磁化水对膏体料浆管道输送摩阻损失影响试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.811

磁化水对膏体料浆管道输送摩阻损失影响试验研究

蓝志鹏^,, 王新民^,^*, 张钦礼, 陈秋松

1. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

Experiment Research on Magnetized Water’s Effect on Friction Loss of Paste Slurry in Pipeline Transport

LAN Zhipeng^,, WANG Xinmin^,^*, ZHANG Qinli, CHEN Qiusong

1. School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

通讯作者: 王新民（1957-），男，安徽安庆人，教授，博士生导师，从事充填理论与技术研究工作。wxm1958@126.com

收稿日期: 2017-06-18 修回日期: 2017-10-20 网络出版日期: 2019-01-11

基金资助:

中央高校基本科研业务费专项资金项目“基于不均衡级配多骨料组合安全高效充填技术研究”（编号：2017zzts582）资助

Received: 2017-06-18 Revised: 2017-10-20 Online: 2019-01-11

作者简介 About authors

蓝志鹏（1992-），男，福建漳州人，硕士研究生，从事采矿与充填技术研究工作 , E-mail：lly2011ustb@126.com

摘要

为了探究磁化水对膏体料浆管道输送流变性能的影响，基于自制的L型斜管试验装置，运用正交试验设计法进行了不同磁化条件下膏体料浆自流输送室内物理模拟试验，对试验结果进行优化组合筛选。结果表明：在适宜的磁化条件下，磁化水能够有效改善膏体料浆流变性能，降低料浆屈服应力和塑性黏度，提高膏体料浆管道输送可靠性。与空白组对比，当磁感应强度B=200~300 mT，磁化时间T=15~25 min，水循环流量为0.5~1.5 L/s时，膏体料浆摩阻损失最小，屈服应力降低8%~20%，塑性黏度降低12%~35%。

关键词： 磁化水 ; 膏体料浆 ; 摩阻损失 ; 屈服应力 ; 塑性黏度 ; L型斜管 ; 磁化条件 ; 正交试验

Abstract

To explore the influence of magnetized water on rheological properties of paste slurry pipeline conveying，an indoor experiment was carried out.On the basis of self-made L-inclined tube test device，the physical simulation test of gravity flow of paste slurry under different magnetizing conditions was carried out by orthogonal experimental design.The experimental results were optimized and screened in the end.The results show that the rheological properties of paste slurry can be effectively improved by magnetized water.Besides，magnetized water can reduce yield stress and plastic viscosity of slurry with suitable magnetization conditions，which can improve the reliability of slurry pipeline transportation at the same time.Furthermore，contrasting with blank group，when the magnetic induction being 200～300 mT，magnetized time being 15～25 min and cycling rate being 0.5～1.5 L/s,the friction loss of paste slurry is the smallest,the yield stress and plastic viscosity are reduced by 8%~20% and 12%~35% respectively.

Keywords： magnetized water ; paste slurry ; friction loss ; yield stress ; plastic viscosity ; L-inclined tube ; magnetization condition ; orthogonal test

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本文引用格式

蓝志鹏, 王新民, 张钦礼, 陈秋松. 磁化水对膏体料浆管道输送摩阻损失影响试验研究[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(6): 811-818 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.811

LAN Zhipeng, WANG Xinmin, ZHANG Qinli, CHEN Qiusong. Experiment Research on Magnetized Water’s Effect on Friction Loss of Paste Slurry in Pipeline Transport[J]. Gold Science and Technology, 2018, 26(6): 811-818 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.811

随着绿色矿山理念的推广和深部开采带来的地压问题日益突出，全尾砂充填采矿法的应用更加广泛^[1,2]。膏体管道充填技术由于其良好的可靠性和稳定性成为近年来充填技术研究的主要方向^[3,4]。张钦礼等^[5]以膏体料浆恒定剪切流变试验为例，发现添加APAM对流变参数的影响与料浆剪切速率相关。吴爱祥等^[[6]]研究发现泵送剂能改善膏体料浆流动性。王洪江等^[7]从级配角度研究出发对膏体进行了规范化定义。但是这些研究仅限于对物料级配和外加剂进行膏体料浆流变参数研究，未全面考虑膏体料浆在管道输送过程中的复杂情况^[8,9]。

磁化水是近年迅速发展起来并得到应用的新技术^[10]，在城市污水净化、农业育苗和工业锅炉除垢等方面应用广泛。此外，相关学者开始将磁化水引入矿业工程领域。王新民等^[11]基于磁化水的特性研究了含硫高黏性尾砂充填新技术；霍广新等^[12]研究发现磁化水能够显著提高胶结料浆充填体抗压强度；陈秋松等^[13]通过室内试验研究发现磁化水能提高全尾砂絮凝沉降效果。前人的相关研究为探索磁化水对膏体料浆流变参数的影响提供了参考。本文对L型管试验装置进行改进，将磁化水引入L型斜管膏体料浆管道自流输送室内试验研究中，通过设计正交优化试验，从多角度探究不同磁化条件下膏体料浆的流变特性。

1 试验原理

1.1 磁化水机理

图1为磁化水制备系统。根据结构化学中关于氢键的理论，常温下液态水内部水分子以氢键相连接，氢键可以不断地断裂和形成。当水处在磁场中时由于电子受磁场作用扰动重新阵列，使部分氢键断裂，进而导致水分子间作用力减弱^[14]。磁化后的水在物化性质方面会出现一系列的变化，主要表现为水的黏度和表面张力降低，pH值和电导率提高等^[15]。通过控制循环水流量，调节不同的磁感应强度和磁化时间，可得到不同磁化程度的磁化水^[16]。

图 1

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图 1 磁化水制备系统

Fig.1 Magnetized water preparation system

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：

P_{1} + \frac{1}{2} ρ ν_{1}^{2} + ρ g h_{1} = p_{2} + \frac{1}{2} ρ v_{2}^{2} + ρ g h_{2}

（1）

式中：P为料浆某断面处的压强；V为料浆流速； $ρ$ 为料浆密度；h为料浆高度。由于膏体浆体在管道中的流动并非理想流体，考虑流动阻力影响可得：

\frac{\nabla H}{λ} = h_{w} + \frac{v^{2}}{2 g}

（2）

式中： $\nabla H$ 为浆体液面高度差（m）； $v$ 为浆体断面流速； $h_{w}$ 为浆体管道输送水头损失（m）； $λ$ 为阻力损失系数，取1.10^[17]；g为重力加速度，取9.80 $m / s^{2}$ 。

图2

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图2 L型斜管试验装置

Fig.2 L-inclined tube test device

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 $τ$ 的关系：

τ = \frac{D i}{4}

（3）

式中: $D$ 为管道内径。

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

i = \frac{h_{w} ρ g}{L}

（4）

式中: $L$ 为管道长度。

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

τ = \frac{4}{3} τ_{o} + \frac{8 v}{D} η

（5）

式中： $τ_{o}$ 为膏体屈服应力； $η$ 为膏体塑性黏度。联立式（2）～（5）可得

\frac{D ρ (2 g \nabla H - λ v^{2})}{8 L λ} = \frac{4}{3} τ_{o} + \frac{8 v}{D} η

（6）

进行 $\nabla H_{1}$ 和 $\nabla H_{2}$ 不同浆体液面高度条件的L管试验，得到浆体断面流速 $v_{1}$ 和 $v_{2}$ ，代入式（6）中可联立解二元一次方程组，得到对应条件下的膏体料浆屈服应力 $τ_{o}$ 和塑性黏度 $η$ 。

\{\begin{array}{l} \frac{D ρ (2 g \nabla H_{1} - λ {v_{1}}^{2})}{8 L λ} = \frac{4}{3} τ_{o} + \frac{8 v_{1}}{D} η \\ \frac{D ρ (2 g \nabla H_{2} - λ {v_{2}}^{2})}{8 L λ} = \frac{4}{3} τ_{o} + \frac{8 v_{2}}{D} η \end{array}

（7）

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

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图3 全尾砂粒径累计分布曲线

Fig.3 Particle size distribution curve of total tailings

(2)胶结材料：选用32.5普通硅酸盐水泥。

(3)水：实验室自来水。相关材料的化学成分和物理性质如表1和表2所示。

表 1 全尾砂化学成分

Table 1 Chemical composition of tailings（%）

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

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表 2 试验材料主要物理性质

Table 2 Physical properties of test material

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

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2.2 试验方法

试验采用正交试验法^[19]。设计三因素（A：循环水流量，B：磁化时间，C：磁感应强度）三水平共 9个试验组。相关试验研究表明，水的磁化效果与磁化强度和磁化时间有关，但磁化过程中的磁化强度和磁化时间并不是越大越好^[20]。实际应用中应根据磁化水的用途，选择优化的磁感应强度和磁化时间组合。鉴于本试验中将磁化水引入膏体料浆流变特性研究的特殊性，参考已有的相关试验研究成果^[21,22,23]，确定本试验初步设定的初始磁化条件如下：循环水流量控制在0.5~2.5 L/s，磁化时间控制在5~25 min，磁感应强度控制在150~350 mT。正交试验设计如表3和表4所示。

表3 试验因素水平

Table 3 Level of test factors

水平	因素
水平	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）

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表4 正交设计试验方案

Table 4 Experimental scheme of orthogonal design

组别	A	B	C	试验方案ABC
1	1	1	1	$A_{1} B_{1} C_{1}$
2	1	2	2	$A_{1} B_{2} C_{2}$
3	1	3	3	$A_{1} B_{3} C_{3}$
4	2	1	2	$A_{2} B_{1} C_{2}$
5	2	2	3	$A_{2} B_{2} C_{3}$
6	2	3	1	$A_{2} B_{3} C_{1}$
7	3	1	3	$A_{3} B_{1} C_{3}$
8	3	2	1	$A_{3} B_{2} C_{1}$
9	3	3	2	$A_{3} B_{3} C_{2}$

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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

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图 4 试验流程

Fig.4 Description of experiment procedure

（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 $\nabla H$ ，打开PVC球阀，单位时间t内流出的料浆质量为M，出口断面料浆流速计算公式为

V = \frac{4 M}{t ρ π D^{2}}

（8）

式中： $V$ 为出口断面料浆流速（m/s）； $M$ 为料浆质量（kg）； $t$ 为测试时间； $ρ$ 为料浆密度（kg/ $m^{3}$ ）；D为L管管径（m）。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

L型斜管试验数据如表5所示，将试验测得的料浆质量M和测试时间t代入式（8）计算出料浆断面流速v。将料浆高度 $\nabla H$ 与流速V代入方程组（7），联立解得料浆屈服应力 $τ_{o}$ 和塑性黏度 $η$ ，计算结果数据如表6所示。

表 5 L型斜管试验数据

Table 5 Experimental data of L-inclined tube device

组别	料浆密度（ρ）/（kg· $m^{- 3}$ ）	料浆高度/m		时间/s		料浆质量/kg
组别	料浆密度（ρ）/（kg· $m^{- 3}$ ）	$\nabla H_{1}$	$\nabla H_{2}$	$t_{1}$	$t_{2}$	$M_{1}$	$M_{2}$
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

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表 6 不同试验组膏体料浆流变参数

Table 6 Rheological parameters of paste slurry in different test groups

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（ $v_{1}$ ）/ （m·s^-1）	流速（ $v_{2}$ ）/ （m·s^-1）	屈服应力 $(τ_{o}$ ）/Pa	塑性黏度 $(η) / (P a ∙ s)$
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

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3.2 试验因子显著性分析

假设 $K_{m n}$ 代表因子n在第m水平值的统计参数（n=A，B，C；m=1，2，3），可以通过极差R大小评价各影响因子对试验结果的敏感程度，计算公式为

R_{n} = m a x \{K_{1 n}, K_{2 n}, K_{3 n}\} - m i n \{K_{1 n}, K_{2 n}, K_{3 n}\}

（9）

$R_{n}$ 越大，说明影响因子n改变值对试验结果影响越大，对表6中的试验结果数据进行极差大小排序，分析各影响因子对试验结果的敏感程度。相关指标数据如表7所示。

表 7 影响因子极差分析结果

Table 7 Range analysis result of influence factors

指标	特征项	水平值	A	B	C
屈服应力（ $τ_{o}$ ）/Pa	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（ $η) / (P a ∙ s)$	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

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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： $R_{C} > R_{B} > R_{A}$ ，由极差分析结果得出磁化强度对膏体料浆管道输送流变特性的影响最大，其次为磁化时间，循环水流量大小对流变特性指标结果的影响较小。

3.3 试验因子组合优选及验证

试验因子对料浆屈服应力和塑性黏度影响结果如图5和图6所示。

图5

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图5 试验因子对料浆屈服应力的影响

Fig.5 Effect of test factors on yield stress of slurry

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 $<$ 20 min时，磁化时间试验因子显著性较弱，表现为浆体屈服应力和塑性黏度优化幅度较小；当循环水流量Q $>$ 1.5 L/s时，出现屈服应力和塑性黏度增加的现象。由于磁场强度过强和磁化时间过长会增加磁化耗能负担，从试验效果出发并结合实际生产节能减排要求，磁化水—膏体料浆最优组合为 $A_{1} B_{3} C_{2}$ ，即磁感应强度为250 mT，磁化时间为25 min，循环水流量为0.5 L/s。

图 6

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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 $A_{1} B_{3} C_{2}$ 因素水平组合进行3次平行验证试验，与空白组相比，料浆屈服应力降低13%，塑性黏度降低24%，优选组合 $A_{1} B_{3} C_{2}$ 试验结果稳定可靠。

3.4 试验机理分析

相关研究结果表明，膏体料浆的屈服剪切应力和塑性黏度与全尾砂料浆质量浓度、粒径级配和料浆絮团表面特性（电位）等多因素有关^[24]。本试验所用全尾砂中含有较高的杂质硫且级配组成粒径较细，致使膏体料浆中水泥与细颗粒尾砂等搭接形成的絮团表面电位小，极易形成区域链接网状结构，使膏体的流动剪切应力和塑性黏度增加。常温下水分子间的氢键缔合与解离同时存在并保持动态平衡^[25]，此时水的表面张力、黏度等性质为相对稳定值。水经磁化后，水分子趋向于定向排列，水分子极性变大，使磁化水—膏体料浆中的微粒絮团表面电位分布更为密集，由于同性相斥电学原理减少了浆体内部链接网状结构形成，降低了膏体料浆的塑性黏度和剪切应力。

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 $>$ 磁化时间 $>$ 水循环流量；确定最佳磁化条件为：磁感应强度B=250 mT，磁化时间T=25 min，循环水流量Q=0.5 L/s。

（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。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

蓝志鹏，王新民，王洪江，等 .

料浆凝结时间对高硫充填体强度影响试验研究

［J］.黄金科学技术，2016，24（5）：13-18.