時操作較為復(fù)雜，安全隱患較大。

3.3 高壓水清理

高壓水清理是使用高壓水槍對礦倉內(nèi)壁粘結(jié)物料、死區(qū)堆積物料進行沖洗，利用強力的水射流破壞粘結(jié)礦團和棚拱結(jié)構(gòu)，清理難度和勞動強度大，高壓水槍使用存在一定安全隱患，同時容易造成礦料潮濕，下礦口周邊文明生產(chǎn)環(huán)境差。

3.4 振動電機清理

振動電機清理是在礦倉下礦漏斗外壁安裝振動電機，通過電機振動下料，效果略遜于人工敲擊振動，且振動電機噪音大，使用具有一定的局限性。

4 高速氣流破拱清堵技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 破拱清堵器布置及工作機制

針對選礦廠原礦倉堵塞不下礦的現(xiàn)狀，生產(chǎn)現(xiàn)場主要采用人工清理、倉內(nèi)爆破清理的方法進行處理，安全隱患較大，勞動效率較低。2018年，選礦廠根據(jù)原礦倉的結(jié)構(gòu)特征以及生產(chǎn)現(xiàn)場實際，對磁4#原礦倉進行技術(shù)改造，利用高速氣流破拱清堵技術(shù)，在不對原礦倉進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和土建改造的情況下，探索原礦倉堵塞不下礦問題的最優(yōu)解決方案。

通過對原礦倉筒倉形式、下礦漏斗結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場生產(chǎn)實際等因素綜合考慮分析，結(jié)合前期處理堵塞問題的實際經(jīng)驗，在原礦倉倉外及倉下下礦漏斗處等多個部位增設(shè)破拱清堵器(俗稱空氣炮)。

1)倉外部分：根據(jù)原礦倉筒倉圓形結(jié)構(gòu)，在原礦倉外壁四周均勻布置10臺破拱清堵器，破拱清堵器安裝可依據(jù)現(xiàn)場實際情況予以微調(diào)，倉外安裝示意圖和實景圖，如圖3所示。利用破拱清堵器將高速氣流壓入原礦倉，通過高速氣流產(chǎn)生的膨脹沖擊波來消除或減小礦料之間、礦料與倉壁之間相互作用力，破壞堆積、拱棚等堵塞現(xiàn)象，促使礦料正常下礦。

圖3 原礦倉破拱清堵器倉外布置示意圖及實景圖

2)倉下部分：在倉下下礦漏斗側(cè)面靠近下礦口處安裝破拱清堵器，中部兩個下礦漏斗處不安裝，其余處共布置4臺破拱清堵器，倉下下礦漏斗處布置實景圖，如圖4所示。破拱清堵器安裝時根據(jù)實際需要傾斜一定角度，以保證其工作效果。破拱清堵器可以將壓縮空氣瞬時高速噴射出來，高速氣流噴出后產(chǎn)生強大的沖擊力和膨脹力，破壞倉內(nèi)礦料原有靜態(tài)平衡，從而消除粘結(jié)堵塞、堆積沾壁等現(xiàn)象，保證下礦口和下礦漏斗內(nèi)料流順暢。

圖4 原礦倉破拱清堵器倉下布置實景圖

在磁4#原礦倉倉外及倉下下礦漏斗處共布置破拱清堵器14臺，組成高速氣流破拱清堵系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場需要確定不同破拱清堵器的工作次序和工作時間間隔，在實際生產(chǎn)過程中積累經(jīng)驗及運行數(shù)據(jù)，建立破拱清堵系統(tǒng)運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫，不斷探索調(diào)整，確定最優(yōu)組合運行方案，以便于更好的發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能。

4.2 破拱清堵器工作原理及工作過程

選礦廠所用破拱清堵器儲氣罐為100 L,排氣口尺寸為DN100，沖擊力最高可達到15 000 N,相鄰工作時間可根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)整。其工作原理為，利用氣壓平衡和空氣動力學(xué)原理，將一定量的壓縮氣體儲存在氣罐內(nèi)，儲存的壓縮空氣通過固定的噴嘴瞬間釋放，高速高強度的氣流直接沖擊礦倉內(nèi)散狀物料，可以破壞因礦料之間、礦料與倉壁間相互作用力而形成的堆積沾壁、棚拱、粘結(jié)堵塞等狀態(tài)，使礦料恢復(fù)正常重力流動，從而保證礦料輸送和選礦生產(chǎn)過程的連續(xù)性[3]。

破拱清堵器工作過程如圖5所示，主要分為進氣、儲氣、放氣三個過程。

1)進氣過程：外部壓縮氣體通過進氣口進入儲氣罐內(nèi)，持續(xù)充入氣體，直到儲氣罐達到一定壓力為止。

2)儲氣過程：當(dāng)儲氣罐內(nèi)空氣達到一定壓力后，進氣過程停止而氣壓平衡，氣罐儲存空氣，等待釋放信號。

3)放氣過程：接受到控制器釋放信號后,快速排氣閥迅速釋放頂住活塞的壓縮空氣，在壓力差的作用下，活塞迅速回返，氣罐內(nèi)空氣瞬間排出，沖擊礦料。前次放氣過程結(jié)束后, 回流空氣使活塞關(guān)閉,等待下一個工作過程。

圖5 破拱清堵器工作過程

4.3 高速氣流破拱清堵技術(shù)的應(yīng)用效果

破拱清堵系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、自動化控制、運行高效安全、維護工作量小等優(yōu)點。經(jīng)選礦廠長期使用實踐，應(yīng)用效果良好：一是有效解決了原礦倉堵塞不下礦問題,保證了選礦系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)；二是提高了礦倉緩沖能力，延長了上下游工序生產(chǎn)維護時間，更有助于生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)組織；三是消除了以往人工清理和爆破清理帶來的安全隱患，降低了職工勞動強度，現(xiàn)場文明生產(chǎn)環(huán)境得到了改善。

5 結(jié)語

高速氣流破拱清堵技術(shù)在安徽某礦業(yè)公司選礦廠應(yīng)用取得了良好的效果，不僅有效解決了原礦倉堵塞不下礦的問題，還提高了礦倉緩沖能力，消除了傳統(tǒng)清理作業(yè)的安全隱患，降低了職工勞動強度，改善了現(xiàn)場文明生產(chǎn)環(huán)境。高速氣流破拱清堵技術(shù)為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益，也為其他選礦廠類似問題的解決提供了參考依據(jù)，應(yīng)用前景廣泛。