小流量高扬程尾矿输送设备选型与计算

汪赛琪

(安徽铜冠有色金属(池州)有限责任公司 黄山岭铅锌矿，安徽 池州 247157)

小流量高扬程尾矿输送设备选型与计算

汪赛琪

(安徽铜冠有色金属(池州)有限责任公司 黄山岭铅锌矿，安徽 池州 247157)

通过对小流量高扬程尾矿输送系统的选型计算、改进完善和运行管理，使尾矿输送系统达到最佳运行效果。对有色金属矿山尾矿输送系统的选型设计和运行管理有一定的借鉴意义。

选矿厂；尾矿输送系统； 渣浆泵； 选型； 运行管理

尾矿输送是金属矿山选矿生产的一个重要环节，其输送设备选型是否合理，对选矿厂的生产运行、设备维护及输送成本等方面有着较大影响。特别是对小流量高扬程的尾矿输送显得尤为重要，合理选型，科学管理，可使尾矿输送系统保持高效稳定运行。

尾矿输送系统高效稳定运行表现为3个方面：(1)输送泵的运行效率高，能耗低；(2)泵的过流部件使用寿命相对较长，输送成本低；(3)整个系统运行稳定，不会因为泵、管路的问题而影响选矿生产。黄山岭矿新建尾矿输送系统在总结历史经验基础上，不断改进完善，优化设计，经近10年的运行，一直保持良好的高效运行状态。

1 计算资料

黄山岭矿选矿厂日处理能力500 t/d，尾矿产率96%，尾矿浓度25.5%，尾矿输送流量65 m3/h，输送距离900 m，尾矿库初期坝与设计最终坝高高差为53 m，采用分期堆坝加高方式筑坝，尾矿库最终服务期内输送几何高差61 m，属小流量高扬程尾矿输送系统。

1.1 尾矿参数

尾矿试样筛分分析见尾矿粒径分布曲线图(图1)。依据分析结果计算尾矿参数：平均粒径dcp=0.1796 mm，中值粒径d50=0.14 mm，粒径小于100 μm尾矿百分比39.5%。

尾矿浆体参数：浆体流量Qm=65 m3/h，浆体比重Sm=1.21，浆体体积浓度Cv=10%。依据尾矿浆体特性通常将浆体分为三种类型，即均质浆体、典型浆体和宾汉浆体，对粒径d50=100～300 μm、重量浓度Cw≤40%、体积浓度Cv≤20%的浆体定义为典型浆体，该尾矿浆体属典型浆体类型。

图1 尾矿粒径分布曲线图

1.2 流速计算

尾矿固体颗粒在水平管道输送中，随着浆体平均流速的减小而分布越来越不均匀，当流速减小到某一值后，管道底部出现固定的或滑动的颗粒床面。通常把颗粒开始形成床面时的流速称为淤积流速。为保证尾矿浆体在管道中正常流动，必须使流速超过某一给定的最小值，此最小速度称为临界沉降流速，通常简称临界流速(VL)。一般临界流速大于淤积流速。

临界沉降流速为尾矿输送的基准速度，是整个系统选型设计的重要依据。对小流量尾矿输送系统一般选用管径在200 mm以下，临界流速计算常用杜拉德公式：

(1)

式中VL—临界流速，m/s；FL—与矿浆粒径、浓度相关联的速度系数，由速度系数曲线查得：FL=0.93(见图2)；

S1—载体比重，由液体和粒径小于100 μm的固体物组成，S1=1.09；

D—输送管径，选D=100 mm；

计算临界流速：VL=1.79 m/s。

输送管路浆体平均流速：Vp=2.22 m/s=1.24VL。为防止尾矿固体颗粒在输送管道中停滞堵塞管道的风险，一般取Vp=(1.15～1.3)VL，当Vp过高时会加剧输送泵过流件及输送管道的磨损。

图2 速度系数曲线图

1.3 管路浆体特性曲线

输送浆体管路特性曲线反映输送系统输送矿浆时浆体流量Qm与浆体扬程Hm的对应关系。通过浆体特性曲线图查得在设计流量时的浆体扬程，从而计算出输送泵所需的清水扬程。

对典型浆体管路特性，在相同的管路条件下，当浆体流速为其临界流速的0.7倍时，浆体的水头损失等于清水以浆体临界流速流动时的水头损失；当浆体流速为其临界流速的1.3倍时，浆体的水头损失与清水以同样流速流动时的水头损失相同。

依据上述原理，绘作本系统浆体管路特性曲线。按输送系统管路布置图计算清水管路水头损失，画出清水管路Q-H特性曲线。在清水管路Q-H特性曲线基础上，选取0.7VL、1.0VL、1.3VL这3个流量点，找出浆体管路特性对应的水头损失扬程，用光滑曲线连接两个特性点，得到系统浆体管路特性曲线图，见图3。

在本系统浆体管路特性曲线图上，当浆体流量Qm=65 m3/h时，浆体损失扬程Hm=25.8 m。按尾矿库服务期内最高扬程几何高差计算，输送系统需要输送浆体最高扬程86.8 m。

图3 管路特性曲线图

2 输送泵的选择

2.1 泵的浆体性能

渣浆泵的性能参数为输送清水条件下的技术指标，同一台渣浆泵在输送清水与输送浆体时，其扬程和效率都会发生变化，其输送浆体的浓度、粒径、颗粒比重等因素对泵的浆体性能影响较大。

在相同的转速与流量下，渣浆泵输送浆体扬程与清水扬程的比值HR称为扬程比或扬程降低系数，由浆体的浓度、粒径、颗粒比重等相关参数通过HR图查得[1]。本系统扬程比HR=0.91。

将管路浆体扬程换算为渣浆泵的清水扬程H：

H=86.8÷0.91=95.4 m。

渣浆泵在输送磨蚀性浆体时，过流件的磨损引起泵的性能下降，使得扬程减小。为使泵能较长时间在额定工况点附近运行，选型时将增加一定的扬程余量，一般取H＇=(1.05～1.1)H。当取扬程余量为5%时，本输送系统泵的终期清水扬程需达100 m。

2.2 泵的选型

渣浆泵的类型很多，根据输送浆体性质的不同、流量和扬程的大小及输送系统的布置方式等众多因素来选择不同型号的泵。选型原则是进行多泵型方案比较，选择投资合理，节电节水，无污染，过流件寿命长，运营费用低的泵型。

对每一型号泵都有一个运行效果最佳的参数区域，在选型设计时，应尽可能使泵的运行工况保持在该区域内。对输送高浓度、强磨蚀浆体，泵的运行转速应不超过泵设计最高转速的3/4，流量为最高效率对应流量的40%～80%范围内；对低浓度、磨蚀性浆体，选择流量范围可适当放宽，但一般不得超出最高效率对应的流量。在满足流量要求的经济转速下，单泵输送扬程不足时，应考虑采用多台泵串联方式输送。

对照渣浆泵型谱图，对小流量高扬程尾矿输送系统首选泵型为HH型泵。HH型泵在小流量低扬程区域内，即泵运行转速在设计最高转速的50%时，泵的出口流速小于8 m/s，可输送强磨蚀浆体。该类型泵转速较低，叶轮直径大，在相同输送流量下，矿浆在泵内的流速低于高转速、小叶轮的泵，磨损速度相对减慢，有利于延长泵的使用寿命。

按本系统输送流量Qm=65 m3/h(18 L/s)、最终扬程100 m参数选泵，选择3/2D-HH型渣浆泵为宜。该泵转速为850～1450 r/min,高效区域流量18～38 L/s，扬程25～85 m。按经济转速要求确定泵的最高工作转速≤1100 r/min,当尾矿库加高到中后期时，将采用两台同型号泵串联运行，特性曲线见图4。

图4 3/2D-HH渣浆泵输送系统特性曲线图

2.3 系统布置

(1)尾矿输送管路布置不合理，对尾矿输送系统运营效果有着重要影响。一方面直接影响管路特性，增加管路水头损失；另一方面易造成输送尾矿堵管、泄漏等故障，影响系统的平稳运行。

黄山岭矿尾矿输送管路设计有2套方案可供选择：其一，延山体走向布置，管路弯曲管线长，整体管路呈U型状，对尾矿输送极为不利；其二，采用隧道和架空管道方式延输送走向布置，整体管路呈上坡直线状，管路特性好，但架设费用较高。从输送系统长期运行角度考虑，本系统选择了方案二，对系统多年来稳定运行起到积极作用。

(2)渣浆泵应保证在无汽蚀发生的条件下运行。如果泵在运行中发生汽蚀现象，会使泵的过流件在汽蚀和磨蚀的共同作用下提前损坏，严重时泵将产生振动和噪音，甚至导致扬程、流量、效率下降而无法运行。设计要求系统有效汽蚀裕量应大于泵的必需汽蚀裕量0.3～0.5 m。为减少进浆管路水头损失，建议有条件的情况下，渣浆泵进浆管采用正压进浆。

(3)当尾矿库采用分期筑建子坝时，尾矿输送系统应根据输送扬程的需要分时段调整泵的运行参数，使尾矿输送达到最佳经济效果。黄山岭矿尾矿库在投入使用初期，输送扬程35 m，设计采用单泵运行，泵的转速为900～950 r/min，电机功率按实际流量、扬程配置。随着尾矿库子坝的逐年加高，泵的运行转速也逐步提高，控制单泵转速不超过1100 r/min。在尾矿库子坝加高到中后期时，采用两泵串联运行，按实际输送扬程分配两泵转速，到尾矿库服务终期两泵串联运行转速均达1100 r/min。

(4)输送管道材质的选用对尾矿输送经济运行有着重要意义。磨损和腐蚀是影响输送管道使用寿命的两大因素，传统尾矿输送管道多选用无缝钢管，黄山岭矿尾矿输送钢管的使用寿命一般在5年左右。2008年改用高分子耐磨管，有效解决了尾矿输送管道磨损、腐蚀问题，使用5年后管壁磨损仅2 mm，大大提高了管道的使用寿命，管道故障率也大幅度降低。既提高了输送效率，又节省了维修费用，降低了输送成本。

超高分子量聚乙烯耐磨管，具有优异耐磨性、耐腐蚀，内壁光滑，摩擦系数小，不易结垢，在浆体输送过程中压力损失小。化学性能稳定，有极高的耐冲击性，抗疲劳强度高，耐环境应力开裂性最优。其重量轻，安装方便，施工难度和强度较低，特别适合山区施工条件不好的情况使用。在投入费用上，选用管径130 mm，壁厚10 mm的高分子耐磨管与管径108 mm，壁厚5 mm的无缝钢管相差较小。

3 过流件的选择

渣浆泵过流件材质直接决定渣浆泵的使用寿命。为延长过流件的使用时间，选型设计中应根据输送浆体的特性参数，包括浓度、固体物粒度、形状、硬度、颗粒组成等，合理选用渣浆泵过流件材质。

用来制作渣浆泵过流件的材料较多，不同的材质适用于不同的工况条件，常用过流件材质有金属耐磨材料和橡胶耐磨材料。金属耐磨材料对磨蚀颗粒有较好的抗磨蚀性，橡胶材质适用于无尖锐棱角的细颗粒、弱酸碱性浆体。输送同一性质的浆体不同材质的过流件使用寿命差异较大，相同材质的过流件在不同矿山使用其效果也不尽相同。

金属耐磨材料过流件有硬镍耐磨铸铁、铬钼合金铸铁和高铬多元合金铸铁等。硬镍铸铁硬度相对较低，抗磨性较差且价格较高, 选用硬镍铸铁材质较少。铬钼合金是公认的优良抗磨材料，硬度达65～67HRC，对粗颗粒强磨蚀浆体有较强的抗磨性。高铬多元合金铸铁硬度较高,比其它几种材料使用寿命较长,但材质太脆,在高速颗粒冲刷下金属材料产生脱落磨损,磨面上磨蚀凹坑较为严重。为克服高铬多元合金铸铁铸态成分不均匀、组织偏析、晶粒粗大的问题，铸造厂家改进淬火、回火热处理工艺，使高铬铸铁金相组织更细密，耐磨性和强韧性更高，在颗粒高速冲刷时金属材料不易从本体脱落,耐磨性大为提高。这种改型高铬多元合金铸铁护套使用寿命长,寿命价格比更优。

渣浆泵过流部件叶轮、护套、前护板、后护板中，护套磨损最为严重。若材质选择不当,过流件使用周期短，更换频繁，运营成本高，影响选矿生产。多种耐磨材质的金属过流件在黄山岭矿都进行过使用对比，不适应的材质，护套使用十天左右就报废。选用改型高铬多元合金铸铁护套，平均寿命在40天左右，最好的可达2个月。

表1 不同转速过流件平均使用寿命 单位：天

4 运行管理

尾矿输送系统能否达到预期的运行效果，做好运行参数调整工作尤为重要。

(1)从特性曲线图看出，因有富余扬程存在，在更换新过流件时，泵的输送流量会增大。泵的流量越大，矿浆与叶轮的相对流速也就越高，泵的过流件磨损速度加快，其使用寿命就会降低。在满足生产排尾和保证临界流速的前提下，此时应尽可能降低渣浆泵的转速，减小富裕流量。

(2)当系统工况运行范围较大时，泵的传动方式最好选用带式传动，采用带轮变速加电机变频调速方式调整泵的工作转速，调节更为方便，能较好地满足系统输送工况的调整要求。

(3)在生产输送过程中，存在诸如尾矿排放口的调整带来管路扬程变化；或泵的实际转速调整过高或过低；或选矿生产的尾矿产量波动等众多因素影响，会导致系统瞬时间输送流量发生改变。特别是正压进浆出现系统浆体供给量小于泵的输送流量时，泵将产生吸空现象，在矿浆中夹带空气，使泵的磨损加剧，对泵的运行极为不利。建议正压进浆时应在泵进浆箱处增设矿浆缓冲池和补充水管，随时控制进浆箱液面。

(4)对连续工作的串联输送系统，且管路工况波动较大时，调速控制宜选在末级泵。避免在调节系统运行工况时，因工况改变影响到系统其他级泵的运行，使得系统整体运行失稳。

5 结束语

对有色金属矿山小流量高扬程尾矿输送系统，经详细设计计算，合理选择泵型和过流件，加强生产运行管理，使输送系统保持稳定的运行状态，尾矿输送将会取得良好的经济效果。

[1] 张启溶.选矿设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1988.

Selection and Calculation of Small Flow and High Lift Tailing Conveyer Equipment

WANG Sai-qi

(Huangshanling Lead and Zinc Mine, Anhui Tongguan Non-ferrous Metal Co., Ltd. Chizhou 247157, China)

Based on selection and calculation of small flow and high lift tailing conveyer equipment, the tailing conveyer equipment will be improved and achieve to the best operating results. And the results will have reference significance to the selection design and operation management of nonferrous metals mine tailing conveyer equipment.

concentration plant; tailings conveyor system; slurry pump; selection; operational management

2013-09-03

汪赛琪(1958-)，男，安徽宿松人，机械工程师，大学专科，主要从事矿山安全生产、设备管理、机械设计及矿山设计的审核工作，现任黄山岭铅锌矿安全生产副矿长。

TH311

B

1003-8884(2014)01-0032-04