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            中國儀器網/ 行業應用/ 解決方案/ 屈服應力與礦山尾礦可泵性的關聯性

            屈服應力與礦山尾礦可泵性的關聯性

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            【概述】

            尾礦即為從礦石的非經濟成分(脈石)中分離有價值的成分 之后余留的物質。尾礦與覆蓋層不同,覆蓋層是在采礦期間未加 處理就從礦石或礦體表層挪走的廢石或廢料 [1]。 可采用兩種方法從礦石中提取礦物質:砂礦開采,即利用水 和重力提取有價值的礦物質;或硬巖開采,即先粉碎巖石,再粉 碎化學物質。在后一種方法中,從礦石中提取礦物質時,要求將 礦石研磨成細微顆粒,這樣,尾礦通常較小,尺寸從沙粒尺寸到 幾微米不等 [2]。礦山尾礦通常從漿體狀的礦屑(細微礦物顆粒 和水的混合物)中得到 [2]。 尾礦成分直接取決于礦石組分和施加在礦石上的采礦過程 [1]。 通常,多數尾礦產品由巖石組成,此類巖石被研磨成精細顆 粒,大至粗砂,小至尺寸一致的粉末。 許多尾礦中也含有少量在容礦中發現的不同金屬顆粒以及 提取過程中所用的添加成分。 通常,尾礦堆放在尾礦池中。尾礦池即為水性廢料泵入池中 的區域,在那里,固體顆粒從水中沉降。據估計,2000 年,全 世界共存有約 3,500 處活躍尾礦池 [3]。尾礦池有助于堆放從巖 石中分離礦物質時產生的廢料或焦油砂開采過程中產生的漿料。 通常,尾礦會與其它物質(如膨潤土)混合,減緩受影響的水釋 放到環境中的速率 [1]。然而,無論尾礦含有何種成分,均需要 從礦山泵送到尾礦池中。為了了解是否能夠利用現有泵送設備泵 送(改性)尾礦,不僅需要測定粘度,還需要測定屈服應力 τ0。 屈服應力用于描述克服給定流體彈性特性及輸入可持續流量所 需的能量。

            隨后可知,屈服應力值在很大程度上取決于漿料的固體含 量。只需使用 HAAKE Viscotester iQ 流變儀進行簡單測量, 即可輕易獲取屈服應力值。

            【實驗/操作方法】

            由于使用旋轉流變儀所帶的傳統平行板或 同軸圓筒轉子時,若將樣品加載到窄隙中,則可 能出現壁滑移及樣品過度受損,導致軟質固體和 料漿(如尾礦)難以處理,所以,推薦使用槳葉 轉子。 當槳葉轉子完全浸入樣品中時,屈服應力本 身可依照 Boger 公式 [4] 進行計算: 

            image.png

            其中,M 為扭矩,K 為取決于槳葉高度(H) 和直徑(D)的槳葉參數,其表達式如下:

            image.png

            因此,為確定屈服應力,則需要將扭矩(或 相應剪切應力)作為時間的函數進行追蹤。然后, 將最大值代入屈服應力公式進行計算。

            【實驗結果/結論】

            為防止發生壁滑移,我們推薦使用槳葉轉子 對尾礦進行流變測試。圖 1 所示為帶有槳葉結構 及開式臺架(便于在大型容器中測試樣品)的HAAKE Viscotester iQ 流變儀。 在該項研究中,已對不同固體質量分數的砂 礦尾礦進行了測試,以便隨后獲得屈服應力與質 量分數關系圖。 圖 2 所示為依照 Boger 模型確定屈服應力 的示例。該項測試中所用的尾礦固體質量分數為 0.4。

            我們已采用這種簡單快速的方法,對固體質量分數 各不相同(介于 0.2~0.5 之間)的砂礦尾礦進行了測 試。測試結果如圖 3 所示,圖 3 顯示各屈服應力值與 固體含量的關系曲線圖。 使用圖 3 所示的少量測試得出的數據,計算經由 管道橫截面所需的泵送壓力(巴)和屈服應力,即可方 便地預測特定尾礦的可泵性。

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             圖 1:Thermo Scientific? HAAKE? Viscotester? iQ 流變 儀(帶適于夾持大型容器的實驗室臺架)。

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            圖 2:室溫(RT)條件下,尾礦固體質量分數為 0.4 時的流動曲線(依照 Boger 模型自動獲取屈服應力)。

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            圖 3:屈服應力是室溫條件下砂礦尾礦固體質量分數的函數。

            結論 

            HAAKE  Viscotester  iQ 流變儀中的槳葉轉子方法 是用于測定礦山尾礦屈服應力的快速、簡便且準確的方 法。我們可方便地將這些值與具有給定固體質量分數的 特定尾礦成分的可泵性相關聯。

            【儀器/耗材清單】

            HAAKE Viscotester iQ 流變儀

            【參考文獻】

            [1] See Wikipedia, Tailings, http://en. wikipedia/wiki/Tailings (as of July 13, 2014, 16:50 CET) 

            [2] US EPA. (1994). Technical Report: Design and Evaluation of Tailinfs Dams. 

            [3] Martin T.E., Davies M.P. (2000). Trends in the stewardship of tailings dams.1996, Essen

            [4] Dzuy N.Q., Boger D.V. (1985). Direct yield stress measurement with the vane method. J Rheol 29:335-47.


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