粉礦倉清堵技術(shù)研究

王向榮，陳 澤，張曉崢，張兆光

(1.中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021) (2.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050051)

中國硬巖鈾礦加工企業(yè)在選冶生產(chǎn)中普遍使用粉礦倉調(diào)節(jié)生產(chǎn)流程、分配礦石量，以保證選冶工藝的連續(xù)、穩(wěn)定運行[1]。粉礦中的細粒級礦物含量和水分含量與物料的流動性成反比，物料的含水率越高，流動性越差。物料含水率高時，物料之間以及物料與倉壁之間都易產(chǎn)生粘結(jié)，特別是出料口處的物料一旦粘結(jié)，出料口將逐漸減小，從而發(fā)生粘壁和起拱現(xiàn)象，嚴重時將導(dǎo)致生產(chǎn)過程阻斷。當(dāng)粉礦倉出現(xiàn)堵塞時，當(dāng)前鈾礦企業(yè)普遍采用人工清堵方法，如操作人員進入礦倉清堵、人工倉外清堵、爆破法清堵等，清堵過程存在嚴重的安全隱患。

筆者對鈾選冶廠粉礦倉堵塞原因進行了詳細分析，在廣泛調(diào)研國內(nèi)鈾選冶廠粉礦倉生產(chǎn)情況和國內(nèi)粉礦倉主要清堵技術(shù)的基礎(chǔ)上，對北方某鈾業(yè)公司的粉礦倉進行了清堵專項研究，以期找到安全、高效的清堵方案。

1 鈾選冶廠粉礦倉堵塞類型及原因

1.1 粉礦倉堵塞類型

粉礦倉堵塞類型主要分為粘壁性堵塞和拱型堵塞。卸礦過程中，物料沿倉壁及礦倉下部錐形面依靠重力下落，當(dāng)物料含水率高且粘性成分較多時，物料就會粘附在出料口的倉壁和礦倉下部錐形面上，使得礦倉出料口阻塞和棚料，形成粘壁形堵塞，如圖1(a)所示。隨物料粘性的進一步增加，物料的內(nèi)聚力也增大，當(dāng)內(nèi)聚力大于礦石自身重力時，形成拱型堵塞，此時倉內(nèi)物料完全停止流動，如圖1(b)所示。

圖1 粉礦倉堵塞類型Fig. 1 Blockage type of fine ore bin

1.2 粉礦倉堵塞原因分析

對國內(nèi)礦冶系統(tǒng)的27個粉礦倉進行了系統(tǒng)調(diào)研，其中：易堵塞礦倉包括軟錳礦倉和破碎成品礦倉，共7個；堵塞后多采用人工清堵，堵塞嚴重時礦倉有效容積僅為設(shè)計的10%～20%。

為了提高礦倉利用率，每年在生產(chǎn)間歇期，操作工系安全繩后下至礦倉，用自制工具清理粘附在倉壁上的粉礦。每天清理的礦量供當(dāng)天生產(chǎn)使用，每次清理歷時約10 d，清理時間長，勞動強度大，清堵過程存在嚴重的安全隱患。鈾選冶廠粉礦倉生產(chǎn)情況見表1。

表1 鈾選冶廠粉礦倉生產(chǎn)情況Table 1 Production of fine ore bin in uranium mining and metallurgy plant

由表1可見，鈾選冶廠的粉礦倉按照容積劃分，包括1個600 m3礦倉、10個200～230 m3礦倉、6個130～180 m3礦倉以及10個100 m3以內(nèi)的礦倉；按照結(jié)構(gòu)形式分為倉底四面傾斜的矩形礦倉和圓形錐底倉；按照倉壁結(jié)構(gòu)分為鋼筋混凝土倉和鋼倉；按照貯存的物料分軟錳礦倉和鈾礦石倉。

12 m3和18 m3軟錳礦倉經(jīng)常發(fā)生粘壁堵塞現(xiàn)象。分析認為當(dāng)粒度較小、含水率高時，軟錳礦粉容易發(fā)生粘結(jié)；含水率高是導(dǎo)致礦倉軟錳礦堵塞的主要原因。通過調(diào)整軟錳礦粉運輸方式，將露天運輸改為集裝箱封閉運輸后，有效避免了運輸過程的降雨影響，自此軟錳礦粉礦倉未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

600 m3軟錳礦倉的軟錳礦含水率經(jīng)常達到20%，有時甚至達到30%，遠超過冶金行業(yè)標準中產(chǎn)品的含水率不大于4%的規(guī)定。分析認為軟錳礦在運輸和存放過程中無遮雨措施，致使軟錳礦含水率增高，含水率高是導(dǎo)致軟錳礦倉產(chǎn)生粘壁堵塞的主要原因。

180 m3圓形錐底混凝土倉屬于北方某鈾業(yè)公司，用于貯存破碎后的鈾礦石，礦石粒度分布見表2。礦倉錐體部分高2.1 m，傾角40°，非雨雪天氣時的礦石含水率約為3%，堵塞形式主要為粘壁型堵塞；雨季或雪融季節(jié)礦石含水率升至18%～20%時，堵塞形式演變?yōu)楣靶投氯?。分析認為粉礦中細粒級成分較多、遇水易發(fā)生泥化，以及礦倉傾角小是導(dǎo)致粉礦倉堵塞的主要原因。企業(yè)對粉礦倉進行了清堵技術(shù)改造，在倉內(nèi)加襯鋼板將錐體傾角加大至50°，并在鋼板與原粉礦倉錐體部分之間加裝4臺倉壁振動器，單臺功率0.12 kW。經(jīng)過改造，堵塞情況明顯改善；但倉壁振動器功率較小，粉礦倉的容積利用率提高有限，倉壁振動器也經(jīng)常因為過載而損壞。

表2 粉礦粒度分布Table 2 Particle size distribution of fine ore

2 粉礦倉清堵技術(shù)現(xiàn)狀

為了解決粉礦堵塞問題，大多采用炸藥爆破、人工清堵等方法。這些方法不僅勞動強度大、效率低，而且容易發(fā)生人身傷亡事故。隨著對安全生產(chǎn)的重視，安全、高效的機械清堵技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了氣動法、機械振動法、機械逐層清理法等新型清堵技術(shù)。

2.1 氣動法

2.1.1 噴氣振動墊[2]

在礦倉內(nèi)壁起拱位置安裝噴氣振動墊，壓縮空氣從噴氣振動墊與礦倉內(nèi)壁的間隙噴入礦倉，并在物料中釋放，促使物料流動。關(guān)閉壓縮空氣后，物料的壓力和噴氣振動墊自身的獨特結(jié)構(gòu)迫使噴氣振動墊緊貼在礦倉內(nèi)壁上，防止物料進入噴氣振動墊底部和供氣管路。噴氣振動墊體積小、重量輕，但維修困難、表面易磨損。噴氣振動墊工作原理如圖2所示。

圖2 噴氣振動墊工作示意圖Fig. 2 Working diagram of air jet vibration pad

2.1.2 空氣炮清堵裝置

貯存于氣罐的壓縮空氣通過排氣管快速釋放，產(chǎn)生的超音速沖擊氣流作用于礦倉內(nèi)的物料上，使粘結(jié)、壓實、起拱的物料產(chǎn)生破裂和位移。空氣炮清堵裝置在水泥、電廠、煤礦、鋼鐵廠、礦山、碼頭等，都取得了很好的效果[3-7]?？諝馀谇宥卵b置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 空氣炮清堵裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structural diagram of air cannon

2.1.3 旋風(fēng)式清堵裝置

旋風(fēng)式清堵裝置如圖4所示，采用壓縮空氣作為驅(qū)動力。將高壓空氣管依螺旋線軌跡布置于礦倉外壁，空氣管上的各個噴嘴同時向料倉內(nèi)噴射高壓空氣，形成旋風(fēng)式氣流。在旋風(fēng)式氣流作用下，物料脫離倉壁，從而消除粘壁堵塞。旋風(fēng)式清堵裝置主要用于圓錐形或雙曲線形粉礦倉[8]，在某電廠煤倉的應(yīng)用效果較為理想。

圖4 旋風(fēng)式清堵裝置實物圖Fig. 4 Physical diagram of cyclone type plug cleaning device

2.1.4 矩陣式清堵裝置[9]

矩陣式清堵裝置的工作原理及系統(tǒng)組成與旋風(fēng)式清堵裝置類似，區(qū)別在于矩陣式清堵裝置的清堵噴嘴采用矩陣式布置，而旋風(fēng)式清堵裝置的清堵噴嘴采用螺旋狀布置。矩陣式清堵裝置更適用于矩形粉礦倉。

2.2 機械振動法

機械振動法是通過倉壁振動器的高頻振動來防止礦倉堵塞，振動器主要分為氣動式[10]和電磁振動式。

2.2.1 氣動式振動器

氣動式振動器振動頻率一般為60次/min。將振動器底座焊接于礦倉外壁，再將振動器通過緊固件與底座連接。氣動式振動器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 氣動式振動器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Structural diagram of pneumatic vibrator

2.2.2 電磁式振動器

電磁式振動器俗稱倉壁振動器，廣泛應(yīng)用于煤礦、金屬礦山和水泥等行業(yè)[11-14]。倉壁振動器以振動電機為激振源，通過振動電機的高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生對倉壁的周期性高頻振動，粘結(jié)在倉壁的物料在高頻振動下與倉壁分離，從而消除堵塞。倉壁振動器由振動電機、底座兩部分組成，可直接安裝于倉壁鋼板上，對于混凝土礦倉需先在礦倉內(nèi)部安裝振動鋼板，然后在振動鋼板上安裝振動器。

2.3 機械逐層清理法

機械逐層清理法是指采用一種機械裝置深入粉礦倉內(nèi)，對粘附在礦倉內(nèi)壁的物料由料倉中心至倉壁方向進行逐層清理的方法。機械逐層清理法的清堵裝置主要以氣壓旋轉(zhuǎn)式清堵裝置為代表，氣壓旋轉(zhuǎn)式清堵裝置[15]主要由轱轆、機械臂、旋轉(zhuǎn)式清堵頭及連接裝置構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 氣壓旋轉(zhuǎn)式清堵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Structural diagram of pneumatic rotary plug cleaning device

2.4 機械離壁法

機械離壁法疏通裝置主要由疏通臂和液壓站組成，其安裝方式如圖7所示。疏通臂通過油缸以及油管路與液壓站連接，啟動液壓站使疏通臂上下往復(fù)運動清掃倉壁，達到疏通目的。每個料倉通常配置4～6個疏通臂，每套液壓站可根據(jù)需要配置多臺疏通臂。該裝置開發(fā)利用有10余年歷史，但實際應(yīng)用較少。

圖7 機械離壁法疏通裝置Fig. 7 Mechanical removal device

3 鈾選冶廠粉礦倉清堵技術(shù)優(yōu)選

根據(jù)上述研究可知，國內(nèi)與鈾選冶相近行業(yè)的粉礦倉主要采用氣動法、機械振動法、機械逐層清理法、機械離壁法清堵技術(shù)，其中機械離壁法清堵疏通裝置和氣動法的噴氣振動墊需要將清堵設(shè)備固定在料倉內(nèi)部，維修、更換比較困難；而且清堵設(shè)備表面與物料直接接觸，磨損較大，不考慮選為鈾選冶廠粉礦倉清堵裝置。

機械振動法的氣動式振動器需要外界提供壓縮空氣和電源，對倉壁產(chǎn)生的擊振力較小(一般不大于490 N)，振動頻率低(60次/min)，振動效果差，只適用于小型料倉，其優(yōu)點是可適用于防爆場合。機械振動法的電磁式振動器只需外界接入電源后便可開始清堵工作，振動力較大(最大可達14.7 kN)，振動頻率高(最高可達3 000次/min)，清堵效果好，應(yīng)用更為廣泛。

鈾選冶廠粉礦倉均為防爆場合，對于鋼結(jié)構(gòu)的粉礦倉，優(yōu)先選用電磁式振動器；對于混凝土粉礦倉，可將空氣炮、旋風(fēng)式清堵裝置、矩陣式清堵裝置、氣壓旋轉(zhuǎn)式清堵裝置作為粉礦倉清堵備選設(shè)備。

在聯(lián)系群眾、服務(wù)群眾方面，重點整治群眾身邊特別是群眾反映強烈的形式主義、官僚主義突出問題。《工作意見》舉例：“漠視群眾利益和疾苦，對群眾反映強烈的問題無動于衷、消極應(yīng)付，對群眾合理訴求推諉扯皮、冷硬橫推，對群眾態(tài)度簡單粗暴、頤指氣使。”這些現(xiàn)象，是嚴重脫離群眾甚至侵害群眾利益的惡劣行為，對此中央明確要求，一定要堅決整治。

4 典型鈾選冶廠粉礦倉清堵方案研究

北方某鈾業(yè)公司的粉礦倉，通過在粉礦倉錐體段加裝倉壁振動器，礦倉堵塞情況有了明顯改善；但仍存在倉壁振動器電機頻繁過載等問題。以此粉礦倉為例，全面研究清除粘壁型和拱型堵塞的清堵方案。

4.1 清堵技術(shù)選擇

該倉為圓錐形、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，原“內(nèi)部安裝倉壁振動器+鋼板”的方案檢修較困難，可供選擇的清堵裝置主要有空氣炮清堵裝置和旋風(fēng)式清堵裝置。這2種清堵裝置均需外界提供壓縮空氣，壓力0.4～0.8 MPa，壓縮空氣的消耗量基本相同。

4.1.1 空氣炮清堵方案

每臺粉礦倉需安裝9臺空氣炮，并配備1臺控制箱，空氣炮規(guī)格為150 L，改造費用約為4萬元，主要包括設(shè)備費、材料費和安裝費。

4.1.2 旋風(fēng)式清堵方案

每臺粉礦倉需安裝1套空氣助流系統(tǒng)及內(nèi)置PLC控制系統(tǒng)的控制箱，并配備1臺體積為2 m3的壓縮空氣緩沖罐，改造費用約為20萬元，主要包括設(shè)備費、材料費和安裝費。

4.1.3 推薦方案

旋風(fēng)式清堵裝置和空氣炮清堵裝置的操作及維修難易程度相當(dāng)。旋風(fēng)式清堵裝置清堵效果好，但購置費用較高?？諝馀跒槌墒飚a(chǎn)品，設(shè)備供應(yīng)商較多且價格低廉。根據(jù)北方某鈾業(yè)公司粉礦倉結(jié)構(gòu)及物料特性，采用空氣炮清堵裝置是可行的，故推薦采用空氣炮清堵方案。

4.2 清堵技術(shù)方案設(shè)計

4.2.1 工藝方案設(shè)計

該倉總高6.4 m，需布置上、下2層空氣炮，第1層空氣炮布置在底部以上1.5 m處，共3臺；第2層空氣炮布置在第1層上方2.6 m，共6臺。上、下層空氣炮分別布置在不同的鉛垂線上，水平間距約為1.4 m，粉礦倉空氣炮布置如圖8所示。

圖8 粉礦倉空氣炮布置圖Fig. 8 Layout of air cannon in fine ore bin

4.2.2 清堵系統(tǒng)控制設(shè)計與操作

每臺粉礦倉附近設(shè)置1臺控制箱，用于控制該倉的9臺空氣炮運轉(zhuǎn)。控制箱內(nèi)置PLC可編程序控制器，控制模式分就地單操、就地順驅(qū)、程控方式，這3種控制模式在控制箱面板上有相應(yīng)的按鈕，可相互切換。

在控制箱面板上設(shè)有全部空氣炮控制按鈕，在就地單操模式下可逐個進行控制。就地順驅(qū)分2種情況，當(dāng)粉礦倉堵塞較嚴重時，逐個啟動全部空氣炮；當(dāng)粉礦倉堵塞程度較輕時，逐個啟動錐體部分的空氣炮。當(dāng)控制模式切換為就地順驅(qū)時，開始啟動第1臺空氣炮，系統(tǒng)延遲一定時間后，啟動第2臺空氣炮，直至空氣炮全部啟動完畢。當(dāng)控制模式切換為程控方式，即開始周期延時，如周期延時設(shè)定的參數(shù)為120 min，空氣炮專用控制儀延時2 h后，啟動一個周期的順驅(qū)模式，順驅(qū)模式運行完畢后，自動進入下一個周期的延時。

該空氣炮清堵方案已應(yīng)用于北方某鈾業(yè)公司，清堵裝置正常運行1年多，經(jīng)歷了雨季礦石含水率較高的情況。在生產(chǎn)管理中通過定期開啟空氣炮，粉礦倉從此未發(fā)生過堵塞。與人工清堵相比，空氣炮清堵裝置用時短，清堵時不影響粉礦倉前后工序生產(chǎn)，也避免了人工清堵安全隱患大、清堵時間長、勞動強度大、衛(wèi)生條件差的缺點。

5 結(jié)論

通過對鈾選冶廠粉礦倉堵塞類型和原因的分析，優(yōu)選出了適用于鈾選冶廠粉礦倉的清堵技術(shù)。以北方某鈾業(yè)公司粉礦倉為例，開展了方案研究和生產(chǎn)應(yīng)用，解決了生產(chǎn)中粉礦倉堵塞的實際問題，驗證了空氣炮清堵技術(shù)的可行性?？諝馀谇宥录夹g(shù)的成功應(yīng)用，消除了企業(yè)人工清堵的安全隱患，減輕了勞動強度，達到了提質(zhì)增效的效果。