尾礦膏體試驗(yàn)室制備及流變特性研究

張志明 謝坪全 李云鵬 李小洛 周 亮3

（1.云南科力環(huán)保股份公司；2.會理鵬晨廢渣利用有限公司）

膏體尾礦技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，作為一種逐步成熟的技術(shù)替代傳統(tǒng)的尾礦庫處理，以期為礦山高效安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。膏體是一種由尾礦漿脫水濃縮、深錐再濃縮，含有一定數(shù)量的凝聚物質(zhì)，或由尾礦漿與天然細(xì)砂混拌而成，在管內(nèi)呈柱狀流動，不離析、不沉淀，具有一定的凝聚性和流動性，形似牙膏的漿體，其濃度接近或大于臨界流態(tài)濃度而小于極限可輸送濃度。本文根據(jù)試驗(yàn)將尾礦漿制備成濃度穩(wěn)定的膏體，分析形成膏體后的流變特性及參數(shù)，為礦山采用該技術(shù)及合理的膏體濃密機(jī)設(shè)計(jì)、選型提供技術(shù)支持。

1 尾礦膏體的制備

1.1 原材料

試樣采用四川鵬晨廢渣利用有限公司銅轉(zhuǎn)爐渣二次開發(fā)與利用的尾礦漿，尾礦含鐵較高，外觀為黑色或黑灰色，具有玻璃光澤，性脆，堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)致密，密度為3.75 g/cm3。試樣礦物組成中銅礦物主要為硫化銅和單質(zhì)銅，其次為氧化亞銅；鐵礦物主要為鐵硅酸鹽，其次為磁鐵礦；爐渣的黏結(jié)相為玻璃質(zhì)。尾礦漿粒級分析結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為坍落度筒、電子秒表（精度0.1 s）、電子秤（精度1 g）、量筒（2 L）、吸管、深錐斗。

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2 膏體制備

膏體制備流程見圖1，錐斗結(jié)構(gòu)見圖2。

將濃度18%的尾礦漿分別倒入量筒，靜態(tài)沉降20 min，抽出大部分上清液，形成高濃度礦漿。由于尾礦粒級相對均勻，礦漿中固體顆粒間的凝聚性差，不能形成膏體，必須添加絮凝劑增加顆粒間的凝聚性。通過高濃度礦漿靜態(tài)沉降試驗(yàn)對比沉降速度和絮團(tuán)大小對6種絮凝劑進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)選絮凝劑為PUCD型改性陰離子，分子量為2 600萬。在高濃度礦漿中分別加入優(yōu)選絮凝劑6，14，20，30，40 mL，慢速攪拌（30 r/min）3 min，倒入深錐再濃縮（錐度70°）。為了提高膏體流動性，根據(jù)試驗(yàn)選擇慢速攪動錐斗（2 r/min），沉降15 min排出，此時(shí)礦漿已形成膏體，將形成膏體的尾礦按一定方法裝入坍落度筒內(nèi)，待裝滿后進(jìn)行插搗，刮平；然后垂直平穩(wěn)地向上提起坍落度筒，測量筒高與坍落后膏體試體最高點(diǎn)之間的高度差額，即為該膏體的坍落度值。45 mL絮凝劑摻量對坍落度的影響關(guān)系見圖3，錐斗攪拌速度對坍落度的影響關(guān)系見圖4。

3 膏體的物理形態(tài)分析

試驗(yàn)表明，膏體的穩(wěn)定主要取決于膏體中絮團(tuán)含水量的變化，膏體中絮團(tuán)含水分為絮團(tuán)內(nèi)水、絮團(tuán)間隙水、結(jié)晶水和顆粒表面吸附水，而結(jié)晶水顆粒表面吸附水相對穩(wěn)定，膏體絮團(tuán)內(nèi)水和間隙水是造成膏體質(zhì)量高低的根本原因［1-5］。膏體絮團(tuán)形狀有不規(guī)則性，多以餅狀為主，絮團(tuán)層堆積間隙充滿水形成外水，在未加攪動時(shí)，隨著絮團(tuán)堆積重力不斷對其壓縮，絮團(tuán)尺寸、含水量從下而上逐步升高呈線型分布，通過慢速攪拌，隨著重力和攪拌剪切力等外力的耦合作用，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)紛紛破碎，形成更小、更致密的小絮團(tuán)，原來大絮團(tuán)內(nèi)水和絮團(tuán)間隙水得到釋放，隨著時(shí)間的增加，絮團(tuán)水的排放更加徹底而含水量高于未攪動的絮團(tuán)，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，逐步形成具有一定流動性的膏體。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絮團(tuán)沉降到底部會形成一定高度的壓縮層，由于絮團(tuán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的較低，在重力和攪拌剪切力的共同作用下，相對穩(wěn)定的絮團(tuán)發(fā)生破裂，形成小絮團(tuán)，其密度、強(qiáng)度物理性質(zhì)出現(xiàn)變化，對膏體的形成產(chǎn)生較大影響。通過試驗(yàn)對不同重力、剪切力等外力影響下的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、絮團(tuán)之間的接觸狀況進(jìn)行分析，得出絮團(tuán)結(jié)構(gòu)在受重力壓縮和受攪拌剪切力等作用下的變化。由于絮團(tuán)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生破碎、重組，導(dǎo)致絮團(tuán)整體尺寸逐漸減小，其強(qiáng)度、密度逐步增加，直至絮團(tuán)尺寸不再發(fā)生變化，當(dāng)絮團(tuán)強(qiáng)度和所施加的外力相當(dāng)時(shí)，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)再次達(dá)到相對平衡，隨著絮團(tuán)之間接觸狀態(tài)的同步變化，直接影響膏體的質(zhì)量。通過對膏體絮團(tuán)研究及多次取樣分析得出，在重力、剪切力的作用下，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，釋放出多余的絮團(tuán)內(nèi)水、間隙水，通過絮團(tuán)間隙細(xì)長通道向上排出，進(jìn)而制備出穩(wěn)定高質(zhì)量的膏體。膏體的形成是一個(gè)高度動態(tài)的過程，膏體絮團(tuán)間隙的水壓力最終以上部重力達(dá)成平衡，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，在到達(dá)平衡之前，不斷變化的間隙結(jié)構(gòu)將影響間隙內(nèi)水流動，進(jìn)而影響絮團(tuán)的排水效率和膏體的形成。研究發(fā)現(xiàn)，絮團(tuán)中的多余水通過間隙通道向上排出的過程中，重力從上至下逐步遞增，絮團(tuán)間隙不斷縮小，間隙體積不斷降低，因此隨著絮團(tuán)高度的增加，絮團(tuán)濃度增加，在外力作用下的間隙結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)變化較為明顯，絮團(tuán)間隙尺寸變化較大。因此，合理的轉(zhuǎn)速影響新的絮團(tuán)間隙通道的結(jié)構(gòu)形成，導(dǎo)致絮團(tuán)堆積層滲透系數(shù)在垂直方向上出現(xiàn)較大的差異性，具有較高非均質(zhì)性的多孔介質(zhì)屬性，絮團(tuán)水在間隙通道向上排出的過程中，伴隨著通道結(jié)構(gòu)的變化，形成新的孔隙通道，使絮團(tuán)水得到釋放，進(jìn)一步提高膏體質(zhì)量。

4 膏體流變特性分析

試驗(yàn)中，固體顆粒逐步形成大絮團(tuán)，在慢速攪拌的作用下，絮團(tuán)之間在沉降期流體剪切力、壓縮區(qū)絮團(tuán)的承壓力、攪動的剪切力等物理量的作用下相互碰撞、擠壓、摩擦，打破了絮團(tuán)中水的平衡［6-9］，通過絮團(tuán)之間的間隙釋放出多余的水分，繼而提高了底流濃度，大絮團(tuán)變?yōu)樾⌒鯃F(tuán)，有效孔隙度增加，當(dāng)濃相層所承受的壓力大于臨界值時(shí)，絮團(tuán)中的水分便被擠壓出來，形成較高濃度并具有一定的凝聚性和流動性的膏體。

膏體的形成是時(shí)間及沉降層高度的函數(shù)，即錐斗高度越高、沉降層越高，壓縮時(shí)間越長則膏體的形成機(jī)率越大。采用四川會理銅渣回收公司浮選銅轉(zhuǎn)爐渣二次開發(fā)利用的尾礦漿進(jìn)行試驗(yàn)，得出壓縮區(qū)濃度值約為78%，由于濃度的增加，顆粒與顆粒之間形成相對密實(shí)的網(wǎng)狀絮凝結(jié)構(gòu)，漿體中的固體顆粒在絮凝劑的作用下緊緊地包裹在一起，不能自由沉降、離析，這就形成了膏體的宏觀行為。

如果膏體含水量過低，濃度過高，加之具有凝聚性，流動性差，必須加以一定的速度攪動，增加膏體的含水量，適當(dāng)降低膏體濃度，提高其流動性，便于排放。由圖3可見，在礦漿粒度相對均勻的情況下，隨著絮凝劑用量的增加，其坍落度不升返降，表明膏體坍落度主要反映了其黏度的大小及絮凝效果。根據(jù)坍落度試驗(yàn)測出膏體坍落度作為膏體流動性指標(biāo)，坍落度越大表示流動性越好，坍落度越小表示流動性越差。膏體是一種由固體顆粒凝聚的組成體，在自身重力和攪拌力的作用下，膏體基本保持相對固定的形狀，流動形態(tài)屬非牛頓流體，具有一定的粘性、塑性，是一種賓漢姆體（Bingham），其流變特征表現(xiàn)為

式中，τ為膏體的實(shí)際剪應(yīng)力；τ0為屈服剪應(yīng)力；η為膏體的塑性粘度；dv/dt為膏體的剪切變形速率。

由上式可知，決定膏體流變特性的主要參數(shù)是屈服剪應(yīng)力τ0和塑性黏度η。其中，τ0是由膏體中顆粒間的附著力和摩擦力作用引起的，是阻止塑性變形的最大應(yīng)力；η是因膏體的凝聚具有一定形狀的一種性能；由圖5可知，η隨剪應(yīng)力或速度梯度而變化，dv/dt增加，η降低，這時(shí)膏體的結(jié)合體開始破壞，表現(xiàn)出較好的流動性；當(dāng)dv/dt增大到某一值時(shí)，達(dá)到τ0值，η下降到最小值ηm，此時(shí)膏體結(jié)合體完全破壞，流動性達(dá)到最佳；此后η不再隨dv/dt或τ的變化而變化。因此，膏體的攪拌過程就是攪拌機(jī)構(gòu)連續(xù)不斷克服混合料屈服應(yīng)力和塑性粘度值的過程，使膏體具有一定的流動性；由于膏體各組分相表面間存在凝聚力，使得膏體慢速攪拌而完全拌勻變得特別困難，攪拌速度越慢，需要的時(shí)間越長，且攪拌器受力大，能耗高。

由此可見，在尾礦粒度相對均勻的情況下，將優(yōu)化的絮凝劑用量、膏體的塌落度、排放量、錐斗高度和攪拌速度合理地結(jié)合在一起，防止排放口搭橋，保證膏體的流動性，是決定膏體穩(wěn)定排放、不堵塞的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

（1）通過尾礦膏體制備試驗(yàn)得出，當(dāng)絮凝劑種類及添加量和凝聚時(shí)間一定時(shí)，給料濃度是影響塌落度的主要因素；給料濃度越大，最終得到的塌落度越小，反之亦然，揭示了在重力、剪切力等作用下形成膏體的演化規(guī)律。

（2）由膏體流變特性可知，在一定范圍內(nèi)，凝聚性隨膏體濃度梯度、絮凝劑用量增加而增大。由于絮團(tuán)以單元體形式整體運(yùn)動于一定高度的固、液兩相中，在絮團(tuán)重量擠壓、碰撞和剪切力作用下破壞這些單元體的結(jié)構(gòu)，絮團(tuán)由大變小，促進(jìn)絮團(tuán)內(nèi)最大限度地?cái)D出多余水分進(jìn)行重新組合，進(jìn)一步提高了尾礦漿固、液兩相中的濃度，形成膏體。

（3）由于原料細(xì)顆粒（-0.074 mm）過多，且相對均勻，細(xì)顆粒過多引起黏度η的增大，但細(xì)顆粒對屈服應(yīng)力τ0的影響較小，相對減弱了起潤滑作用細(xì)顆粒的厚度，細(xì)顆粒對膏體的流動性減小，因此加以慢速攪拌，增加膏體的含水量，可提高其流動性。