全尾砂固结排放料浆流变特性实验研究①_侯运炳.pdf

全尾砂固结排放料浆流变特性实验研究 ① 侯运炳， 张 兴， 韩 冬， 曹曙雄， 韩 帅， 丁鹏初 中国矿业大学北京 资源与安全工程学院,北京 100083 摘 要 采用全尾砂固结剂 TC-Ⅰ ,通过全面试验、数据拟合、多元回归分析和理论计算等方法,对李楼铁矿未分级全尾砂固结排放 料浆的流变特性及其影响因素进行了研究。 结果表明,砂浆的剪切应力随着剪切速率增加而增大,呈线性相关；表观黏度随着剪切 速率增加而减小,呈乘幂相关；测试范围内全尾砂固结排放料浆近似于宾汉塑性体模型,在管路输送中呈层流流态；浓度对全尾砂 料浆的流变特性影响显著,灰砂比次之；同一灰砂比条件下,砂浆的屈服应力和黏度均随着浓度增加而增大；同一浓度条件下,灰砂 比对砂浆的屈服应力和黏度影响不大；确定了适宜的砂浆浓度范围为 76％ ～78％；建立了砂浆屈服应力、黏度关于浓度和灰砂比的 回归模型。 关键词 尾砂固结排放； 灰砂比； 黏度； 屈服应力； 胶凝材料； 流变特性； 流态 中图分类号 TD926文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.04.002 文章编号 0253-6099201804-0006-05 Rheological Properties of Discharged Mortar after Cementation of Total Tailings HOU Yun-bing, ZHANG Xing, HAN Dong, CAO Shu-xiong, HAN Shuai, DING Peng-chu School of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China Abstract The rheological properties and influencing factors of discharged mortar after cementation of unclassified tailings with consolidation agent TC-Ⅰ in Lilou Iron Mine were studied through a comprehensive test. After full-scale test, data fitting, multiple regression analysis and theoretical calculation, it is found that the shear stress of mortar increased with the increase of shear rate, presenting a linear correlation, while the apparent viscosity decreased with the increase of shear rate, presenting a power correlation. Laminar flow occurred when the discharged mortar within the tested range was transported in the pipe, which could be fitted with Bingham fluid mechanics model. Results showed that concentration had brought remarkable impact on the rheological properties of total tailings mortar, and less influence on the cement-sand ratio. It is shown that the yield stress and viscosity of the mortar were increased with the increasing of the concentration under the condition of the same cement-sand ratio, while less impacted by the cement-sand ratio under the condition of same concentration. The proper concentration of mortar was determined within the range of 76％～78％, and a regression model for yield stress and viscosity to concentration and cement-sand ratio was established. Key words tailings discharge after cementation； cement-sand ratio； viscosity； yield stress； cementing material； rheological properties； flow state 随着经济的增长,对矿产品的需求量大幅增加,矿 产资源的开采规模随之加大,尾砂排放量不断增加。 开采过程中丢弃的大量废石和尾砂堆存于地表,引发 了环境污染、生态破坏、安全事故和占用土地等问题, 已成为急待解决的社会问题。 已有的研究成果表明, 尾砂固结排放技术是解决尾矿排放问题的关键技术, 全尾砂料浆输送是尾砂固结排放技术的关键因素之 一［1-8］。 针对砂浆的输送问题和流变特性,本文以李 楼铁矿全尾砂及新型胶凝材料全尾砂固结剂 TC-Ⅰ为 试验材料,通过流变试验,分析了浓度和灰砂比对砂浆 流变特性的影响,以便为全尾砂固结排放料浆配比选 择及工程实践提供依据。 ①收稿日期 2018-02-10 基金项目 国家自然科学基金面上项目51674263 作者简介 侯运炳1962-,男,陕西安康人,教授,博士研究生导师,主要从事资源开发与规划、资源开采新技术、充填采矿技术、数字矿山、 矿区循环经济、矿业系统工程、矿物材料等方面的研究和教学工作。 通讯作者 张 兴1991-,男,河南商丘人,硕士研究生,主要研究方向为充填采矿技术、全尾砂固结排放。 第 38 卷第 4 期 2018 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №4 August 2018 ChaoXing 1 试验材料 1.1 全尾砂 试验所用未分级全尾砂取自李楼铁矿,其密度为 2.80 g/ cm3,容重 1.75 t/ m3,孔隙率 37.5％,自然安息 角 39,化学成分如表 1 所示。 表 1 全尾砂化学成分分析结果质量分数 / MgONa2OAl2O3SiO2P2O5SO3 2.1430.1793.84982.0520.0760.076 K2O CaO TiO2 MnO Fe2O3 合计 0.7002.4610.1060.0218.00399.666 材料粒度是配比试验研究中较为重要的一项基础 物理性质。 采用珠海欧美克粒度测试仪 LS-CⅡA 测试了该尾砂的粒度分布,结果如图 1 所示。 粒径/μm 25 20 15 10 5 0 100 80 60 40 20 0 0.20.5125102050 100 200 500 微分分布/ 累积分布/ 图 1 尾砂粒度分布曲线 由图 1 可知,该尾砂粒度特征参数 D10＝14.55 μm, D30＝26.60 μm,D60＝54.27 μm,D50＝38.30 μm；尾砂颗粒 粒径主要分布在 20～110 μm 之间,约占 78％,不均匀系 数 Cu＝3.73＜5,尾砂级配不良；曲率系数 Cc＝ 0.90＜1, 尾砂级配不连续。 总体来说,李楼铁矿全尾砂具有细 粒级含量较多、级配较差等特点。 1.2 全尾砂固结剂 全尾砂固结剂 TC-Ⅰ［9］是由中国矿业大学北京 自主研制的一种适宜铁矿全尾砂固结排放的新型胶凝 材料。 TC-Ⅰ基于土壤固结原理,与铁矿全尾砂中的黏 土矿物质发生化学反应,能将尾砂固结为具有一定强 度的整体,其组成见表 2。 表 2 TC-Ⅰ基本组成质量分数 / 矿渣微粉熟料石灰石膏 751555 2 试验设计 2.1 试验设备 试验所用设备主要有 LS-CⅡ A粒度测试仪、JJ-5 型水泥胶砂搅拌机、RheolabQC 流变仪、量筒500 mL、 玻璃棒、普通天平1 000 g、烧杯等。 2.2 试验方案 主要研究浓度、灰砂比对料浆流变特性的影响,通 过大量前期探索试验与尾砂固结排放体实际需要,选 择浓度 76％、78％和 80％,灰砂比 1/7、1/9、1/12、1/15 和 1/19,采用全面实验法设计试验,共 15 组,通过 RheolabQC 流变仪测得每组砂浆的流变数据。 2.3 试验方法 1 将每组试验所需要的尾砂、水泥、全尾砂固结 剂 TC-Ⅰ和水城市自来水质量称好,倒入预先准备 好的搅拌锅内。 2 借助搅拌机先慢速搅拌 120 s,然后快速搅拌 120 s,搅拌总时长 240 s。 3 将搅拌均匀的砂浆倒入预先准备好的烧杯内, 砂浆约占烧杯体积的 3/4,用玻璃棒搅匀抹平。 4 通过 RheolabQC 流变仪配套的电脑软件控制 界面,选择控制剪切速率 CSRcontrolled shear rate模 式设置参数,然后开始测试,实时记录相应的剪切应力 值和表观黏度值。 剪切速率从小到大递增,范围为 0～ 180 s -1 ,测定时间间隔为0.33 s,每组测量180 个点,总 计时长 60.6 s,每组分别测量 3 次,取平均值,以减小 试验误差。 3 试验结果与分析 3.1 流变模型的建立 通过上述试验得到不同灰砂比、各质量浓度下的 料浆的流变数据,并利用 Origin 制图软件得到对应的 流变关系曲线,选取 2 组有代表性的试验结果进行分 析。 不同条件下的料浆流变曲线见图 2～3。 从图 2 可以看出,料浆的剪切应力-剪切速率流变 关系曲线近似为一条在剪切应力轴上有截距的直线, 整体上,料浆的剪切应力随着剪切速率增加而增大,二 者呈线性相关。 剪切应力随灰砂比增加而升高,升高 幅度较小,说明灰砂比对料浆剪切应力的影响不显著； 剪切速率在 40 s -1 之前,剪切应力随剪切速率增加而 下降,这是由于高浓度料浆“剪切变稀”的特性。 剪切 应力随着砂浆浓度增加而升高,浓度 80％的剪切应力 近似为 78％时的 2 倍,浓度 78％的剪切应力近似为 76％时的 3 倍,升高幅度较大,说明浓度对料浆剪切应 力的影响显著。 7第 4 期侯运炳等 全尾砂固结排放料浆流变特性实验研究 ChaoXing 剪切速率/s-1 1100 950 800 650 3006090120150180 剪切应力/Pa 1/7 1/9 1/12 1/15 1/19 剪切速率/s-1 1800 1200 600 0 3006090120150180 剪切应力/Pa 80 78 76 图 2 不同条件下剪切应力与剪切速率关系曲线 剪切速率/s-1 50 40 30 20 10 0 3006090120150180 表观黏度/Pa s 1/7 1/9 1/12 1/15 1/19 剪切速率/s-1 100 80 60 40 20 0 3006090120150180 表观黏度/Pa s 80 78 76 图 3 不同条件下表观黏度与剪切速率关系曲线 从图 3 可以看出,料浆表观黏度-剪切速率关系曲 线为一条无截距的下凹型曲线,料浆的表观黏度随着 剪切速率增加而减小,二者呈乘幂相关。 表观黏度随 灰砂比增加变化不大,说明灰砂比对表观黏度的影响 不显著；但表观黏度随浓度增加而增大,浓度 80％的 表观黏度近似为 78％时的 2 倍,浓度 78％的表观黏度 近似为76％时的2 倍,增幅较大,说明浓度对料浆表观 黏度的影响显著。 从图 2 还可以看出,试样的流型与宾汉塑形体相 似,流变关系可写为 τ ＝ τB＋ ηγ1 式中 τ 为剪切应力,Pa；τB为屈服应力,Pa；η 为刚度 系数或黏度,也即是图 2 中流变曲线的斜率,Pas； γ 为剪切速率,1/ s。 可见试验范围内所有料浆试样需 要 2 个参数,即 τB、η,来描述其流变特性。 由以上分析知,试样的试验数据可以通过宾汉塑 性体模型对其进行拟合,拟合得到试样的流变参数屈 服应力 τB、黏度 η 值如表 3 所示。 从表 3 可以看出, 不同试验水平下拟合方程的相关系数均在 0.84 以上, 拟合效果较好,方程可靠,验证了试验结果的准确性。 表 3 全尾砂料浆流变参数及拟合结果 料浆浓度 / ％ 灰砂 比 宾汉塑性体模型拟合结果 η/ PasτB/ Pa拟合方程相关系数 1/70.386 9274.8τ＝0.386 9γ＋274.80.995 5 1/90.431 0251.63τ＝0.431 0γ＋251.630.998 3 761/120.385 1260.34τ＝0.385 1γ＋260.340.994 2 1/150.337 0268.33τ＝0.337 0γ＋268.330.993 1 1/190.374 5238.46τ＝0.374 5γ＋238.460.992 9 1/70.648 0882.68τ＝0.648 0γ＋882.680.840 7 1/90.736 9866.63τ＝0.736 9γ＋866.630.903 4 781/120.743 8765.86τ＝0.743 8γ＋765.860.891 9 1/150.689 6745.08τ＝0.689 6γ＋745.080.936 0 1/190.712 0632.46τ＝0.712 0γ＋632.460.945 4 1/72.906 81 646.5τ＝2.906 8γ＋1 646.50.975 0 1/92.825 41 755.1τ＝2.825 4γ＋1 755.10.926 6 801/122.768 61 706.3τ＝2.768 6γ＋1 706.30.936 8 1/153.322 21 364τ＝3.322 2γ＋1 3640.960 0 1/193.424 81 413.8τ＝3.424 8γ＋1 413.80.956 4 3.2 流变特性研究 屈服应力 τB和黏度 η 是表征料浆流变特征的两 个基本参数。 屈服应力 τB是浆体开始具有初始流动 过程中所克服浆体内部由于颗粒间絮凝结构或网状结 构间相互吸附和摩擦产生的阻力,它是阻止浆体流动 所需的最小的力,只有当剪切应力大于屈服应力时浆 体才会流动；黏度 η 作为表征浆体内部结构阻碍流动 的性能,反映各平流层之间产生与流动方向相反的阻 力和浆体体系变形的速度,即在相同外力条件下,黏度 越小浆体流动越快。 屈服应力较小表明浆体流动性能 较好,塑性黏度较小表明浆体容易出现泌水、离析等不 良现象。 为直观分析浓度和灰砂比对料浆流变特性的影 响,利用 Origin 制图软件将表 3 中的 τB、η 绘制成折线 8矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 图,如图 4 和图 5 所示。 灰砂比 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 1/191/151/121/91/7 黏度/ Pa s ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ 80 78 76 灰砂比 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 1/191/151/121/91/7 屈服应力/ Pa ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ ■ ● ▲ 80 78 76 图 4 流变参数随灰砂比变化曲线 浓度/ 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 767880 黏度/Pa s ■●▲▲ ■ ● ▲ ▲ 1/7 1/9 1/12 1/15 1/19 浓度/ 1800 1200 600 0 767880 屈服应力/Pa ◆ ■ ● ▲ ▲ 1/7 1/9 1/12 1/15 1/19 ◆ ◆ ■●▲▲◆ ■ ● ▲ ▲◆ ■ ● ▲▲ ◆ ■ ●▲▲◆ ■ ● ▲ ▲◆ 图 5 流变参数随浓度变化关系曲线 从图 4 可以看出,黏度随着灰砂比增加无明显的 变化规律,说明灰砂比对砂浆黏度的影响较小。 从图 5 看出,黏度随着浓度增加而增大,而且 76％～78％区间 增加幅度较小,78％ ～ 80％区间增加幅度较大,说明 78％～80％区间可能存在一个临界浓度,超过该临界浓 度黏度会大幅增加；屈服应力随着浓度增加而增大,且 78％～80％区间的增幅大于 76％～78％区间的增幅,浓 度 80％时料浆的屈服应力和黏度远大于浓度 78％、 76％的料浆。 这是由于随着浓度增加,料浆中作为润 滑作用的自由水变少,颗粒之间更容易互相接触而产 生碰撞、摩擦,将絮团相互连接,把相当一部分自由水 包围在絮团中间而变成所谓封闭水,与絮团一起运动, 相当于增加了固体体积。 当全尾砂固结排放料浆浓度 达到 80％时,料浆的屈服应力和黏度大幅度增加,不 利于管道输送,建议排除浓度 80％的料浆试样。 3.3 回归分析及模型建立 根据表 3 数据,对料浆屈服应力及塑性黏度进行 了线性回归分析,结果见表 4～6,并得到了相应的数学 关系式 τB＝- 25027.3064 ＋ 32960.7X1＋ 2075.614681X2 2 η ＝- 50.492 7 ＋ 66.651 5X1- 1.950 81X23 式中 X1为砂浆浓度,；X2为灰砂比。 表 4 屈服应力多元回归结果 参数参数估计标准误差T 值P 值 截距-25 027.306 41 443.713-17.335 47.352 64 10 -10 X132 960.71 847.27717.842 86 5.263 64 10 -10 X22 075.614 681933.957 22.222 3870.046 239 598 表 5 黏度多元回归结果 参数参数估计标准误差T 值P 值 截距-50.429 658 296.879 320 092-7.330 629.090 03 10 -6 X166.651 58.802 308 6287.572 048 6.570 81 10 -6 X2-1.958 006 0284.450 324 107-0.439 970.667 779 092 表 6 多元回归显著性指标 指标屈服应力函数黏度函数 R20.964 211 8670.827 411 332 调整后 R20.958 247 1780.798 646 554 显著性水平2.101 04 10 -9 2.642 86 10 -5 标准误差116.832 034 50.556 706 879 回归结果表明,屈服应力回归方程和塑性黏度回 归方程均为二元一次函数模型。 屈服应力回归方程的 相关系数为 0.964 2,调整后的相关系数为 0.958 2,显 著性水平2.10104 10 -9 ＜0.05,表明回归效果较好,回 归分析方程式可靠。 在置信水平为 0.95 时,2 个自变 量的 P 值均小于 0.05,故砂浆屈服应力的影响因素为 浓度和灰砂比。 塑性黏度回归方程的相关系数为 0.827 4,调整后的相关系数为 0.798 6,显著性水平 2.642 86 10 -5 ＜ 0.05,表明回归效果较好,塑性黏度 9第 4 期侯运炳等 全尾砂固结排放料浆流变特性实验研究 ChaoXing 回归分析方程式可靠。 在置信水平为 0.95 时,自变量 X1的 P 值为 6.570 81 10 -6 ＜ 0.05,自变量 X2的 P 值 为 0.667 779 092＞0.05,表明浓度是影响黏度的显著性 因素,灰砂比对黏度的影响不大。 综合考虑浓度和灰砂比对流变特性参数的影响, 屈服应力、塑性黏度关于浓度和灰砂比的变化预测模 型简便可靠,可以用来对全尾砂固结排放料浆流变特 性参数进行预测。 3.4 全尾砂固结排放料浆流态分析 与清水水流相同,含有细颗粒的均质浆体也有层 流流态和紊流流态。 对于流体,习惯上以流动雷诺数 区分层流与紊流,浆体雷诺数表达式中的黏度因浓度 变化而变化,区分层流与紊流界限的雷诺数大小,与雷 诺数本身的表达式有关［10］。 对于试验所用料浆,近似于宾汉体,管流条件下雷 诺数 Re1是基于浆体刚度系数 η 来计算的,即 Re1＝ UDρm η 4 式中 U 为浆体平均流速,m/ s；D 为管道直径,m；ρm为 料浆平均密度,kg/ m3。 流体由紊流转变为层流的条件是雷诺数值达到临 界雷诺数。 对于本次试验料浆在管道中输送条件下, 临界雷诺数表达式为 Rec＝ 16.2 He ac ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 2 5 式中 ac为核流比,ac ＝ τ B/ τw,τw 为管壁处切应力；He 为赫氏数,其表达式为 He＝ 16 800ac 1 - 4 3 ac＋ 1 3 ac4 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 2 6 同时 He＝ τBD2ρm η2 7 由式5求临界雷诺数Rec,需要知道 ac的值, ac值可由式6 ～ 7求得。 然后将 ac值代入式5 即可求得两组试样的临界雷诺数。 全尾砂固结排放料浆的平均密度为 2 006 kg/ m3, 平均流速一般不大于 2.5 m/ s,李楼铁矿选矿厂管道输 送的直径为 0.25 m。 据表 3 中的 η 值,求得其流速为 2.5 m/ s 时,2 组试样在管径为 0.25 m 管道中输送时的 雷诺数 Re1见表 7。 从表 7 可以看出,2 组试样的雷诺 数均小于临界雷诺数,所以在输送管径为0.25 m、平均 流速不大于2.5 m/ s 时,浓度为 76％ ～ 80％、灰砂比 1/19～1/7 条件下的全尾砂固结排放料浆流动过程中 均呈层流流态。 表 7 料浆雷诺数 Re1与临界雷诺数Rec 料浆浓度/ ％料浆灰砂比临界雷诺数Rec 雷诺数 Re1 769 619.563 255.65 781/128 699.871 685.60 804 324.25452.85 1/710 391.731 934.80 1/99 237.411 701.38 781/128 699.871 685.60 1/159 166.041 818.08 1/198 328.551 760.88 4 结 论 1 在试验测试范围内,全尾砂固结排放料浆近似 于宾汉塑性体模型,剪切应力随着剪切速率增加而增 大,呈线性相关,表观黏度随着剪切速率增加而减小, 呈乘幂相关。 2 灰砂比对料浆的流变特性影响较小且不规律, 浓度对料浆流变特性影响较大,考虑到料浆输送的稳 定性和流动性,料浆浓度宜在 76％～78％之间。 3 对料浆屈服应力及塑性黏度进行了关于砂浆 浓度和灰砂比的线性回归分析,并建立了屈服应力回 归模型及塑性黏度回归模型。 4 在管径 0.25 m、流速不大于 2.5 m/ s 时,浓度 76％～80％、灰砂比 1/19～1/7 条件下,全尾砂固结排 放料浆流动呈层流流态。 参考文献 ［1］ 侯运炳,唐 杰,魏书祥. 尾矿固结排放技术研究［J］. 金属矿山, 2011659-62. ［2］ 王洪江,李公成,吴爱祥,等. 不同粗骨料的膏体流变性能研究［J］. 矿业研究与开发, 2014759-62. ［3］ 任海锋,白贤武,程光华,等. 分级尾砂料浆输送性能及流变特性 试验研究［J］. 有色金属矿山部分, 2015449-53. ［4］ 杨 莹,吴爱祥,杨柳华. 全尾砂膏体性能试验研究［J］. 金属矿 山, 20168185-189. ［5］ 蔡嗣经,黄 刚,吴 迪,等. 尾砂充填料浆流变性能模型与试验 研究［J］. 东北大学学报自然科学版, 20156882-886. ［6］ 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