新型充填造浆喷嘴的研制

张 鹏 林晓飞 张传信

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心；4.安徽工业大学建筑工程学院)

随着社会的进步，环保意识越来越强，“绿水青山就是金山银山，宁要绿水青山不要金山银山”的理念深入人心。对于矿山企业，采空区、露天坑的恢复治理问题越来越突出，而目前解决这个问题的有效途径就是充填。因此，充填站在诸多矿山中普遍建设。

充填工艺有多种，目前大部分矿山企业采用湿式造浆，这种工艺流程中核心内容是充填浆料的制备。湿式造浆工艺发展至今，有砂仓(卧式或立式)造浆和深锥浓密机造浆2种方式。砂仓造浆主要通过自然沉降充填骨料，达到一定浓度后底流放出；深锥浓密机是通过骨料的自然沉降加上围绕深锥中心缓慢转动的砂耙聚拢充填骨料，达到一定浓度后底流放出。两者也有共同点，即骨料在仓体内沉积时需要流化，具体为沉降的浆料需要压气喷嘴或者压水喷嘴使其流动起来而不产生板结现象。在造浆的过程中喷嘴的使用频率高、单次使用时间短，喷嘴的使用寿命很大程度上影响浆体的均匀程度和充填作业的质量。在保证原有的通气量的前提下，如何提高充填造浆喷嘴的使用寿命是充填项目亟需解决的一个切实问题。

1 充填造浆喷嘴概况

立式砂仓和卧式砂仓充填浆料制备的一个重要部件是充填造浆喷嘴，其使用数量多(一个仓多达上百个)、工作条件恶劣、易磨损、易堵塞、容易受到腐蚀，造浆浓度的高低和喷嘴的好坏有密不可分的关系。

第一代造浆喷嘴大多为弹力套式逆止喷嘴(图1)[1]或此种喷嘴的变形。

图1 一种常见的弹力套式逆止喷嘴结构示意

第二代造浆喷嘴主要改进了弹力胶套，采用金属材料配合弹簧作为阀体的逆止机构。改进后无橡胶套的喷嘴见图2。

图2 改进后的一种弹簧逆止喷嘴结构示意

上述常见的喷嘴使用中缺点明显，第一代喷嘴的橡胶易老化，第二代喷嘴虽然使用了弹簧代替橡胶管，但是出气孔容易进入充填浆料而堵塞喷嘴，同时在工作中弹簧处于高频振动，弹簧的机械疲劳使其过早的断裂，失去逆止回弹的作用。

从金山店铁矿、白象山铁矿、冬瓜山铜矿等几家矿山的充填喷嘴使用情况反馈来看，导致喷嘴失效的主要原因是弹簧问题，其次是磨损故障，喷嘴失效的主要原因分析见表1。

2 新型喷嘴的研制与改进

为解决上述2种喷嘴存在的问题，经过不断试验，研制出一种新型的造浆喷嘴。通过对内部机械部分进行改进，克服了第一代喷嘴乳胶管老化的问题，同时解决了第二代喷嘴容易堵塞的缺点，大大增加了使用寿命。

新型喷嘴结构见图3。工作时，压缩气体推动活塞压缩弹簧，活塞移动至排气孔后停止运动，气体排出，进行造浆；不工作时，活塞在弹簧的压力下恢复原位，封闭排气孔，防止充填浆料进入阀体[2]。

新型喷嘴完全满足充填造浆的要求，使用寿命较长。但是发现阀体弹簧的寿命仍然不够理想，大约工作500～800 h。

表1 部分矿山喷嘴损坏情况

注：统计为粗计，周期为1 a或平均到1 a，冬瓜山铜矿没有具体数据。

图3 新型造浆喷嘴结构示意

后期经过研究，采取升级弹簧的材质，提高弹簧硬度至45～50HRC，合理设计弹簧的尺寸，提高活塞后导孔间隙配合的加工精度等一系列措施，弹簧的使用寿命提高约20%以上，个别喷嘴使用寿命达到1 100 h，仍能够正常使用，喷嘴用弹簧改进项目见表2。

表2 喷嘴用弹簧改进项目

3 新型喷嘴的应用

新型喷嘴设计及试验后在多家矿山企业使用，取得良好的效果。

2009年6月在吴庄铁矿充填站首次使用新型喷嘴。使用1 a后，基本满足使用要求。损坏部件主要为弹簧，之后经过改进弹簧设计，弹簧损坏的情况明显好转，喷嘴损坏率大大降低。

2013年11月在富凯矿业充填站建设完成后使用改进后的新型喷嘴，4座砂仓安装的384个造浆喷嘴90%以上使用寿命超过1 a。2014年和2015年生产期间更换喷嘴大约150个，约61%的喷嘴使用达到2 a。

2015年5月大浞河铁矿采用123个新型充填喷嘴。由于此矿山使用的造浆水含有腐蚀性的氯离子，为提高使用寿命，设计材质为06Cr17Ni12Mo2(316)奥氏体不锈钢，80%以上充填喷嘴使用1 a以上，效果良好。

4 喷嘴寿命提升

新型喷嘴的研制成功表明造浆喷嘴的提升是可能的。随着选矿工艺的进步、工矿企业对充填的要求更为迫切、更为恶劣的使用环境(比如各种酸、碱溶液的环境，有色矿山极细粒尾矿的环境，需要连续充填的工作条件等)都对充填造浆喷嘴的使用寿命、耐腐蚀性提出更高的要求。

从材质出发，理想的阀体材质为钛合金。钛合金耐酸碱、耐磨、硬度高、不易磨损，是制造喷嘴的最佳选择。但是，钛合金作为材料加工成本太大，成品率小，使钛合金的使用大大受到限制。

另一方面，随着冶金科技的进步，耐磨不锈钢材的性能逐步提高，因此，高强度耐磨不锈钢是喷嘴材质合适的选择方向。耐磨损宜选用马氏体型不锈钢，抗腐蚀宜选用奥氏体型不锈钢。

第三个提高阀体寿命的方法是改进金属摩擦面的表面处理工艺。腔体与活塞经过退火、淬火和回火的处理，能大大提高表面的硬度。奥氏体不锈钢成分(质量，%)为C0.04,M 1.3,Si0.6,Cr16,Ni10.4,Mo2.2,退火态的硬度为HV148；马氏体不锈钢成分(质量，%)为C0.15,Mn1.0,Cr16.4,淬火回火态的硬度为HV387[3]。

5 结 语

充填浆料均匀与否、浓度高低由多种因素决定，充填造浆喷嘴往往是被忽略的一个方面。新型造浆喷嘴的成功研制大幅度增加了使用寿命，减少了故障率。使用新型造浆喷嘴造浆，大大提高了充填的料浆制备的均匀程度和质量浓度，从而间接提高了充填强度，减少了充填胶凝剂的使用，降低了企业成本。充填造浆喷嘴集合了机械制造工艺的进步、冶金材料科学的发展和精巧的设计，其更新换代也推动着充填工艺朝着更先进的方向发展。