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尾矿浆体高海拔 U 型管道输送工程应用实践 ① 刘 军 （酒泉钢铁集团甘肃新洲矿业有限公司（合资） 小柳沟钨矿，甘肃 嘉峪关 ７３５１００） 摘 要 通过对钨尾矿性质、浆体颗粒悬浮机理、非均质悬液淤积流速、磨阻损失、磨损机理研究分析，设定该钨矿尾矿浆体以紊流 流态输送，速度区间为 ２～２．５ m／ s，最大输送压力为 ４０ kg／ cm２。 在管道磨蚀控制、输送泵配置、检测仪器配置等方面，工程设计中注 入了诸多相应技术措施。 实际运转证明，输送系统运行安全、稳定，达到了设计预期目标。 关键词 管道输送； 钨矿； 尾矿； 紊流； 淤积流速； 磨阻损失； 磨损 中图分类号 TD５２２文献标识码 Adoi１０．３９6９／ j．issn．０２５３－6０９９．２０１９．０１．００８ 文章编号 ０２５３－6０９９（２０１９）０１－００３２－０４ Application Practice of U⁃type Pipeline Transportation of Tailings Slurry at High Altitude LIU Jun （Xiaoliugou Tungsten Mine of Gansu Xinzhou Mining Industry Co Ltd， Jiuquan Iron and Steel （Group） Co Ltd， Jiayuguan ７３５１００， Gansu， China） Abstract Based on the analysis of properties of tungsten tailings， mechanism of particle suspension in slurry， sediment velocity of heterogeneous suspension， friction loss and wear mechanism， an experiment was conducted for a kind of tungsten tailings slurry transported in a state of turbulence at the velocity of ２～２．５ m／ s， with the maximum transporting pressure at ４０ kg／ cm２． For the engineering design， some corresponding technical measures were taken in terms of pipe wear control， arrangement of transportation pumps and detectors． The practice verified that such transportation system was safe and stable， up to the designing expectation． Key words pipeline transportation； tungsten ore； tailings； turbulence； deposit velocity； friction loss； wear loss 甘肃新洲矿业有限公司（简称新洲矿业）小柳沟 钨矿选矿厂原尾矿排放系统因尾矿库接近服务年限， ２０１6 年筹建 ３ 号尾矿库及尾矿输送管线系统，尾矿库 （约海拔 ２ ９５０ m）位于选矿厂（约海拔 ３ ０００ m）西部， 距离约 6 km，北大河（约海拔 ２ 6００ m）从中间穿过。 该尾矿输送管线路中一级泵站位于选矿厂内，管 线跨越一条小河后设阀门站（再选厂尾矿管道由此接 入），然后以下行坡度进入二级泵站（设置于北大河岸 边，为管路最低点），跨越北大河后，以上行坡度通往 尾矿库。 管线路整体呈现大 U 型形态，具有高落差、 大扬程的特点。 区属气候为大陆性高寒半干旱气候，年平均降雨量 ２３４～３５０ mm。 年平均气温 ０．6～6．３ ℃，最低－２５ ℃，最 高 ３０ ℃。 每年 １０ 月中旬至翌年 ４ 月上旬为长达 6 个 月之久的霜冻期，最大冻土深度 １．４０ m。 尾矿组成矿物种类较为复杂，矿物含量较高的是 石英、角闪石、绢云母、绿泥石和方解石，次为萤石、长 石、透辉石、石榴石、白云石和榍石，其他微量矿物尚见 辉钼矿、磁铁矿、褐铁矿、绿帘石、黝帘石、锆石、磷灰石 和金红石等。 尾矿粒度分布测定结果见表 １。 表 １ 尾矿粒度分布测定结果 粒级／ mm分布率／ ％累计分布率／ ％ ＋０．２００ 6．6０6．6０ －０．２００＋０．０７４6１．７０ 6８．３０ －０．０７４＋０．０４３３０．２０ ９８．５０ －０．０４３ １．５０１００．００ 管道输送系统设计过程充分研究了管道淤积，堵 塞、磨蚀、泄漏、昼夜温差关键技术问题，设备选择、控 制系统方案优化，生产过程开停车“水锤现象”、 临时 ①收稿日期 ２０１８－０８－０２ 作者简介 刘 军（１９6４－），男，四川阆中人，高级工程师，主要从事选矿技术及管理工作。 第 ３９ 卷第 １ 期 ２０１９ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol．３９ №１ February ２０１９ 万方数据 断电停车管道淤积堵塞等方面问题。 该管线顺利投入 使用，输送尾矿量约为 ２ ３３０ t／ d，输送浓度约为 ２０％； 尾矿再选厂运行时，尾矿量为 ５ ０００ t／ d，输送浓度约为 ４０％。 该管线实际输送效率超过设计预期目标。 １ 钨尾矿管道输送机理分析 １．１ 浆体颗粒悬浮机理 浆体紊流流态时泥沙悬浮方程为［１］ lg C CA ＝ K W U∗ （１） 式中 C CA为浆体浓度与离管顶 ０．０８D 点浓度之比；W 为 固体颗粒沉降速度；U∗为磨阻速度；K 为常数。 浆体流动过程中，管道垂直面固体颗粒分布状态 与流速、粒度、浆体浓度有关。 从浆体性质分析，该钨矿尾矿浆体和煤浆均为与 时间无关的非牛顿流体，属于具有屈服应力宾汉塑性 体浆体，其流动特性相似。 借鉴瓦斯普等人以煤浆输 送试验［２］为例，分析粒径变化对颗粒分布 C CA 值的 影响。 该试验系统管径 ３０５ mm、浆体流速 ２ m／ s、浓度 ５０％（质量浓度），颗粒粒径小于 １００ μm 时，悬液实质 上是均质状态（即 C CA ≈１．０）。 随着粒径增大， C CA 值减 小，流动变成高度的非均质流。 在此条件下 ７ ０００ ～ ８ ０００ μm 颗粒不可能发生悬浮。 针对某一粒度范围浆体，流速的影响往往是在高 流速时是均质的，在低流速时是非均质的。 １．２ 非均质悬液的流态 非均质流以在管道垂线上有明显的固体浓度梯度 为特征，许多工业管道从输送泥沙浆（如钨矿尾矿）到 输送煤炭都具有这一特征。 该钨矿尾矿浆体流态特性 也符合此典型的磨阻损失与流速的对应关系。 当流速 较高时，曲线与单一流体的关系线趋于平行，也就是说 随着流速增加，浓度梯度变得不明显，浆体系统趋向于 均质性。 随着流速减小，管中的固体颗粒分布不均变 得越来越明显，流速继续减小，管中出现不动的或滑动 的淤积层，此时的流速叫淤积流速。 如流速进一步减 小，在管中开始形成固体颗粒层，同时由于减小了有效 过流面积使磨阻损失增加，这种流动状态可能是相对 不稳定的。 在实际应用中管道运行不能低于淤积流速。 除了 堵塞管路的明显危险外，也会在管道的下部发生大量 磨损，而对于粒径范围宽的浆体系统可能发生较粗的 颗粒淤积在管路中，仅较细的颗粒处于悬浮状态，即管 路起分选作用。 所以，非均质流长期的稳定性取决于 可靠的预测淤积流速。 １．２．１ 输送流速的预测 浆体管路输送目的是以悬浮状态输送固体颗粒 （即达到或近似均质流）。 当颗粒不再以悬浮状态输 送，此时的流速等于或低于临界流速，而不管形成的床 层是活动的或者是固定的，这两种情况对管道的长期 稳定性和磨蚀来说都是灾难性的。 按 Durand 公式［３］ VD ＝ F L ２gD ρs － ρ l ρl １ ２ （２） 式中 VD为临界流速，m／ s；FL为速度系数，与浓度和 粒径相关；D 为输送管道内径，m；g 为重力加速度， g＝９．８１ m／ s２；ρs为固体密度，t／ m３；ρl为载体密度，t／ m３。 过度流速（牛顿流体）取决于雷诺数，而淤积流速 （非牛顿流体）取决于佛劳德数，佛劳德数随固体颗粒 浓度和粒径大小而变化。 从设计的观点来看，最好在 稍高于预计的淤积流速下运行。 虽然这样会引起较高 的磨阻损失，但它给设计以一定的安全度并避免非常 接近淤积时的高度不均质状态，从而减少管壁的磨蚀。 钨尾矿输送系统设计综合考虑输送浆体浓度、再 选厂尾矿粒度、总输送量等因素，结合浆体输送淤积流 速预测计算分析，输送流速设定区间为 ２ ～ ２．５ m／ s。 尾矿浆体以紊流流态输送，输送管道中固体粗颗粒处 于悬浮状态，避免管道沉积阻塞问题，确保输送系统长 期稳定运行。 １．２．２ 输送压力的预测 在工业应用中输送的浆体固体颗粒粒径范围较 宽，往往其中较小的颗粒形成均质流的性状，而较大的 颗粒形成非均质流的性状，这两种性状同时存在。 Durand 通过研究均匀粒径的非均质系统，提出了混合 物的磨阻系数关系式［３－４］ fm ＝ f l １ ＋ K gD V２ ρs － ρ l ρs １ CD ３ ２ C {} （３） 式中 fm为混合物的摩阻系数；fl为液体的摩阻系数；C 为固体颗粒体积分数；K 为常数，其值为 ８０～１５０；g 为 重力加速度；D 为管径；V 为流速；ρs为固体颗粒密度； ρl为液体密度；CD阻力系数。 式（３）提供了分析非均质流磨阻损失的有效设计 方法，适合于大于淤积流速的所有流速。 针对垂直的 管流，只要流速大于颗粒的沉降速度，浓度梯度就不会 发生，磨阻损失可按均质悬液计算。 管道的磨阻损失（ΔP）与磨阻系数（fm）、管线长度 ３３第 １ 期刘 军 尾矿浆体高海拔 U 型管道输送工程应用实践 万方数据 成正比，以此来选择输送泵的能力（即出口压力）。 而 针对该钨尾矿管线设计，还认真考虑了以下几方面因 素① 选矿厂一级泵独立运行模式（２ ３３０ t／ d，２０％）； ② 再选厂生产时尾矿输送量（５ ０００ t／ d）、浓度（４０％） 增加，系统运行模式；③ 有效利用地形重力势能实现 节能。 综合考虑以上因素，经过测算二级泵站设定输 送最大压力为 ４０ kg／ cm２。 从现场生产运行测定数据 分析，设计达到了预期的目的。 ２ 磨损的控制机理分析 管路磨损由固、液相特性，流动条件，管壁类型等 方面因素控制。 在浆体管路中，颗粒组成、浆体浓度和 流速在某种程度上是互相依存的。 例如，输送大颗粒 材料就需要增大最小输送流速。 已经发现，磨损与流 速的立方成正比，并随着颗粒增大而增加。 因此，通过 减少固体颗粒粒径可大大降低磨损，因为细颗粒要求 的流速较低，细颗粒造成的磨损也较轻。 金属的磨耗、所需的最小流速和泵送费用随着粒 径减小而减小。 但颗粒粒径小于某一最小粒径，最小 流速和泵送费用随着粒径减小而增加，因为浆体的粘 度增加了。 经验表明，当浆体内 C CA＞０．５ 时，如流速小于 ３ m／ s， 则磨损可以忽略不计。 当固体颗粒 C CA ＜０．５ 时，浆体的 磨蚀性会随着浆体浓度增加而增加，当 C CA 较小时，固 结颗粒形成低床沿着管底滑动（钨矿尾矿含石英砂较 高，石英砂属高硬度），并引起磨损。 C CA 值也随着浆体 浓度增大而增加，而当浆体的磨蚀性达到最大值之后， 浆体的磨蚀性随着浆体浓度增加而开始降低，应该注 意，这些准则只有在流速大于临界淤积流速的情况下 才适用。 为避免管道磨损及温差影响，工程设计主要从以 下几方面考虑① 尾矿采用选别后直接输送（不再经 过筛除或磨细粗粒级），浆体输送速度设为 ２～２．５ m／ s， 为紊流流态，避免固结颗粒形成低床沿着管底滑动，并 引起磨损。 ② 高寒昼夜温差大（最低－２５ ℃，最高 ３０ ℃），工程设计上，通过增加伸缩节和设置固定、滑 动导向支墩减小管道的变形量，同时管道包裹保温岩 棉降低温差的影响。 ③ 管道系统水流方向急剧改变 的地方易发生磨损，工程设计考虑在丁形管和阀门处 增加金属磨蚀余量，弯道和弯头加大转弯半径，弯道采 用刚玉耐磨管等措施。 ３ 输送泵的选择 输送泵的选型依据所要求的输送压力和浆体磨蚀 性。 输送压力是选择渣浆泵或正排量泵的主要依 据［５－6］。 当输送压力低于 ４５．6 kg／ cm２时，渣浆泵的设 备购置费低于正排量泵。 就输送压力而言，渣浆泵串 联起来，可以达到需求的输送压力。 几种输送泵的性 能对比见表 ２。 表 ２ 输送泵性能对比 输送泵 类别 输送压力 ／ （kgcm －２ ） 机械效率 ／ ％ 抗磨 蚀性 输送 能力 设备 投资 柱塞泵２４6～２８１８５～９０高小大 活塞泵１７6～２１１８５～９０较低较大大 渣浆泵４２～４９４０～７５高大 串联安装、 投资小 对于要求输送压力大于４５．6 kg／ cm２的系统，由于 渣浆泵的耐压力有限，只有正排量泵在技术上是可行 的。 对于磨蚀性高的浆体（如磁铁矿），一般选用柱塞 泵，并配备清水冲洗系统，以保证柱塞上没有磨蚀性颗 粒。 对磨蚀性较低的浆体（如煤炭），可采用活塞泵。 该尾矿输送管线路中的二级泵站系统输送泵均采 用渣浆泵。 选矿厂内一级泵站配置 ２ 台渣浆泵，一用 一备；二级泵站配置 ２ 组共 6 台渣浆泵，每组 ３ 台泵串 联，一用一备。 设备配置主要特点为① 泵的配置考量了再选厂 生产输送量变化和将来坝体增高等因素，确保选用的 设备能使系统的年工作保证率达到 ９５％以上。 ② 二 级泵站每组 ３ 台串联泵，单组 １、２ 级泵配置调频器，通 过增大电机转速来保持管道输送流速，避免低于临界 流速下运行，管路内产生固体颗粒淤积，底床的发展可 能导致管路的堵塞。 ③ 在输送系统处于从输送浆体 变到输送水或从输送水变到输送浆体的过渡性工作状 态，可通过调节泵的转速以保持流速，避免这种状态造 成系统压力变化，可能影响系统工作稳定性。 ４ 自动化控制 一般来说，可靠的检测仪器配以常规的控制仪表 和电讯系统，多泵站的浆体管路系统可以从始端控制 室实施全面控制［７－８］，在中继站仅需配备维修的人员。 系统内固体颗粒的存在使系统参变数的检测变得 复杂。 一般常规环境中通用的仪器会因为被颗粒磨坏 或堵塞而不适合浆体的环境，选用仪表时要防止灵敏 元件或脉动线路不被堵塞。 检测压力仪器的接头尤其 令人担心，稍加疏通或出现静止区都会使仪器完全 失效。 ４３矿 冶 工 程第 ３９ 卷 万方数据 被输送浆体的流态也是应考虑的因素。 例如，在 发生淤积的水平管路上，放射性密度仪或磁力流速仪 的读数会不准确。 如果流速不保持大于临界流速的状 态，则沉降快的浆体会使有旁路管路的仪表读数失真。 该输送系统使用的检测仪器主要是电磁流量计和 压力传感器。 电磁流量计内衬采用抗磨材料，从而排除了磨损 和更换问题。 这种流速仪不会束缩过流断面，因而不 会引起下游的磨损问题。 它不受固体颗粒含量的影 响，因而无需因流态变化而重新校准。 压力传感器使用封闭式的毛细管测压装置，毛细 管隔着隔膜装在管子上，测压力时隔膜把浆体与测压 管隔开。 传感器安装在距泵出口 ２ m 的管路上，可避 免受到震动而失效。 ５ 结 论 １） 钨矿尾矿浆体属于与时间无关的非牛顿流体， 为屈服应力宾汉塑性体浆体。 通过对浆体颗粒悬浮机 理、非均质悬液的流态分析，设计综合考虑浆体浓度、 再选厂尾矿粒度、总输送量等因素影响，设定输送流速 区间为 ２～２．５ m／ s，输送最大压力为 ４０ kg／ cm２。 ２） 管路磨损取决于浆体固、液相特性，流动条件， 管壁类型等因素。 输送系统以紊流流态输送，避免固 结颗粒形成低床沿着管底滑动引起磨损。 在丁形管、 阀门、弯道和弯头等位置采取相应措施，避免水流方向 急剧改变的地方发生磨损。 ３） 通过考量不同类型输送泵特性、再选厂生产输 送量变化和将来坝体增高等因素，针对关键二级泵站 采用 ２ 组 ３ 台串联泵配置，单组 １、２ 级泵配置调频器， 可满足输送系统在设定流速、工作状态稳定运行要求。 ４） 可靠的检测仪器配以常规的控制仪表和电讯 系统，多泵站的浆体管路系统可以从始端控制室实施 全面控制。 参考文献 ［１］ Hsu S T， Beken A V， Landweber L， et al． The Distribution of Sus⁃ pended Sediment in Turbulent Flows in Circular Pipes［C］∥Preprint of paper presented and Atlantic City AIChE meeting on Solids Trans⁃ port in Slurries，１９７１． ［２］ Wasp E J， Aude T C， Kenny J P， et al． Deposition Velocities， Tran⁃ sition Velocities， and Spatial Distribution of Solids in Slurry Pipelines ［C］ ∥First International Conference on the Hydraulic Transport of Solids in Pipes． Coventry １９７０． ［３］ Durand R． The Hydraulic Transportation of Coal and Other Materials in Pipes［C］∥Conf of National Coal Board． London１９５２． ［４］ 赵利安，许振良． 粗砂浆体水平管道流动水力坡度预测研究［J］． 水利水运工程学报， ２０１３（１）７１－７５． ［５］ 费祥俊． 浆体的物理特性与管道输送流速［J］． 管道技术与设备， ２０００（１）１－４． ［6］ 杨盘铭，张晋生，祝庆昌． 尖山铁矿长距离铁精矿浆管道输送技术 的实践［J］． 矿业工程， ２００３（１）6９－７０． ［７］ 柴天佑，丁进良，王 宏，等． 复杂工业过程运行的混合智能优化 控制方法［J］． 自动化学报， ２００８，３４（５）５０５－５１５． ［８］ 何 成． 长距离矿浆管道输送过程检测与控制关键技术的研 究［D］． 长沙湖南大学电气与信息工程学院， ２０１４． 引用本文 刘 军． 尾矿浆体高海拔 U 型管道输送工程应用实践［J］． 矿冶工程， ２０１９，３９（１）３２－３５． �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 ３１ 页） ［２］ 潘 刚，程卫民，陈连军，等． 煤矿井巷喷射混凝土技术的发展［J］． 煤矿安全， ２０１５（９）２０４－２０７． ［３］ 涂建山，高 明． 混凝土喷射回弹率高的原因分析及对策［J］． 煤 矿安全， ２００４（２）２１－２２． ［４］ 曾宪桃，任振华，王兴国． 磁化水降低喷射混凝土粉尘浓度与减少 回弹的试验研究［J］． 煤炭学报， ２０１４（４）７０５－７１２． ［５］ 彭先林，李佰存，周汉江，等． 喷浆作业回弹率高的原因及处理［J］． 江西煤炭科技， ２００８（１）２３－２４． ［6］ 丁振瑞，赵亚军，陈凤玲，等． 磁化水的磁化机理研究［J］． 物理学 报， ２０１１（6）４３２－４３９． ［７］ 赵华玮，代学灵． 磁化水对喷射混凝土强度影响的试验研究［J］． 采矿与安全工程学报， ２００９（３）３８１－３８５． ［８］ 李志鹏． 磁化水提高混凝土强度的研究［J］． 煤炭工程， ２００５ （１２）７２－７３． ［９］ V柯斯莫尔斯基． 水磁化处理的可能机理及应用条件［J］． 国外 金属矿选矿， １９９８（１０）３０－３９． 引用本文 汪学清，周坤鹏，张志高，等． 磁化水降低喷射混凝土回弹量 的试验研究［J］． 矿冶工程， ２０１９，３９（１）２９－３１． ５３第 １ 期刘 军 尾矿浆体高海拔 U 型管道输送工程应用实践 万方数据