基于碳化硅陶瓷材料的磨礦分級(jí)系統(tǒng)給礦泵及過流件應(yīng)用試驗(yàn)研究

高雪婷,任 強(qiáng),秦華江,何 川,張 杰

(金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司,陜西 渭南 714102)

0 前 言

某鉬選礦廠Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)給礦泵過流件使用周期約65 d,使得Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)維護(hù)成本居高不下,給礦泵檢修次數(shù)頻繁,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí),部分碎鋼球進(jìn)入泵腔,損壞過流件(渣漿泵中直接接觸礦漿液的配件叫過流件,或者說礦漿液在泵腔里接觸到的配件。過流件包含葉輪,護(hù)套,護(hù)板。),發(fā)生非計(jì)劃停車,影響選礦廠運(yùn)轉(zhuǎn)率及生產(chǎn)能力。為了延長Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)給礦泵過流件使用壽命,該選礦廠對(duì)Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)給礦泵及過流件進(jìn)行應(yīng)用新材料試驗(yàn)研究。

1 現(xiàn)狀及存在問題

該選礦廠Ⅰ段磨礦分級(jí)共4個(gè)系統(tǒng),2009～2015年將1#、2#、3#、4#系統(tǒng)由雙2FLG-Φ3000型高堰式雙螺旋分級(jí)機(jī)改為水力旋流器,現(xiàn)4個(gè)系統(tǒng)均為MQG3600×4000格子型球磨機(jī)與FX-710水力旋流器組成的閉路磨礦分級(jí)系統(tǒng),如圖1所示。與FX-710水力旋流器配套使用的給礦泵是普通金屬8/6渣漿泵,4個(gè)系統(tǒng)共8臺(tái)(1開1備),8/6渣漿泵過流件平均使用周期為60～75 d,一臺(tái)8/6渣漿泵年維護(hù)費(fèi)用約24萬元,8臺(tái)渣漿泵年維護(hù)費(fèi)用約96萬元。且非檢修時(shí)間倒換泵時(shí),需停球磨機(jī)約半小時(shí)。

圖1 Ⅰ段磨礦分級(jí)工藝流程圖

2 給礦泵及碳化硅陶瓷材料過流件的選擇

選礦廠根據(jù)Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)給礦泵過流件磨損較快、使用周期短的情況,組織技術(shù)人員對(duì)眾多渣漿泵廠家進(jìn)行考察、咨詢、現(xiàn)場踏勘,最終選擇與漢江弘源襄陽公司進(jìn)行合作,對(duì)選礦廠現(xiàn)場工況、工藝、介質(zhì)參數(shù)、現(xiàn)場管路、地理環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)了解,經(jīng)過科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、理論分析,選擇最新研發(fā)的碳化硅[1]特種陶瓷耐磨耐蝕重型渣漿泵及碳化硅陶瓷材料過流件進(jìn)行試驗(yàn)。

碳化硅特種陶瓷泵特點(diǎn):(1)碳化硅陶瓷材料蝸殼和葉輪不同于普通渣漿泵,它是運(yùn)用最新兩相流設(shè)計(jì)理論,結(jié)合新型材料的特點(diǎn),運(yùn)用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))、CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)技術(shù),設(shè)計(jì)出高效、耐磨、耐腐蝕的蝸殼和葉輪、護(hù)套及泵體。其蝸殼和葉輪CFD分析如圖2所示。(2)碳化硅陶瓷過流件采用燒結(jié)碳化硅陶瓷結(jié)合金屬骨架的方式,既能充分保證使用壽命,又能保證各部位的連接剛度、強(qiáng)度以及傳遞所需要的扭矩。

圖2 蝸殼和葉輪CFD分析

3 碳化硅陶瓷材料試驗(yàn)研究

3.1 耐磨沖擊試驗(yàn)

為驗(yàn)證碳化硅陶瓷材料的耐磨特性,進(jìn)行掛片耐磨試驗(yàn)。設(shè)計(jì)模擬性試驗(yàn)裝置,制作3 mm厚度的試驗(yàn)樣片,再用高濃度、高硬度的石英砂漿液高速?zèng)_擊試樣片5 h,最后測量試樣片被磨損的深度,磨損深度越淺,說明樣片耐磨損能力越強(qiáng)。

測試樣塊包括:304不銹鋼,JM高鉻鑄鐵,高溫耐磨陶瓷 EB206,得復(fù)康小顆粒耐磨防護(hù)劑Devcon 11470,樂泰小顆粒耐磨防護(hù)劑 Loctite 98383,精銳高含量陶瓷 ARC 897,貝爾佐納細(xì)粒陶瓷Belzona 1821,麥德萊聚氨酯彈性涂層Metaline785,Cr30耐磨鋼,A49耐磨鋼,高溫?zé)Y(jié)陶瓷片,氮化硅結(jié)合碳化硅材料[2-3]等12種材料。

試驗(yàn)條件:漿液濃度60%,固體含量1.3 kg/L;磨粒類型石英砂,磨粒粒徑范圍0.076～0.152 mm;噴射角度90°,噴射平均速度18 m/s。不同材質(zhì)耐磨沖擊試驗(yàn)?zāi)p深度對(duì)比如圖3所示。

圖3 不同材質(zhì)耐磨沖擊試驗(yàn)?zāi)p深度對(duì)比

從圖3可以看出:304不銹鋼磨損最嚴(yán)重,2 h 3 mm樣片被擊穿;A49耐磨高鉻合金鋼損耗了0.78 mm;Cr30耐磨鋼損耗了0.53 mm;碳化硅陶瓷磨損最小,僅損耗了0.21 mm。碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC材料)耐磨性是Cr30耐磨鋼的2.5倍;是A49耐磨高鉻合金鋼(Cr15Mo3)的3～4倍,是304不銹鋼的10倍,是其他耐磨涂層材料的4～10倍。磨損深度越淺,說明樣片耐磨損能力越強(qiáng),碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料僅損耗了0.21 mm,其耐磨性最好。

3.2 耐磨試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料的耐磨性,在中國科學(xué)院金屬所對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了耐磨試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為120目Al2O3粉,試驗(yàn)條件為溫度25 ℃、風(fēng)速30 m/s,氣力輸粉管道常用內(nèi)襯材料耐磨性能對(duì)比如圖4所示。

圖4 氣力輸粉管道常用內(nèi)襯材料耐磨性能對(duì)比

從圖4可以看出:SiC-A新型復(fù)相碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料體積損失不超過0.01 mm3/g,體積損失最小,其耐磨性最好。

3.3 耐腐蝕試驗(yàn)

對(duì)碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料還進(jìn)行了耐腐蝕試驗(yàn),不同材質(zhì)在相同腐蝕環(huán)境下的體積損失結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同材質(zhì)在相同腐蝕環(huán)境下的體積損失試驗(yàn)

從圖5可以看出:碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料體積損失最小,為0.021 mm3/g,304不銹鋼體積損失最大,為1.463 mm3/g,腐蝕最嚴(yán)重。由此可知碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料抗腐蝕性最強(qiáng)。

由耐磨、耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可知:碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料耐磨性、耐腐蝕性最好,耐磨性是304不銹鋼的10倍,耐腐蝕性是304不銹鋼的50倍以上。

4 工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)

在1#磨礦分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。在1#磨礦分級(jí)系統(tǒng)檢修時(shí),拆除原2#系統(tǒng)普通8/6渣漿泵,安裝碳化硅陶瓷泵(過流件是碳化硅陶瓷材料),2019年6月24日安裝完成,從2019年6月25日～2020年12月20日進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。在工業(yè)試驗(yàn)期間,運(yùn)行45 d打開碳化硅陶瓷泵查看過流件磨損情況,碳化硅陶瓷材料過流件只磨掉毛刺,在碳化硅陶瓷泵運(yùn)行約8個(gè)月,即2020年3月至2020年12月20日期間只更換了葉輪、護(hù)套部分。2020年12月20日再次更換碳化硅陶瓷材料過流件,并對(duì)碳化硅陶瓷泵泵體進(jìn)行修復(fù),結(jié)束工業(yè)試驗(yàn),工業(yè)試驗(yàn)期間中間只更換了一次碳化硅陶瓷材料過流件。1#磨礦分級(jí)系統(tǒng)在使用碳化硅陶瓷泵工業(yè)試驗(yàn)中工藝運(yùn)行平穩(wěn),分級(jí)效果良好。

工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明:碳化硅陶瓷泵體、前護(hù)板、后護(hù)板等使用周期約17個(gè)月,碳化硅陶瓷材料過流件運(yùn)行周期約8個(gè)月,是普通8/6渣漿泵的4倍。Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)使用碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件穩(wěn)定了磨礦分級(jí)工藝,降低了泵的檢修頻次,大大降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2022年選礦廠4個(gè)Ⅰ段磨礦分級(jí)系統(tǒng)給礦泵均更換為碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件,替代原普通8/6渣漿泵。2022～2023年使用期間,碳化硅陶瓷材料過流件使用周期為9～10個(gè)月,碳化硅陶瓷泵體、前后護(hù)板使用周期16～18個(gè)月,工藝穩(wěn)定,使用效果良好。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

選礦廠Ⅰ段磨礦分級(jí)4個(gè)系統(tǒng)均為格子型球磨機(jī)與FX-710水力旋流器組成的閉路磨礦分級(jí)系統(tǒng),與FX-710水力旋流器配套使用是普通金屬8/6渣漿泵,4個(gè)系統(tǒng)共8臺(tái)(1開1備),一臺(tái)8/6渣漿泵年維護(hù)費(fèi)用約24萬元,8臺(tái)(1開1備)8/6渣漿泵年維護(hù)費(fèi)用約96萬元。

工業(yè)試驗(yàn)約18個(gè)月,除去中間檢修及倒泵約10天,試驗(yàn)時(shí)間為17個(gè)月15天,為方便計(jì)算,按16個(gè)月計(jì)算。碳化硅陶瓷材料過流件使用周期約8個(gè)月,碳化硅陶瓷泵體、前護(hù)板、后護(hù)板等使用周期約16個(gè)月(普通渣漿泵使用周期約2個(gè)月)。碳化硅陶瓷泵整臺(tái)價(jià)格8.5萬元/套,碳化硅陶瓷材料過流件價(jià)格1.65萬元/件。

則使用碳化硅陶瓷泵一臺(tái)渣漿泵年維護(hù)費(fèi)用約:

(8.5+1.65)/16×12=7.613萬元/年

8臺(tái)碳化硅陶瓷泵(1開1備)年維護(hù)費(fèi)用約:

7.613×4=30.45萬元/年

則使用碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件年節(jié)約成本約:

96-30.45=65.55萬元/年

使用碳化硅陶瓷泵及材料過流件年節(jié)約成本65.55萬元。

5.2 社會(huì)效益

穩(wěn)定使用碳化硅陶瓷泵及材料泵的輸送工藝,減少了球磨停車時(shí)間,并且降低了渣漿泵的檢修頻次,大大降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6 結(jié) 論

(1)通過對(duì)各種材料進(jìn)行耐磨試驗(yàn)測試及腐蝕試驗(yàn)測試,碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料耐磨性強(qiáng),耐腐蝕性強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)定性好,該材料用在選礦磨礦分級(jí)工藝給礦泵上相比金屬渣漿泵、襯膠渣漿泵有明顯的優(yōu)勢。

(2)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明:碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件應(yīng)用在Ⅰ段磨礦分級(jí)工藝中,碳化硅陶瓷泵體、前護(hù)板、后護(hù)板等使用周期約16個(gè)月,碳化硅陶瓷材料過流件使用周期約8 個(gè)月,是普通金屬渣漿泵的4倍,試驗(yàn)過程中碳化硅陶瓷泵的輸送工藝穩(wěn)定,磨礦分級(jí)工藝運(yùn)行平穩(wěn)。

(3)本選礦廠Ⅰ段磨礦分級(jí)4個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)已均使用碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件替代原普通8/6渣漿泵,年維護(hù)成本大大降低,僅是原來的1/3。

(4)碳化硅陶瓷材料過流件使用周期是普通金屬渣漿泵過流件的4倍,且渣漿泵的輸送工藝穩(wěn)定,降低了泵的檢修頻次,大大降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度,建議推廣應(yīng)用。