全尾砂膏体料浆的流变特性研究
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( University of Science and T echno logy B eij ing ) Abstrac t T aking unclass ified ta ilings paste as the exper i m enta l s lurry , the o rthogona l des ign m ethod is adopted to de s ign the expe ri m en tal sche m e A nd R /S+ SST rheo m eter is used to test the rheolog ica l characteristic o f paste and investi ga te the e ffect rule o f three factors on rheolog ica l para m eters , which are we ight concentration, cem ent ta ilings ratio and slag cem ent ra tio W ith the aid o f the range ana lysis , the var iance analysis and the mu ltiple reg ression ana lys is m ethods , the ex peri m enta l resu lts sho w ed that the re la tionsh ip of betw een y ie ld stress and w e ight concentra tion was appeared as an exponen tia l increase function T he paste has the rheolog ica l character istics o f slurry , such as th ixotropism and shear thinn ing A m ong three fac to rs o fw e ight concentration, ce m en t ta iling s ratio and slag ce m ent ra tio , their influence leve l is we ight concen tration> slag ce m en t ra tio> cement tailings ra tio T here , we ight concentration has a re lative ly significant e ffect on the rheo log ica l para m eters K eywords V ane rheo m eter , O rthogona l des ign , U nc lassified ta ilings paste , Rheo log ica l para m eters
2 2
1 2 试验方案 为了全面分析影响因素 , 减小试验工作量, 采用 正交设计法设计试验方案。根据试验因素和水平的 4 个数 , 选择正交表 L9 ( 3 ) 进行有空列的正交试验, 因素水平如表 3 所示。
表 2 充填骨料物理性能与化学成分
名 称 全尾砂 水淬渣 密 度 / ( t /m 3 ) 2 71 2 59 物理性能 容 重 / ( t /m 3 ) 1 88 1 18 化学成分 /% 孔隙率 /% 34 35 54 44 Fe2 O3 2 79 34 84 S iO2 4 55 33 14 A l2 O 3 1 04 7 15 C aO 44 05 15 26 M gO 5 02 3 98 S 0 6 0 21
∀ 31∀
1 3 试验方法 屈服应力与粘度是表征膏体流变的两个基本参 数。屈服应力的测量通常分为直接法与间接法。直 接法是运用旋转粘度计测量, 此方法快速简便 , 但旋 转元件与试样会产生 滑移效应
[ 6]
。间接法是指方
程回归法, 该方法通过假设的模式方程拟合试验数 据获得屈服应力 , 误差较大 , 可靠性较差。与间接法 相比, 直接法重复性好 , 精度较高。由于本试验采用
2 试验结果
根据试验方案测定流变参数, 结果见表 4 。
表 4 流变参数
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T m ax /( N∀ m ) 8 856 23 880 14 167 24 476 18 374 17 113 24 679 19 586 22 266 屈服应力 / Pa 302 424 484 836 628 584 843 669 760
。
由于膏体的流变特性是由复杂的物理化学性质造成 的 , 再加上各个矿山的主填物料来源与配比参数不 同 , 膏体的流变特性差别较大。膏体流变特性的影 响因素众多 , 包括浓度、 颗粒级配、 骨料配比、 矿物组 成和 pH 值等。 本研究以云南某矿膏体充填为工程背景 , 结合 现场制备工艺, 选择质量浓度、 灰砂比、 水淬渣 /全尾 砂 3 个可控制和调节的主要影响因素, 重点考察三
表 3 因素水平
浓度 /% 78 79 80 灰砂比 1∃7 1∃8 1∃9 水淬渣 /全尾砂 2∃5 1∃7 ( 1 / 2) ∃9
桨叶式流变仪 , 转子与壁面滑移效应较小, 因此, 这 里采用直接法测量计算 , 其公式见式 ( 1) : 3 D L 1 T m ax = , ( 1) 2 D + 3 y 式中 , Tm ax 为叶片受到的最大扭矩 , N ∀ m; D 为叶片 的直径 , mm, 取 值 20 ; L 为 桨叶的 高度 , mm, 取 值 40 ; y 为料浆的屈服应力, P a 。 粘度是表征膏体流变特征的另一个基本参数。 考虑到流变测试过程中膏体始终处于动态之中, 某 一时刻的表观粘度无法有效、 全面地反映膏体的流 变性能, 所以采用在整个剪切时间内的算术平均粘 度来反映其流变性 , 如式 ( 2)所示: 1 + 2 + % + n = , ( 2) n
* 十一五 国家科技支撑计划项目 ( 编号 : 2006BA B02A 01) 。 生 , 100083 北京市海淀区区学院路。 翟永刚 ( 1984! ) , 男 , 北京科技大学土木 与环境工程学 院, 硕士研究
。为了评价膏体管道输送的可行性和可靠性 ,
[ 35]
国内外对膏体的流 变特性进行了大 量的研究
[ 7]
3 分
析
3 1 极差分析 极差分析可以直观、 简便地得出各因素对屈服 应力影响的大小 , 如表 5 所示。从表中可以看出 , 屈
屈 来源 A B C 总和 平方和 208 918 11 384 42 272 3 675 382 自由度 2 2 2 6 服 应 力 F 13 99 0 76 2 83 P 0 07 0 57 0 26
Se ries N o 414 D ece mber 2010
金
属
矿
山
M ETAL M I NE
总 第 414 期 2010年第 12 期
全尾砂膏体料浆的流变特性研究
翟永刚
摘 要
*
吴爱祥
王洪江
陈琴瑞
李航空
严佳龙
( 北京科技大学 ) 以某矿全尾砂充填 膏体为试验料浆 , 采用正交设计法设计试验方案 , 利用 R /S+ SST 型流 变仪对全尾
)。
平 均 粘 度 F 5 37 0 16 1 11 P 0 16 0 86 0 47
表 6 屈 服应力与平均粒度的方差分析
均方 104 459 5 692 21 136 来源 A B C 总和 平方和 275 564 8 004 56 991 16 226 936 自由度 2 2 2 6 均方 137 782 4 002 28 495
总第 414 期 式中, n 为记录个数。
金
属
矿
山
2010 年第 12 期
服应力与粘度的极差变化规律是相同的, 即 3 因素 对应力和粘度的影响大小顺序为浓度 > 淬尾比 > 灰 砂比。
表 5 屈服应力与平均粘度极差分析
平均粘度 / ( Pa∀ s) 1 055 1 337 1 070 1 774 1Biblioteka Baidu233 1 522 1 411 1 553 1 456 1 2 3 极差 403 30 682 67 757 33 354 03 660 30 573 67 609 33 86 63 518 33 1 062 95 1 356 84 1 376 74 673 33 1 442 99 1 283 33 1 364 70 651 67 1 483 49 1 349 26 1 248 00 155 00 420 54 73 51 128 74 因素 水平 屈服应力 / Pa A B C A 平均粘度 / ( Pa∀ s) B C
S tudy on Rh eologica l P roperties of the Unc la ssified tailings Paste Zha i Yonggang W u A ix iang W ang H ong jiang Chen Q inru i L iH angkong Yan Jia long
注 : A 为浓度 , B 为灰砂比 , C 为淬尾比。
3 2 方差分析 表 6 给出了各因素对流变参数的 方差分析结 果。从表中看出, A 的显著值为 0 16 , B 的显著值 为 0 86 , C 的显著性值为 0 47 。浓度因素对试验结 果影响显著, 其它两因素均无显著意义 ( 这里按照 P < 0 2进行评价
∀ 30∀
翟永刚等 : 全尾砂膏体料浆的流变特性研究 足。
2010 年第 12期
图 1 试验仪器 表 1 CSR 设置
选择模式 CSR 剪切频率 / ( 1 / s) 0 05 时间 / s 600
试验膏体由全尾砂、 水泥和水淬渣 3 种物料组 成 , 按照正交设计试验方案中的配比进行配制。固 体物料的物理化学性质见表 2 , 水泥型号为 32 5R 型普通硅酸盐水泥。 全尾砂和水淬渣粒级组成分别采用激光粒度仪 和人工筛分获得 , 如图 2 , 图 3 所示。全尾砂的平均 粒径为 75 59 , 中值粒径为 34 95 , 全尾砂比表面积 为 0 5 m / cm , # 20 的颗粒累计含量占 37 20 %。 按照公认膏体充填料中 - 20 m 颗粒含量 15 % ~ 20% 的要求 , - 20 m 颗粒含量偏高。通过计算 , 其 中全 尾 砂 的 不 均 匀 系 数 为 20 668 , 曲率系数为 0 588 , 按照工程经验, 全尾砂级配不良 , 加入一定量 的粗骨料水淬渣可在一定程度上弥补粒级级配的不
全尾砂膏体充填在料浆性能、 制备工艺、 充填质 量、 资源回收、 节能环 保等方面具有 较为突出的优 势 , 近年来运用该技术的矿山逐年增加
[ 1 2]
因素对膏体流变特性的影响。采用正交设计法设计 试验方案 , 对膏体的流变特性进行理论分析 , 为管道 输送系统参数优化提供理论依据。
。管道输
送技术是全尾膏体充填的核心技术之一, 管道输送 系统设计的成败直接关系到充填系 统能否正常运 行
[ 3]
1 试
验
1 1 试验仪器与物料 试验所用流变测试设备为高精度 R /S + SST 型 四叶桨式旋转流变仪, 见图 1 。 仪器通过四叶桨式转子以可变化的剪切速率旋 转, 采用扭矩测量装置测量仪器扭矩的变化。通过 在 RHEO3000 软件界面设置操作参数进 行实时监 测, 设置参数见表 1 。转子直径 20 mm, 转子高度 40 mm。
砂膏体进行流变测试试验 , 研究质量浓度、 灰砂比和淬尾比 ( 水淬渣 /全尾砂 ) 三因素对流变参数的影 响规律。试验 结果利用极差分析、 方差分析和多元回归分析方法分析。结果表明 : 膏体的屈服应力 与浓度呈单 调递增函数 关系。 膏体具有料浆的触变性 和剪切变稀等流变特征。在质量百 分比浓 度、 灰 砂比和 淬尾比 3 个影 响因素 中 , 影 响顺序 为质量浓度 > 淬尾比 > 灰砂比 ; 三因素中质量浓度对流变参数的影响比较显 著。 关键词 桨式流变 仪 正交设计法 全尾膏体 流变参数
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1 2 试验方案 为了全面分析影响因素 , 减小试验工作量, 采用 正交设计法设计试验方案。根据试验因素和水平的 4 个数 , 选择正交表 L9 ( 3 ) 进行有空列的正交试验, 因素水平如表 3 所示。
表 2 充填骨料物理性能与化学成分
名 称 全尾砂 水淬渣 密 度 / ( t /m 3 ) 2 71 2 59 物理性能 容 重 / ( t /m 3 ) 1 88 1 18 化学成分 /% 孔隙率 /% 34 35 54 44 Fe2 O3 2 79 34 84 S iO2 4 55 33 14 A l2 O 3 1 04 7 15 C aO 44 05 15 26 M gO 5 02 3 98 S 0 6 0 21
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1 3 试验方法 屈服应力与粘度是表征膏体流变的两个基本参 数。屈服应力的测量通常分为直接法与间接法。直 接法是运用旋转粘度计测量, 此方法快速简便 , 但旋 转元件与试样会产生 滑移效应
[ 6]
。间接法是指方
程回归法, 该方法通过假设的模式方程拟合试验数 据获得屈服应力 , 误差较大 , 可靠性较差。与间接法 相比, 直接法重复性好 , 精度较高。由于本试验采用
2 试验结果
根据试验方案测定流变参数, 结果见表 4 。
表 4 流变参数
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T m ax /( N∀ m ) 8 856 23 880 14 167 24 476 18 374 17 113 24 679 19 586 22 266 屈服应力 / Pa 302 424 484 836 628 584 843 669 760
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由于膏体的流变特性是由复杂的物理化学性质造成 的 , 再加上各个矿山的主填物料来源与配比参数不 同 , 膏体的流变特性差别较大。膏体流变特性的影 响因素众多 , 包括浓度、 颗粒级配、 骨料配比、 矿物组 成和 pH 值等。 本研究以云南某矿膏体充填为工程背景 , 结合 现场制备工艺, 选择质量浓度、 灰砂比、 水淬渣 /全尾 砂 3 个可控制和调节的主要影响因素, 重点考察三
表 3 因素水平
浓度 /% 78 79 80 灰砂比 1∃7 1∃8 1∃9 水淬渣 /全尾砂 2∃5 1∃7 ( 1 / 2) ∃9
桨叶式流变仪 , 转子与壁面滑移效应较小, 因此, 这 里采用直接法测量计算 , 其公式见式 ( 1) : 3 D L 1 T m ax = , ( 1) 2 D + 3 y 式中 , Tm ax 为叶片受到的最大扭矩 , N ∀ m; D 为叶片 的直径 , mm, 取 值 20 ; L 为 桨叶的 高度 , mm, 取 值 40 ; y 为料浆的屈服应力, P a 。 粘度是表征膏体流变特征的另一个基本参数。 考虑到流变测试过程中膏体始终处于动态之中, 某 一时刻的表观粘度无法有效、 全面地反映膏体的流 变性能, 所以采用在整个剪切时间内的算术平均粘 度来反映其流变性 , 如式 ( 2)所示: 1 + 2 + % + n = , ( 2) n
* 十一五 国家科技支撑计划项目 ( 编号 : 2006BA B02A 01) 。 生 , 100083 北京市海淀区区学院路。 翟永刚 ( 1984! ) , 男 , 北京科技大学土木 与环境工程学 院, 硕士研究
。为了评价膏体管道输送的可行性和可靠性 ,
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国内外对膏体的流 变特性进行了大 量的研究
[ 7]
3 分
析
3 1 极差分析 极差分析可以直观、 简便地得出各因素对屈服 应力影响的大小 , 如表 5 所示。从表中可以看出 , 屈
屈 来源 A B C 总和 平方和 208 918 11 384 42 272 3 675 382 自由度 2 2 2 6 服 应 力 F 13 99 0 76 2 83 P 0 07 0 57 0 26
Se ries N o 414 D ece mber 2010
金
属
矿
山
M ETAL M I NE
总 第 414 期 2010年第 12 期
全尾砂膏体料浆的流变特性研究
翟永刚
摘 要
*
吴爱祥
王洪江
陈琴瑞
李航空
严佳龙
( 北京科技大学 ) 以某矿全尾砂充填 膏体为试验料浆 , 采用正交设计法设计试验方案 , 利用 R /S+ SST 型流 变仪对全尾
)。
平 均 粘 度 F 5 37 0 16 1 11 P 0 16 0 86 0 47
表 6 屈 服应力与平均粒度的方差分析
均方 104 459 5 692 21 136 来源 A B C 总和 平方和 275 564 8 004 56 991 16 226 936 自由度 2 2 2 6 均方 137 782 4 002 28 495
总第 414 期 式中, n 为记录个数。
金
属
矿
山
2010 年第 12 期
服应力与粘度的极差变化规律是相同的, 即 3 因素 对应力和粘度的影响大小顺序为浓度 > 淬尾比 > 灰 砂比。
表 5 屈服应力与平均粘度极差分析
平均粘度 / ( Pa∀ s) 1 055 1 337 1 070 1 774 1Biblioteka Baidu233 1 522 1 411 1 553 1 456 1 2 3 极差 403 30 682 67 757 33 354 03 660 30 573 67 609 33 86 63 518 33 1 062 95 1 356 84 1 376 74 673 33 1 442 99 1 283 33 1 364 70 651 67 1 483 49 1 349 26 1 248 00 155 00 420 54 73 51 128 74 因素 水平 屈服应力 / Pa A B C A 平均粘度 / ( Pa∀ s) B C
S tudy on Rh eologica l P roperties of the Unc la ssified tailings Paste Zha i Yonggang W u A ix iang W ang H ong jiang Chen Q inru i L iH angkong Yan Jia long
注 : A 为浓度 , B 为灰砂比 , C 为淬尾比。
3 2 方差分析 表 6 给出了各因素对流变参数的 方差分析结 果。从表中看出, A 的显著值为 0 16 , B 的显著值 为 0 86 , C 的显著性值为 0 47 。浓度因素对试验结 果影响显著, 其它两因素均无显著意义 ( 这里按照 P < 0 2进行评价
∀ 30∀
翟永刚等 : 全尾砂膏体料浆的流变特性研究 足。
2010 年第 12期
图 1 试验仪器 表 1 CSR 设置
选择模式 CSR 剪切频率 / ( 1 / s) 0 05 时间 / s 600
试验膏体由全尾砂、 水泥和水淬渣 3 种物料组 成 , 按照正交设计试验方案中的配比进行配制。固 体物料的物理化学性质见表 2 , 水泥型号为 32 5R 型普通硅酸盐水泥。 全尾砂和水淬渣粒级组成分别采用激光粒度仪 和人工筛分获得 , 如图 2 , 图 3 所示。全尾砂的平均 粒径为 75 59 , 中值粒径为 34 95 , 全尾砂比表面积 为 0 5 m / cm , # 20 的颗粒累计含量占 37 20 %。 按照公认膏体充填料中 - 20 m 颗粒含量 15 % ~ 20% 的要求 , - 20 m 颗粒含量偏高。通过计算 , 其 中全 尾 砂 的 不 均 匀 系 数 为 20 668 , 曲率系数为 0 588 , 按照工程经验, 全尾砂级配不良 , 加入一定量 的粗骨料水淬渣可在一定程度上弥补粒级级配的不
全尾砂膏体充填在料浆性能、 制备工艺、 充填质 量、 资源回收、 节能环 保等方面具有 较为突出的优 势 , 近年来运用该技术的矿山逐年增加
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因素对膏体流变特性的影响。采用正交设计法设计 试验方案 , 对膏体的流变特性进行理论分析 , 为管道 输送系统参数优化提供理论依据。
。管道输
送技术是全尾膏体充填的核心技术之一, 管道输送 系统设计的成败直接关系到充填系 统能否正常运 行
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1 试
验
1 1 试验仪器与物料 试验所用流变测试设备为高精度 R /S + SST 型 四叶桨式旋转流变仪, 见图 1 。 仪器通过四叶桨式转子以可变化的剪切速率旋 转, 采用扭矩测量装置测量仪器扭矩的变化。通过 在 RHEO3000 软件界面设置操作参数进 行实时监 测, 设置参数见表 1 。转子直径 20 mm, 转子高度 40 mm。
砂膏体进行流变测试试验 , 研究质量浓度、 灰砂比和淬尾比 ( 水淬渣 /全尾砂 ) 三因素对流变参数的影 响规律。试验 结果利用极差分析、 方差分析和多元回归分析方法分析。结果表明 : 膏体的屈服应力 与浓度呈单 调递增函数 关系。 膏体具有料浆的触变性 和剪切变稀等流变特征。在质量百 分比浓 度、 灰 砂比和 淬尾比 3 个影 响因素 中 , 影 响顺序 为质量浓度 > 淬尾比 > 灰砂比 ; 三因素中质量浓度对流变参数的影响比较显 著。 关键词 桨式流变 仪 正交设计法 全尾膏体 流变参数