雙向長距離水、鐵精礦管道輸送及尾礦干堆技術(shù)

寧輝棟 孟麗芳

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司給水廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

雙向長距離水、鐵精礦管道輸送及尾礦干堆技術(shù)

寧輝棟 孟麗芳

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司給水廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

雙向長距離水、鐵精礦管道輸送及尾礦干堆技術(shù)集成與應(yīng)用是集流體力學(xué)、環(huán)境生態(tài)、礦山安全等專業(yè)為一體的科學(xué)集成技術(shù)，并成功用于包鋼實(shí)踐。該技術(shù)的集成與應(yīng)用，解決了包鋼礦山地區(qū)工業(yè)用水制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸問題，改變了傳統(tǒng)的鐵路和公路運(yùn)輸?shù)V石和周邊筑壩的傳統(tǒng)尾礦堆放方式，實(shí)現(xiàn)了包鋼原料基地戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了低品位礦石的高效開發(fā)利用，建立了我國冶金礦產(chǎn)資源綠色高效開發(fā)利用的新模式，并為尾礦中堆存的稀土等資源的再開發(fā)利用創(chuàng)造了條件，對(duì)國內(nèi)選礦尾礦堆放和管道輸送建設(shè)具有廣泛的借鑒和推廣示范作用，對(duì)高寒缺水地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)具有示范引領(lǐng)作用，對(duì)于改善民生和生態(tài)保護(hù)、資源和環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)、提高企業(yè)競爭力等意義重大。

管道輸送 尾礦干堆 集成與應(yīng)用 鐵精礦

包頭鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司是我國重要的鋼鐵工業(yè)基地和最大的稀土工業(yè)基地。白云鄂博鐵礦是包鋼的原料基地。 包鋼采用水、固體物料礦漿，長距離、高揚(yáng)程、大流量輸送和尾礦膏體干堆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)白云鄂博西礦低品位礦石的高效開發(fā)利用。 即采用離心泵一次加壓,將工業(yè)水經(jīng)外徑920 mm、長達(dá)130 km的管道，輸送到高程差504 m的白云鄂博地區(qū)，輸送能力為2 000萬m3/a，為國內(nèi)外首創(chuàng)；在白云鄂博西礦采礦并就地選礦，通過隔膜泵一次加壓后，將鐵精礦經(jīng)外徑355 mm、長達(dá)145 km的管道輸送到包鋼廠區(qū)過濾脫水，干礦輸送能力550萬t /a；尾礦經(jīng)高效深錐濃縮以70%以上的濃度排放后，固結(jié)堆放在白云鄂博尾礦區(qū)，處理能力700萬t/a，成為國內(nèi)首次采用大型深錐濃縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)尾礦干堆的項(xiàng)目。這樣的集成及應(yīng)用為國內(nèi)首創(chuàng)。

1 高濃度礦漿管道輸送技術(shù)

在高寒地區(qū)大宗固體物料陡降管道輸送中，解決了一定級(jí)配下輸送濃度、流速等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的科學(xué)匹配問題，采用了一系列抑制加速流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高濃度礦漿長距離管道輸送的長期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.1 確定管道輸送的合理級(jí)配

利用加權(quán)法計(jì)算平均粒徑：

式中，DP為加權(quán)平均粒徑，mm；di為各級(jí)粒徑，mm；ΔPi為di級(jí)顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，%。包鋼鐵精礦礦漿粒徑分布見表1。通過磨選實(shí)驗(yàn)及系列礦漿特性試驗(yàn)證明，該粒級(jí)組成可實(shí)現(xiàn)管道輸送。

表1 包鋼鐵精礦礦漿粒徑分布

1.2 確定礦漿輸送濃度

根據(jù)固液兩相流能耗最小原理，及對(duì)濃度0～70%的礦漿流變特性試驗(yàn)和沉降、安息角等測試研究和分析，礦漿固體質(zhì)量濃度大于60%時(shí)，礦漿保持紊流，使兩相流中的礦漿顆粒處于懸浮狀態(tài)，減少對(duì)管道底部的過度磨損。濃度大于68%時(shí)，礦漿的屈服應(yīng)力變高，較小的濃度變化引起屈服應(yīng)力和黏度變化較大，管道壓力增加，對(duì)輕微的濃度變化非常敏感。故確定65%為設(shè)計(jì)濃度，運(yùn)行的濃度范圍為62%～68%。

1.3 確定最佳流速

根據(jù)固液兩相流原理及摩阻特性，在漿體中，固體顆粒與粘性液體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于固液邊界上流速梯度的存在，使液體對(duì)固體邊界產(chǎn)生繞流阻力，顆粒沉降阻力系數(shù)的大小是顆粒形狀系數(shù)和雷諾數(shù)的函數(shù)。管道最小運(yùn)行速度的選擇是為了使礦漿中的固體顆粒懸浮，保證礦漿處于紊流狀態(tài)，流速過高會(huì)導(dǎo)致壓力損失和管道磨損率高。通過試驗(yàn)，確定管道的運(yùn)行流速為1.5～2.0 m/s，最佳流速為1.6 m/s，最小臨界(沉積)速度為1.25 m/s。

1.4 加速流控制

依據(jù)能量守恒原理，利用漿體通過孔板時(shí)的壓力損失計(jì)算公式，并對(duì)孔板中易產(chǎn)生的氣蝕進(jìn)行控制。通過計(jì)算，選取4種孔徑規(guī)格的孔板，分6種組合方式，并輔以孔板的增減與主泵的速度及高點(diǎn)處的壓力信號(hào)進(jìn)行連鎖控制，同時(shí)縮小孔板下游的管道直徑，用以控制鐵精礦管道經(jīng)過大青山區(qū)域時(shí)，在不到50 km距離內(nèi)，管道標(biāo)高從海拔1 600 m陡降到1 060 m而產(chǎn)生的加速流現(xiàn)象。再通過水力瞬態(tài)分析模型的模擬試驗(yàn)，保證管道的安全運(yùn)行。

2 一級(jí)泵站輸水技術(shù)

一級(jí)泵站大流量、高揚(yáng)程、長距離輸水技術(shù)在國內(nèi)的第一次成功實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了高寒缺水地區(qū)供水技術(shù)的突破。

2.1 水力瞬態(tài)分析

水力瞬態(tài)分析，通過迭代計(jì)算對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，對(duì)管道在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力進(jìn)行分析，通過對(duì)管道系統(tǒng)和閥門進(jìn)行模擬，以確定管道中產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力，驗(yàn)證管道的壓力限制要求，為管道過壓保護(hù)措施提供依據(jù)。

經(jīng)過計(jì)算，確定了輸水管道中的瞬態(tài)壓力，通過對(duì)正常停車和故障停車后從0～120 s不同時(shí)間段內(nèi)關(guān)閉閥門的管道瞬態(tài)壓力進(jìn)行模擬，首次選用關(guān)閉時(shí)間為0.15 s的快閉止回閥來避免產(chǎn)生破壞性水錘，并通過水力瞬態(tài)分析，確定了4個(gè)不同區(qū)段的管道壁厚。同時(shí)采用氮?dú)獍踩y、真空排氣閥等輔助措施防止水錘，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。

2.2 長距離輸水管道充水研究

對(duì)于在長距離、高壓力、大管徑的輸水管道，首次啟動(dòng)過程中極易出現(xiàn)以下問題：當(dāng)水泵開啟時(shí)，水泵工作點(diǎn)由零流量向大流量迅速漂移，使水泵進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，造成水泵部件的高溫耦合；同時(shí)，閥門開度小時(shí)，產(chǎn)生的氣蝕和振動(dòng)會(huì)損壞閥門。

如何充水，國內(nèi)外沒有任何可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。本項(xiàng)目創(chuàng)新性地提出在長距離管道初次充水過程中，管道的特性曲線是隨時(shí)變化的。隨著管道中充入水量的增加，靜揚(yáng)程增加，管道的沿程阻力增加，管道特性曲線會(huì)逐漸上移并變陡。因管道特性曲線隨時(shí)變化，導(dǎo)致了在充水過程中水泵工況的隨時(shí)變化。

通過對(duì)變化的水泵工況和閥門開度進(jìn)行研究和分析，確定了調(diào)節(jié)泵速和閥門開度相結(jié)合的技術(shù)方案，從改變水泵的特性曲線和管道的特性曲線2個(gè)方面來改變水泵的工況點(diǎn)，使其處于高效區(qū)，保證了管道的充水安全。

3 大型尾礦庫膏體堆放技術(shù)

大型尾礦庫膏體堆放實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首創(chuàng)，設(shè)計(jì)尾礦處理的新方法，在深錐濃縮和濃縮堆放2個(gè)方面，均取得了技術(shù)上的突破，使尾礦排放時(shí)的濃度得到了大幅度的提高，顯著減少了工藝水的損失，保證了尾礦庫的安全，減少占地及污染。

3.1 尾礦試驗(yàn)室流變?cè)囼?yàn)

由流變?cè)囼?yàn)確定尾礦的排放濃度，依據(jù)非牛頓體賓漢塑性的流變特性進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，排放的尾礦固體質(zhì)量濃度為73%，黏度為80 cP、屈服應(yīng)力47 Pa。尾礦形成“低屈服應(yīng)力膏體”，排放后不會(huì)發(fā)生顆粒離析，不會(huì)析出自由尾礦水。尾礦黏度與質(zhì)量濃度關(guān)系見圖1，尾礦屈服應(yīng)力與重量濃度關(guān)系見圖2。

圖1 尾礦黏度與質(zhì)量濃度關(guān)系

圖2 尾礦屈服應(yīng)力與質(zhì)量濃度關(guān)系

3.2 深錐濃縮堆放半工業(yè)性試驗(yàn)

由于工藝參數(shù)世界上沒有項(xiàng)目可以參考，在實(shí)驗(yàn)室流變?cè)囼?yàn)的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行半工業(yè)試驗(yàn)，一方面檢驗(yàn)本項(xiàng)目中尾礦的沉降特點(diǎn)，另一方面驗(yàn)證設(shè)備的能力并進(jìn)行設(shè)備選型，最重要的是對(duì)濃縮成膏體狀的尾礦的堆放性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。

利用直徑1 m、高10 m濃縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行塌落度、溜槽、剪切變稀等半工業(yè)性試驗(yàn)，通過調(diào)整絮凝劑投加量、床層高度、滯留時(shí)間，確定尾礦最佳濃縮指標(biāo)及添加藥劑，為排放濃度≥70%，處理能力700萬t/a，排放后的坡度大于2%，直徑20 m、高18 m的深錐濃縮制造提供依據(jù)?，F(xiàn)場半工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備見圖3。

4 結(jié) 論

采用水、固體物料礦漿、長距離、高揚(yáng)程、大流量輸送和尾礦膏體干堆技術(shù)，加快了包鋼的結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了低品位礦石的高效開發(fā)利用，形成了新的原料基地；降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本，把工業(yè)用水送到白云鄂博可以解決當(dāng)?shù)匾蛉彼畬?duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的制約問題，帶動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)給包頭市山北地區(qū)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；建立了我國冶金礦產(chǎn)資源環(huán)保利用的新模式，并為尾礦中堆存的稀土等資源的再開發(fā)利用，創(chuàng)造了條件。

圖3 現(xiàn)場半工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備

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(責(zé)任編輯 石海林)

Dual-way Long-distance Pipeline Transport of Water and Iron Concentrate, Dry Tailings Stockpiling Technique

Ning Huidong Meng Lifang

(WaterSupplyPlant,InnerMongoliaBaotouSteelUnionCo.,Ltd.,Baotou,014010,China)

The integration and application of dual-way long-distance pipeline transport of water and iron concentrate,and dry tailings stockpiling is an integrated science technique including fluid mechanics,ecological environment,mine safety etc.and has been successfully applied in Baotou Steel corp.The integration and application of the technique solves the bottleneck problem that industrial water restricts the development of Baotou Steel Mining Area.It modified the traditional railway and highway transportation for ore and the traditional tailings stacking mode of damming at surrounding.Also,it realized the strategic transfer of Baotou Steel raw materials base,and the efficient development and utilization of low grade ore respectively.A new model of green and efficient development and utilization of metallurgical mineral resources in China was established,which created conditions for re-utilization of rare earth resources remained at tailing pond.This technique has reference for tailings stockpiling and pipeline transportation construction and plays a leading role in exploring mineral resources in the high-cold water-deficient region.It also is of significance in improving the people's livelihood and ecological protection,keeping resource and environmental protection and production safety,and enhancing the competitiveness between enterprises.

Pipeline transport,Dry tailing stockpiling,Integration and application,Iron concentrate

2014-06-03

寧輝棟(1963—)，男，高級(jí)工程師。

TD56

A

1001-1250(2014)-08-108-03