考虑温度的超细尾砂触变行为研究

㊀第２８卷第１１期㊀２０１９年１１月
中㊀国㊀矿㊀业
C H I N A M I N I N G M A G A Z I N E
㊀V o l ．２８,N o ．１１
N o v ．㊀２０１９
收稿日期:２０１８Ｇ１０Ｇ２２㊀㊀责任编辑:刘硕基金项目:国家自然科学基金项目资助(编号:５１７７４１３７);河北省自然科学基金项目资助(编号:E ２０１６２０９２７７);河北省自然科学基金项目资助(编号:E ２０１６２０９２２０
)第一作者简介:张友志(１９９０－),男,硕士,讲师,主要从事充填采矿工艺研究,E Ｇm a i l :z h a n g y o u z h i ＠n c s t ．e d u ．c n .通讯作者简介:甘德清(１９６２－),男,博士,教授,主要从事采矿工艺与理论研究,E Ｇm a i l :１８６３０５１５３９６＠１６３．c o m .引用格式:张友志,甘德清,薛振林,等．考虑温度的超细尾砂触变行为研究[J ]．中国矿业,２０１９,２８(１１):１１３Ｇ１１７．d o i :１０．１２０７５/j
．i s s n ．１００４Ｇ４０５１．２０１９．１１．００８
考虑温度的超细尾砂触变行为研究
张友志１,甘德清１,薛振林１,刘志义１,张㊀欣２
(１．华北理工大学矿业工程学院,河北唐山０６３２１０;
２．华北理工大学学科建设处,河北唐山０６３２１０
)摘㊀要:为了探究不同温度下超细尾砂触变行为灵活性的规律,设计三因素四水平正交试验方案,利用温控式桨式流变仪,结合电子显微镜,分析温度㊁灰砂比和浓度对料浆触变性的影响规律,并从细观层面解释触变行为.结果表明:温度对较高浓度料浆的触变环形态影响最大;三种因素对触变性的影响顺序为浓度＞温度＞灰砂比,且灰砂比的影响水平与其他两因素不在同一个数量级;较之剪切试验前,料浆在剪切试验后内部絮团单体直径变大,且絮团分布明显变稀疏,与黏度降低现象一致.对触变行为做出了一般解释,为工业现场控制料浆触变性提供了理论依据.关键词:触变行为;超细尾砂;温度;流变仪
中图分类号:T D ８５３㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１００４Ｇ４０５１(２０１９)１１Ｇ０１１３Ｇ０５
T h i x o t r o p i c b e h a v i o r o f s u p e r f i n e t a i l i n g s c o n s i d e r i n g t e m p
e r a t u r e Z HA N G Y o u z h i １,G A N D e q i n g １,X U EZ h e n l i n １,L I UZ h i y
i １,Z HA N G X i n ２
(１．C o l l e g e o fM i n i n g E n g i n e e r i n g
,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,T a n g s h a n０６３２１０,C h i n a ;２．D e p a r t m e n t o fD i s c i p
l i n eC o n s t r u c t i o n ,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,T a n g
s h a n０６３２１０,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o e x p l o r e t h e l a wo f t h e t h i x o t r o p i cb e h a v i o r f l e x i b i l i t y u n d e rd i f f e r e n t t e m p
e r a t u r e
f o r s u p e r f i n e t a i l i n
g s f i l l i n g s l u r r y ,t
h r e e f a c t o r s a n d f o u r l e v e l s o r t h o g o n a l e x p e r
i m e n t i s d e s i g n e d ．T h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e ,c e m e n t Ｇs a n d r a t i o a n d c o n c e n t r a t i o no n t h e t h i x o t r o p y o f s l u r r y i s a n a l y z e db y u s i n gp a d d l e r h e o m e t e r a n de l e c t r o n m i c r o s c o p e ,a n dt h et h i x o t r o p y b e h a v i o ri se x p l a i n e df r o m t h e m i c r ol e v e l ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t e m p e r a t u r e h a s t h e g r e a t e s t i n f l u e n c e o n t h e f o r mo f t h i x o t r o p y r i n g o f h i g h Ｇc o n c e n t r a t i o n s l u r r y ．T h e t h i x o t r o p y i sm o s t a f f e c t e db y t h ec o n c e n t r a t i o n ,f o l l o w e db y t h e t e m p e r a t u r e ,a n dt h e y a r eo n t h e s a m e o r d e r o fm a g n i t u d e ．T h e e f f e c t o f c e m e n t Ｇs a n d r a t i o o n t h i x o t r o p y i sm u c h l o w e r t h a n t h a t o f o t h e r t w o f a c t o r s ．C o m p a r e dw i t hb e f o r e s h e a r t e s t ,t h ed i a m e t e ro f f l o c s i ns l u r r y i n c r e a s e sa f t e r s h e a r t e s t ,a n d t h e d i s t r i b u t i o no ff l o c sb e c o m e ss p a r s e ,w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ed e c r e a s eo fv i s c o s i t y
．T h e g e n e r a l i n t e r p r e t a t i o no f t h i x o t r o p i cb e h a v i o r i s p r o v i d e d ,a n d i t i s v e r y u s e f u l t oc o n t r o l t h e t h i x o t r o p y o f s l u r r y i n i n d u s t r i a l f i e l d ．
K e y
w o r d s :t h i x o t r o p i cb e h a v i o r ;s u p e r f i n e t a i l i n g ;t e m p e r a t u r e ;r h e o m e t e r ㊀㊀由于日益严格的环境要求和土地使用限制,充填采矿法在国内外的应用越来越广泛[
１Ｇ３]
.近年来,尾矿粒度正随着选矿技术的进步而变得越来越细,针对超细尾砂的研究也越来越受到学者的关注.其
中国矿业第２８卷
中,超细尾砂剪切触变性研究对于充填料浆制备㊁管道输送㊁采场料浆流动等核心技术的突破具有重大意义[４],有助于搅拌设备㊁运输管道的研发优化,对于充填系统的优化具有极大价值[５].触变性一般采用流变仪测量,剪切过程中由于黏度具有时间依赖性,因此剪切速率上升与下降两个过程中剪切应力的表现不一致,会在剪切应力与剪切速率关系中表现出环状曲线,称为触变环,触变环的面积是触变性的相对表征[６].
近年来,专家学者们从不同角度对固液两相流体的触变性开展了一些研究.杨柳华等[７]利用不同水泥添加量㊁尾砂粒级㊁固相质量分数的材料,通过高速搅拌机作用后静置时间不同进行触变性测试,发现料浆触变性与水泥添加量呈正相关,不含０ ０７５m m粒级尾砂的料浆基本无触变性,质量分数不同的料浆具有不同的应力峰值;刘晓辉等[８]提出了膏体的结构破坏系数与结构恢复系数,认为膏体的质量分数㊁剪切速率和絮凝剂添加量均对触变性有不同程度的促进作用,在静置条件下,质量分数越高,絮网结构的恢复就越快;霍海峰等[９]选取天津滨海软黏土进行静置时间不同的十字板剪切试验,认为黏土扰动后强度变化表现为正触变性,含水率对于触变比的影响并不明显;王文孟等[１０]以干密度㊁含水率㊁含盐量为因素通过T S ZＧ３全自动三轴仪得到对黄土触变性影响顺序主次含水率㊁干密度㊁含盐量,触变性参数和含盐量在数据回归分析上为对数关系,且有很好的相关性.
可以看出,对触变性的研究大都是基于物料固有属性和剪切时间的改变上开展的,很少考虑外部温场对触变性的影响.随着开采深度的增加,井底不可避免的出现高温,例如,冬瓜山铜矿的开采深度已经超过１０００m,围岩温度已经接近甚至超过４０ħ,南非西部矿井的开采深度已超过４０００m,最高气温达６６ħ[１１],而温度是影响流体黏度的重要因素之一,且触变性的本质是黏度的时间依赖性,因此,探究温度对料浆触变性的影响具有重要的意义.本文将以某矿超细尾砂为物料,考虑温度的影响,从流变学的角度对超细尾砂充填料浆的触变性进行初探,并从细观层面解释触变行为.
１㊀试㊀验
１．１㊀试验材料
以某矿超细尾砂为材料,经试验室测试,尾砂比重为２．６２t/m３,经过N K T G１００ＧD型激光粒度仪测试,尾砂粒级组成结果如图１所示.由图１可看出,０．０７５m m占比超过９０％,远远超过普通尾砂中０ ０７５m m细颗粒的占比,可以定义为超细尾砂.水泥采用３２．５普通硅酸盐水泥,料浆载体为城市自来水.
１．２㊀试验设备
流变仪采用美国赛默飞世尔H A A K E V i sＧc o t e s t e r i Q便携式流变仪,搭配外接温控模块,温度调控范围－１０~１６０ħ.电子显微镜采用德国Z E S SS c o p eA１型偏光显微镜.
１．３㊀试验方案
经过前期探索试验,考虑料浆的流动性,选择灰砂比为１ʒ４㊁１ʒ６㊁１ʒ８㊁１ʒ１０,质量浓度为５８％㊁６０％㊁６２％㊁６４％,测试温度为３０ħ㊁４０ħ㊁５０ħ㊁６０ħ的料浆设计三因素四水平正交试验,共计１６组,实验方案见表１
.
图１㊀尾砂粒级分析
F i g．１㊀T h e a n a l y s i s o f a r t i c l e s i z e
表１㊀实验方案
T a b l e１㊀E x p e r i m e n t a l s c h e m e
序号灰砂比质量浓度/％温度/ħ
１０．２５０５８３０
２０．１６７６０３０
３０．１２５６２３０
４０．１００６４３０
５０．１６７５８４０
６０．２５０６０４０
７０．１００６２４０
８０．１２５６４４０
９０．１２５５８５０
１００．１００６０５０
１１０．２５０６２５０
１２０．１６７６４５０
１３０．１００５８６０
１４０．１２５６０６０
１５０．１６７６２６０
１６０．２５０６４６０
４１１
第１１期
张友志,等:考虑温度的超细尾砂触变行为研究
㊀㊀剪切试验中,采用控制剪切速率(C R )
的方法,剪切速率先从０经过１００s 的时间均匀上升至１００s
－１
,然后在１００s 内由１００s
－１
均匀降低至０,每组试验过程共计２００s ,图２为实验过程中剪切速率与时间关系.每组试验在剪切前后分别进行１００μm 电子显微镜细观试验.２㊀结果与讨论２．１㊀触变环形态分析
经过剪切试验所得到的参数,通过O r i g
i n 软件绘制剪切应力与剪切速率形成的触变环,计算触变环面积,用A t h i x 来表示,
结果见图３~６
.图２㊀剪切速率Ｇ
时间关系F i g ．２㊀R e l a t i o n s h i p b
e t w e e n s h e a r r a t e a n d t i m
e 图３㊀３０ħ下剪切应力Ｇ剪切速率曲线F i g
．３㊀S h e a r s t r e s s Ｇs h e a r r a t e c u r v e u n d e r ３０ħ可以看出,料浆浓度在５８％㊁６０％和６２％时,
触变环形态在各温度条件下的形态基本一致,因为这
三个浓度相对较低,固体颗粒含量相对少,水作为载体能充分发挥协同作用,剪切时颗粒之间的碰撞㊁絮凝成团行为相对较弱,均质性始终维持在较好的水平,导致上行曲线与下行曲线为简单上升与下降,一般不超过两个交点.浓度为６４％的料浆触变环
形
图４㊀４０ħ下剪切应力Ｇ剪切速率曲线F i g
．４㊀S h e a r s t r e s s Ｇs h e a r r a t e c u r v e u n d e r ４０
ħ图５㊀５０ħ下剪切应力Ｇ剪切速率曲线F i g
．５㊀S h e a r s t r e s s Ｇs h e a r r a t e c u r v e u n d e r ５０
ħ图６㊀６０ħ下剪切应力Ｇ剪切速率曲线F i g
．６㊀S h e a r s t r e s s Ｇs h e a r r a t e c u r v e u n d e r ６０ħ态各有差异,原因有两方面,一方面浓度的增加引起黏度的升高,温度对较高黏度的影响更为明显;另一方面随着浓度的增加,固体颗粒占比增加,此时超细颗粒和水同时承担载体作用,剪切时颗粒间的碰撞㊁
５
１１
中国矿业第２８卷
絮凝成团行为相对较强,均质性下降,导致应力在不同时段的波动性强,因此,上行曲线与下行曲线会出现多于两个交点.
２．２㊀各因素的影响
针对试验结果,运用S P S S数据处理软件对试验数据进行二次多项式回归,温度㊁灰砂比㊁浓度与触变环面积之间的回归方程见式(１).回归方程的相关系数R＝０．９５５０,调整后相关系数R a＝０ ９８３１,F值显著水平P＝０．００１４＜０．０５,认为回归方程较显著,拟合效果较好.
A t h i x＝１．８３ˑ１０５－５．６０ˑ１０２ˑx１－
６．８１ˑ１０４ˑx２－６．０１ˑ１０５ˑx３－
０．９６ˑx２１＋８．５０ˑ１０４ˑx２２＋
４．９３ˑ１０５ˑx２３Ｇ２．３３ˑ１０２ˑx１ˑx２＋１．１７ˑ１０３ˑx１ˑx３＋７．６０ˑ１０４ˑx２ˑx３
(１)式中:A t h i x为触变环面积,P a/s;x１为温度,ħ;x２为灰砂比;x３为浓度,％.
回归分析结果中,温度㊁灰砂比㊁浓度的显著水平P值分别为０．２７３７㊁０．０００１㊁０．７９７１.从中可以看出,浓度对触变性的影响效果最为显著,温度对触变性的影响效果次之,但影响能力和浓度在一个数量级,灰砂比对触变性的影响能力远远低于浓度和温度.这是因为浓度的增加可直接导致料浆内部固体颗粒的增加,效果最为明显;温度改变的影响有两方面:一方面影响作为载体的水的物理性质;另一方面影响固液接触面的物理化学性质,通过这两方面来间接影响料浆触变性,因此影响能力与浓度较之减弱;超细尾砂的０．０７５m m颗粒含量极高,与水泥超细颗粒的含量接近,而灰砂比影响的是水泥的含量,既不能直接增加固体颗粒的数量,也不能引起明显的温度变化,因此影响能力远远低于其他两个因素.
２．３㊀电镜细观分析
以３０ħ测试条件为例,选取浓度６２％,灰砂比１ʒ４的料浆,对剪切前后的细观照片进行分析,结果见图７和图８,对两张照片分别进行二值化处理,结果见图９和图１０.
由图７和图８可以看出,与剪切前相比,充填料浆在剪切后的絮团在形态上有生长趋势,絮团单体直径变大.由图９和图１０可以看出,剪切后絮团在分布上明显变稀疏,絮团之间的空隙变大.这是因为剪切过程会促使液面上部空气进入料浆内部,料浆的含气量增大,
空气会跟随持续的剪切在料浆内
图７㊀剪切前１００μm电镜图
F i g．７㊀E l e c t r o nm i c r o s c o p y a t１００μmb e f o r e s h e a
r
图８㊀剪切后１００μm电镜图
F i g．８㊀E l e c t r o nm i c r o s c o p y a t１００μma f t e r s h e a
r
图９㊀剪切前二值化处理图
F i g．９㊀B i n a r yp r o c e s s i n g d i a g r a mb e f o r e s h e a
r
图１０㊀剪切后二值化处理图
F i g．１０㊀B i n a r yp r o c e s s i n g d i a g r a ma f t e r s h e a r
６１１
第１１期张友志,等:考虑温度的超细尾砂触变行为研究
部呈均匀分布趋势,占据料浆内部更多的空间,而剪切停止后,气体很难在短时间内从富含超细颗粒的料浆内部排出,因此,在受到空气的挤压时,料浆内颗粒形成的絮团单体直径变大且分布变稀疏.
触变性的实质是黏度的时间依赖性,料浆会呈现剪切变稀现象,即黏度在剪切完成时变小,一般地,流体黏度的形成主要由两方面组成:一是分子间的引力作用;二是颗粒之间相互摩擦碰撞而产生的动量交换,在充填料浆里,动量交换起主导作用.料浆在剪切后由于絮团单体直径变大和分布变稀直接导致了料浆内部动量交换变少,因此黏度降低,可作为触变行为中剪切变稀现象的一般解释,为工业现场控制料浆触变性提供有益的理论依据.
３㊀结㊀论
１)超细尾砂充填料浆触变环的形态与浓度和温度均有关系,料浆浓度在５８％㊁６０％和６２％时,触变环的形态在各个温度条件下基本一致,浓度６４％的料浆触变环形态受温度的影响最大.
２)浓度对触变性的影响能力最大,温度次之,但与浓度的影响能力在同一个数量级,灰砂比对触变性的影响能力最弱,且远远低于其他两个因素.３)超细尾砂充填料浆在剪切试验后,料浆内部絮团单体直径较之剪切试验前增大,且絮团的分布较剪切试验前明显变稀疏,与料浆在黏度方面剪切变稀的现象一致.
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