某鋁土礦尾礦管道輸送試驗(yàn)研究①

鐘明旭，方 臣，曾建紅

（1．中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410007；2．長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012）

固體物料長(zhǎng)距離管道水力輸送是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種運(yùn)輸方式，在國(guó)外金屬礦山和煤礦得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開始關(guān)注這一運(yùn)輸方式并陸續(xù)建成了多條漿體長(zhǎng)距離輸送管線，為我國(guó)應(yīng)用長(zhǎng)距離管道水力輸送開辟了道路。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，某鋁土礦洗礦車間尾礦赤泥進(jìn)入高效濃密池濃縮，底流赤泥通過泵壓管道輸送35 km至尾礦庫(kù)。依據(jù)GB 50863—2013《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定［1］：“輸送距離大于10 km的長(zhǎng)距離尾礦輸送及特殊漿體的輸送，除應(yīng)進(jìn)行小型靜態(tài)試驗(yàn)外，尚應(yīng)進(jìn)行半工業(yè)性環(huán)管試驗(yàn)”，為了提高長(zhǎng)距離礦漿管道工程設(shè)計(jì)的安全可靠度，本文在尾礦漿體流變?cè)囼?yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行環(huán)管試驗(yàn)，得到了管道阻力損失等關(guān)鍵工藝技術(shù)參數(shù)，為尾礦管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 漿體物化性質(zhì)

試驗(yàn)所用樣品取自洗礦廠濃密機(jī)底流。采用尾礦漿靜置沉降后的上層清液進(jìn)行漿體水化學(xué)特性分析，測(cè)得其pH值為7．53，其中、Ca2＋含量較高，Cl－含量較低，其他參數(shù)見表1。根據(jù)漿體水化學(xué)成分可選擇合適的輸送管道材料，降低腐蝕率。

表1 漿體水化學(xué)特性測(cè)定結(jié)果／（mg·L－1）

采用比重瓶法測(cè)得尾礦干比重為2．69。篩分分析尾礦固體物料粒徑組成，粒徑－45μm粒級(jí)占比89%。采用Mastersizer2000激光粒度分析儀測(cè)定粒徑－45μm粒級(jí)尾礦，其特征值d10＝0．687μm，d50＝2．731μm，d90＝14．021μm，粒度分析結(jié)果見圖1。由圖1可知，尾礦粒級(jí)組成曲線大部分比較平緩。通常使用不均勻系數(shù)Cu反映粒度分布曲線上的顆粒分布范圍，使用曲率系數(shù)Cc描述級(jí)配曲線平滑程度，當(dāng)Cu≥5、Cc＝1～3時(shí)為良好級(jí)配［2］。根據(jù)尾礦粒級(jí)組成測(cè)試結(jié)果計(jì)算得Cu＝7．03，Cc＝0．71，表明該尾礦粒組分布較廣，為非均勻粒徑組成，曲率系數(shù)略小，表示d30和d60范圍內(nèi)有臺(tái)階，在這一范圍內(nèi)缺少某粒徑尾礦。整體而言，該尾礦粒徑級(jí)配較好。

圖1 尾礦粒度組成曲線

2 漿體流變特性研究

采用數(shù)字黏度計(jì)測(cè)定尾礦漿體的動(dòng)力黏度和屈服應(yīng)力。測(cè)定礦漿在不同剪切率下的剪切應(yīng)力，得到剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行擬合即得到漿體流變曲線，流變曲線上剪切速率零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力點(diǎn)即為屈服應(yīng)力，流變曲線的斜率為黏度。數(shù)字黏度計(jì)可自動(dòng)分析測(cè)定數(shù)據(jù)，給出屈服應(yīng)力和黏度數(shù)值。

根據(jù)尾礦輸送濃度范圍要求，進(jìn)行了尾礦漿濃度13%～39%的流變測(cè)試，結(jié)果見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，濃度29%的尾礦漿體屈服應(yīng)力達(dá)到20．3 Pa、黏度高達(dá)34．4 mPa·s，高于目前工業(yè)應(yīng)用的遠(yuǎn)距離輸送漿體屈服應(yīng)力和黏度上限值；濃度25%的尾礦漿屈服應(yīng)力11．45 Pa、動(dòng)力黏度21．33 mPa·s，是該尾礦漿長(zhǎng)距離管道輸送的最佳濃度。濃度25%尾礦漿的流變參數(shù)測(cè)定結(jié)果見表2，剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，尾礦礦漿黏度隨剪切率增加不斷降低，一直沒有穩(wěn)定的黏度，表明這種礦漿是觸變性流體。觸變性流體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)間形成結(jié)構(gòu)，流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)破壞，停止流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)恢復(fù)，但結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)都不是立即完成的，因此系統(tǒng)的流動(dòng)性質(zhì)有明顯的時(shí)間依賴性。具有良好觸變性流體較適用于泵壓長(zhǎng)距離輸送，連續(xù)輸送時(shí)，在外力作用下尾礦漿黏度低，沖刷力強(qiáng)，泵效率高，但一旦停泵，尾礦漿黏度迅速升高，尾礦漿內(nèi)粗顆粒自然沉降阻力變大，不易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，堵管風(fēng)險(xiǎn)較低［3－5］。

圖2 不同濃度礦漿的屈服應(yīng)力

圖3 不同濃度礦漿的粘度

圖4 尾礦漿剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系曲線

表2 濃度25%尾礦流變參數(shù)測(cè)定結(jié)果

3 管道輸送阻力損失分析

3．1 臨界流速計(jì)算

在管道輸送工程設(shè)計(jì)中，臨界流速表示輸送物料中固體顆粒保持紊流不沉降淤積所需的最低流速。比臨界流速更低的流速將導(dǎo)致管底形成固體顆粒沉積床面，摩擦阻力損失會(huì)隨之增大，并常具有脈動(dòng)性。物料在管道內(nèi)輸送的實(shí)際流速低于臨界流速，管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)較高。

迄今為止，Durand、Wasp、Shook、劉德忠、費(fèi)祥俊和鄒偉生等均提出了有代表性的臨界流速公式［6－10］，這些公式從不同角度對(duì)臨界流速進(jìn)行了研究，由于各自研究的固體物料、試驗(yàn)條件與手段以及研究目的存在一定差異和局限性，在各自研究范圍中這些公式具有一定的適用性。根據(jù)本次研究的尾礦物化特性及其流變特性參數(shù)，選擇Durand公式進(jìn)行臨界流速的計(jì)算［11］：

式中VD為臨界流速，m／s；FL為速度系數(shù)，與濃度和粒徑相關(guān)，根據(jù)中值粒徑，查圖得FL≈0．45；D為輸送管道內(nèi)徑，m；g為重力加速度，g＝9．8 m／s2；ρs為固體密度，t／m3；ρl為載體密度，t／m3。

不同管徑不同濃度下尾礦漿臨界流速見表3。

表3 臨界流速計(jì)算結(jié)果

由表3可知，同一濃度下，臨界流速隨輸送管徑增大而變大；同一輸送管徑條件下，臨界流速隨尾礦漿濃度提高而變小，即此物料的臨界流速與管徑成正比，與濃度成反比。

3．2 環(huán)管試驗(yàn)

尾礦漿體在管道中流動(dòng)，會(huì)受管壁粗糙程度、過流斷面大小、流動(dòng)速度等因素的影響而產(chǎn)生壓頭損失，或稱為摩擦阻力，通常利用環(huán)管試驗(yàn)測(cè)定漿體輸送阻力損失［12］。環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)由水力攪拌桶、輸送渣漿泵、調(diào)漿渣漿泵、試驗(yàn)管道、測(cè)控系統(tǒng)組成。試驗(yàn)管道為DN200無(wú)縫鋼管。試驗(yàn)主泵采用變頻調(diào)速，以便試驗(yàn)不同的流速，通過壓力傳感器測(cè)定固定長(zhǎng)度水平管道上的阻力損失數(shù)值，以此試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按下式計(jì)算尾礦漿輸送的摩阻系數(shù)：

式中f為輸送礦漿時(shí)管道摩阻系數(shù)；ΔH為輸送礦漿時(shí)100 m管道的摩阻損失，m；L為輸送管道長(zhǎng)度，L＝100 m；V為輸送礦漿時(shí)的流速，m／s。

對(duì)濃度20%～33%尾礦漿進(jìn)行環(huán)管試驗(yàn)，得到輸送阻力損失與流速關(guān)系如圖5所示，摩阻系數(shù)與流速關(guān)系如圖6所示。圖5～6表明，同一輸送流速下，管道阻力損失隨濃度增大而增加，這是由于濃度提高，漿體黏度變大，加大了漿體黏稠性，使得流動(dòng)過程中摩擦阻力增大；同一濃度下，管道輸送流速增大，摩擦力做功損失動(dòng)能值增大，使得壓頭降低，摩阻損失增大。

圖5 不同濃度下管道摩阻損失變化曲線

圖6 不同濃度下管道摩阻系數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

1）流變特性測(cè)定結(jié)果表明，該尾礦漿黏度大、屈服應(yīng)力高，屬觸變性漿體。

2）尾礦漿管道輸送阻力與尾礦漿濃度和流速有關(guān)，同一輸送流速下，管道阻力損失隨濃度增大而增加；同一濃度下，管道輸送流速增大，壓力損失增大。

3）推薦該尾礦赤泥泵壓管道輸送濃度25%、輸送速度2．0 m／s，該條件下管輸摩阻系數(shù)為0．05，在DN200管道內(nèi)輸送阻力損失為0．54 kPa／m。

4）通過環(huán)管試驗(yàn)得到的摩阻系數(shù)可對(duì)輸送管道的選型提供理論指導(dǎo)，可估算不同管徑下的沿程阻力損失情況，為管道工程設(shè)計(jì)提供有力參考。