磁化水对膏体料浆管道输送摩阻损失影响试验研究
Experiment Research on Magnetized Water’s Effect on Friction Loss of Paste Slurry in Pipeline Transport
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收稿日期: 2017-06-18 修回日期: 2017-10-20 网络出版日期: 2019-01-11
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Received: 2017-06-18 Revised: 2017-10-20 Online: 2019-01-11
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蓝志鹏, 王新民, 张钦礼, 陈秋松.
LAN Zhipeng, WANG Xinmin, ZHANG Qinli, CHEN Qiusong.
1 试验原理
1.1 磁化水机理
图 1
1.2 L型斜管试验原理
图2为改进的 “L型斜管”试验装置。常规的L管只由垂直管道和水平管道组合而成,无法全面反映实际充填工作中管道铺设的复杂性。在实际的矿山充填过程中,不同位置的充填管道里料浆流动形态存在差异。改进型L管试验装置由垂直管道、水平管道和倾斜管道组合而成,相比较传统的L管试验装置,本次改进型试验装置增加了料浆一个流动维度,更接近实际充填管道的铺设情况。其中,改进型L管每段管长75 cm,全管L长300 cm,竖直段H总高度为128 cm,内管径为5 cm,材质为PVC圆管。
试验假设膏体料浆在管道中为均质流,图2中1-1为浆体液面,2-2为浆体断面。根据流体力学中的伯努利方程:
式中:P为料浆某断面处的压强;V为料浆流速;
式中:
图2
王新民[18]在金川膏体料浆流变特性试验中归纳出膏体料浆水力坡度i与管壁剪应力
式中:
在本试验装置中,膏体料浆水力坡度与管道输送水头损失的关系可表示为
式中:
国内研究学者通过大量试验研究,普遍认为膏体近似于宾汉塑性体,流变模型可简化为
式中:
进行
2 试验方案
2.1 试验材料
(1)全尾砂:选用某硫铁矿全粒级尾砂,粒径组成见图3。
图3
(2)胶结材料:选用32.5普通硅酸盐水泥。
表 1 全尾砂化学成分
Table 1
成分 | 质量分数 | 成分 | 质量分数 |
---|---|---|---|
Cu | 0.23 | Al2O3 | 2.06 |
Pb | 0.036 | CaO | 10.19 |
Zn | 0.064 | SiO2 | 14.28 |
S | 8.50 | MgO | 4.62 |
Fe | 32.86 |
表 2 试验材料主要物理性质
Table 2
物料名称 | 密度/(t·m-3) | 容重/(t·m-3) | 孔隙率/% |
---|---|---|---|
全尾砂 | 3.07 | 1.13 | 60.20 |
普通硅酸盐水泥 | 3.10 | 1.30 | 58.00 |
2.2 试验方法
表3 试验因素水平
Table 3
水平 | 因素 | ||
---|---|---|---|
A | B | C | |
1 | 0.5 | 5 | 150 |
2 | 1.5 | 15 | 250 |
3 | 2.5 | 25 | 350 |
因素A为循环水流量(L/s)、B为磁化时间(min)、C为磁感应强度(mT)
表4 正交设计试验方案
Table 4
组别 | A | B | C | 试验方案ABC |
---|---|---|---|---|
1 | 1 | 1 | 1 | |
2 | 1 | 2 | 2 | |
3 | 1 | 3 | 3 | |
4 | 2 | 1 | 2 | |
5 | 2 | 2 | 3 | |
6 | 2 | 3 | 1 | |
7 | 3 | 1 | 3 | |
8 | 3 | 2 | 1 | |
9 | 3 | 3 | 2 |
2.3 试验步骤
试验分为磁化水制备、膏体料浆制备和L管试验3个步骤,试验流程如图4所示。
图 4
(1)磁化水制备。磁化水循环管路由非磁性亚克力管组成,通过控制水泵得到不同循环水流量水平值,试验采用包头市鑫达磁性材料厂生产的可变永磁式磁水器,通过调节滑丝变阻器得到不同磁感应强度,磁化时间通过磁水器电源控制。
(2)膏体料浆制备。灰砂比为1∶8,将普通自来水和不同试验组的磁化水与全尾砂混合,快速活化搅拌10 min,制成质量浓度为72%的膏体料浆,包括1个空白组KB和9个正交试验组。
(3)L管试验。将不同试验组膏体料浆通过漏斗装进L管试验装置,记录料浆高度
式中:
3 试验结果及分析
3.1 试验结果
表 5 L型斜管试验数据
Table 5
组别 | 料浆密度(ρ)/(kg· | 料浆高度/m | 时间/s | 料浆质量/kg | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
KB | 1952 | 1.441 | 1.387 | 8.9 | 7.7 | 3.452 | 3.680 |
1 | 1952 | 1.346 | 1.375 | 6.1 | 5.6 | 4.286 | 4.376 |
2 | 1952 | 1.413 | 1.393 | 4.3 | 4.7 | 5.420 | 5.641 |
3 | 1952 | 1.329 | 1.315 | 6.8 | 7.4 | 5.190 | 5.372 |
4 | 1952 | 1.364 | 1.362 | 4.2 | 3.8 | 6.525 | 5.874 |
5 | 1952 | 1.253 | 1.337 | 3.2 | 2.7 | 9.981 | 10.020 |
6 | 1952 | 1.238 | 1.241 | 2.8 | 3.5 | 7.550 | 9.510 |
7 | 1952 | 1.385 | 1.389 | 4.9 | 5.2 | 5.890 | 6.320 |
8 | 1952 | 1.350 | 1.353 | 3.5 | 4.2 | 7.020 | 8.490 |
9 | 1952 | 1.249 | 1.256 | 5.1 | 4.4 | 8.630 | 7.630 |
表 6 不同试验组膏体料浆流变参数
Table 6
组别 | 循环水流量(Q)/(L·s-1) | 磁化时间(T)/min | 磁感应强度(B)/mT | 流速( (m·s-1) | 流速( (m·s-1) | 屈服应力 | 塑性黏度 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
KB | - | - | - | 0.125 | 0.101 | 62.776 | 0.061 |
1 | 0.5 | 5 | 150 | 0.204 | 0.183 | 57.351 | 0.048 |
2 | 0.5 | 15 | 250 | 0.313 | 0.329 | 54.370 | 0.041 |
3 | 0.5 | 25 | 350 | 0.190 | 0.199 | 51.262 | 0.047 |
4 | 1.5 | 5 | 250 | 0.404 | 0.406 | 55.931 | 0.052 |
5 | 1.5 | 15 | 350 | 0.969 | 0.814 | 52.530 | 0.035 |
6 | 1.5 | 25 | 150 | 0.709 | 0.704 | 54.644 | 0.048 |
7 | 2.5 | 5 | 350 | 0.317 | 0.314 | 52.552 | 0.041 |
8 | 2.5 | 15 | 150 | 0.528 | 0.524 | 59.473 | 0.058 |
9 | 2.5 | 25 | 250 | 0.453 | 0.442 | 53.831 | 0.039 |
3.2 试验因子显著性分析
假设
表 7 影响因子极差分析结果
Table 7
指标 | 特征项 | 水平值 | A | B | C |
---|---|---|---|---|---|
屈服应力( | 均值 | 1 | 54.33 | 55.28 | 57.16 |
2 | 54.37 | 55.46 | 54.71 | ||
3 | 55.29 | 53.25 | 52.11 | ||
极差 | R | 0.96 | 2.21 | 5.04 | |
塑性黏度( | 均值 | 1 | 0.045 | 0.047 | 0.051 |
2 | 0.045 | 0.045 | 0.044 | ||
3 | 0.046 | 0.045 | 0.041 | ||
极差 | R | 0.001 | 0.002 | 0.010 |
基于屈服应力指标和塑性黏度指标,3个影响因子的极差排序均为:
3.3 试验因子组合优选及验证
图5
结合5, 6和表6数据,与空白组相比,磁化水能显著降低料浆的屈服应力和塑性黏度。当磁感应强度B=0.15~0.35 T,磁化时间T=15~25 min,循环水流量Q=0.5~1.5 L/s时,与空白组相比,膏体料浆屈服应力降低8%~17%,塑性黏度降低15%~32%;当磁感应强度磁化时间T
图 6
图 6
试验因子对料浆塑性黏度的影响
Fig.6
Effect of test factors on plastic viscosity of slurry
按
3.4 试验机理分析
根据电磁理论,拥有导电性的水缓慢稳定地通过磁场时做切割磁感线运动,产生电动势的同时被磁化[26],在弱磁感应强度较弱和短磁化时间条件下,水分子在磁场中吸收的能量不足以使氢键解列重新排布得到理想的磁化效果,膏体料浆形成稳定的网状絮团结构,屈服应力和塑性黏度较高。随着磁感应强度提高和磁化时间延长,磁化水—膏体料浆中的絮团网状结构开始松散分离,宏观表现为膏体料浆的剪切屈服应力和塑性黏度下降。当增大循环流量即提高单位面积管径内的水流速度时,水的宏观机械运动和微观热运动剧烈,破坏已处于新平衡态的氢键排列从而使水的黏度和表面张力增大。试验结果说明,磁感应强度、磁化时间和水循环流量组合对膏体料浆流变特性的优化存在最优合理区间,根据本试验,最佳磁感应强度B=200~300 mT,最佳磁化时间T=15~25 min,最佳循环流量Q=0.5~1.5 L/s。
4 结论
(1)通过改进的L型斜管试验装置进行膏体料浆流变室内试验,发现磁化水改善料浆流变性能效果显著。当磁感应强度B=0.2~0.3 T,磁化时间T=15~25 min,循环水流量Q=0.5~1.5 L/s时,与空白组相比,膏体料浆屈服应力降低8%~17%,塑性黏度降低15%~32%。
(2)借助正交试验对膏体料浆磁化条件进行优选,确定试验因子的显著性排列为:磁感应强度
(3)磁化水对降低含硫全尾砂膏体管道输送摩阻损失有显著效果,可在此基础上开发基于磁化水的矿山全尾砂膏体充填新技术,为国内外其他矿山的充填生产工作提供参考。
(4)由于试验材料和试验场所限制,本试验只是宏观探索了磁化水—膏体料浆的流变特性,对磁化水降低料浆屈服应力和塑性黏度的微观机理未进行细致研究,下一步可借助材料科学现代微观分析技术,完善试验研究。
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