基于碳化硅陶瓷材料的磨礦分級系統給礦泵及過流件應用試驗研究

高雪婷,任 強,秦華江,何 川,張 杰

(金堆城鉬業集團有限公司,陜西 渭南 714102)

0 前 言

某鉬選礦廠Ⅰ段磨礦分級系統給礦泵過流件使用周期約65 d,使得Ⅰ段磨礦分級系統維護成本居高不下,給礦泵檢修次數頻繁,工人勞動強度大。同時,部分碎鋼球進入泵腔,損壞過流件(渣漿泵中直接接觸礦漿液的配件叫過流件,或者說礦漿液在泵腔里接觸到的配件。過流件包含葉輪,護套,護板。),發生非計劃停車,影響選礦廠運轉率及生產能力。為了延長Ⅰ段磨礦分級系統給礦泵過流件使用壽命,該選礦廠對Ⅰ段磨礦分級系統給礦泵及過流件進行應用新材料試驗研究。

1 現狀及存在問題

該選礦廠Ⅰ段磨礦分級共4個系統,2009～2015年將1#、2#、3#、4#系統由雙2FLG-Φ3000型高堰式雙螺旋分級機改為水力旋流器,現4個系統均為MQG3600×4000格子型球磨機與FX-710水力旋流器組成的閉路磨礦分級系統,如圖1所示。與FX-710水力旋流器配套使用的給礦泵是普通金屬8/6渣漿泵,4個系統共8臺(1開1備),8/6渣漿泵過流件平均使用周期為60～75 d,一臺8/6渣漿泵年維護費用約24萬元,8臺渣漿泵年維護費用約96萬元。且非檢修時間倒換泵時,需停球磨機約半小時。

圖1 Ⅰ段磨礦分級工藝流程圖

2 給礦泵及碳化硅陶瓷材料過流件的選擇

選礦廠根據Ⅰ段磨礦分級系統給礦泵過流件磨損較快、使用周期短的情況,組織技術人員對眾多渣漿泵廠家進行考察、咨詢、現場踏勘,最終選擇與漢江弘源襄陽公司進行合作,對選礦廠現場工況、工藝、介質參數、現場管路、地理環境等進行詳細了解,經過科學計算、數據分析、理論分析,選擇最新研發的碳化硅[1]特種陶瓷耐磨耐蝕重型渣漿泵及碳化硅陶瓷材料過流件進行試驗。

碳化硅特種陶瓷泵特點:(1)碳化硅陶瓷材料蝸殼和葉輪不同于普通渣漿泵,它是運用最新兩相流設計理論,結合新型材料的特點,運用CFD(計算流體動力學)、CAE(計算機輔助工程)技術,設計出高效、耐磨、耐腐蝕的蝸殼和葉輪、護套及泵體。其蝸殼和葉輪CFD分析如圖2所示。(2)碳化硅陶瓷過流件采用燒結碳化硅陶瓷結合金屬骨架的方式,既能充分保證使用壽命,又能保證各部位的連接剛度、強度以及傳遞所需要的扭矩。

圖2 蝸殼和葉輪CFD分析

3 碳化硅陶瓷材料試驗研究

3.1 耐磨沖擊試驗

為驗證碳化硅陶瓷材料的耐磨特性,進行掛片耐磨試驗。設計模擬性試驗裝置,制作3 mm厚度的試驗樣片,再用高濃度、高硬度的石英砂漿液高速沖擊試樣片5 h,最后測量試樣片被磨損的深度,磨損深度越淺,說明樣片耐磨損能力越強。

測試樣塊包括:304不銹鋼,JM高鉻鑄鐵,高溫耐磨陶瓷 EB206,得復康小顆粒耐磨防護劑Devcon 11470,樂泰小顆粒耐磨防護劑 Loctite 98383,精銳高含量陶瓷 ARC 897,貝爾佐納細粒陶瓷Belzona 1821,麥德萊聚氨酯彈性涂層Metaline785,Cr30耐磨鋼,A49耐磨鋼,高溫燒結陶瓷片,氮化硅結合碳化硅材料[2-3]等12種材料。

試驗條件:漿液濃度60%,固體含量1.3 kg/L;磨粒類型石英砂,磨粒粒徑范圍0.076～0.152 mm;噴射角度90°,噴射平均速度18 m/s。不同材質耐磨沖擊試驗磨損深度對比如圖3所示。

圖3 不同材質耐磨沖擊試驗磨損深度對比

從圖3可以看出:304不銹鋼磨損最嚴重,2 h 3 mm樣片被擊穿;A49耐磨高鉻合金鋼損耗了0.78 mm;Cr30耐磨鋼損耗了0.53 mm;碳化硅陶瓷磨損最小,僅損耗了0.21 mm。碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC材料)耐磨性是Cr30耐磨鋼的2.5倍;是A49耐磨高鉻合金鋼(Cr15Mo3)的3～4倍,是304不銹鋼的10倍,是其他耐磨涂層材料的4～10倍。磨損深度越淺,說明樣片耐磨損能力越強,碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料僅損耗了0.21 mm,其耐磨性最好。

3.2 耐磨試驗

為了進一步驗證碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料的耐磨性,在中國科學院金屬所對碳化硅陶瓷進行了耐磨試驗。試驗介質為120目Al2O3粉,試驗條件為溫度25 ℃、風速30 m/s,氣力輸粉管道常用內襯材料耐磨性能對比如圖4所示。

圖4 氣力輸粉管道常用內襯材料耐磨性能對比

從圖4可以看出:SiC-A新型復相碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料體積損失不超過0.01 mm3/g,體積損失最小,其耐磨性最好。

3.3 耐腐蝕試驗

對碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料還進行了耐腐蝕試驗,不同材質在相同腐蝕環境下的體積損失結果如圖5所示。

圖5 不同材質在相同腐蝕環境下的體積損失試驗

從圖5可以看出:碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料體積損失最小,為0.021 mm3/g,304不銹鋼體積損失最大,為1.463 mm3/g,腐蝕最嚴重。由此可知碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料抗腐蝕性最強。

由耐磨、耐腐蝕試驗結果可知:碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料耐磨性、耐腐蝕性最好,耐磨性是304不銹鋼的10倍,耐腐蝕性是304不銹鋼的50倍以上。

4 工業應用試驗

在1#磨礦分級系統進行工業應用試驗。在1#磨礦分級系統檢修時,拆除原2#系統普通8/6渣漿泵,安裝碳化硅陶瓷泵(過流件是碳化硅陶瓷材料),2019年6月24日安裝完成,從2019年6月25日～2020年12月20日進行工業試驗。在工業試驗期間,運行45 d打開碳化硅陶瓷泵查看過流件磨損情況,碳化硅陶瓷材料過流件只磨掉毛刺,在碳化硅陶瓷泵運行約8個月,即2020年3月至2020年12月20日期間只更換了葉輪、護套部分。2020年12月20日再次更換碳化硅陶瓷材料過流件,并對碳化硅陶瓷泵泵體進行修復,結束工業試驗,工業試驗期間中間只更換了一次碳化硅陶瓷材料過流件。1#磨礦分級系統在使用碳化硅陶瓷泵工業試驗中工藝運行平穩,分級效果良好。

工業試驗結果表明:碳化硅陶瓷泵體、前護板、后護板等使用周期約17個月,碳化硅陶瓷材料過流件運行周期約8個月,是普通8/6渣漿泵的4倍。Ⅰ段磨礦分級系統使用碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件穩定了磨礦分級工藝,降低了泵的檢修頻次,大大降低了職工的勞動強度。

2022年選礦廠4個Ⅰ段磨礦分級系統給礦泵均更換為碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件,替代原普通8/6渣漿泵。2022～2023年使用期間,碳化硅陶瓷材料過流件使用周期為9～10個月,碳化硅陶瓷泵體、前后護板使用周期16～18個月,工藝穩定,使用效果良好。

5 效益分析

5.1 經濟效益

選礦廠Ⅰ段磨礦分級4個系統均為格子型球磨機與FX-710水力旋流器組成的閉路磨礦分級系統,與FX-710水力旋流器配套使用是普通金屬8/6渣漿泵,4個系統共8臺(1開1備),一臺8/6渣漿泵年維護費用約24萬元,8臺(1開1備)8/6渣漿泵年維護費用約96萬元。

工業試驗約18個月,除去中間檢修及倒泵約10天,試驗時間為17個月15天,為方便計算,按16個月計算。碳化硅陶瓷材料過流件使用周期約8個月,碳化硅陶瓷泵體、前護板、后護板等使用周期約16個月(普通渣漿泵使用周期約2個月)。碳化硅陶瓷泵整臺價格8.5萬元/套,碳化硅陶瓷材料過流件價格1.65萬元/件。

則使用碳化硅陶瓷泵一臺渣漿泵年維護費用約:

(8.5+1.65)/16×12=7.613萬元/年

8臺碳化硅陶瓷泵(1開1備)年維護費用約:

7.613×4=30.45萬元/年

則使用碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件年節約成本約:

96-30.45=65.55萬元/年

使用碳化硅陶瓷泵及材料過流件年節約成本65.55萬元。

5.2 社會效益

穩定使用碳化硅陶瓷泵及材料泵的輸送工藝,減少了球磨停車時間,并且降低了渣漿泵的檢修頻次,大大降低了職工的勞動強度。

6 結 論

(1)通過對各種材料進行耐磨試驗測試及腐蝕試驗測試,碳化硅陶瓷(Si3N4-SiC)材料耐磨性強,耐腐蝕性強,化學穩定性好,該材料用在選礦磨礦分級工藝給礦泵上相比金屬渣漿泵、襯膠渣漿泵有明顯的優勢。

(2)工業試驗結果表明:碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件應用在Ⅰ段磨礦分級工藝中,碳化硅陶瓷泵體、前護板、后護板等使用周期約16個月,碳化硅陶瓷材料過流件使用周期約8 個月,是普通金屬渣漿泵的4倍,試驗過程中碳化硅陶瓷泵的輸送工藝穩定,磨礦分級工藝運行平穩。

(3)本選礦廠Ⅰ段磨礦分級4個系統現已均使用碳化硅陶瓷泵及碳化硅陶瓷材料過流件替代原普通8/6渣漿泵,年維護成本大大降低,僅是原來的1/3。

(4)碳化硅陶瓷材料過流件使用周期是普通金屬渣漿泵過流件的4倍,且渣漿泵的輸送工藝穩定,降低了泵的檢修頻次,大大降低了職工的勞動強度,建議推廣應用。