浅谈铁精矿长距离管道输送工程中的4种常用计算模型

2020-12-16邵靖超

矿业工程 2020年5期

邵靖超

(中冶北方工程技术有限公司，辽宁大连 116600)

0 引言

浆体长距离管道输送是指超过10 km运距的浆体浓度不变的输送方式。随着科学技术的发展，技术进步已极大地改善了能源利用率和零部件的寿命。在适合的条件下，浆体管道输送系统区别于传统的汽车运输与铁路运输方式，其具有稳定的运行方式及低廉的运行成本的优点，同时由于管道是管道运输还具有占地面积小及环保优势。在将来地下矿石运输中，水力提升将起更重要的作用。应用范围从冶金精矿和尾矿的输送到海底钻石挖泥采集工艺的400 mm卵石的输送[1]。

而在铁矿领域，早在1967年，澳大利亚就建成了世界上第一条铁精矿输送管道——萨凡奇河铁精矿管道输送工程，全长85 km，我国国内是在1997年建成了中国第一条铁精矿输送管道——尖山铁精矿管道输送工程，全长104 km，随后国内铁精矿矿浆长距离输送管道相继建成，齐大山调军台选矿厂铁精矿矿浆管道输送，全长21 km，大红山铁精矿矿浆输送管线，全长171 km以及梅山铁矿铁精矿管道输送系统等。

在长距离浆体管道输送工程的设计中，临界流速vL与水力坡度(摩阻损失)I是进行管道规格选取以及设备选型的重要参数依据。要想计算得出临界流速与摩阻损失，就需要选取合适的计算公式。因此，合理的选择与应用现有的浆体输送水力计算公式，对于保证工程安全可靠、投资经济合理、运行高效节能具有重要的指导意义。

1 国内铁精矿矿浆长距离管道输送举例

太钢尖山铁精矿管道运输工程，我国第一条铁精矿长距离浆体输送管道建成，这是我国铁精矿长距离管道输送实际应用的第一例。尖山铁精矿长距离管道输送，输送距离全长102 km，海拔高差525 m，铁精矿比重4.78，粒度-0.074 mm为92%，输送浓度为65%，管径为D273 mm。

大红山铁精矿管道输送系统[2]，本系统由中外公司合作设计而成。输送精矿浓度65%，精矿比重4.77，管道全长204.3 km，管径D168 mm，单泵额定压力20 MPa。最大高差1 601 m，中途采用5座泵站串联输送。管线路由穿越数座桥梁与隧道，地形起伏较大，对设计与施工都是挑战，对未来国内的长距离管道输送项目很有借鉴意义。

梅山重选尾矿和降磷尾矿矿浆经过混合、浓缩，形成粒度为20 mm、浓度为25%、铁品位24%的矿浆，经过高位料浆槽作隔膜泵的喂料，输送距离为12.5 km，输送压力为4.2 MPa，设计最终输送压力为6.5 MPa。

管道内浆体的特性:输送计算不能简单的等同于清水的水力计算。由于浆体所含颗粒的粒度等级以及重量浓度不同，其在管道内所形成的浆体性质也不尽相同，根据瓦斯普[3]所著《固体物料的浆体管道输送》，浆体存在两种状态，分别是均质流和非均质流。均质流又分为牛顿体和非牛顿体。非均质流所含固体颗粒又有级配颗粒与均匀颗粒之分。

一般铁矿工程上接触或者应用最多的应该是介于均质流与非均质流两者之间的流态，可以称其为伪均质流。伪均质流在一定流速下，水流成紊流状态，水中所含颗粒全部悬浮，成均质流状态，但是流速降下来后或者在层流状态又形成了有底床的的非均质流状态。确定管道最低安全运行流速是为了保证管道中矿浆有适当的固体颗粒悬浮，保持伪均匀流体的状态，尽量减小粗颗粒对管道底部的磨损。长距离管道的最低安全运行流速必须保证矿浆在管道中呈紊流状态[4]。

2 矿浆管道输送常用的计算公式

输送与清水输送不同，浆体在不同的浓度以及粒度等级下所呈现的状态是不同的，很难有统一的理论公式来表达矿浆性质。因此，科学家们利用大量试验与实际项目的总结，归纳与拟合了矿浆管道输送的计算公式。这些公式都是在相应的实验条件下总结出来的，这些公式所适用的条件也是与实验条件对应的，不同实验条件的公式混用计算结果偏差较大，因此就需要工程师在设计时选取合适的公式进行计算。

目前常用的计算公式有，B.C.克诺罗兹等的试验公式，陕西水科所试验公式，瓦斯普公式、鞍山矿山设计院计算公式。

3 计算公式及其计算条件

3.1 B.C.克诺罗兹等的试验公式

3.1.1 临界流速vL

(1)

(2)

(3)

克诺罗兹公式分三段公式，分别代表不同的粒度等级时所应用的公式。一般利用加权平均粒径dcp表示平均粒径，应用范围按照dcp≤0.07 mm时应用公式(1)，0.07 mm0.15 mm时应用公式(3)。

3.1.2 水力坡度I

对于圆管有压流，各个公式原理基本相同，一般用达西—韦斯巴赫公式进行计算，只不过都根据实验条件各自总结后有所修正。

水力坡度I：

I=γkI0

(4)

(5)

式中：I—输送矿浆水力坡度，米水柱/米；I0—输送与矿浆同等流量清水的水力坡度，米水柱/米；vj—计算流速，m/s；Dj—计算管径，mm；λ—阻力系数，克诺罗兹公式采用的是Φ.A.舍维列夫的新管公式计算λ。

(6)

(7)

3.1.3 公式使用条件

该法是根据固体比重γg=2.7的物料试验数据推导得出，此公式仅可应用于物料比重在2.7左右的，物料比重超过3.0就不建议应用此公式。

由图1可见克诺罗兹总结的试验数据，临界流速随着矿浆浓度增加而增加，但是一些高浓度矿浆如陕西水科所所做试验中可以看出：当矿浆浓度增大到一定程度时，临界流速反而有所下降。根据尾矿设施设计参考资料，当矿浆比重超过1.25时就不建议应用克诺罗兹公式了。

图1 临界流速随矿浆容重变化规律图

3.2 陕西水科所计算公式

3.2.1 临界流速vL

(8)

式中：vL—临界流速，m/s；D1—临界管径，mm；g—重力加速度，g/m3·s；e—自然对数；Cv—矿浆体积稠度的100倍。

(9)

式中：γk—矿浆比重，t/m3；γg—尾矿比重，t/m3。

3.2.2 水力坡度I

(10)

式中：I—输送矿浆的水力坡度；γ0—水的比重，t/m3。

3.2.3 公式使用条件

陕西水科所是根据表1的试验条件所得，试验结果如图2所示，因此只有在接近上述条件时，才建议应用，并配合试验。

表1 陕西水科所公式适用条件参数表

矿浆浓度较大时，可以在允许条件下选择陕西水科所公式计算。在计算结果基础上乘以1.2～1.3的安全系数。当所需计算浆体不在适用条件范围，则可以考虑瓦斯普公式或者鞍山矿山设计院公式计算公式。

图2 金堆城选厂硫精矿试验结果图

3.3 瓦斯普计算公式

瓦斯普计算公式是根据瓦斯普教授(E.J.Wasp)参与的多个实际矿浆输送工程以及理论公式的组合而成，他认为煤炭或者矿石采选等工程实际中，管道内浆体大多为非均质浆体，是由细颗粒与水混合后形成的均质浆体与一部分大颗粒和未混合均匀的颗粒组成的。通常, 对于含细颗粒的矿浆，在较低浓度时，最小速度由固体沉积作用控制，在高浓度时，最小流速由层流到紊流的过渡流速来控制。

3.3.1 临界流速vL

当管内出现底床或者沙陇现象时，此时管内的流速被称为淤积流速。淤积流速的表达式瓦斯普根据杜兰德公式1的基础上进行修正。表达式如下：

(11)

式中：FL—修正系数；d—粒径尺寸，mm；D—管道内径，mm；ρs—固体比重，kg/m3；ρl—液体比重，kg/m3。

当矿浆为均质浆体，管内矿浆从紊流向层流过渡时，此时的流速被称为过渡流速，非牛顿流体如宾汉体可以用。

(12)

式中：K1—修正系数，常数，早期研究为K1=19/22，后威尔逊和托马斯将其修正为K1=25；τ0—过渡时屈服应力；ρ—矿浆比重。

瓦斯普的临界流速取过渡流速vt与淤积流速vD的大者。一般伪均质浆体在均质浆体状态时是紊流速度，直到速度下降到淤积流速vD时开始出现底床沉积。

3.3.2 摩阻损失

瓦斯普认为矿浆的摩阻损失为载体部分与悬浮在载体中的颗粒部分两部分的损失之和，同时也在杜兰德公式的理论基础上进行了修正。

(13)

(14)