676-颗粒物料浆体流变特性变化及其机理分析与在线粘度计(黏度-管道输送-临界浓度-粘度系数)

摘㊀ 要： 利用毛细管流变仪进行了流变特性试验，并结合已有的浆体流变特性试验结果，得到了不同浓度浆体流变特性变化规律㊂ 结果表明，浆体粘度随浓度增加而加大，并存在临界转变浓度㊂ 当浓度小于临界浓度时，粘度系数变化缓慢，但超过临界浓度后，粘 度系数急剧加大㊂ 其转变机理是浆体中颗粒作用方式产生了变化，由低浓度时颗粒间断碰撞向高浓度时颗粒持续接触转变㊂ 研究 结果揭示了不同浓度浆体流变特性变化的物理机制㊂ 中图分类号： Ｏ３５９ 文章编号： ０２５３－６０９９（２０１４）０２－０００１－０３ 文献标识码： Ａ 关键词： 管道输送； 流变特性； 颗粒； 浆体； 临界浓度； 粘度系数 ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０２．００１
表 １㊀ 浆体特性及其参数
物料 胜利煤（ＩＮＩ） ［７］ 神华煤［８］ 黄县煤［９］ 煤粉［ 本文］ 尾矿砂［２］ 分级尾砂［１０］ 金矿尾砂［１１］ 液体 介质 油 水 水 水 水 水 水 物料密度 颗粒粒径 体积浓度 介质粘度 ／ （ｍＰａ㊃ｓ） ／ （ｋｇ㊃ｍ －３ ） ／ μｍ ／％ ３２．１１ １ １ １ １ １ １ １ ４６５ １ ４６５ １ ４６５ １ ８００ ２ ７５０ ２ ９００ ２ ５８０ ５５．０８ １３４．５ １４９．６ １００．８ １５７ １５０ ４８ ２８．５ ４０．４ ４１．７ ５３．８ ５２．１ ５９．４ ２７ ５４．７ １２ ４８
２
矿㊀ 冶㊀ 工㊀ 程
第 ３４ 卷
１㊀ 颗粒物料浆体流变特性
体的流变特性通常可表示为： τ ＝ τ ０ ＋ ηγ 速率，１ ／ ｓ㊂
俊等 ［１２］ 对某铁矿细粒尾矿的流变研究结果相同㊂
固体颗粒与流体充分混合后， 可以形成浆体㊂ 浆 （１）
式中 τ ０ 为屈服应力，Ｐａ； η 为粘度系数，Ｐａ； γ 为剪切 流变特性试验，试验结果见图 １㊂ 本文利用毛细管流变仪对煤粉形成的浆体进行了
Ｃ ｃｒ ＝ ０． ５５ － ０． ５８ｄ
（４）
比值均接近或超过 ７０％，线性浓度均大于 ７， 表明颗粒 直径远远大于颗粒之间的距离，颗粒之间的相互作用强 烈，这是超过临界浓度后浆体粘度急剧增长的原因㊂ 图 ６ 描述了高浓度浆体中颗粒排列的 ３ 种典型方 式，图中黑点为颗粒中心所在位置㊂ 临界浓度与极限 浓度的关系也可从图 ６ 中得到解释㊂ 其中 （ ａ） 为立方 体排列，为松散的排列；（ ｂ） 为棱形排列， 相当于中等 紧密的排列； （ ｃ） 为四面体形的排列， 为最紧密的排 列㊂ 如颗粒为球形， 直径为 ｄ， 则根据几何关系， 可得 出 ３ 种排列方式在单位体积内的颗粒数分别为 ｎ ＝ １ ／ ｄ ３ ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｓｌｕｒｒｙ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ ｈａｖｅ ｌｅｄ ｔｏ ａ ｖａｒｙｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ， ｂｕｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｅｄｓ ｔｈａｔ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｅ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． ㊀ ㊀ 浆体管道输送具有节能㊁ 环保㊁ 高效等优点， 已成 输送的物料种类越来越多，如精矿㊁尾矿㊁煤炭㊁煤灰以 及其他颗粒物料等㊂ 近年来， 我国先后建设了多条长 至渭南的输煤管道等㊂ 在进行浆体管道输送系统设计 时，浆体输送阻力是设计重要的参数，浆体输送阻力又 与浆体的流变特性密切相关㊂ 各不相同，这些物料组成的浆体的流变特性差异较大， 不同学者根据工程应用需要，利用实验得到了不同物料
律分析得到 ｎ㊁Ｃ ｃｒ 的函数关系式为： ｎ ＝ １． ８５ － ２． ２８ｄ
通过对指数 ｎ㊁临界浓度 Ｃ ｃｒ 与平均粒径 ｄ 间的规
{
将式（４） 代入式 （ ３） 中即可得到临界浓度后相对粘度 计算公式㊂ 不同浓度下的相对粘度，得到的计算值与实测值比较见 图 ５㊂ 从图 ５ 中可以看出实测值与计算值吻合较好㊂ 结合式（２）㊁式（３） 和文献中物料参数，计算各物料
图 ４㊀ 临界浓度 Ｃ ｃｒ 与粒径的关系
表 ２㊀ 临界浓度与极限浓度的关系
物料 分级尾砂 ［１０］ 金矿尾砂 ［１１］ 尾矿砂 ［２］ 煤粉［ 本文］ ｄ ５０ ／ μｍ ６０．０ １００．０ １４９．６ ８９．０ Ｃ ｃｒ ／ ％ ４７ ４３ ４７．５ ５３ Ｃ ｖｍ ／ ％ ５６ ６２ ７０ ６３ Ｃ ｃｒ ／ Ｃ ｖｍ ０．８３９ ０．６９４ ０．７５７ ０．７５４ λ ｃｒ １６．６３ １０．２９ １０．１３ ７．７１
图 １㊀ 煤粉的流变曲线
图 ２㊀ 不同物料体积浓度和相对粘度关系
（ ａ） 煤粉； （ ｂ） 尾矿砂
较大，即浆体粘度系数不同㊂ 随着浆体浓度增加，粘度 颗粒物料的物理特性有很大差异，如颗粒粒级组成㊁密 度等，其对形成的浆体流变特性具有重要影响㊂ 除此 之外，流体介质粘度和浆体浓度等对流变特性也有影 响㊂ 表 １ 列举了几种常见物料及其形成的浆体的特性 和参数㊂ 其中，颗粒粒径 ｄ 为平均粒径： ｄ ＝ð Δｐ ｉ ｄ ｉ ㊂
Ｖａｒｉａｎｔ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｌｕｒｒｙ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ） ＣＡＯ Ｈｕａ⁃ｄｅ， ＣＡＯ Ｂｉｎ， ＸＩＡ Ｊｉａｎ⁃ｘｉｎ
５０．６ ５３．３ ４７．２ ５４．８
可以发现， 浆体相对粘度随体积浓度增加而加大， 但 存在一个明显的转折点㊂ 在转折点前， 浆体相对粘度 浆体相对粘度随体积浓度增加而急剧增长㊂ 这与吕宪
通过分析浆体相对粘度系数与浓度关系， 如图 ２，
随体积浓度增加缓慢加大㊂ 但在浓度超过转折点后，
图 ３㊀ 指数 ｎ 与粒径的关系
然而，输送的物料种类千差万别，其粒径和浓度也
物料浆体流变特性，分析了相对粘度计算公式㊂ 同时，
收稿日期： ２０１３－１１－１３ 基金项目： 国家自然科学基金项目（５１１７９２１３㊁５１２０９２３８㊁５１３３９００８） 作者简介： 曹华德（１９８８－） ，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为浆体管道输送㊂
浆体的相对粘度可采用分段函数描述㊂ 当浆体浓
式中 Ｃ ｖ 为浆体体积浓度； α 与物料种类有关： 对于煤 粉，α ＝ １３６ ２４２；对于尾矿砂，α ＝ ２６ ０９９㊂ Ｃ ｃｒ 和 ｎ 与物料 粒径相关，均随颗粒平均粒径（ ｄ） 增大而减小，采用线性 拟合可得到 Ｃ ｃｒ 和 ｎ 与 ｄ（ｍｍ） 间函数关系，见图 ３ ４㊂
第２期
曹华德等： 颗粒物料浆体流示的结果㊂ 其中， 浆体极限浓度采用费祥俊 公式计算 ［１３］ ： Ｃ ｖｍ ＝ ０． ９２ － ０． ２ｌｇð Δｐ ｉ ／ ｄ ｉ （ Ｃ ｖ ／ Ｃ ｖｍ ） １ ／ ３ （５）
线性浓度 λ ＝ ｄ ／ ｓ（ ｄ 为颗粒直径；ｓ 为颗粒间净距离），也 是反映颗粒之间作用距离的指标［１３］ ，采用式（６） 计算： λ＝ １ － （ Ｃ ｖ ／ Ｃ ｖｍ ） １ ／ ３ （６）
从图 １ 中可以看出， 不同浆体流变曲线斜率差异
系数也相应增加㊂ 为进一步分析不同浆体粘度系数， 采用相对粘度系数 η ｒ ＝ η ／ η ０ ， η ０ 为介质的粘度㊂ 不同
度小于临界浓度 Ｃ ｃｒ（ 即转折点浓度） 时，浆体相对粘度 可用下式进行计算： 利用实验结果对其中 Ｋ 值进行修正， 对于煤粉和尾矿 砂，Ｋ 值分别为 １．５８ 和 １．６８㊂ 下式描述： 当浆体浓度超过临界浓度时， 浆体相对粘度可用 η ｒ ＝ η ／ η ０ ＝ ２００ ＋ α（ Ｃ ｖ － Ｃ ｖｒ ） ｎ （３） η ｒ ＝ η ／ η ０ ＝ （１ － ＫＣ ｖ ） － ２．５ （２）
①
ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｉｔｓ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ａ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒａｐｈ ｏｆ
ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｐｌｏｔｔｅｄ ａｇａｉｎｓｔ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｓｌｏｗｌｙ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｌｅｓｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉｓ ｔｈａｔ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｆｒｏｍ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｔ ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｏｎｔａｃｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈａｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ； ｐａｒｔｉｃｌｅｓ； ｓｌｕｒｒｙ； ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ； ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ 为继公路㊁铁路㊁水运和空运之后的第五大运输方式㊂ 距离颗粒物料输送管道，如输送距离达 １７０ ｋｍ 的云南 大红山铁精矿输送管道，正在建设的长达 ７００ ｋｍ 神木 流变特性的计算公式㊂ 如褚君达［１］ 应用薄膜水增加颗 粒有效浓度的概念，根据颗粒的级配对 Ｈｉｇｇｉｎｂｏｔｈａｍ 公 式中 Ｋ 值进行修正㊂ 张世奇 ［２］ 结合实验数据， 引入颗 粒粒径平均偏差㊂ 王新民 ［３］ 等利用实验数据， 建立金 川全尾砂膏体流变参数与质量浓度等因素间定量数学 关系㊂ 杨超 ［４］ 在流变实验基础上， 得出金岭铁矿尾砂 浆体两个流变参数与浓度间的函数关系㊂ 已有的研究 多是 对 单 一 物 料 的 流 变 特 性 及 影 响 因 素 进 行 分 析 ［５－６］ ，缺少系统地开展不同物料流变特性研究㊂ 对浆体流变特性变化的机理进行了分析㊂ 本文利用已有的试验数据和研究成果， 得到不同
第 ３４ 卷第 ２ 期 ２０１４ 年 ０４ 月
ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
矿㊀ 冶㊀ 工㊀ 程
Ｖｏｌ．３４ ɴ２ Ａｐｒｉｌ ２０１４
颗粒物料浆体流变特性变化及其机理分析
（ 中央民族大学 生命与环境科学学院， 北京 １０００８１）
①
曹华德， 曹㊀ 斌， 夏建新
从表 ２ 中可以看出，不同物料临界浓度与极限浓度
图 ５㊀ 计算值与实测值比较
２㊀ 浆体流变特性转变机制分析
质中的相互作用形式有关㊂ 当颗粒浓度较低时， 颗粒 间距离较大， 此时颗粒间碰撞㊁ 摩擦及粘结力作用较 弱㊂ 在浆体流动条件下，由于固体颗粒比较分散，承受 剪切变形的主要是流体介质， 因此， 相对粘度增加缓 慢；但当浆体浓度较大时， 颗粒间距离很小， 颗粒间碰 撞与摩擦作用更加强烈， 尤其是在颗粒浓度接近极限 浓度时，由于颗粒之间已经相互接触摩擦与挤压作用 急剧增大，导致粘度系数剧变㊂ Ｃ ｖｍ 和颗粒间距的关系，根据上述实验数据计算得到了 为分析图 ２ 中临界转变浓度 Ｃ ｃｒ 与浆体极限浓度