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全尾砂充填高浓度砂浆搅拌槽试验研究 ① 朱 凯, 刘排秧 (长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012) 摘 要 以某铁矿选矿全尾砂为充填骨料,通过配制不同灰砂比和不同浓度的高浓度砂浆,对 CKФ3 m3 m 高浓度砂浆搅拌槽样 机的性能指标进行了现场试验研究。 结果表明,砂浆浓度不大于 75%时,样机搅拌能力足够,搅拌均匀性较好,最佳搅拌时间为 15 ~20 min,底部排浆口较溢流口排浆效果更好,满足矿山高浓度充填中搅拌浓度和充填能力的要求,适合全尾充填过程中高浓度砂 浆搅拌制浆工艺。 关键词 全尾砂充填; 高浓度砂浆; 搅拌槽; 性能指标 中图分类号 TD463文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.06.004 文章编号 0253-6099(2014)06-0014-04 Experimental Study on Agitation Tank for Mixing High⁃density Sand Fill of Full Tailings ZHU Kai, LIU Pai⁃yang (Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China) Abstract With tailings from an iron ore mine as filling aggregate for preparing high⁃density slurry of different lime⁃sand ratio and mass concentration, the performance index of prototype agitation tank of CKФ3 m3 m was tested by on⁃site filling. The test results indicate that the prototype after optimum 15 ~ 20 min for stirring can lead to a sufficient and uniform mixing of the sand fill at slurry concentration less than 75%. Furthermore, the slurry being discharged from the bottom port is better than from overflow orifice. It is concluded that the prototype can be adopted for mixing and preparing high⁃density sand fill of full tailings in the mine. Key words full⁃tailings fill; high⁃density sand fill; agitation tank; performance index 高浓度全尾砂自流充填新工艺是矿山尾砂治理和 综合利用的重要途径之一,在保护环境、保护资源、保 证安全和保证矿山可持续发展等方面有着非常重要的 意义[1-5]。 在充填工艺中,高浓度砂浆搅拌槽是高浓 度砂浆搅拌制备的关键设备,搅拌应达到混合均匀、不 分层、不沉槽、效率高的效果[6-8]。 而充填砂浆是一种 高浓度、高粘度和高密度的固⁃液混合物,能否制出浓 度适中、流动性良好的充填料浆,直接关系到充填体的 质量[9-10]。 为解决上述设备问题,长沙矿冶研究院开 发研制了单叶轮和双叶轮两种高浓度强力搅拌槽[11]。 本文对 CKФ 3 m3 m 双叶轮高浓度砂浆搅拌槽样机 的性能指标进行了试验研究,为其研制提供可靠的理 论指导。 1 试验设备与方法 1.1 设备结构及工作原理 高浓度砂浆搅拌槽槽体规格为 Ф3 m3 m,工作 容积为 17 m3,额定功率 55 kW,转速 210 r/ min,其结 构如图 1 所示。 该搅拌槽底层叶轮采用下掠式异型搅 拌轮,上层采用折叶叶轮,通过槽底导流锥和内壁挡板 图 1 CKФ3 m3 m 高浓度砂浆搅拌槽结构示意 1 底流阀部件;2 搅拌轴部件;3 传动皮带及安全罩; 4 电机部件;5 大梁;6 槽体;7 挡板 ①收稿日期 2014-06-09 基金项目 长沙矿冶研究院有限责任公司技术创新基金项目 作者简介 朱 凯(1986-),男,山西山阴人,硕士研究生,研究方向为多相浆体搅拌调和技术与装备。 第 34 卷第 6 期 2014 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №6 December 2014 作用,槽内料浆流迹呈现复杂的激烈循环,破坏尾砂和 水泥的聚团,使水泥颗粒尽可能的水化,尾砂、水泥和 水得到均匀混合和充分搅拌,从而制备出流动性好、浓 度高的均质充填料浆。 1.2 试验方法 本次试验的目的是为了对高浓度砂浆搅拌槽的性 能指标进行试验研究,检测其能否达到设计要求。 试 验时,先对高浓度砂浆搅拌槽进行清水试车,之后通过 配制不同灰砂比、不同浓度(质量分数)的砂浆,在高 浓度搅拌槽中进行强力搅拌后,分别测定各项性能 指标。 采用某铁矿选矿尾砂作为配制砂浆的骨料,密度 为 2.47 g/ cm3,容重为 1.44 g/ cm3,中值粒径为 165.01 μm,加权平均粒径为241.51 μm,不均匀系数为17.80。 胶凝材料选用标号 425#(标号 32.5)的散装普通硅酸 盐水泥,密度为 3.10 g/ cm3,堆积密度为 1 40 g/ cm3。 2 试验结果与讨论 2.1 不同配比下砂浆搅拌均匀性试验 配制灰砂比分别为 1∶4、1 ∶ 8和 1 ∶10,砂浆浓度分 别为 65%、68%和 72%,在高浓度搅拌槽中强力搅拌 15 min,分别测定底部排浆口和上部溢流口砂浆的实 际浓度,结果见表 1。 表 1 不同配比下搅拌均匀性试验结果 灰砂比 理论浓度 / % 实测浓度/ % 溢流口排浆口 6567.767.1 1∶46871.470.3 7273.072.8 6566.866.0 1∶86869.668.8 7272.371.9 6567.266.5 1∶106871.670.4 7274.273.6 由表 1 可知,在搅拌时间固定,搅拌不同配比的高 浓度砂浆时,检测的上部溢流口处实测浓度均接近且 略高于底部排浆口处放浆浓度。 这说明在搅拌该种尾 砂浆时搅拌强度足够,砂浆在槽内激烈循环流动,粗细 颗粒尾砂在水泥的作用下,均匀弥散在槽内部,粗颗粒 没有沉积在槽体底部,反而在槽内壁挡板和底部导流 锥的作用下,被冲击翻腾至上层浆体,再向轴心往复循 环,没有发生沉槽现象,搅拌均匀性较好。 且最高浓度 可达 74.2%,高出原设计的最大浓度 70%,满足设计的 浓度要求。 2.2 搅拌时间对均匀性影响试验 为了进一步研究搅拌时间对搅拌均匀性的影响, 确定不同配比下的最佳搅拌时间,配制灰砂比分别为 1∶4、1∶8和 1∶10,浓度均为 72%的砂浆,进行了搅拌时 间对搅拌均匀性影响试验,结果见图 2。 图 2 搅拌时间对均匀性的影响 (a) 灰砂比 1∶4; (b) 灰砂比 1∶8; (c) 灰砂比 1∶10 由图 2 可知,搅拌时间从 5 min 增加到 20 min 时, 上部溢流口处砂浆的实测浓度均逐渐降低,而底部排 浆口处实测浓度逐渐增大,二者均逼近理论配比浓度 72%,并在某一时刻首次达到相等,此时的搅拌时间分 别约为 16.0 min,16.7 min 和 18.2 min。 随着搅拌时间 继续增加到 25 min 时,溢流口处实测浓度在平衡浓度 附近发生小范围波动,并分别在 16.5 min、20.0 min 和 25.0 min 时第一次达到最小值,分别为 72.9%、72.0% 和 73.6%;而排浆口处浓度均在约 20.0 min 时达到最 大值,分别为 73.4%、72.3%和 73.9%,之后在平衡浓度 51第 6 期朱 凯等 全尾砂充填高浓度砂浆搅拌槽试验研究 位置处与溢流口浓度在小范围内相互交错波动,平衡 浓度分别约为 73.2%、72.1%和 73.6%。 呈现这种有规律的变化是因为,作为主要充填材 料的尾砂和水泥均由槽体顶部加入,拌水后,处于早期 水化阶段的浆体为一个带表面双电层结构的固相颗粒 的分散体系,浆体的性质和变化就决定于这些粒子之 间的相互作用。 此时,浆体中各种粒子间的距离较大, 相互作用力无从体现,浆体表现为无塑性强度的悬浮 状态,是一种浆状悬浮体,且局部有颗粒团聚现象出 现。 因此在搅拌早期,槽体上部的砂浆浓度大于槽体 底部的砂浆浓度。 随着搅拌时间增加,在强烈搅拌与剪切作用下,水 泥与水的接触表面不断增大,并且在尾砂粒与水泥胶 粒的激烈碰撞中,使水泥颗粒表面的新生成物不断碰 撞脱落而露出水泥新表面,大大增加了水泥水化程度, 促进了水泥颗粒最大限度地弥散,CSH(水化硅酸 钙)凝胶大量生成。 同时,尾砂颗粒表面在强力搅拌 擦洗过程中逐渐变湿润,由于水和水泥颗粒间的亲合 力,水泥粒子便粘附在湿尾砂表面形成一层坚固密实 的水泥“壳”,这样不仅使尾砂表面水灰比降低,形成 水灰比梯度,而且使水泥充分分散粘附于湿尾砂表面, 不易团聚成水泥颗粒,并最终达到砂浆混合充分和弥 散均匀。 因此,在这个过程中,外观表现为随搅拌时间 增加,槽体上部砂浆浓度逐渐降低,槽体底部砂浆浓度 逐渐增加,二者最终达到平衡,并在其附近小范围相互 交错波动。 由此确定最佳搅拌时间应选择为 15 ~ 20 min。 同时,由于在配制不同浓度砂浆时存在一定人工 操作误差,导致达到平衡时的浓度在一定误差范围内 偏离了理论浓度,分别约为 73.2%、72.1%和 73.6%。 2.3 不同配比下搅拌功率试验 配制灰砂比分别为 1∶4、1 ∶ 8和 1 ∶10,砂浆浓度分 别为65%、68%和72%的砂浆,在高浓度搅拌槽中进行 强力搅拌 15 min,测定实际搅拌功率,分析其搅拌能力 和过载能力,结果见图 3。 图 3 不同配比下的电机功率曲线 由图 3 可知,当灰砂比一定时,随着砂浆浓度增 大,高浓度搅拌槽的功率也不断增加,但均小于电机额 定功率 55 kW 和有功功率 51.04 kW。 说明高浓度搅 拌槽搅拌能力和电机过载能力足够,砂浆浓度仍可提 高。 当砂浆浓度一定时,随着灰砂比的增大,高浓度搅 拌槽的功率略有所增加,这是因为水泥灰的密度大于尾 砂的密度,保持砂浆浓度不变,灰砂比增大时,砂浆的密 度有所增大。 根据搅拌槽搅拌功率 P 计算公式 P = NpρN3d5 式中 Np为搅拌功率准数,是搅拌雷诺数 Re及搅拌弗 鲁德数 Fr 的函数 Np = K d2Nρ μ p dN2 g q = KRepFrq d 和 N 分别为搅拌轮直径和转速;ρ 和 μ为混合液的 密度和粘度;K 为方程式系数,p 和 q 为方程式因数。 因此,当 Np、d 和 N 都不变时,增大砂浆密度 ρ,搅拌槽 的功率也随之增大。 2.4 不同配比下单槽造浆排浆能力试验 配制灰砂比分别为 1∶4、1 ∶ 8和 1 ∶10,砂浆浓度分 别为65%、68%和72%的砂浆,在高浓度搅拌槽中强力 搅拌 15 min 后,开启底部排浆阀,开始排放砂浆,测定 其单槽造浆排浆能力,试验结果见表 2。 表 2 不同配比下单槽排浆能力试验结果 灰砂比 浓度 / % 液位 / m 体积 / m3 排浆时间 / min 体积流量 / (m3h -1 ) 652.26715.01611.479.1 1∶4682.24114.83311.180.2 722.27815.09410.586.3 652.33815.51810.687.8 1∶8682.22714.73411.775.6 722.31515.35510.587.7 652.30315.27110.884.8 1∶10682.28215.12210.487.2 722.35415.63110.688.5 由表2 可知,不同配比下单槽平均体积流量约为75 ~90 m3/ h,排浆能力均大于设计能力 60 m3/ h。 在试验 中,由于充填钻孔内部结构原因,砂浆下流速度有限,充 填能力受限制,搅拌槽的排浆阀没有全部打开,因此,该 高浓度搅拌槽的单造浆槽排浆能力还可以提高。 2.5 不同配比下连续给料与连续造浆排浆能力试验 为了进一步检验该高浓度搅拌槽的排浆能力,进 行了连续给料与连续排浆的开路搅拌试验,同时比较 底部排浆口排浆和溢流口排浆的排浆效果,试验结果 见表 3。 由表 3 可知,在不同浓度配比下,高浓度搅拌 槽的体积流量约为 86~88 m3/ h,和单槽造浆排浆能力 75~90 m3/ h 相比,排浆能力更稳定,且均大于设计的 61矿 冶 工 程第 34 卷 最小排浆能力 60 m3/ h。 由于受充填钻孔孔径和内部 构造的制约,高浓度搅拌槽的排浆阀始终没有全部开 启,故高浓度搅拌槽的最大排浆能力还可提高。 表 3 不同配比下连续排浆能力试验结果 砂浆浓度 / % 质量流量 / (th -1 ) 砂浆密度 / (gcm -1 ) 体积流量 / (m3h -1 ) 64.7141.21.6486.1 68.3149.61.7287.0 69.5151.71.7586.7 71.8155.11.7887.1 73.2158.51.8187.6 同时,在试验中比较分析了底部排浆口排浆和溢 流口排浆的效果。 在溢流口排浆时,由于液面波动,砂 浆流动断续,溢流砂浆无压淌出,导致灰砂比小的灰浆 容易离析,不利于输送,因此,溢流口排浆效果不及底 部排浆口排浆效果好,溢流口不应作为主要排浆口,但 可以起到稳定液面的溢流作用。 3 结 语 1) 在搅拌浓度不大于 75%的砂浆时,样机搅拌能 力足够,搅拌均匀性较好,不发生沉槽现象,满足浓度 设计要求。 且电机过载能力足够,不会出现过热现象, 最佳搅拌时间为 15~20 min。 2) 样机单槽造浆排浆能力为 75~90 m3/ h,连续 给料与连续造浆排浆能力为 86~88 m3/ h,较前者更稳 定,均满足设计的最小排浆能力要求,底部排浆口较溢 流口排浆效果更好,溢流口不应作为主要排浆口,但可 以起到稳定液面的溢流作用。 3) 综合分析,该搅拌槽满足矿山高浓度充填中搅 拌浓度和充填能力的要求,适合全尾充填过程中高浓 度砂浆搅拌制浆工艺。 参考文献 [1] 何哲祥,田守祥,隋利军,等. 矿山尾矿排放现状与处置的有效途 径[J]. 采矿技术,2008(3)78-80. 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