深锥浓密机底流流变性能影响因素试验

金 鑫

(景德镇市安全生产监督管理局)

深锥浓密机底流流变性能影响因素试验

金 鑫

(景德镇市安全生产监督管理局)

底流流变性能直接影响深锥的运行情况，扭矩过大会引起压耙事故的发生，将严重影响浓密效果和矿山正常生产。为此，借助室内流变仪及锥形量杯进行了搅拌模拟试验，研究了物料级配对料浆扭矩的影响，并通过均匀设计探讨了质量浓度、泥层高度、转速和絮凝剂单耗对扭矩的影响水平及其权重。试验结果表明：恒转速条件下流变曲线可划分为弹性区和黏性区，且料浆平均扭矩随+0.074 mm粒级尾砂含量的增多呈递减趋势；扭矩与质量浓度、转速及料浆高度正相关，与絮凝剂单耗负相关；絮凝剂单耗影响最大，浓度其次，料浆高度、转速影响最小。

深锥浓密机 底流 流变性能 压耙 物料级配 扭矩 转速

膏体充填是国内近几年发展较为迅速的一种充填技术，因其良好的稳定性、流动性、可泵性和节能环保等众多优点备受关注[1]。尾砂浓密是膏体充填中的关键点和难点[2]。20世纪70年代发展起来的一种高效浓密设备深锥浓密机[3]，具有极大的生产能力，可获得较高的底流浓度，为膏体充填料浆的制备提供保障[4]。但深锥压耙一直是困扰矿山的突出问题[5]，尾砂浓密过程中，尾砂在深锥内部堆积，底流浓度和泥层压力逐渐增大，体现为底流流变特性的改变，间接体现为锥耙扭矩越来越大[6]，当转耙载荷超过一定值时，便会发生过载停机事故。根据某矿山的数据统计，发生频率最高时达到 4次/每月，每次压耙处理时间为16 h左右，极大的影响了正常生产[7]。底流的流变特性还影响着浆体的泵送难易程度、膏体排放和充填的管道输送阻力，因此，对深锥底流流变性能变化规律的研究十分必要。

为此，根据深锥浓密的实际运行情况，分别运用单因素(尾砂级配)定性分析及四因素六水平均匀设计方法[8-9]，以扭矩作为表观锥耙在运转过程中所受的阻力，寻求各因素对底流流变性能的影响规律，为指导现场生产提供科学合理的理论依据。

1 深锥浓密机脱水原理

深锥浓密机为1段脱水设备，能将10%～30%的全尾砂浆脱水浓缩至74%～76%，具有很高的脱水效率，这与深锥浓密机的结构及高效絮凝剂的添加密切相关，其脱水原理如下。

(1)添加高分子絮凝剂，使小颗粒矿物形成大的絮团，大大增加了尾矿沉降速度。絮凝剂在给料管、中心给料筒中不同位置分别添加，这样能使絮凝剂和料浆得到充分混合，形成均匀的絮团，絮凝后的料浆被平稳地输送到浓缩—沉积区，絮团不致破裂，因此可大幅度提高沉降速度。

(2)给料井具有浓度E-DUC自稀释系统结构，将进料稀释到最佳浓度，增大浓密机的处理能力。

(3)具有大角度的锥体结构，能够增加沉积层高度，并提供产生膏体所需的停留时间。

(4)浓密机底部的耙架结构以0.176 r/min的转速旋转，既不会形成湍流将沉积层颗粒卷起，又可以打破颗粒与水的静力平衡，使孔隙连通，将封闭的水排出。

深锥浓密机结构见图1。

图1 深锥浓密机结构

2 试验设计

2.1 试验材料与仪器

试验材料有全尾砂及筛分好的尾砂和絮凝剂。试验仪器为100 mL锥形量杯和R/S型四叶桨式旋转流变仪。

2.2 试验原理

R/S型四叶桨式旋转流变仪的测试原理是和扭矩测量头相连的四叶桨式转子浸入所要测试的料浆中，按试验设计转速旋转，通过在附件RHEO3000软件界面设置流变参数进行实时监测输出扭矩—时间曲线，并可做进一步的数据处理。

2.3 试验方案

(1)单因素五水平试验方案。学术届普遍对粗粒级尾砂是否适用于深锥浓密存在质疑，认为尾砂过粗是导致深锥压耙的最主要原因，因此工程应用中常使用级配分布较广、粒径连续状况较好且偏细的全尾砂[10]。以尾砂中+0.074 mm粒级含量(10%，30%，50%，70%，90%)作为唯一考核变量定性分析级配对料浆流变参数的影响，固定转速为0.176 r/min，符合深锥实际转速。

(2)四因素六水平试验方案。试验采用四因素六水平均匀设计方法研究料浆浓度、转速、料浆高度及絮凝剂单耗(1 t干尾砂消耗的絮凝剂量)对深锥底流流变性能的影响，探究各因素对锥耙运行所受阻力的贡献关系，试验方案见表1。

表均匀设计表

3 试验结果与分析

3.1 物料级配对料浆流变性能的影响

按方案中物料配比配制好料浆，根据试验操作要求及规定测得不同物料级配条件下料浆的流变曲线，见图2。

图2 恒转速条件下扭矩随时间变化曲线

由图2可见，不同级配尾砂料浆流变曲线呈现一致的变化规律，可将曲线划分为AB段和BC段2个部分；AB段为塑性变形区，在这区域内浆体呈弹性体，随着剪切应力的增大发生应力变形但未遭受结构破坏，直到B点浆体结构被破坏并开始流动，因此B点称为屈服应力点；BC段为黏性区，也可称为剪切变稀区，在剪切作用下，由黏性耗散造成浆体结构能量损失，微观方面表现为絮团内三维网状结构被打碎使其抗剪能力降低。

以试验时间内的平均扭矩作为流变参数考核指标，其随尾砂级配的变化曲线见图3。

图3 物料级配对浆体流变性能影响曲线

由图3可见，随着物料粒级变粗，料浆的扭矩不断减小，递减梯度呈减小趋势；含有黏性细颗粒的悬浮液由于其颗粒在水中受到物理化学作用形成絮团，絮团发育成长互相搭接形成网状结构或絮网，这种絮网具有一定的抗剪能力，颗粒越细这种抗减能力就越强；可见，同一浓度下，增大物料粒度对改善料浆流变性能有积极作用；为此可得出推论，所谓深锥入料过粗会导致压耙事故实质上是底流浓度迅速增大的缘故，如果一旦发现选厂输出料浆有过粗的情况，应适当减短料浆在深锥中停留的时间以避免底流浓度过高。

3.2 多因素均匀设计试验结果与分析

根据均匀设计方案配制料浆，测得的流变参数值见表2。

表2 不同条件下料浆流变参数测试结果

用均匀设计软件对料浆平均扭矩进行回归分析，方程为：

(1)

式中，y为平均扭矩，mNm；x1为料浆质量浓度；x2为转速，min-1；x3为料浆高度，cm；x4为絮凝剂单耗，g/t。

从方程(1)可以看出，在试验因素水平内，料浆平均扭矩与质量浓度、转速及料浆高度正相关，与物理力学意义相符；平均扭矩与絮凝剂单耗负相关，即絮凝剂加入的越多，扭矩越小。阴离子絮凝剂使尾砂颗粒间相互排斥，絮凝剂分子延伸形成链圈和链尾从而产生大而松散的絮团结构。絮凝剂添加越多，颗粒间发生架桥的作用点就越多，形成的絮团就更大、结构就更松散。回归方程显著性检验见表3。

表3 回归方程显著性检验

显著性水平α=0.05，F检验值Ft=346，临界值F(0.05，4，1)=224.6，Ft>F(0.05，4，1)，回归方程显著，复相关系数R2=0.994 5。

各方程项对回归的贡献(按偏回归平方和降序排列)：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%。

上述数据表明，在试验因素水平内，絮凝剂添加量对料浆平均扭矩贡献大，敏感性高，浓度其次，料浆高度、转速影响最小。可见，絮凝剂添加量和浓度对扭矩影响最大，而其他2个因素影响相对较小。

4 工程建议

(1)粗粒级尾砂并不会直接导致深锥压耙事故的发生，其实质是级配较粗尾砂进入深锥后料浆浓度迅速升高，从而对锥耙转动造成巨大的运行阻力。建议当测得选厂尾砂级配较粗时，适当缩短该部分尾砂在深锥内的停留时间，避免料浆浓度过高损坏搅拌装置。

(2)料浆内絮凝剂含量对其流变性能影响巨大，因此在深锥浓密过程中必须保证絮凝剂溶液搅拌均匀并与尾砂浆充分混合，避免料浆局部板结，影响锥耙正常运行。

5 结 语

(1)恒转速条件下，膏体料浆的流变曲线可划分为塑性变形区和黏性区，在屈服应力点处，流变参数值达到最大。

(2)粗颗粒尾砂能有效改善料浆流变性能，降低锥耙运行扭矩，但应适当缩短其在深锥内的浓密时间，避免底流浓度过高。

(3)尾砂级配相同时，料浆平均扭矩与质量浓度、转速及料浆高度正相关，与絮凝剂单耗负相关。絮凝剂单耗贡献大，敏感性高，浓度其次，料浆高度、转速影响最小。

[1] 刘斯忠，王洪江，吴爱祥，等．掺入泵送剂全尾砂膏体流变特性研究[J]．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2014(4)：11-14.

[2] 袁先乐，徐克创．我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术进展[J].金属矿山，2004(6)：46-48.

[3] 刘晓辉，吴爱祥，王洪江，等．膏体充填尾矿浓密规律初探[J].金属矿山，2009(9)：38-41.

[4] Tao D，Parekh B K，Rick H. Development and pilot-scale demomstration of deep coneTM paste thickening process for phosphatic clay disposal final report[J].Florida Institute of Phosphate Research，2008(2)：162-170.

[5] 刘斯忠.物料级配对膏体浓缩性能的影响机理研究[D].北京：北京科技大学，2014.

[6] 吴爱祥，焦华喆，王洪江，等.深锥浓密机搅拌刮泥耙扭矩力学模型[J].中南大学学报，2012，42(4)：1469-1474.

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[8] 冯新泸.科学研究中的实验设计方法-均匀设计[J].训练与科技，2004，25(2)：98-100.

[9] 郭东星.均匀设计方法及其应用[J].数理医药杂志，2005，18(1)：69-71.

[10] 王占楼．选矿厂“压耙”事故引起的思考[J].矿山机械，2007，35(10)：169-171.

2015-01-30)

金 鑫(1988—)，男，助理工程师，333000 江西省景德镇市市政府新大楼二楼东侧。