微細(xì)鐵尾礦的流變特性和輸送阻力研究

陳洪彬，英培壯，呂憲俊

（1.鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司齊大山選礦廠，遼寧 鞍山 114043；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114043；3.山東科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590）

尾礦已成為現(xiàn)階段國民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中最主要的工業(yè)固體廢物，其大量排放會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和安全問題[1，2]。另一方面，由于地下開采形成的地面沉降區(qū)，不僅使大量土地廢棄，而且還存在巨大的潛在安全和生態(tài)破壞[3]。因此，合理利用尾礦就成為急需解決的問題。通過合理利用，既可以消除濕尾礦貯存的安全性問題和環(huán)境污染，又可以避免新建尾礦庫，具有很高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

由于尾礦粒徑普遍較小，特別是對(duì)部分含有大量粘土礦物的微細(xì)粒尾礦，存在脫水困難、阻力大等問題[4]。因此，細(xì)粒尾礦的高效脫水和低成本，大規(guī)模安全處置已成為尾礦處理領(lǐng)域的重要研究課題[5]。在尾礦綜合利用技術(shù)中，尾礦表層堆存和井下充填是主要的方式之一。無論是地下填充還是地面堆存，都需要通過管道進(jìn)行運(yùn)輸。因此，本文針對(duì)細(xì)粒尾礦濃縮后形成的膏體尾礦開展了流變特性研究，計(jì)算了尾礦漿管道的輸送阻力，并在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法。

1 材料和方法

1.1 尾礦特性

采用比重瓶法測(cè)定尾礦密度為3.21g/cm3。X射線衍射分析表明，尾礦中主要金屬礦物為赤鐵礦和菱鐵礦，主要礦物為石英，高嶺石和方解石。采用激光粒度分析測(cè)定了尾礦樣品粒度組成，結(jié)果見表1。

表1 尾礦粒度組成

從粒度分析結(jié)果可知，尾礦樣品以-38μm超細(xì)顆粒為主，d90約為20μm、d50約為6μm，-2μm含量為25.58%。

1.2 尾礦流變特性分析

尾礦料漿的塌落度和擴(kuò)展度參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GBJ80-85）測(cè)定方法進(jìn)行。漿料的剪切速率和剪切應(yīng)力由流變儀進(jìn)行測(cè)定，并通過對(duì)曲線線性部分進(jìn)行擬合得到尾礦的塑性粘度和屈服應(yīng)力，計(jì)算公式如下。

其中，τ：某一時(shí)刻的剪應(yīng)力Pa；γ：某一時(shí)刻的剪切速率，s-1；τ0：屈服應(yīng)力，Pa；η0：塑性粘度，Pa·s。

2 結(jié)果與討論

2.1 料漿塌落度和擴(kuò)展度

為了考查不同濃度尾礦漿的流動(dòng)性差異，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不同濃度尾礦料漿塌落度和擴(kuò)展度的測(cè)定，結(jié)果見圖1。

圖1 尾礦料漿塌落度和擴(kuò)展度測(cè)定結(jié)果

由圖1可以看出，尾礦濃度對(duì)料漿塌落度和擴(kuò)展度影響顯著，隨尾礦濃度的增加，塌落度和擴(kuò)展度呈逐漸減小的趨勢(shì)。從塌落度的變化來看，當(dāng)尾礦濃度由48%增加至55.7%時(shí)，隨著濃度增加塌落度降低較為緩慢；當(dāng)尾礦濃度大于55.7%時(shí)，隨著濃度的增加塌落度急劇減小。同樣的，從擴(kuò)展度的變化來看，當(dāng)濃度小于55.7%時(shí)，隨著尾礦濃度的增加，擴(kuò)展度下降比較明顯；當(dāng)濃度超過55.7%時(shí)，擴(kuò)展度的下降逐漸趨緩。通過對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析認(rèn)為，純尾礦料漿塌落度及擴(kuò)展度的突變臨界濃度在55.7%左右。

2.2 料漿粘度和屈服應(yīng)力

漿料的流變性也可以由屈服應(yīng)力和粘度表征。本研究通過流變儀測(cè)定了不同濃度純尾礦漿的屈服應(yīng)力和粘度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同濃度尾礦料漿的屈服應(yīng)力及粘度曲線

通過圖2可以看出，對(duì)于尾礦料漿，在40%～55.7%濃度范圍內(nèi)，隨著濃度提高，粘度及屈服應(yīng)力上升緩慢，當(dāng)濃度高于55.7%后，粘度及屈服應(yīng)力出現(xiàn)明顯上升，濃度高于57.5%后則出現(xiàn)急劇上升。說明料漿性質(zhì)突變點(diǎn)在55.7%附近，因此適宜的輸送濃度應(yīng)為56%左右，最高不應(yīng)該高于57.5%。

2.3 膏體尾礦輸送阻力的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)校正

2.3.1 管道布置和參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)過程，選擇了輸送泵與尾礦排出口之間的一段管道進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)中，將壓力變送器布置在管道中，以測(cè)量沿路徑的阻力。輸送泵與尾礦排出口之間的高度差為-4.5m，管道的總長度為111.7m。

垂直壓差。垂直管道壓差按下式計(jì)算：

其中：PH——垂直管道壓差，Pa；

ρ——礦漿密度，kg/m3；

g ——重力加速度，9.81kg/s2；

H——垂直高度，m。

由于添加不同比例膠固粉的兩種混合料漿的密度和濃度相差很小，并且根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出兩種混合料漿的流變學(xué)特性比較接近，因此后續(xù)計(jì)算過程采用灰砂比=1：10比例下的混合料漿進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2 沿程阻力的計(jì)算和校正

前述研究表明，尾礦料漿在一定范圍內(nèi)可近似地視為賓漢黏塑性體，其管道輸送的流變方程可用Bingham方程描述。料漿管道輸送的流體阻力損失計(jì)算公式為：

式中：hf—輸送阻力Pa。

i—單位長度管道沿程阻力損失，Pa/m；

τ0—料漿屈服應(yīng)力，Pa；

v—料漿流速，m/s；

μ—料漿黏度，Pa·s；

D—管徑，m；

L—管道長度，m。

從公式（3）可以看出，膏體料漿的流體阻力損失取決于料漿本身的性質(zhì)（料漿屈服應(yīng)力τ0、料漿黏度μ）、料漿流速和管道的直徑。在相同輸送管徑和速度下，料漿的屈服應(yīng)力和粘度越大，料漿的阻力損失就越大。和方程（2）、（3），可以計(jì)算出不同管徑下的垂直壓差和輸送阻力，結(jié)果見表2。

表2 不同濃度的料漿對(duì)應(yīng)的輸送阻力

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，水平輸送阻力的理論計(jì)算值大于實(shí)際測(cè)定值，分析原因認(rèn)為是由于本實(shí)驗(yàn)中尾礦為細(xì)粒級(jí)尾礦，當(dāng)尾礦濃縮后呈典型膏體狀，不析水、不偏析，Bingham方程對(duì)該類尾礦膏體的計(jì)算誤差較大。表2的最后一欄是通過理論計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值計(jì)算出的校正系數(shù)。可以看出，盡管在不同濃度和流速下的校正系數(shù)并不完全一致（波動(dòng)范圍為1.52～1.89），但它們主要集中在1.6～1.7之間。平均校正系數(shù)為1.63。因此，在實(shí)際計(jì)算中，可以使用平均校正系數(shù)（α=1.63）對(duì)理論計(jì)算值進(jìn)行校正。

根據(jù)以上分析，可以通過以下公式計(jì)算漿液的總輸送阻力：

式中：h—料漿輸送阻力Pa；

α—計(jì)算折算系數(shù)。

3 結(jié)論

通過某微細(xì)鐵尾礦流變特性和管道輸送阻力的研究，并對(duì)Bingham方程進(jìn)行了修正。研究發(fā)現(xiàn)，該微細(xì)鐵尾礦料漿的臨界濃度和適宜的輸送濃度分別為55.7%和56%。修正的Bingham方程能夠用于現(xiàn)場(chǎng)料漿輸送阻力的計(jì)算，管道阻力的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的比值為1.63。