金 鑫

(景德鎮(zhèn)市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局)

深錐濃密機(jī)底流流變性能影響因素試驗(yàn)

金 鑫

(景德鎮(zhèn)市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局)

底流流變性能直接影響深錐的運(yùn)行情況，扭矩過大會引起壓耙事故的發(fā)生，將嚴(yán)重影響濃密效果和礦山正常生產(chǎn)。為此，借助室內(nèi)流變儀及錐形量杯進(jìn)行了攪拌模擬試驗(yàn)，研究了物料級配對料漿扭矩的影響，并通過均勻設(shè)計(jì)探討了質(zhì)量濃度、泥層高度、轉(zhuǎn)速和絮凝劑單耗對扭矩的影響水平及其權(quán)重。試驗(yàn)結(jié)果表明：恒轉(zhuǎn)速條件下流變曲線可劃分為彈性區(qū)和黏性區(qū)，且料漿平均扭矩隨+0.074 mm粒級尾砂含量的增多呈遞減趨勢；扭矩與質(zhì)量濃度、轉(zhuǎn)速及料漿高度正相關(guān)，與絮凝劑單耗負(fù)相關(guān)；絮凝劑單耗影響最大，濃度其次，料漿高度、轉(zhuǎn)速影響最小。

深錐濃密機(jī) 底流 流變性能 壓耙 物料級配 扭矩 轉(zhuǎn)速

膏體充填是國內(nèi)近幾年發(fā)展較為迅速的一種充填技術(shù)，因其良好的穩(wěn)定性、流動(dòng)性、可泵性和節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注[1]。尾砂濃密是膏體充填中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種高效濃密設(shè)備深錐濃密機(jī)[3]，具有極大的生產(chǎn)能力，可獲得較高的底流濃度，為膏體充填料漿的制備提供保障[4]。但深錐壓耙一直是困擾礦山的突出問題[5]，尾砂濃密過程中，尾砂在深錐內(nèi)部堆積，底流濃度和泥層壓力逐漸增大，體現(xiàn)為底流流變特性的改變，間接體現(xiàn)為錐耙扭矩越來越大[6]，當(dāng)轉(zhuǎn)耙載荷超過一定值時(shí)，便會發(fā)生過載停機(jī)事故。根據(jù)某礦山的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生頻率最高時(shí)達(dá)到 4次/每月，每次壓耙處理時(shí)間為16 h左右，極大的影響了正常生產(chǎn)[7]。底流的流變特性還影響著漿體的泵送難易程度、膏體排放和充填的管道輸送阻力，因此，對深錐底流流變性能變化規(guī)律的研究十分必要。

為此，根據(jù)深錐濃密的實(shí)際運(yùn)行情況，分別運(yùn)用單因素(尾砂級配)定性分析及四因素六水平均勻設(shè)計(jì)方法[8-9]，以扭矩作為表觀錐耙在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受的阻力，尋求各因素對底流流變性能的影響規(guī)律，為指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)提供科學(xué)合理的理論依據(jù)。

1 深錐濃密機(jī)脫水原理

深錐濃密機(jī)為1段脫水設(shè)備，能將10%～30%的全尾砂漿脫水濃縮至74%～76%，具有很高的脫水效率，這與深錐濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)及高效絮凝劑的添加密切相關(guān)，其脫水原理如下。

(1)添加高分子絮凝劑，使小顆粒礦物形成大的絮團(tuán)，大大增加了尾礦沉降速度。絮凝劑在給料管、中心給料筒中不同位置分別添加，這樣能使絮凝劑和料漿得到充分混合，形成均勻的絮團(tuán)，絮凝后的料漿被平穩(wěn)地輸送到濃縮—沉積區(qū)，絮團(tuán)不致破裂，因此可大幅度提高沉降速度。

(2)給料井具有濃度E-DUC自稀釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將進(jìn)料稀釋到最佳濃度，增大濃密機(jī)的處理能力。

(3)具有大角度的錐體結(jié)構(gòu)，能夠增加沉積層高度，并提供產(chǎn)生膏體所需的停留時(shí)間。

(4)濃密機(jī)底部的耙架結(jié)構(gòu)以0.176 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，既不會形成湍流將沉積層顆粒卷起，又可以打破顆粒與水的靜力平衡，使孔隙連通，將封閉的水排出。

深錐濃密機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 深錐濃密機(jī)結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料有全尾砂及篩分好的尾砂和絮凝劑。試驗(yàn)儀器為100 mL錐形量杯和R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀。

2.2 試驗(yàn)原理

R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀的測試原理是和扭矩測量頭相連的四葉槳式轉(zhuǎn)子浸入所要測試的料漿中，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過在附件RHEO3000軟件界面設(shè)置流變參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出扭矩—時(shí)間曲線，并可做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2.3 試驗(yàn)方案

(1)單因素五水平試驗(yàn)方案。學(xué)術(shù)屆普遍對粗粒級尾砂是否適用于深錐濃密存在質(zhì)疑，認(rèn)為尾砂過粗是導(dǎo)致深錐壓耙的最主要原因，因此工程應(yīng)用中常使用級配分布較廣、粒徑連續(xù)狀況較好且偏細(xì)的全尾砂[10]。以尾砂中+0.074 mm粒級含量(10%，30%，50%，70%，90%)作為唯一考核變量定性分析級配對料漿流變參數(shù)的影響，固定轉(zhuǎn)速為0.176 r/min，符合深錐實(shí)際轉(zhuǎn)速。

(2)四因素六水平試驗(yàn)方案。試驗(yàn)采用四因素六水平均勻設(shè)計(jì)方法研究料漿濃度、轉(zhuǎn)速、料漿高度及絮凝劑單耗(1 t干尾砂消耗的絮凝劑量)對深錐底流流變性能的影響，探究各因素對錐耙運(yùn)行所受阻力的貢獻(xiàn)關(guān)系，試驗(yàn)方案見表1。

表均勻設(shè)計(jì)表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 物料級配對料漿流變性能的影響

按方案中物料配比配制好料漿，根據(jù)試驗(yàn)操作要求及規(guī)定測得不同物料級配條件下料漿的流變曲線，見圖2。

圖2 恒轉(zhuǎn)速條件下扭矩隨時(shí)間變化曲線

由圖2可見，不同級配尾砂料漿流變曲線呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，可將曲線劃分為AB段和BC段2個(gè)部分；AB段為塑性變形區(qū)，在這區(qū)域內(nèi)漿體呈彈性體，隨著剪切應(yīng)力的增大發(fā)生應(yīng)力變形但未遭受結(jié)構(gòu)破壞，直到B點(diǎn)漿體結(jié)構(gòu)被破壞并開始流動(dòng)，因此B點(diǎn)稱為屈服應(yīng)力點(diǎn)；BC段為黏性區(qū)，也可稱為剪切變稀區(qū)，在剪切作用下，由黏性耗散造成漿體結(jié)構(gòu)能量損失，微觀方面表現(xiàn)為絮團(tuán)內(nèi)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被打碎使其抗剪能力降低。

以試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的平均扭矩作為流變參數(shù)考核指標(biāo)，其隨尾砂級配的變化曲線見圖3。

圖3 物料級配對漿體流變性能影響曲線

由圖3可見，隨著物料粒級變粗，料漿的扭矩不斷減小，遞減梯度呈減小趨勢；含有黏性細(xì)顆粒的懸浮液由于其顆粒在水中受到物理化學(xué)作用形成絮團(tuán)，絮團(tuán)發(fā)育成長互相搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或絮網(wǎng)，這種絮網(wǎng)具有一定的抗剪能力，顆粒越細(xì)這種抗減能力就越強(qiáng)；可見，同一濃度下，增大物料粒度對改善料漿流變性能有積極作用；為此可得出推論，所謂深錐入料過粗會導(dǎo)致壓耙事故實(shí)質(zhì)上是底流濃度迅速增大的緣故，如果一旦發(fā)現(xiàn)選廠輸出料漿有過粗的情況，應(yīng)適當(dāng)減短料漿在深錐中停留的時(shí)間以避免底流濃度過高。

3.2 多因素均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方案配制料漿，測得的流變參數(shù)值見表2。

表2 不同條件下料漿流變參數(shù)測試結(jié)果

用均勻設(shè)計(jì)軟件對料漿平均扭矩進(jìn)行回歸分析，方程為：

(1)

式中，y為平均扭矩，mNm；x1為料漿質(zhì)量濃度；x2為轉(zhuǎn)速，min-1；x3為料漿高度，cm；x4為絮凝劑單耗，g/t。

從方程(1)可以看出，在試驗(yàn)因素水平內(nèi)，料漿平均扭矩與質(zhì)量濃度、轉(zhuǎn)速及料漿高度正相關(guān)，與物理力學(xué)意義相符；平均扭矩與絮凝劑單耗負(fù)相關(guān)，即絮凝劑加入的越多，扭矩越小。陰離子絮凝劑使尾砂顆粒間相互排斥，絮凝劑分子延伸形成鏈圈和鏈尾從而產(chǎn)生大而松散的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)。絮凝劑添加越多，顆粒間發(fā)生架橋的作用點(diǎn)就越多，形成的絮團(tuán)就更大、結(jié)構(gòu)就更松散?；貧w方程顯著性檢驗(yàn)見表3。

表3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)

顯著性水平α=0.05，F(xiàn)檢驗(yàn)值Ft=346，臨界值F(0.05，4，1)=224.6，F(xiàn)t>F(0.05，4，1)，回歸方程顯著，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.994 5。

各方程項(xiàng)對回歸的貢獻(xiàn)(按偏回歸平方和降序排列)：U(4)=28.6，U(4)/U=38.5%；U(1)=21.3，U(1)/U=28.8%；U(3)=5.35，U(3)/U=7.21%；U(2)=2.82，U(2)/U=3.8%。

上述數(shù)據(jù)表明，在試驗(yàn)因素水平內(nèi)，絮凝劑添加量對料漿平均扭矩貢獻(xiàn)大，敏感性高，濃度其次，料漿高度、轉(zhuǎn)速影響最小。可見，絮凝劑添加量和濃度對扭矩影響最大，而其他2個(gè)因素影響相對較小。

4 工程建議

(1)粗粒級尾砂并不會直接導(dǎo)致深錐壓耙事故的發(fā)生，其實(shí)質(zhì)是級配較粗尾砂進(jìn)入深錐后料漿濃度迅速升高，從而對錐耙轉(zhuǎn)動(dòng)造成巨大的運(yùn)行阻力。建議當(dāng)測得選廠尾砂級配較粗時(shí)，適當(dāng)縮短該部分尾砂在深錐內(nèi)的停留時(shí)間，避免料漿濃度過高損壞攪拌裝置。

(2)料漿內(nèi)絮凝劑含量對其流變性能影響巨大，因此在深錐濃密過程中必須保證絮凝劑溶液攪拌均勻并與尾砂漿充分混合，避免料漿局部板結(jié)，影響錐耙正常運(yùn)行。

5 結(jié) 語

(1)恒轉(zhuǎn)速條件下，膏體料漿的流變曲線可劃分為塑性變形區(qū)和黏性區(qū)，在屈服應(yīng)力點(diǎn)處，流變參數(shù)值達(dá)到最大。

(2)粗顆粒尾砂能有效改善料漿流變性能，降低錐耙運(yùn)行扭矩，但應(yīng)適當(dāng)縮短其在深錐內(nèi)的濃密時(shí)間，避免底流濃度過高。

(3)尾砂級配相同時(shí)，料漿平均扭矩與質(zhì)量濃度、轉(zhuǎn)速及料漿高度正相關(guān)，與絮凝劑單耗負(fù)相關(guān)。絮凝劑單耗貢獻(xiàn)大，敏感性高，濃度其次，料漿高度、轉(zhuǎn)速影響最小。

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2015-01-30)

金 鑫(1988—)，男，助理工程師，333000 江西省景德鎮(zhèn)市市政府新大樓二樓東側(cè)。