高黏性物料粉矿仓气力清堵助流系统的设计与应用

吴佑俭 徐进军 吉万健 刘 健 闫 薇

（1.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；2.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；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；4.马钢（集团）控股有限公司南山矿业公司，安徽 马鞍山 243000）

和尚桥铁矿隶属于安徽马钢矿业资源集团南山矿业公司，是马钢集团“十二五”期间开发建设的大型露天矿山［1-2］，设计处理原矿石500万t/a。和尚桥铁矿石以贫磁铁矿为主，原矿品位低，且黏土、泥土占比较大，原矿经粗中细碎和高压辊磨后转运至粉矿仓储存。2013年7月，和尚桥选矿厂投产试运行后，主厂房12座粉矿仓均出现不同程度的结拱、棚料堵塞情况，造成球磨机给矿中断，严重影响选矿厂的正常运转，球磨机较低的处理能力和作业率使得生产成本居高不下。和尚桥选矿厂技术人员尝试通过人工振捣、高压水冲洗、振动器振荡等方法来解决堵仓问题，但收效甚微，且安全隐患较大。

粉矿仓建成后很难再改造，借助外力来改善物料的流动能力是一条有效的手段，其中气动助流法是一种高效、经济、环保的方法。本文首先基于Jenike剪切理论［3］分析了高压辊磨产品粒度及含水率对内摩擦角的影响，从而明确粉矿仓内物料的黏聚性及流动能力；然后基于Jenike理论的流动-不流动准则，对粉矿仓的半顶角和卸料口尺寸进行计算分析，并与实际参数进行对比分析。基于上述研究结果，提出了一种气力清堵助流系统，分析了喷射点的布置原则和喷射能量的计算方法，指导方案的设计及关键零部件的选型，以达到高效、经济适用的目的；最后通过气力清堵助流系统在和尚桥选矿厂粉矿仓的应用，分析了其应用效果。

1 物料的流动及受力分析

1.1 物料的流动形式

粉矿仓内的物料主要依靠其自身重力作用在粉矿仓内部进行滑动和滚动，以实现自顶向底的均匀沉降，这种流动方式称之为重力流动［4］。受物料性质、粉矿仓的结构与尺寸及其他因素的共同影响，颗粒物料在容器中很难像液体那样做到均匀、规则有序地流动。在粉矿仓的实际生产过程中，重力整体流（图1（a））是一种理想的料流方式，由于粉矿仓内部出现结拱、棚料堵塞等现象，粉矿仓的有效容积逐渐缩小，最后只能沿卸矿口正上方的“洞口”进行卸料，因此，实际生产中大多数情况为局部物料形成的重力中心流（图1（b））。

1.2 物料的受力分析

选厂大部分的粉矿仓为上槽体下锥体结构，这种结构一方面可以保证足够的储存容积，另一方面可以保证卸矿口周边物料的流动。物料流动到下部锥斗部分时，从A—A截面（见图2）开始流动截面不断收缩，这样物料之间的相互位置需要重新排列，在物料作相互运动的过程中，极易造成粉矿仓堵塞。

在物料颗粒作相对移动和互相挤压的过程中，随之产生摩擦阻力和能量消耗，这一摩擦阻力称之为内摩擦力［5］。物料颗粒在粉矿仓中流动时，还存在着物料与仓壁之间的外部摩擦阻力，即壁面摩擦力。当散体物料中含有一定的粉料时，由于水分的作用，粉料粘附在一起或粘附在仓壁上，从而对物料颗粒的运动产生阻力，这种阻力称之为黏聚力。

物料在粉矿仓内部的流动主要受到矿物之间的内摩擦力、矿物与仓壁面的壁面摩擦力以及粉体物料在水分子作用下相互间的黏聚力影响，只有使物料自身重力在流动方向上的分力大于物料所受摩擦力和黏聚力之和才能实现物料的流动，否则物料在粉矿仓内部就会出现结拱、棚料等堵塞情况，难以得到较为理想的流动方式。

2 物料性质及粉矿仓结构对流动性的影响

2.1 理论基础

根据Jenike剪切理论，松散物料内部摩擦性质直接受物料内摩擦角的影响［6-7］，物料的内摩擦角越大，松散物料之间的内摩擦力也越大，物料的流动性变差。基于Jenike剪切理论，对和尚桥选矿厂入磨前的矿石物料采用剪切测试仪进行剪切试验，剪切试验装置如图3所示。通过测量不同正应力下试样被剪切破坏所对应的剪应力，作出切应力τ与正应力σ之间的关系图，可计算出物料的内摩擦角，如图4所示。

图中P为预剪切点，S1～S4为剪切点，通过4个剪切点作位于P点上方的直线，即屈服轨迹YL，该直线与横轴的夹角即为物料的安息角。过原点作莫尔圆（图4中小半圆）与YL相切，圆心位于横轴，与横轴相交于两点，一个为原点，另一个即为无约束屈服强度fc。过P点作主莫尔圆（图4中大半圆）与YL相切，圆心位于横轴，主莫尔圆与横轴相交于两点，取右边点为最大主应力σ1。过原点作主莫尔圆的切线，即为有效屈服轨迹EYL，其与横轴的夹角即为物料的内摩擦角δ。

Jenike剪切理论定义最大主应力σ1与无约束屈服强度fc之间的函数关系称为流动函数FF，用来表征粉体的流动能力，即

Jenike剪切理论还定义流动因素ff为粉矿仓内最大主应力σ1与拱脚的最大主应力1之比，用来衡量粉矿仓的流动能力，即

式中，γ为物料松散密度，kg/m3；Ba为卸料口尺寸，m；m为粉矿仓形状系数，轴对称粉矿仓，m=1；α为粉矿仓的半顶角，（°）。

2.2 物料性质对流动性的影响

物料性质是影响粉矿仓堵塞程度的重要因素，众多学者研究结论表明［8-11］，物料粒度及含水率对物料流动性的影响最为明显。和尚桥铁矿入选物料含水率较高，原矿品位低，泥土占比较大，经高压辊磨后物料颗粒的粒径细小。进入粉矿仓的物料粒度及含水率对其内摩擦角影响明显，导致物料颗粒的摩擦系数发生变化，增大了物料的总摩擦阻力。通过测定物料内摩擦角的变化，可以推断物料流动时摩擦阻力的变化。

2.2.1 物料粒度的影响

和尚桥选矿厂入磨前的物料经高压辊磨处理后，粉磨特性大为改善，已有较多达到最终磨碎粒度要求的产品。推荐压力和转速下物料的粒度筛析结果见表1。

注：工作压力为4.0 N/mm2，辊面线速度为1.1 m/s。

经高压辊磨处理后的物料虽然粉磨效果得到明显提升，提高了矿石的磨选效率，但是随之带来了粉矿仓堵塞问题。一般来说，物料的粒度越小，物料颗粒的比表面积越大，物料颗粒相互之间的接触面积就越大，从而引起物料之间的内摩擦力增大，容易造成物料在粉矿仓内部的结拱、棚料堵塞。

利用剪切试验装置测定不同粒度下内摩擦角变化趋势，结果见图5。

由图5可知，物料的内摩擦角随物料粒度的增大呈减小趋势，当粒度大于3 mm后，变化趋势趋于平缓。对于和尚桥选矿厂高压辊磨处理后的物料，物料的内摩擦角维持在相对较高水平，因此在该粒度组合下的物料流动性较差。

2.2.2 物料含水率的影响

和尚桥选矿厂入磨的物料含水率长期维持在9%～11%之间，处于相对较高水平。利用剪切试验装置，测得粉矿仓内物料的含水率对其内摩擦角的影响，结果见图6。

由图6可知，随着含水率的增加，物料的内摩擦角呈增大趋势；但当含水率增加到某一范围时，内摩擦角处于最大值，之后逐渐减小。这主要是因为随着含水率的增加，增加的水分易被物料自身吸收，增加了物料颗粒间的黏聚力；当含水率达到某一区间时，不再为物料颗粒吸收，多余水分以自由水的形式存在，起到一定的润滑作用，所以内摩擦角反而减小。和尚桥选矿厂物料的含水率在10%～11%之间时，内摩擦角达到极限值47.2°，此时物料的流动性最差。

2.3 粉矿仓结构对流动性的影响

2.3.1 粉矿仓半顶角

粉矿仓半顶角对仓内物料的流动方式作用明显，它是粉矿仓内物料能否得到整体重力流的关键。通常来说，粉矿仓的半顶角越小，物料的流动效果越好，越容易得到整体重力流流型。和尚桥选矿厂主厂房粉矿仓锥段结构示意如图7所示。

对于四棱锥形整体流的粉矿仓，粉矿仓的半顶角α应满足

式中，φw为壁面摩擦角，（°）；δ为内摩擦角，（°）。

壁面摩擦角同样可以通过剪切试验装置进行测量，只需将图3中的基环用壁面材料代替，由剪切仪的推杆推动剪切环在壁面材料上移动。以正应力为横轴，剪应力为纵轴，绘制不同正应力下的剪应力值，即可得到壁面屈服轨迹WYL［12］，进而可以通过壁面屈服轨迹WYL的斜率得到壁面摩擦角φw。

2.3.2 卸料口尺寸

卸料口的结构与尺寸是物料能否正常流动的重要影响因素，根据Jenike理论的流动-不流动准则［13-14］，预防粉矿仓内物料结拱的卸料口尺寸计算公式为

式中，Ba为卸料口宽度，m；fcc为无约束临界屈服强度，kPa，临界条件下fcc=1；γ为物料松散密度，kg/m3。

2.3.3 粉矿仓结构防堵功能验证

和尚桥选矿厂主厂房粉矿仓上部采用矩形现浇钢筋混凝土结构，下部采用四棱锥形钢结构，粉矿仓呈一字形直线排开，共计13座，其中1座备用。粉矿仓上部矩形截面尺寸为7.5 m×9 m，下部四棱锥的斜面坡度为60°，有效储料高度为12.35 m，设计储料容积为610 m3，有效储料容积为488 m3，有效储矿量可达1 000 t。粉矿仓底部中央采用圆盘给料机卸料，卸料口尺寸为Ba=1.2 m。粉矿仓的具体结构尺寸如图8所示。

通过粉矿仓内物料的剪切试验得到有效屈服轨迹方程为y=0.92x，内摩擦角为42.61°；经数据处理后得到的流动函数拟合方程为y=0.26x+4.61，则FF=1/0.26=3.85。粉矿仓的壁面材料为Q345B合金钢，其壁面屈服轨迹WYL拟合直线方程斜率k=0.57，壁面摩擦角为29.68°。剪切试验结果见表2。

将上述的剪切试验数据结果分别代入公式（5）和（6），得到粉矿仓锥段半顶角α应不大于12.35°，卸料口的尺寸Ba应不小于1.24 m。和尚桥选矿厂主厂房粉矿仓的锥段半顶角为15°，超出了物料整体重力流对粉矿仓半顶角的要求，所以加剧了物料在粉矿仓中的堵塞；和尚桥选矿厂主厂房粉矿仓的卸料口尺寸为1.2 m，同样没有满足卸料口防结拱尺寸要求，在条件允许的情况下应尽可能加大卸料口尺寸，防止卸料口底部结拱堵塞。

3 粉矿仓气力清堵助流系统的设计及应用

根据上述结论，物料性质以及粉矿仓结构是影响仓内物料能否正常流动的主要因素。但对于已经建好的粉矿仓，上述2个因素难以改变，因此需要借助一定的外力，来降低仓内物料的摩擦阻力、黏聚力以及物料与仓壁之间的壁面摩擦力，从而提升物料的流动能力。

3.1 系统工作原理及组成

气力清堵助流系统主要利用某一压力区间压缩空气的瞬时爆破力和冲击力，分面、分段、分点减弱物料之间的内摩擦力以及物料与粉矿仓内壁之间的壁面摩擦力，破坏粉矿仓内壁物料的受力平衡状态，进而促使粉矿仓内部的物料在自身重力作用下正常流动卸料。实践证明，气力清堵助流系统工作介质的适宜工作压力区间为0.6～1.0 MPa，过大的工作压力对粉矿仓内壁产生的反作用力，可能影响粉矿仓本体和其他设备的稳定性；过小的工作压力会造成喷射能量不足，影响清堵助流效果。

气力清堵助流系统主要包括气源设备系统、管道系统、喷射机构以及电控系统。气源设备系统的作用是产生和储存压缩空气，具体组成如图9所示。

管道系统包括控制气路管道系统和工作气路管道系统，控制气路管道系统的作用是将控制储气罐的气源经净化处理后输送到工作气路系统中各气动阀门执行机构，工作气路管道系统的作用是将助流储气罐内的压缩空气源源不断地输送给喷射机构，以实现连续的清仓动作。

喷射机构包括成套喷嘴组、助流连接管以及气动阀门，喷嘴数量和位置的设置根据物料的性质、粉矿仓的结构、卸料口数量及卸料方式以及喷射能量分布等因素综合确定。

电控系统既可以实现现场的手动控制，又可以实现系统的远程自动控制，实现“料位监测—信号传输、反馈—信号转换、处理—可编程控制器响应—清仓动作”的闭环全自动控制。全自动控制系统可使操作岗位工人远离现场职业危害和安全隐患。气力清堵助流系统全自动控制系统流程如图10所示。

3.2 粉矿仓气力清堵助流系统设计

3.2.1 粉矿仓气力清堵助流系统整体设计

根据和尚桥选矿厂粉矿仓内储存物料的性质、粉矿仓的结构型式、卸料方式等因素，结合粉矿仓的实际生产，发现粉矿仓内产生物料堵塞的部位主要集中在粉矿仓下半部分的钢结构锥斗部分，堵料高度从卸矿口圆盘给料机一直延伸到钢结构锥斗和钢筋混凝土的结合处，堵塞形式主要为粘壁堵塞和粘团堵塞。因此，针对这些易堵塞部位安装气力清堵助流系统。设计的粉矿仓气力助流系统在高度方向分为6层，以粉矿仓底部卸矿口作为基准，第Ⅰ层距离基准面0.5 m，第Ⅱ层距离基准面1.25 m，第Ⅲ层距离基准面2 m，第Ⅳ层距离基准面3 m，第Ⅴ层距离基准面4 m，第Ⅵ层距离基准面5 m，第Ⅵ层的位置处于粉矿仓钢筋混凝土部分和钢结构部分的结合处，如图11所示。

气力清堵助流系统的功能是分面、分段、多点位对粉矿仓内的壁附料、黏聚料进行瞬时高强度的精准吹射。在平面布置上，同一高度的助流喷嘴按西北、东南两个方位分成两段（见图12），以保证喷嘴喷射的气量充足。随着布置高度的增加，对应的锥斗截面积也随之增大，因此，喷嘴的布置随高度的增加而递增，以保证喷射范围的全覆盖；与此同时，上下两层的喷嘴在高度方向上应相互错位，以使喷射效果发挥到最佳。

3.2.2 喷射能量的计算

伯努利方程常用于计算流体动力学，其表达式为

可根据伯努利方程计算得出喷嘴喷射气体的速度，进而根据动能计算公式计算出喷嘴的喷射能量。气力清堵助流系统的工作介质为压缩空气，工作压力范围通常为0.6～1.0 MPa，喷嘴的直径通常根据粉矿仓的结构、物料的性质等因素有所区别，大多数情况下采用DN50 mm左右的规格。式（7）中，h1=h2，v1=0，则可得出

式中，P1的范围为0.6～1.0 MPa，P2为标准大气压，100 kPa；标准状态下空气的密度ρ=1.29 kg/m3。根据不同的P1可计算出v2为880～1 181 m/s。

根据动能定理计算公式

设定喷射机构每次喷射的时间为3 s，再将空气的密度、管道的直径以及喷射气体的速度带入式（9），可得到不同工作压力下喷射气体的能量，结果见表3。

由表3可知，喷射能量随着工作压力和喷嘴直径的增加呈递增趋势，可根据粉矿仓的实际堵塞情况和清理的难易程度选择较为合适的喷嘴管径和工作压力。

3.2.3 粉矿仓气力清堵助流系统关键部件选型

和尚桥选矿厂粉矿仓气力清堵助流系统设计的喷嘴管径为DN50 mm，额定工作压力为0.8 MPa，喷射能量可达102.88 kJ，实践证明，喷射出的能量对于经高压辊磨处理后的粉料流动具有良好的效果。根据喷嘴的管径和数量，设计的主管道和控制阀门的规格为DN125 mm系列，能保证每次喷射时的流量需求。助流储气罐选用了两台12.5 m3串联的方案，满足了单位时间内喷射的气量需求，控制储气罐选用一台容积为2 m3的储气罐。空压机选用了两台55 kW的螺杆压缩机，一备一用，额定流量为9.5 m3/min，将储气罐和管道的气量充满只需25 min，保证工作效率的同时也节约了成本。

3.3 应用效果及效益分析

针对和尚桥选矿厂粉矿仓设计的气力清堵助流系统安装试运行后，对安装前后各6个月内部分生产数据的月平均数据做出统计，结果如表4所示。

粉矿仓气力清堵助流系统运行效果及表4中的数据表明，粉矿仓内料流一直保持稳定状态，呈现较为理想的重力流形式（物料自上而下均匀沉降），圆盘给料机源源不断地给球磨机供料，保证了选矿生产流程的畅通，实现了500万t/a的设计产能；粉矿仓的有效容积率由62.4%提高到88.5%，同时有效储矿量也由761 t提高到1 055 t，说明粉矿仓内滞留料明显减少，粉矿仓的实际储料功能得到进一步提升，调节和均衡选矿生产的能力得到明显增强。

气力清堵助流系统投入运行后，选矿厂的运行一直高效、稳定，再未发生过堵仓事故；杜绝了人工清仓各类安全事故的发生，改善了工人的劳动环境，降低了劳动强度；改善了现场的工作环境，避免了以往使用高压水冲洗粉矿仓进行通料造成现场“脏、乱、差”的局面，有利于矿山生产现场的精益化管理。与此同时，该套系统装置的使用为企业带来了较大的经济效益，根据估算，系统投入使用后每年增加的原矿处理量和因堵塞造成的选矿工艺设备空转消耗的能源节约，年均可为选矿厂增加1 400余万元的经济效益。综上所述，气力清堵助流系统在粉矿仓中的运用具有经济、高效、安全、环保等特点，经济社会效益显著。

4 结论及建议

（1）物料性质是影响粉矿仓内部物料流动能力的一个重要因素，其中以物料的含水率和粒度对其影响最为明显。以和尚桥选矿厂经高压辊磨处理后进入粉矿仓储存的物料为例，随着含水率的增加，物料的内摩擦角呈增大趋势，但当含水率增加到10%～11%之间时，内摩擦角达到47.2°极限值，随后物料的内摩擦角随着含水率的进一步增加而逐渐减小。因此，在物料进入粉矿仓前，建议尽量控制其含水率，进而降低物料的黏聚力和堵仓的程度。

（2）粉矿仓的结构是影响粉矿仓内部物料流动能力的另一个重要因素，在进行粉矿仓结构设计时，建议使粉矿仓的卸料口尺寸和半顶角满足预防粉矿仓内物料结拱和实现整体重力流型的尺寸要求。

（3）利用压缩空气的瞬时爆破力和冲击力，是借助外力来解决粉矿仓堵塞问题的有效手段，建议根据粉矿仓内物料的易堵塞部位、物料黏聚程度合理选择助流喷嘴的位置、工作压力和喷射能量等工作参数。

（4）在粉矿仓上合理设计和安装气力清堵助流系统，对粉矿仓内物料流动性能改善作用明显。以和尚桥选矿厂12套粉矿仓为例，气力清堵助流系统安装后，粉矿仓的有效容积率提升至88.5%，单个粉矿仓的有效储矿量提升至1 055 t，较安装前指标提升40%以上；在500万t/a产量下，年均为选矿厂增加1 400余万元的经济效益，同时改善了作业环境，实现了无人化清堵，经济、社会、环境效益显著。气力清堵助流系统在和尚桥选矿厂的成功应用，为其他矿山企业处理粉矿仓堵塞问题提供了参考和借鉴。