新型充填造漿噴嘴的研制

張 鵬 林曉飛 張傳信

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心；4.安徽工業大學建筑工程學院)

隨著社會的進步，環保意識越來越強，“綠水青山就是金山銀山，寧要綠水青山不要金山銀山”的理念深入人心。對于礦山企業，采空區、露天坑的恢復治理問題越來越突出，而目前解決這個問題的有效途徑就是充填。因此，充填站在諸多礦山中普遍建設。

充填工藝有多種，目前大部分礦山企業采用濕式造漿，這種工藝流程中核心內容是充填漿料的制備。濕式造漿工藝發展至今，有砂倉(臥式或立式)造漿和深錐濃密機造漿2種方式。砂倉造漿主要通過自然沉降充填骨料，達到一定濃度后底流放出；深錐濃密機是通過骨料的自然沉降加上圍繞深錐中心緩慢轉動的砂耙聚攏充填骨料，達到一定濃度后底流放出。兩者也有共同點，即骨料在倉體內沉積時需要流化，具體為沉降的漿料需要壓氣噴嘴或者壓水噴嘴使其流動起來而不產生板結現象。在造漿的過程中噴嘴的使用頻率高、單次使用時間短，噴嘴的使用壽命很大程度上影響漿體的均勻程度和充填作業的質量。在保證原有的通氣量的前提下，如何提高充填造漿噴嘴的使用壽命是充填項目亟需解決的一個切實問題。

1 充填造漿噴嘴概況

立式砂倉和臥式砂倉充填漿料制備的一個重要部件是充填造漿噴嘴，其使用數量多(一個倉多達上百個)、工作條件惡劣、易磨損、易堵塞、容易受到腐蝕，造漿濃度的高低和噴嘴的好壞有密不可分的關系。

第一代造漿噴嘴大多為彈力套式逆止噴嘴(圖1)[1]或此種噴嘴的變形。

圖1 一種常見的彈力套式逆止噴嘴結構示意

第二代造漿噴嘴主要改進了彈力膠套，采用金屬材料配合彈簧作為閥體的逆止機構。改進后無橡膠套的噴嘴見圖2。

圖2 改進后的一種彈簧逆止噴嘴結構示意

上述常見的噴嘴使用中缺點明顯，第一代噴嘴的橡膠易老化，第二代噴嘴雖然使用了彈簧代替橡膠管，但是出氣孔容易進入充填漿料而堵塞噴嘴，同時在工作中彈簧處于高頻振動，彈簧的機械疲勞使其過早的斷裂，失去逆止回彈的作用。

從金山店鐵礦、白象山鐵礦、冬瓜山銅礦等幾家礦山的充填噴嘴使用情況反饋來看，導致噴嘴失效的主要原因是彈簧問題，其次是磨損故障，噴嘴失效的主要原因分析見表1。

2 新型噴嘴的研制與改進

為解決上述2種噴嘴存在的問題，經過不斷試驗，研制出一種新型的造漿噴嘴。通過對內部機械部分進行改進，克服了第一代噴嘴乳膠管老化的問題，同時解決了第二代噴嘴容易堵塞的缺點，大大增加了使用壽命。

新型噴嘴結構見圖3。工作時，壓縮氣體推動活塞壓縮彈簧，活塞移動至排氣孔后停止運動，氣體排出，進行造漿；不工作時，活塞在彈簧的壓力下恢復原位，封閉排氣孔，防止充填漿料進入閥體[2]。

新型噴嘴完全滿足充填造漿的要求，使用壽命較長。但是發現閥體彈簧的壽命仍然不夠理想，大約工作500～800 h。

表1 部分礦山噴嘴損壞情況

注：統計為粗計，周期為1 a或平均到1 a，冬瓜山銅礦沒有具體數據。

圖3 新型造漿噴嘴結構示意

后期經過研究，采取升級彈簧的材質，提高彈簧硬度至45～50HRC，合理設計彈簧的尺寸，提高活塞后導孔間隙配合的加工精度等一系列措施，彈簧的使用壽命提高約20%以上，個別噴嘴使用壽命達到1 100 h，仍能夠正常使用，噴嘴用彈簧改進項目見表2。

表2 噴嘴用彈簧改進項目

3 新型噴嘴的應用

新型噴嘴設計及試驗后在多家礦山企業使用，取得良好的效果。

2009年6月在吳莊鐵礦充填站首次使用新型噴嘴。使用1 a后，基本滿足使用要求。損壞部件主要為彈簧，之后經過改進彈簧設計，彈簧損壞的情況明顯好轉，噴嘴損壞率大大降低。

2013年11月在富凱礦業充填站建設完成后使用改進后的新型噴嘴，4座砂倉安裝的384個造漿噴嘴90%以上使用壽命超過1 a。2014年和2015年生產期間更換噴嘴大約150個，約61%的噴嘴使用達到2 a。

2015年5月大浞河鐵礦采用123個新型充填噴嘴。由于此礦山使用的造漿水含有腐蝕性的氯離子，為提高使用壽命，設計材質為06Cr17Ni12Mo2(316)奧氏體不銹鋼，80%以上充填噴嘴使用1 a以上，效果良好。

4 噴嘴壽命提升

新型噴嘴的研制成功表明造漿噴嘴的提升是可能的。隨著選礦工藝的進步、工礦企業對充填的要求更為迫切、更為惡劣的使用環境(比如各種酸、堿溶液的環境，有色礦山極細粒尾礦的環境，需要連續充填的工作條件等)都對充填造漿噴嘴的使用壽命、耐腐蝕性提出更高的要求。

從材質出發，理想的閥體材質為鈦合金。鈦合金耐酸堿、耐磨、硬度高、不易磨損，是制造噴嘴的最佳選擇。但是，鈦合金作為材料加工成本太大，成品率小，使鈦合金的使用大大受到限制。

另一方面，隨著冶金科技的進步，耐磨不銹鋼材的性能逐步提高，因此，高強度耐磨不銹鋼是噴嘴材質合適的選擇方向。耐磨損宜選用馬氏體型不銹鋼，抗腐蝕宜選用奧氏體型不銹鋼。

第三個提高閥體壽命的方法是改進金屬摩擦面的表面處理工藝。腔體與活塞經過退火、淬火和回火的處理，能大大提高表面的硬度。奧氏體不銹鋼成分(質量，%)為C0.04,M 1.3,Si0.6,Cr16,Ni10.4,Mo2.2,退火態的硬度為HV148；馬氏體不銹鋼成分(質量，%)為C0.15,Mn1.0,Cr16.4,淬火回火態的硬度為HV387[3]。

5 結 語

充填漿料均勻與否、濃度高低由多種因素決定，充填造漿噴嘴往往是被忽略的一個方面。新型造漿噴嘴的成功研制大幅度增加了使用壽命，減少了故障率。使用新型造漿噴嘴造漿，大大提高了充填的料漿制備的均勻程度和質量濃度，從而間接提高了充填強度，減少了充填膠凝劑的使用，降低了企業成本。充填造漿噴嘴集合了機械制造工藝的進步、冶金材料科學的發展和精巧的設計，其更新換代也推動著充填工藝朝著更先進的方向發展。