某铁矿全尾砂膏体充填料浆流变特性试验研究

2020-07-20谢盛青段文权吴世剑

中国矿山工程 2020年3期

谢盛青，段文权，吴世剑

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 10038)

1 前言

通常全尾砂胶结充填料浆属于高黏塑性非牛顿流体。搅拌容器中的搅拌效果及管道输送过程中的料浆流态的稳定程度、沿程阻力大小等，主要取决于料浆在外加剪切作用下的流动特性，也就是流变性[1-2]。

全尾砂充填料浆的流变特性由屈服应力和黏度系数描述，是衡量其输送性能的重要指标。其中屈服应力由浆体中的细颗粒产生，由于细颗粒在浆体中与周围物料进行物化作用形成絮团，絮团间相互搭接形成絮网，这种网状结构具有一定的抗剪能力，即具有一定的屈服应力，只有施加不小于屈服应力的外力作用，浆体才会流动。料浆流体作相对运动时，必然在内部产生剪力以抵抗料浆的相对运动，料浆流体的这一特性，称为黏度系数，黏度系数值越大，表明流体抵抗剪切变形的能力就越大[3-4]。

水力坡度则表示为流体克服黏阻力而损失的能量，流程越长，所损失的能量越多，是判断料浆输送性能的重要依据。全尾砂流变参数和水力坡度是影响充填料浆输送性能的两个重要因素[5]。

2 全尾砂充填料浆流变特性试验

2.1 试验原理

固体颗粒与水混合呈悬浮状态的浆体后，其黏度大于清水的黏度，浓度越高，黏度越大，细颗粒含量多时，易形成絮网结构，足以抵抗一定的外力，浓度越高，抵抗的外力越大，因此浆体黏性的特性完全不同于清水黏性的特性[6]。浆体在剪切力作用下其切应力τ与切变率du/dy的关系称之为流型，流型有两类：一类是牛顿体，另一类是非牛顿体，非牛顿体又分为与时间无关的浆体和与时间有关的浆体。工业上常见的浆体是与时间无关的浆体，这种浆体在层流时，其切变率是切应力的函数：

(1)

式中：τ——切应力；

不同的切应力和切变率的关系，即有不同的流型和不同的特征。特征值即谓流变参数。如图1所示为不同流型曲线图。

图1 切应力τ与切应变du/dy关系

1)牛顿体

(2)

式中：μ0——液体的动力黏度，Pa·s；

τ——剪切应力，Pa。

如图1曲线1所示，通过原点的直线。

2)宾汉伪塑性体(简称宾汉体)

(3)

式中：τB——屈服应力(或称初始切应力)，Pa；

η——刚度系数，与μ0相同量纲，Pa·s。

如图1曲线2所示，开始为曲线，然后是直线，并在τ轴上有截距。

3)膨胀体

(4)

式中：K——稠度系数，与η相同量纲；

n——流动指数，n>1。

如图1曲线3所示，通过原点上翘形曲线。

4)伪塑性体

流变关系式仍为公式4，只是n<1，如图1中曲线4所示，通过原点的下跌形曲线。

5)屈服伪塑性体

(5)

如图1曲线5所示，为一条在τ轴上有截距的下跌形曲线，流动指数n<1。

6)屈服膨胀体

流变关系式仍为5，只是n>1，如图1中曲线6所示，为一条在τ轴上有截距的上翘形曲线。

应该指出，除以上六种典型流型之外，还有其他流型。在浆体管道输送中常用的是牛顿体流型和宾汉体流型，而且牛顿体流型是宾汉体的特例，即τ0=0，K=η，n=1。根据上述对应流型数据分别计算推导出料浆不同的流量在不同的管径输送时的水力坡度，其单位长度沿程阻力公式为

(6)

式中：im——单位长度沿程阻力，Pa/m；

D——直管内径，m；

μB——宾汉姆黏度，具有黏度量纲的常数，Pa·s；

v——平均流速，m/s。

2.2 试验设备及试验步骤

全尾砂膏体充填料浆是一种复杂的浓悬浮体系，从流动和形变方面来讲，这种物质既非虎克固体又非牛顿流体，在外力作用下，呈现奇特而又复杂的形变和流动特征。采用合适的测试方法量测流变参数，建立流变模型，寻找适合全尾砂管道输送的设计和计算方法。

本试验采用的主要试验仪器为RST-SST型软固体流变仪，测量流变参数方法简单易行，对塑性材料的测量结果干扰小，数据可靠。该仪器同时具有控制剪切速率和剪切应力两种模式，适用于膏状物、浆体和含颗粒物质的测量，能够提供物料的黏弹性数据，如屈服应力、剪切模量、蠕变回复等。RST-SST流变仪拥有多步骤测试程序功能、测量系统自动识别功能、界面良好的图形显示LED触摸屏、用户自定义数据安全管理功能、转子快速连接功能等。应用配套的Rheo3000软件进行自动测试，自动数据采集、保存和分析，可实现对物料从初始屈服应力到流动、松弛、蠕变和回复的完整流变学行为评估。

流变试验步骤如下：

(1)胶凝材料选用矿山提供的胶固粉，计算料浆中全尾砂、水泥和水用量。

(2)准备干尾砂、胶固粉和水，并计量，采用强力搅拌机机械搅拌大致5min。

(3)打开电脑中的Rheo 3000 v2.0软件，并与R/S+SST流变仪连接。

(4)设置流变参数，用100mL烧杯盛装适量料浆并固定到流变仪底座合适位置，放下十字叶桨，试验开始。Reho3000软件自动保存数据，操作该软件即可自动生成图像，数据通过内置公式进行回归并以PDF形式输出。

(5)为减少试验误差，每个组方进行三组试验，试验结束后选取稳定R2最接近1，标准偏差最小的数据进行数据处理和分析。

整个试验过程剪切速率由0逐渐增长至设定速率，计算机每一秒测量一次料浆剪切应力参数。试验结果根据Reho3000通过内置Bingham模型进行回归并以PDF形式输出。

2.3 流变试验结果分析

对不同浓度(68%、70%、72%、74%、76%)、不同灰砂比(全尾砂、1∶20、1∶12、1∶10、1∶6)的全尾砂充填料浆的流变特性进行测试，结果见表1所示。

表1 料浆流变参数汇总

图2 黏度- 剪切率流变曲线图

图3 黏度- 剪切率流变曲线

图2所示为非胶结68%黏度- 剪切率流变曲线图，从图2可见剪切率由0开始，颗粒之间无作用力并且没有沉降的非布朗颗粒悬浮液中，在低剪切速率下，出现牛顿流体现象，随着剪切速率的增大，体系出现连续性增稠现象，即CST。而其他浓度和配比多出现图3现象。图3所示为大部分充填料浆的黏度- 剪切率流变曲线图，随着剪切速率由零开始增大，料浆的三维絮网结构遭到破坏，表观粘度迅速减少，即表现出“剪切变稀”现象[7]。

拟合曲线为一条在τ轴上有截距整体呈直线，以Bingham流体来拟合料浆的流变曲线的效果较好，通过筛除异常点，拟合稳定指数0.9以上。图4所示为灰砂比1∶20、浓度为72%的充填料浆的Bingham拟合曲线图。