石英尾砂料仓及其气力助流系统的设计

何晓华

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽马鞍山243000)

石英矿是一种以SiO2为主要成分的的硅酸盐矿物[1]，具有硬度高、耐磨耐腐蚀、化学性质稳定等特点，在非金属矿产资源中具有重要地位。以石英矿为原料，经过破碎、粉磨、洗涤、烘干、筛分、除杂提纯等工艺生产的石英砂在玻璃、陶瓷及耐火材料、铸造、冶金、建材及化工等领域应用广泛，纯度达到99.5%(质量分数)以上的高纯石英砂[2]更是电子通讯、光伏发电、航空等高端领域不可或缺的重要原料。

石英尾砂是在石英砂提纯过程中产生的尾砂和泥砂。近年来随着我国石英矿石加工产量的逐年提高，每年尾砂排放量达1 000万t以上[3]，石英尾砂排放对周边的生态环境构成严重威胁，尾砂回收及资源化利用越来越受到关注。门秦生等[4]提出采用石英尾砂、粉煤灰取代黏土配料生产水泥，石英尾砂掺和率控制在6%～8%(质量分数)，配料稳定；宋杰光等[5]用SiO2质量分数为84.21%的石英尾砂加质量分数为10%的黏土生产出高性能的石英砂烧结砖，抗压强度达35.05 MPa；余志伟[6]用SiO2质量分数为98%～99%的石英尾砂经研磨、除杂、环氧树脂处理等工艺生产出理想的电工专用填料。

物料性质和料仓结构对物料的流动性能影响明显，设计料仓时需着重考虑。惠顺利等[7]基于Jenike理论，较好地表征了粉粒料的流动性，得到了一种干混砂浆自动包装机料仓结构设计参数；鲁磊明等[8]将测定的3种超细粉体物料流动参数应用于设计料仓的计算中，得到了料仓最大半顶角和出料口口径。江苏某石英加工企业新建一条尾砂输送、储存生产线，将排放的石英尾砂收集后用于符合要求的建材生产，以提高石英矿的资源化利用效率，增加石英矿的开采经济价值和社会环境效益。文中以该企业石英尾砂为研究对象，分析石英尾砂物料性质及四棱锥料仓结构对重力流卸料的影响，设计石英尾砂卸料的料仓，同时设计一套辅助气力助流系统装备，以保障石英尾砂料仓装卸料过程的顺利。

1 石英尾砂的物料性质

石英尾砂的化学成分以SiO2为主，另含少量的Al2O3、杂质铁、云母、长石等[9]。对江苏某石英加工企业生产的尾砂进行取样检测，样品含水率在10%～13%(质量分数，下同)，其成分组成和粒径分布分别如表1，2。由表1，2可看出:该石英尾砂中SiO2的质量分数达96.32%，杂质含量较低；粒径在100 μm以下的SiO2质量分数达92.21%，粒径较细小。

表1 石英尾砂的化学成分，w/%Tab.1 Chemical composition of quartz tailings,w/%

表2 某石英尾砂粒径分布Tab.2 Particle size distribution of quartz tailing

2 重力流卸料的影响因素

重力流卸料是让物料依靠自身的重力在料仓内部实现滑动、滚动和自下而上的均匀沉降，但受物料性质、料仓结构、生产储存时间等多因素的影响，其流动形式往往呈现错综复杂的不规则流动状态，难以像液体那样在容器里均匀、规则的流动。根据物料在料仓内部的实际流动状态，重力流可大致分为整体流和局部中心流两种方式。物料在料仓内部实现自下而上的均匀沉降流动，称为整体流，如图1(a)；物料在料仓内部发生堵塞、棚料等状况，只能沿卸料口中心产生局部流动，称为局部中心流，如图1(b)。

整体流是理想的物料流动形式，绝多数物料在料仓内部的流动形式为局部中心流，这和物料之间的相互黏聚力、物料与料仓内壁的壁面摩擦力、料仓的结构型式等因素密切相关。

图1 料仓重力流卸料流型Fig.1 Gravity discharge flow pattern of silo

2.1 物料的安息角

散体物料的安息角(休止角)又称内摩擦角[10]，是反映松散物料内部摩擦性质的重要参数。粉体物料相互间的黏聚力可用安息角来衡量，剪切强度符合摩擦定律，剪应力与正应力呈线性关系[11]，即式中:tanφ 为物料内摩擦系数；φ 为物料安息角；C为物料的黏聚力。一定程度上，φ 越大，物料的摩擦性越好，颗粒之间越难发生相对滑动。安息角可用直剪仪测量[12]，试验过程如图2，通过测量不同正应力下试样被剪切破坏对应的剪应力，再画出τ 与σ关系图即可算出物料安息角。

图2 直剪试验过程Fig.2 Test process of direct shear

通常物料的内摩擦角是动态变化的，其和物料的含水率、粒径组成密切相关。基于Jenike 剪切理论[13]，利用直剪仪测得的石英尾砂在不同含水率和不同粒径情况下的内摩擦角，结果如图3，4。由图3，4可看出:一定范围内，物料的内摩擦角随物料含水率的增大而明显增大，含水率达14%时，内摩擦角达到极限，随后内摩擦角随含水率的增加呈减小趋势；物料的内摩擦角随物料粒径的增大呈减小趋势，当物料粒径增大到150 μm后内摩擦角的变化趋于平缓。

图3 含水率对内摩擦角的影响Fig.3 Effect of water content on internal friction angle

图4 粒径对内摩擦角的影响Fig.4 Effect of particle size on internal friction angle

2.2 料仓的结构型式

通常情况下，储料仓的上半部设计成立方体或圆柱体结构，以储存规定数量的物料；底部呈截面收缩的矩锥形或圆锥形结构，以保证物料良好的卸料流动状态。Jasmina等[14]、Lu等[15]研究发现，料仓内物料的流动状态主要受卸料口尺寸和斜锥角的影响，料仓高度、仓筒直线段的尺寸对卸料流率影响较小，文中不考虑较小因素的影响。

2.2.1 卸料口尺寸

卸料口尺寸影响物料的卸料流量，是料仓结构设计时需考虑的重要因素。合理的卸料口结构应保证发挥两方面功能:保持卸料口通畅，防止物料结拱；保证适量的物料排放，满足生产要求。防止物料结拱的卸料口最小尺寸计算公式[16]为

式中:B 为卸料口宽度(卸料口长度大于2.5 B)，m；f 为无侧限临界屈服强度，Pa；γ 为物料松散密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；d 为物料平均粒径，m；L 为卸料口长度，m。如果B 表示直径，其计算公式为

2.2.2 料仓斜锥角

料仓斜锥角对重力流的流动方式影响明显，通常来说，料仓斜锥角越大，物料的流动性越好，越易得到整体流流型。以江苏某石英加工企业的四棱锥形石英尾砂料仓为对象，其料仓结构示意如图5，推导料仓斜锥角的计算公式。设料仓长边为a，短边为b，棱锥高为h，则有:

可得α=arctan( a2+b2b)tanβ，其为料仓斜面的最小倾角。用物料的自然安息角φ 代替β，可得料仓最小斜锥角的计算公式为

图5 四棱锥料仓结构Fig.5 Silo structure of four prism

3 石英尾砂料仓及气力助流系统的设计

影响重力流卸料的因素主要为物料自身性质及料仓结构型式。文中所述的石英尾砂粒径极小，棒磨后的尾砂粒径大多在100 μm以下，含水率长期维持在10%～13%(质量分数)之间，这样的物料极易引起物料在料仓内部产生粘壁、棚料、架桥等堵塞现象，影响料仓正常卸料。物料性质难以改变，为使卸料方式向整体流方向靠近，主要从料仓结构着手设计石英尾砂料仓。但物料在料仓内的实际流动过程很难控制，因此增设必要的气力助流系统装备以增强物料的流动能力。

3.1 石英尾砂料仓的结构设计

根据式(2)～(7)，结合文中石英尾砂的物料性质、存储容积和预留空间，将石英矿石的平均自然安息角35°代入上述公式可得石英尾砂料仓的最小斜锥角、卸料口尺寸。根据生产产量和储存要求可得料仓高度和容积。石英尾砂料仓结构相关的计算和设计参数如表3，设计的石英尾砂料仓仓体结构参数如图6。

表3 石英尾砂料仓设计参数Tab.3 Design parameters of quartz tailings silo

图6 石英尾砂料仓仓体结构(单位：mm)Fig.6 Structure of quartz tailings silo(unit：mm)

3.2 气力助流系统的设计

3.2.1 气力助流系统的工作原理

气力助流法的工作原理是通过管道和喷射机构将压缩空气压射到料仓内壁，使仓内物料与料仓内壁面形成瞬时的气流间隙，消除或减小物料同料仓内壁之间的壁面摩擦力，促使物料沿着仓壁滑动、滚动，预防物料粘壁、板结引起的堵塞，实现料仓内部物料流动正常，保证正常的卸料状态。石英尾砂料仓借助气力助流法实现料仓清除堵塞的基本流程是:利用气力助流的基本原理，在尾砂料仓的锥体部分外壁面分层、分段铺设助流风管和喷嘴，利用压缩空气的瞬时爆破力解决石英尾砂料仓的堵塞问题，促进物料在料仓内部的重力流卸料。

3.2.2 气力助流系统的结构设计

气力助流系统是通过分层、分段对料仓内壁的壁附料、粘结料进行瞬时高强度的吹射。气力助流系统一般由气源系统、主管道系统、控制管道系统、助流管道系统、电气控制系统等子部件构成。其中:气源系统包括压缩空气的生产和存储设备，气源设备的选型视助流系统的用气量大小而定；主管道系统主要将助流储气罐中的压缩空气输送到每层助流管道；控制管道系统将控制储气罐中的压缩空气输送到各气动阀门用气点，用于各气动阀门的执行器控制用气；助流管道系统包括每层助流管道、助流喷嘴及快速通断阀；电气控制系统具备手动模式和自动控制模式，自动控制模式下，系统可实现料位监测—信号反馈—决策执行的闭环控制。快速通断阀的阀门瞬时开启时间可控制在0.5 s以内，在开启瞬间形成强有力的风力保证瞬时爆破力，促使气力助流效果发挥到最佳。石英尾砂料仓的气力助流系统组成如图7。

图7 石英尾砂料仓气力助流系统组成(单位：mm)Fig.7 Composition of pneumatic flow assisting system of quartz tailings silo(unit：mm)

根据石英尾砂料仓内物料易发生堵塞的部位和高度，设计石英尾砂料仓气力助流系统。以料斗底部卸料口作为基准，沿高度方向分为3 层，第Ⅰ层距离基准面1 m，第Ⅱ层距离基准面2 m，第Ⅲ层距离基准面3 m。平面布置上，石英尾砂料仓按2个料斗分2套子系统，每个料斗的喷嘴布置完全相同，如图8。

图8 石英尾砂料仓气力助流系统平面布置Fig.8 Layout plan of pneumatic flow assisting system of quartz tailings silo

随着高度的增加，料仓截面尺寸逐渐变大，因此仓壁面喷嘴的布置形式也有差异。考虑到清仓系统操作时瞬时物料流量和精准的堵塞定位，将每层助流管道分成两段。以1#料斗为例，第Ⅰ层沿西北和东南两个方位布置，每个方位合计7套喷嘴；第Ⅱ层沿西北和东南两个方位布置，每个方位合计10套喷嘴；第Ⅲ层沿西北和东南两个方位布置，每个方位合计13套喷嘴。这样1#料斗合计60套喷嘴，整个石英尾砂料仓总计120套喷嘴。每个方位对应的助流管道由一个快速通断阀控制通断，一个料斗合计6套，整个尾砂料仓总计12套快速通断阀。每个料斗在高度方向上有2根主管道引上料仓，每根主管道上安装1套电控气动主阀，用于控制助流管道中气流的通断，整个石英尾砂料仓总计4套电控气动主阀。

4 应用效果

将设计的石英尾砂料仓及气力助流系统在江苏某石英加工企业安装试运行，安装效果图如图9，1 个月后的部分运行数据如表4。运行结果及表4数据表明:设计的石英尾砂料仓料流比较稳定，卸料基本保持正常，料仓的有效存料容积达到设计容积的75%以上；卸料过程中即使出现堵仓情况，气力助流系统也能保持料仓继续正常卸料，满仓装车卸料时间控制在12 min 以内，装车效率高；气力助流系统安装前，自然卸料的带料率为70%～75%，安装后料仓卸料的带料率达到98.5%以上，基本实现了料仓的卸空，卸料率高，料仓有效储料能力突出。

图9 石英尾砂料仓及气力助流系统的安装现场Fig.9 Installation site of quartz tailings silo and pneumatic flow aid system

表4 部分生产数据Tab.4 Partial production data

江苏某石英加工企业年产石英尾砂2万t，原现场装料方式为:采用自卸车等侯在陶瓷过滤机的带式输送机下，待装满车后运输到尾砂堆场，平均装车量为6车/d；堆场的尾砂通过装载机装到半挂运输车外运，人工和机械维护成本较高。安装设计的石英尾砂料仓及其气力助流系统后，陶瓷过滤机产生的尾砂直接通过带式输送机输送到尾砂料仓，尾砂料仓装满仓后通过半挂运输车外运。石英尾砂料仓及其气力助流系统每年可为企业节省的劳动费、燃料费和维护费等近200万元，经济效益可观。同时减少了尾砂堆场对周边环境的危害，提高了资源的利用效率和附加值，社会环境效益显著。

5 结 论

1)物料的内摩擦角与物料的含水率和粒径密切相关，石英尾砂的含水率在14%(质量分数)以内时，其内摩擦角随含水率的增加呈增大趋势，并在14%时达到极限值，后随含水率的增加呈减小趋势；石英尾砂粒径越小，其内摩擦角越大，内摩擦角随粒径的增大呈减小趋势，当粒径增大到150 μm后趋于平缓。

2)考虑卸料口尺寸和料仓斜锥角对物料在料仓内部流动状态的影响，结合石英尾砂的物料性质、生产工艺要求和现场场地空间，设计石英尾砂料仓及其气力助流系统。工程应用实践表明:设计的石英尾砂料仓较好地实现了重力流卸料，料仓有效存料容积达到设计容积的75%以上；且可保证较高的卸料装车效率，石英尾砂的卸料带料率由70%增加到98.5%以上，满仓卸料时间缩短至12 min以内。

3)合理的料仓结构、再辅以气力助流系统对石英尾砂运转的中间储存、卸料作用明显，可为年产2 万t石英尾砂企业节省近200 万元的成本，同时减少了尾砂堆积和排放对环境的危害，经济、社会环境效益显著。