鏡鐵精礦長距離管道水力輸送的探索

楊海龍 韓文亮 王雪姣

(1.中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連 116600；2.清華大學，北京 100084)

0 引言

長距離管道水力輸送與鐵路、公路和水路等傳統(tǒng)運輸方式相比，具有一次性投資長期受益，運行費用低，經(jīng)濟效益高，受天氣影響小，工作穩(wěn)定，有利于環(huán)境保護等諸多優(yōu)點[1]。其主要應用于精煤礦、銅精礦、鋁土礦、磷精礦、鐵精礦、鉛鋅精礦輸送，個別還應用于尾礦輸送。

礦漿的長距離商業(yè)化管道輸送應用研究開始于上世紀六十年代。1967年，澳大利亞在Savage River建成了世界第一條鐵精礦輸送管道[2]。1970年，美國在Black Mesa建成了世界第一條輸煤管道—俄亥俄洲煤漿輸送管線。我國自20世紀80年代初開始關注這一新的運輸方式。自20世紀90年代相繼建成貴州省甕福磷精礦漿體輸送管線和山西太鋼尖山鐵精礦漿體輸送管線以來，長距離管道水力輸送這一技術在越來越多的國內(nèi)金屬礦山及非金屬礦山得到了應用[3]。

我國的鐵精礦長距離管道水力輸送應用始于太鋼尖山，近些年在太鋼、鞍鋼、昆鋼以及攀鋼等企業(yè)都已經(jīng)得到了成功應用。國內(nèi)外的工程案例，輸送的鐵精礦皆為赤鐵礦、磁鐵礦、半氧化礦，個別為釩鈦磁鐵礦，并無鏡鐵精礦的長距離管道水力輸送案例。通過對安徽某選礦廠的鏡鐵精礦進行長距離管道水力輸送試驗研究以及理論分析，以獲得鏡鐵精礦進行長距離管道水力輸送的參數(shù)，輸送的可行性的一些規(guī)律，為鏡鐵精礦進行長距離管道水力輸送研究提供詳實的數(shù)據(jù)參考。

1 鏡鐵礦簡介

鏡鐵礦為赤鐵礦的亞種，具金屬光澤的片狀集合體，鐵黑至鋼灰色，晶面光澤強，閃爍如鏡，因而得名[4]。圖1為高純度鏡鐵礦礦樣照片。鏡鐵礦是一種重要的鐵礦石，主要賦存于沉積變質(zhì)型礦床和接觸交代一熱液型鐵礦床中，由于磁性較弱，屬傳統(tǒng)的難選、難利用礦石。其探明儲量約占全國探明總儲量的1.1%。在我國已探明具有工業(yè)開發(fā)價值的鏡鐵礦主要為沉積變質(zhì)型鐵礦，分布于安徽霍丘、山西袁家村、甘肅鏡鐵山等礦區(qū)。

圖1 高純度鏡鐵礦礦樣照片

從礦石結構來看，鏡鐵礦型礦石以鱗片變晶結構為主，其次有他形粒狀變晶結構，假象自形半自形晶結構，交代結構及殘余結構等。礦石中有用礦物成分主要由細鱗片狀、葉片狀及厚板狀鏡鐵礦，極少量的磁鐵礦、褐鐵礦，有害礦物黃鐵礦等組成。粒度主要為0.05～0.25mm，其次為0.25～0.5mm，部分大于0.5mm和少量小于0.05mm。

礦石構造以帶狀構造為主，其次有斑點狀構造、片狀構造和塊狀構造。帶狀構造以細紋條紋為主，細條痕一條痕次之，兩者常交替或重疊；浸染狀構造以稠密浸染狀為主，稀疏浸染狀次之。

2 鏡鐵精礦物理性能特性

2.1 原礦工藝礦物學研究

該鐵礦礦床均為大型沉積變質(zhì)型鐵礦床，在富鐵條帶中鏡鐵礦呈葉片狀或厚板狀晶體形狀產(chǎn)出，晶粒稍粗多數(shù)變化在0.075～0.833 mm。對該鏡鐵礦原礦進行了磨片和巖礦鑒定，條帶類型中鏡鐵礦的結構、嵌布及連晶形式如圖2所示。選礦試驗過程中，粗粒片狀鏡鐵礦在螺旋溜槽中易沉積，較赤鐵礦、磁鐵礦明顯，嚴重影響螺旋溜槽的重選效果。

圖2 鏡鐵礦反光鏡下25倍照片

2.2 比重測定及粒度組成的測定、分析

2.2.1 比重測定

對該試驗礦進行了礦樣比重測定試驗。礦樣比重試驗是完全按照國標GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》進行的，比重采用比重瓶法測量。鏡鐵精礦比重實測結果見表1。

表1 鏡鐵精礦比重測量表(%)

從上表看出，鏡鐵精礦比重為4.908。

2.2.2 粒度組成測定及分析

該實驗過程利用Socket實現(xiàn)服務器與查詢端之間的數(shù)據(jù)通信。本實驗結果受到待測試數(shù)據(jù)集基數(shù)和服務器數(shù)量的影響，并且不同數(shù)據(jù)集錨點分布不同，會對實驗結果造成一定的影響。圖4展示了在Core數(shù)據(jù)集中，PP-VPS協(xié)議和VPS協(xié)議在服務器數(shù)量從2增長到9的過程中的計算時間。當服務器數(shù)量從2增長到5時，PPVPS協(xié)議運行時間從65.849秒增加到200.945秒。當服務器數(shù)量小于5時，PPVPS和VPS算法執(zhí)行時間近似，當服務器數(shù)量大于5時，PPVPS執(zhí)行時間出現(xiàn)較快增長。

目前對顆粒粒度組成測定有三種方法：一種

是篩分，對礦樣烘干利用標準篩進行篩分；一種是采用激光顆度分儀器進行；再一種方法是采用比重計法。激光顆度分析儀取樣少，但容易沉積，比較適合細顆粒物料粒度測定；比重計法適合比重小、顆粒細、沉降慢的顆粒。由于該鏡鐵精礦顆粒偏粗，比重大，為了確保測定結果準確，采用篩分法、激光粒度儀分析法及沉降法三種方法同時進行比測。

從測量結果看，比重計法偏差太大，其測定結果未被采用。通過比對分析最終以篩分(濕篩)結果為準，結果見表2。

表2 鏡鐵精礦顆粒組成表

為了更好的選取參數(shù)，與類似工程進行類比。以下列出了5個項目的鐵精礦顆粒組成數(shù)據(jù)，詳見表3～7。鏡鐵精礦粒度組成及5個鐵精礦管線顆粒案例見圖3。由圖3可見，尖山、大紅山鐵精礦最細，攀鋼密地鐵精礦最粗，該鏡鐵精礦顆粒組成其次。從顆粒組成分析，該鏡鐵精礦可能沉降快，沉積產(chǎn)生硬底，不利于管道輸送。

表3 白象山鐵精礦礦樣粒度組成表

表4 調(diào)軍臺鐵精礦顆粒組成表

表5 尖山鐵精礦礦樣粒度組成表

表6 大紅山鐵精礦礦樣粒度組成表

表7 攀鋼密地鐵精礦顆粒組成表

圖3 鏡鐵精礦粒度組成及5個鐵精礦管線顆粒案例粒度曲線

2.3 沉降特性測定及分析

鏡鐵精礦漿的沉降試驗主要是為了了解礦漿的穩(wěn)定性，以分析其沉降特性對管道輸送的影響，分析研究礦漿特性對停泵再啟動的影響。鐵精礦沉降試驗的重量濃度為50%、55%、60%、65%。

試驗發(fā)現(xiàn)該鏡鐵精礦沉降為分選沉降，粗顆粒先沉，細顆粒后沉，表層渾液面不夠清晰，而底部沉積層卻清晰上升。另外，鏡鐵精礦沉積極限濃度比較大，通過沉積層計算極限濃度可知，初始濃度無論是50%，還是65%，其極限濃度都在80%左右，體積極限濃度都在45%左右，數(shù)據(jù)見表8。

表8 鏡鐵精礦漿沉降極限濃度數(shù)據(jù)表

該鏡鐵精礦沉降很快，在很3～5分鐘就沉降下來，而且濃度越低，沉降越快，沉積8小時后產(chǎn)生一定硬底，插入度不好。生產(chǎn)時存在事故停車再啟動困難的風險。

從該鏡鐵精礦沉降特性看，該鏡鐵精礦管道輸送的問題主要為臨界淤積流速問題(磨蝕)及停泵再啟動的問題，其體現(xiàn)在流變特性上。

2.4 流變特性計算及分析

漿體的流變特性與管道輸送有密切的關系，是影響漿體管道輸送阻力的重要因素。因此，流變特性的測量是試驗的重要部分之一。從宏觀上分析，影響礦漿流變特性的因素有很多，包括固體顆粒濃度，顆粒的粒徑組成，顆粒的表面特性，漿體的溫度等，但對于由一定礦砂組成的漿體，顆粒組成和顆粒表面活性已經(jīng)是原始條件，主要可變因素為濃度。另外，關于溫度對漿體流變特性的影響，根據(jù)前人的研究成果，溫度對漿體屈服應力τ0影響較小，而溫度對剛度系數(shù)的影響，基本與溫度對清水粘度的影響規(guī)律一致。因此，主要研究漿體濃度對礦漿流變特性的影響。

鏡鐵精礦流變特性采用清華大學毛細管粘度計進行測定，通過試驗測定不同濃度鏡鐵精礦漿的τw和8V/D，試驗中漿體溫度為20℃左右。實測的毛細管的邊壁剪切應力τw和對應的8V/D見圖4。從圖看出，τw和8V/D基本呈一條直線，直線的截距為τ0，斜率為剛度系數(shù)η。通過圖4可求出不同濃度漿體的流變參數(shù)，屈服剪切應力τ0與剛度系數(shù)η，其值見表9。其他一些鐵精礦礦的流變特性，見表10。

圖4 鏡鐵精礦毛細管粘度計實測剪切應力τw與切變速率8V/D關系圖

表9 礦漿流變參數(shù)表T=20～22.0℃

表10 萊蕪、尖山、大紅山鐵精礦流變特性數(shù)據(jù)表

從表9與表10比較可見，鏡鐵精礦漿流變特性與其他鐵精礦漿相比，同濃度時鏡鐵精礦流變參數(shù)要小，特別是表征礦漿結構的屈服應力τ0更小。濃度小于62%時基本沒有屈服應力，為牛頓體。這就解釋了該鏡鐵精礦為什么礦漿穩(wěn)定性差，沉降快，而且呈分選沉降的原因。

圖5 鏡鐵精礦剛度系數(shù)與濃度的關系圖

圖6 鏡鐵精礦屈服應力與濃度的關系圖

由流變特性可見，鏡鐵精礦由于其特殊的片狀機構，易沉降，常規(guī)濃度條件下，很難滿足輸送所要求的屈服應力。如果想實現(xiàn)常規(guī)條件下的輸送，就需要降低精礦粒度、提高濃度或者提高輸送流速。降低精礦粒度需要精礦再磨，能耗較高，其經(jīng)濟性需要進一步論證。

由圖5、圖6剛度系數(shù)和屈服應力與濃度的關系可見，由于安開鐵精礦顆粒粗，65%穩(wěn)定性還不好，必須達到70%或75%，其屈服應力τ0才能達到2～4Pa，礦漿穩(wěn)定性才能顯著改觀。提高輸送濃度到70%以上，其濃縮的經(jīng)濟性及可行性需要進一步論證。提高流速會大大增加管道磨損，且需要較大的輸送功率，安全性和經(jīng)濟性方面都存在難題。

3 結語

——鏡鐵精礦有其結構的特殊性，對輸送參數(shù)有著較為明顯的影響。

——鏡鐵精礦的沉降出現(xiàn)明顯等分選沉降，粗顆粒先沉，細顆粒后沉，而且沉積層有一定的硬底，插入度不好。

——鏡鐵精礦礦漿流變參數(shù)隨濃度增加而略有增加，在大于62%濃度后，呈賓漢體，低于62%濃度呈牛頓體。

——需要改變粒度組成、提高輸送濃度或者提高輸送流速才有實現(xiàn)長距離管道水力輸送的可能性，但同時也帶來一系列的并發(fā)問題，其具體的工業(yè)化應用，有待于進一步研究。