尾矿膏体试验室制备及流变特性研究

张志明 谢坪全 李云鹏 李小洛 周 亮3

（1.云南科力环保股份公司；2.会理鹏晨废渣利用有限公司）

膏体尾矿技术始于20世纪70年代，作为一种逐步成熟的技术替代传统的尾矿库处理，以期为矿山高效安全生产提供技术保障。膏体是一种由尾矿浆脱水浓缩、深锥再浓缩，含有一定数量的凝聚物质，或由尾矿浆与天然细砂混拌而成，在管内呈柱状流动，不离析、不沉淀，具有一定的凝聚性和流动性，形似牙膏的浆体，其浓度接近或大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度。本文根据试验将尾矿浆制备成浓度稳定的膏体，分析形成膏体后的流变特性及参数，为矿山采用该技术及合理的膏体浓密机设计、选型提供技术支持。

1 尾矿膏体的制备

1.1 原材料

试样采用四川鹏晨废渣利用有限公司铜转炉渣二次开发与利用的尾矿浆，尾矿含铁较高，外观为黑色或黑灰色，具有玻璃光泽，性脆，坚硬，结构致密，密度为3.75 g/cm3。试样矿物组成中铜矿物主要为硫化铜和单质铜，其次为氧化亚铜；铁矿物主要为铁硅酸盐，其次为磁铁矿；炉渣的黏结相为玻璃质。尾矿浆粒级分析结果见表1。

1.2 试验仪器

试验仪器为坍落度筒、电子秒表（精度0.1 s）、电子秤（精度1 g）、量筒（2 L）、吸管、深锥斗。

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2 膏体制备

膏体制备流程见图1，锥斗结构见图2。

将浓度18%的尾矿浆分别倒入量筒，静态沉降20 min，抽出大部分上清液，形成高浓度矿浆。由于尾矿粒级相对均匀，矿浆中固体颗粒间的凝聚性差，不能形成膏体，必须添加絮凝剂增加颗粒间的凝聚性。通过高浓度矿浆静态沉降试验对比沉降速度和絮团大小对6种絮凝剂进行优选，优选絮凝剂为PUCD型改性阴离子，分子量为2 600万。在高浓度矿浆中分别加入优选絮凝剂6，14，20，30，40 mL，慢速搅拌（30 r/min）3 min，倒入深锥再浓缩（锥度70°）。为了提高膏体流动性，根据试验选择慢速搅动锥斗（2 r/min），沉降15 min排出，此时矿浆已形成膏体，将形成膏体的尾矿按一定方法装入坍落度筒内，待装满后进行插捣，刮平；然后垂直平稳地向上提起坍落度筒，测量筒高与坍落后膏体试体最高点之间的高度差额，即为该膏体的坍落度值。45 mL絮凝剂掺量对坍落度的影响关系见图3，锥斗搅拌速度对坍落度的影响关系见图4。

3 膏体的物理形态分析

试验表明，膏体的稳定主要取决于膏体中絮团含水量的变化，膏体中絮团含水分为絮团内水、絮团间隙水、结晶水和颗粒表面吸附水，而结晶水颗粒表面吸附水相对稳定，膏体絮团内水和间隙水是造成膏体质量高低的根本原因［1-5］。膏体絮团形状有不规则性，多以饼状为主，絮团层堆积间隙充满水形成外水，在未加搅动时，随着絮团堆积重力不断对其压缩，絮团尺寸、含水量从下而上逐步升高呈线型分布，通过慢速搅拌，随着重力和搅拌剪切力等外力的耦合作用，絮团结构纷纷破碎，形成更小、更致密的小絮团，原来大絮团内水和絮团间隙水得到释放，随着时间的增加，絮团水的排放更加彻底而含水量高于未搅动的絮团，呈现稳定状态，逐步形成具有一定流动性的膏体。

试验发现，当絮团沉降到底部会形成一定高度的压缩层，由于絮团结构强度的较低，在重力和搅拌剪切力的共同作用下，相对稳定的絮团发生破裂，形成小絮团，其密度、强度物理性质出现变化，对膏体的形成产生较大影响。通过试验对不同重力、剪切力等外力影响下的絮团结构、强度、絮团之间的接触状况进行分析，得出絮团结构在受重力压缩和受搅拌剪切力等作用下的变化。由于絮团结构不断发生破碎、重组，导致絮团整体尺寸逐渐减小，其强度、密度逐步增加，直至絮团尺寸不再发生变化，当絮团强度和所施加的外力相当时，絮团结构和物理性质再次达到相对平衡，随着絮团之间接触状态的同步变化，直接影响膏体的质量。通过对膏体絮团研究及多次取样分析得出，在重力、剪切力的作用下，絮团结构发生破裂，释放出多余的絮团内水、间隙水，通过絮团间隙细长通道向上排出，进而制备出稳定高质量的膏体。膏体的形成是一个高度动态的过程，膏体絮团间隙的水压力最终以上部重力达成平衡，达到一个稳定的状态，在到达平衡之前，不断变化的间隙结构将影响间隙内水流动，进而影响絮团的排水效率和膏体的形成。研究发现，絮团中的多余水通过间隙通道向上排出的过程中，重力从上至下逐步递增，絮团间隙不断缩小，间隙体积不断降低，因此随着絮团高度的增加，絮团浓度增加，在外力作用下的间隙结构的物理性质变化较为明显，絮团间隙尺寸变化较大。因此，合理的转速影响新的絮团间隙通道的结构形成，导致絮团堆积层渗透系数在垂直方向上出现较大的差异性，具有较高非均质性的多孔介质属性，絮团水在间隙通道向上排出的过程中，伴随着通道结构的变化，形成新的孔隙通道，使絮团水得到释放，进一步提高膏体质量。

4 膏体流变特性分析

试验中，固体颗粒逐步形成大絮团，在慢速搅拌的作用下，絮团之间在沉降期流体剪切力、压缩区絮团的承压力、搅动的剪切力等物理量的作用下相互碰撞、挤压、摩擦，打破了絮团中水的平衡［6-9］，通过絮团之间的间隙释放出多余的水分，继而提高了底流浓度，大絮团变为小絮团，有效孔隙度增加，当浓相层所承受的压力大于临界值时，絮团中的水分便被挤压出来，形成较高浓度并具有一定的凝聚性和流动性的膏体。

膏体的形成是时间及沉降层高度的函数，即锥斗高度越高、沉降层越高，压缩时间越长则膏体的形成机率越大。采用四川会理铜渣回收公司浮选铜转炉渣二次开发利用的尾矿浆进行试验，得出压缩区浓度值约为78%，由于浓度的增加，颗粒与颗粒之间形成相对密实的网状絮凝结构，浆体中的固体颗粒在絮凝剂的作用下紧紧地包裹在一起，不能自由沉降、离析，这就形成了膏体的宏观行为。

如果膏体含水量过低，浓度过高，加之具有凝聚性，流动性差，必须加以一定的速度搅动，增加膏体的含水量，适当降低膏体浓度，提高其流动性，便于排放。由图3可见，在矿浆粒度相对均匀的情况下，随着絮凝剂用量的增加，其坍落度不升返降，表明膏体坍落度主要反映了其黏度的大小及絮凝效果。根据坍落度试验测出膏体坍落度作为膏体流动性指标，坍落度越大表示流动性越好，坍落度越小表示流动性越差。膏体是一种由固体颗粒凝聚的组成体，在自身重力和搅拌力的作用下，膏体基本保持相对固定的形状，流动形态属非牛顿流体，具有一定的粘性、塑性，是一种宾汉姆体（Bingham），其流变特征表现为

式中，τ为膏体的实际剪应力；τ0为屈服剪应力；η为膏体的塑性粘度；dv/dt为膏体的剪切变形速率。

由上式可知，决定膏体流变特性的主要参数是屈服剪应力τ0和塑性黏度η。其中，τ0是由膏体中颗粒间的附着力和摩擦力作用引起的，是阻止塑性变形的最大应力；η是因膏体的凝聚具有一定形状的一种性能；由图5可知，η随剪应力或速度梯度而变化，dv/dt增加，η降低，这时膏体的结合体开始破坏，表现出较好的流动性；当dv/dt增大到某一值时，达到τ0值，η下降到最小值ηm，此时膏体结合体完全破坏，流动性达到最佳；此后η不再随dv/dt或τ的变化而变化。因此，膏体的搅拌过程就是搅拌机构连续不断克服混合料屈服应力和塑性粘度值的过程，使膏体具有一定的流动性；由于膏体各组分相表面间存在凝聚力，使得膏体慢速搅拌而完全拌匀变得特别困难，搅拌速度越慢，需要的时间越长，且搅拌器受力大，能耗高。

由此可见，在尾矿粒度相对均匀的情况下，将优化的絮凝剂用量、膏体的塌落度、排放量、锥斗高度和搅拌速度合理地结合在一起，防止排放口搭桥，保证膏体的流动性，是决定膏体稳定排放、不堵塞的关键因素。

5 结论

（1）通过尾矿膏体制备试验得出，当絮凝剂种类及添加量和凝聚时间一定时，给料浓度是影响塌落度的主要因素；给料浓度越大，最终得到的塌落度越小，反之亦然，揭示了在重力、剪切力等作用下形成膏体的演化规律。

（2）由膏体流变特性可知，在一定范围内，凝聚性随膏体浓度梯度、絮凝剂用量增加而增大。由于絮团以单元体形式整体运动于一定高度的固、液两相中，在絮团重量挤压、碰撞和剪切力作用下破坏这些单元体的结构，絮团由大变小，促进絮团内最大限度地挤出多余水分进行重新组合，进一步提高了尾矿浆固、液两相中的浓度，形成膏体。

（3）由于原料细颗粒（-0.074 mm）过多，且相对均匀，细颗粒过多引起黏度η的增大，但细颗粒对屈服应力τ0的影响较小，相对减弱了起润滑作用细颗粒的厚度，细颗粒对膏体的流动性减小，因此加以慢速搅拌，增加膏体的含水量，可提高其流动性。