劉洲基

(金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū), 甘肅金昌市 737100)

BREDEL軟管泵在金川礦山充填中的工業(yè)試驗

劉洲基

(金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū), 甘肅金昌市 737100)

常用的渣漿泵在礦山充填水泥漿的輸送過程中,解決不了密封帶來的一系列問題;金川二礦區(qū)在膏體泵送系統(tǒng)中利用軟管泵實現(xiàn)了水泥漿向攪拌槽的順利輸送,解決了密封和泄漏問題,徹底改變了多年來水泥漿輸送對充填作業(yè)現(xiàn)場和金川礦區(qū)的環(huán)境污染現(xiàn)狀。

軟管泵;膏體充填;水泥漿輸送;變頻器控制;節(jié)能減排

0 前 言

金川集團(tuán)公司二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)經(jīng)過近10年的改造,目前生產(chǎn)能力已實現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)。在充填系統(tǒng)改造中,取消了原有向井下直接輸送水泥漿的PM泵,而在地表用渣漿泵將水泥漿泵送到攪拌槽。盡管減少了輸送環(huán)節(jié),但由于水泥漿固體顆粒物含量高、磨蝕性強,對渣漿泵的過流部件及密封部件磨損非常嚴(yán)重,輸送效率降低,經(jīng)常造成水泥漿大量泄漏,充填連續(xù)性變差。在水泥漿濃度高于50%時頻繁出現(xiàn)無法泵送的情況,滿足不了工藝要求。職工每班除對渣漿泵的密封件進(jìn)行更換和維修外,還要及時清理泄漏的料漿(見圖1),造成很大的浪費,既給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染,又給井下充填體質(zhì)量帶來了不利影響。

圖1 渣漿泵泵送水泥漿時泵頭泄漏狀況

為提高充填過程中水泥漿泵送的工作效率、降低灰漿泄露損耗及延長渣漿泵的使用壽命,二礦區(qū)充填工區(qū)對水泥漿制備輸送系統(tǒng)進(jìn)行了研究改造,一定程度上緩解了水泥漿輸送的部分困難,但并沒有從根本上解決難題。

1 膏體充填系統(tǒng)渣漿泵輸送存在的問題

1.1 水泥漿輸送的基本要求

金川二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)經(jīng)改造后,采用預(yù)制水泥漿并由渣漿泵向攪拌槽添加的工藝流程,其工藝參數(shù)要求為:輸送管徑Φ100mm,流量為20～30 m3/h,重量濃度為55%～70%;水泥漿在流動過程中不能發(fā)生沉降,流速必須大于臨界流速;輸送設(shè)備要保證對水泥漿的良好密封,且對小于10mm的極少數(shù)非溶水顆粒物具有可泵余量。

1.2 渣漿泵在水泥漿輸送中暴露出的問題

由于渣漿泵主要靠葉輪旋轉(zhuǎn)使出入口形成壓差來輸送水泥漿,其旋轉(zhuǎn)葉輪與水泥漿直接接觸,葉輪磨損非?？?磨損的葉輪一旦不及時更換,就會導(dǎo)致輸送水泥漿流量與濃度均達(dá)不到要求;此外,由于泵的料腔與傳動軸之間用盤根密封,當(dāng)水泥漿滲入盤根凝固后,盤根與傳動軸之間形成剛性摩擦,常常造成水泥漿外泄,也是水泥漿輸送達(dá)不到要求的另一個原因;當(dāng)極少數(shù)非溶水顆粒物進(jìn)入泵料腔時,極易導(dǎo)致葉輪損壞,出口堵塞,形成斷流,造成充填非正常停車。

2 新型軟管泵的調(diào)研與實施

2007年6月,英國斯派莎克公司來金川公司做技術(shù)交流,主要介紹Bredel軟管泵在冶金及礦山行業(yè)的應(yīng)用。Bredel軟管泵通過一對壓輥沿著一根特制的橡膠管旋轉(zhuǎn),將膠管壓扁,管子靠自身彈性在恢復(fù)原狀的過程中產(chǎn)生真空將物料吸入管腔,然后,物料在壓輥擠壓下從管內(nèi)排出。如此周而復(fù)始,物料不斷地被吸入和排出。其最大的優(yōu)勢在于:特有的無密封結(jié)構(gòu),無任何泄露污染,采用先進(jìn)的滾動技術(shù),壓輥不需要任何潤滑,自吸能力強并具有自清能力,能正反吸料。Bredel軟管泵結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 軟管泵結(jié)構(gòu)示意

2.1 Bredel軟管泵輸送水泥漿可行性技術(shù)測試

為了驗證Bredel軟管泵在金川二礦區(qū)泵送充填系統(tǒng)中輸送水泥漿的可行性,集團(tuán)公司成立了科技攻關(guān)小組,用一臺SPX100軟管泵替換原渣漿泵,于2009年7月16日進(jìn)入二礦區(qū)充填工區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行測試。SPX100軟管泵功率為15kW,可穩(wěn)定輸送60%以上濃度的漿料,流量可達(dá)36m3/h。

要使軟管泵運行滿足充填工況,必須在可泵性、密封性、高濃度條件下的流量、壓力和連續(xù)性以及使用壽命等方面均達(dá)到要求。

2.1.1 可泵性測試

可泵性主要是滿足將水和水泥漿利用現(xiàn)場輸送管路(長為32m、高差為3.5m、管徑為Φ100mm)輸送到攪拌槽的能力。2009年7月15日上午9時,利用攪拌桶設(shè)定相同體積(5.7m3)的清水,且保持渣漿泵正常洗管時電機調(diào)頻18Hz的情況下,通過對比兩泵輸水時間測算出泵送清水能力,泵送清水主要是為了滿足沖洗管道的要求,測試結(jié)果見表1。

通過測試確認(rèn),軟管泵在42Hz條件下,輸送同等體積清水的時間明顯少于渣漿泵。

表1 渣漿泵及軟管泵輸送清水測試結(jié)果

7月19日上午11時,安排了第二次測試,主要是對兩種泵在輸送水和水泥漿(模擬實際運行情況)方面的可泵性對比。通過現(xiàn)場和控制室同時記錄運行數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對,測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 渣漿泵及軟管泵輸送清水及水泥漿測試結(jié)果

輸送水泥漿時間相差14s,但多輸送水泥0.1 t,可見軟管泵對清水與水泥漿均具有可泵性。

2.1.2 密封性測試

密封性能要求泵體在輸送水泥漿的過程中,必須保證充填系統(tǒng)連續(xù)充填800m3而水泥漿不發(fā)生泄露,同時密封件不損毀。用兩種泵持續(xù)進(jìn)行充填,水泥漿泄露量測試情況見表3。

表3 渣漿泵及軟管泵輸送水泥漿連續(xù)充填測試結(jié)果

軟管泵不泄露的最主要原因是其結(jié)構(gòu)設(shè)計使輸送介質(zhì)直接進(jìn)入橡膠軟管,通過壓輥擠壓膠管進(jìn)行,避免了介質(zhì)與傳動部分的直接接觸(軟管泵不需要在傳動部位加裝介質(zhì)密封件)。因此,軟管泵從結(jié)構(gòu)上解決了輸送水泥漿的密封問題。

2.1.3 高濃度條件下的流量與壓力和連續(xù)性測試

按照充填工區(qū)的充填任務(wù)量,泵每天運行時間約為12～20h。根據(jù)充填的需要對充填過程中每小時的水泥量及水量進(jìn)行統(tǒng)計,每小時各物料添加量見表4。

表4 正常充填時水泥量及水量

根據(jù)計算,可得出水泥漿流量常規(guī)運行時為28.4m3/h,最大流量為33m3/h,壓力小于1.6 MPa。圖3為SXP100軟管泵泵壓和流量理論曲線。從曲線中可以看出其能滿足要求,但為了驗證其參數(shù),進(jìn)行了充填實測。通過實測可知軟管泵的輸送流量、濃度以及連續(xù)性均可滿足現(xiàn)場充填要求。

圖3 BredelSPX100軟管泵壓力、流量性能曲線

2.1.4 軟管使用壽命測試

根據(jù)廠家提供的經(jīng)驗計算方法,規(guī)定最大入口測算加速損失參數(shù)不超過30,利用公式

計算壓損,結(jié)合現(xiàn)場推算出其使用壽命(軟管的使用壽命)。

式中:K——常數(shù),取0.16;

Pi——加速損失參數(shù);

L——入口管路實際長度,m;

F——流量,L/h;

N——轉(zhuǎn)速,r/min;

ρ——密度,kg/L;

D——吸入端管徑,mm。

例如:一臺SPX80在制作水基涂料的過程中輸送一種天然原料,磨蝕性非常強,轉(zhuǎn)速為38rpm,排出端管路長度有80m。2002年10月安裝,第一次更換軟管在2003年11月,客戶估計實際運行時間在3000～4000h。

目前二礦區(qū)充填工區(qū)用的水泥漿輸送泵pi值達(dá)42.8{計算公式為(0.16×1.5×33000×30×2.2)/10000}。照這個值計算,軟管壽命縮短到1200多小時。如將入口管徑改為150mm,這個值可以降低到19,軟管運行時間將達(dá)到3000～3500h(為此,已將入口管徑改為Φ150mm),這樣二礦區(qū)全年只用兩條這樣的軟管就足夠了。

2.2 實施結(jié)果

從以上測試得出的數(shù)據(jù)結(jié)果分析:軟管泵能夠滿足二礦區(qū)膏體充填水和水泥漿的輸送要求,且有足夠的調(diào)節(jié)量。輸送水時,軟管泵的輸送量略高于渣漿泵的輸送量;輸送水泥漿時,軟管泵的輸送量略低于渣漿泵的輸送量。

軟管泵在調(diào)頻達(dá)到95%,水泥漿濃度為51%時,每小時輸送水泥量可達(dá)到48t;渣漿泵在調(diào)頻達(dá)到100%,水泥漿濃度小于50%時,每小時輸送水泥量可達(dá)到33t。對兩種泵輸送更高濃度水泥漿運行情況進(jìn)行比較,濃度越高,軟管泵的輸送優(yōu)勢體現(xiàn)得較明顯,渣漿泵則顯得不太適應(yīng)。

渣漿泵由于水泥漿對葉輪有沖蝕和磨損,加上濃度的變化,流量往往不穩(wěn)定,需要時時調(diào)節(jié)運行頻率;軟管泵輸送流量連續(xù)且穩(wěn)定,在穩(wěn)定運行時不需調(diào)頻。從2009年7月20日到7月26日的運行中,軟管泵已體現(xiàn)出其優(yōu)勢,輸送量穩(wěn)定,不用拆洗清掃,無泄漏,輸送等量水泥所需水量小于渣漿泵,每小時輸送30～40t水泥僅需配8～12t水;輸送灰漿濃度穩(wěn)定在68%～75%之間;與原有自動變頻控制系統(tǒng)兼容,可根據(jù)攪拌槽中灰漿液位高低自動調(diào)節(jié)流量。

2.3 運行建議

由于軟管泵與渣漿泵的工作原理不同,其工藝要求也不同,使用軟管泵進(jìn)行充填作業(yè)時,需注意以下幾點:

(1)渣漿泵正常使用頻率為18Hz(最高60 Hz),軟管泵選型時建議的使用頻率為40Hz(流量26m3/h)～60Hz(流量36m3/h)之間。

(2)渣漿泵由于其自身特性,限制了其輸送更高濃度灰漿的能力,而軟管泵可以輸送濃度70%或更高的灰漿,建議在輸送水泥漿時提高水泥的濃度,提高其輸送效率,既可節(jié)約用水,又有利于提高充填料漿的濃度。

(3)軟管泵的保養(yǎng)。必須在使用后進(jìn)行沖洗,避免泵內(nèi)管道結(jié)塊,造成堵管或下次運行時擠傷軟管。軟管在失效之前將會有明顯的流量衰減,當(dāng)發(fā)現(xiàn)在其他工藝條件沒有改變的情況下,軟管泵的流量遠(yuǎn)低于平時,即可判定軟管即將失效,此時需要更換軟管。

(4)良好的進(jìn)料系統(tǒng)及排出系統(tǒng)可以延長軟管泵軟管的使用壽命。實際運行中,建議軟管泵進(jìn)口管路管徑加大到Φ150mm或Φ200mm,出口管路如有可能改造,可改為Φ150mm管徑。

(5)軟管是軟管泵唯一的易損件,潤滑劑可重復(fù)使用,更換時請注意保持潤滑劑清潔。

3 效果與效益分析

按年充填20萬m3計算,軟管泵使用壽命為20年,而渣漿泵一臺泵只能用2年;軟管泵配件年使用2件,而渣漿泵配件年使用量達(dá)4件;軟管泵無泄漏,而渣漿泵年泄露量達(dá)600m3以上。其具體費用比較見表5。

表5 兩種泵年充填20萬m3時的對比

(1)SPX100軟管泵同等流量下可節(jié)能50%。

(2)軟管泵每轉(zhuǎn)輸送量一致,計量精度達(dá)1±1%;可以通過變頻器控制其流量,使下一步工藝中充填料漿的配比更準(zhǔn)確。

(3)軟管是軟管泵唯一的易損件,維修維護(hù)僅需更換軟管,且更換軟管耗時少,停工期縮短至0.5 h,避免了設(shè)備停工生產(chǎn)線無法運行造成損失。

軟管泵是目前國際上比較流行的無接觸、防腐、防毒且計量精確的新型功能泵。應(yīng)用于金川二礦區(qū)膏體泵送充填系統(tǒng)輸送水泥漿,并已發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢,除大大降低職工維護(hù)量外,其無泄漏的特點解決了多年來充填作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境污染問題,徹底改變了泄露外排這一狀況,實現(xiàn)了膏體充填水泥漿的零泄漏,避免了灰漿的浪費,符合國家節(jié)能減排的方針和要求。

2010-04-23)

劉洲基(1973-),男,工程師,從事采礦技術(shù)、礦山充填技術(shù)研究,Email:zhouji20078888@163.com。