工程科学学报，第39卷.第10期：1507-1511,2017年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.10:1507-1511,October 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.007;http://journals.ustb.edu.cn 基于循环系统的膏体浓密机底流调控及其数学模型 杨柳华12)，王洪江12)，吴爱祥12)，张连富)，陈辉) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 3)中国黄金协会，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yanghuarong2014@ycah.net 摘要为了保证浓密机在高料位下不压粑，一般通过增设循环系统使料浆始终处于活化状态，降低耙架运行阻力.然而， 目前循环参数对底流的影响规律不明确，造成系统的设计及应用缺乏科学依据，为此开展了循环参数对底流的调控研究.分 析循环系统的作用原理，将循环系统作用范围划分为两大区域，揭示循环参数对底流的调控机制，运用微积分原理对区域内 的底流体积分数变化进行求解，最终建立浓密机底流调控数学模型.最后，利用该模型对底流循环实验参数进行验证.研究 结果表明：开启底流循环后，底流体积分数开始降低并最终趋于稳定，底流体积分数差随着循环流量及循环高度增大而增大， 体积分数变化幅度为0.7%~2.2%，稳定所需时间随流量及高度增加而减小.该理论模型完全吻合验证结果函数，为循环系 统的设计及运行提供理论依据. 关键词浓密机；底流；调控机制；循环参数；数学模型 分类号TD853 Regulation and a mathematical model of underflow in paste thickeners based on a cir- cular system design YANG Liu-hua2),WANG Hong-jiang),WU Ai-xiang'2),ZHANG Lian-fu),CHEN Hui) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education),Beijing 100083.China 3)China Gold Association,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yanghuarong2014@yeah.net ABSTRACT To assure that compression on the rakes of a deep corn thickener does not stop mixing,an additional circular slurry system,which activates slurry all the time,is employed and running resistance is usually decreased.However,there is still uncertain- ty on how circular parameters affect underflow properties.This means that the design and application of such systems lack support from scientific theories.Hence,it is necessary to create a study on how circular parameters regulate underflow parameters.Analysis of the circular system mechanism shows that its effect can be divided into two parts and the effect of the system on underflow properties is clarified.In addition,the value of underflow concentration in thickeners is solved based on calculus and finally a mathematical model is produced,which simulates the regulation of underflow properties in thickeners.Using the model,the circular parameters of under- flow in thickeners are verified.The experiment indicates that the solid concentration of underflow decreases with circular underflow ini- tiation,then tends to stabilize.Also,the volume fraction of underflow increases in the range of 0.7%-2.2%with ascending circular flow and height.In addition,the time necessary for the solid concentration to stabilize is reversely affected by underflow flow and height.The regression function obtained from experimental statistics shows excellent performance in the model when designing and ana- lyzing circular systems for thickeners. KEY WORDS thickener;underflow;regulation mechanism;circular parameters;mathematical model 收稿日期：2017-03-16
工程科学学报,第 39 卷,第 10 期:1507鄄鄄1511,2017 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 10: 1507鄄鄄1511, October 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 10. 007; http: / / journals. ustb. edu. cn 基于循环系统的膏体浓密机底流调控及其数学模型 杨柳华1,2) , 王洪江1,2) 苣 , 吴爱祥1,2) , 张连富1) , 陈 辉3) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 3)中国黄金协会, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: yanghuarong2014@ yeah. net 摘 要 为了保证浓密机在高料位下不压耙,一般通过增设循环系统使料浆始终处于活化状态,降低耙架运行阻力. 然而, 目前循环参数对底流的影响规律不明确,造成系统的设计及应用缺乏科学依据,为此开展了循环参数对底流的调控研究. 分 析循环系统的作用原理,将循环系统作用范围划分为两大区域,揭示循环参数对底流的调控机制,运用微积分原理对区域内 的底流体积分数变化进行求解,最终建立浓密机底流调控数学模型. 最后,利用该模型对底流循环实验参数进行验证. 研究 结果表明:开启底流循环后,底流体积分数开始降低并最终趋于稳定,底流体积分数差随着循环流量及循环高度增大而增大, 体积分数变化幅度为 0郾 7% ~ 2郾 2% ,稳定所需时间随流量及高度增加而减小. 该理论模型完全吻合验证结果函数,为循环系 统的设计及运行提供理论依据. 关键词 浓密机; 底流; 调控机制; 循环参数; 数学模型 分类号 TD853 Regulation and a mathematical model of underflow in paste thickeners based on a cir鄄 cular system design YANG Liu鄄hua 1,2) , WANG Hong鄄jiang 1,2) 苣 , WU Ai鄄xiang 1,2) , ZHANG Lian鄄fu 1) , CHEN Hui 3) 1) School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of High鄄Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), Beijing 100083, China 3) China Gold Association, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: yanghuarong2014@ yeah. net 收稿日期: 2017鄄鄄03鄄鄄16 ABSTRACT To assure that compression on the rakes of a deep corn thickener does not stop mixing, an additional circular slurry system, which activates slurry all the time, is employed and running resistance is usually decreased. However, there is still uncertain鄄 ty on how circular parameters affect underflow properties. This means that the design and application of such systems lack support from scientific theories. Hence, it is necessary to create a study on how circular parameters regulate underflow parameters. Analysis of the circular system mechanism shows that its effect can be divided into two parts and the effect of the system on underflow properties is clarified. In addition, the value of underflow concentration in thickeners is solved based on calculus and finally a mathematical model is produced, which simulates the regulation of underflow properties in thickeners. Using the model, the circular parameters of under鄄 flow in thickeners are verified. The experiment indicates that the solid concentration of underflow decreases with circular underflow ini鄄 tiation, then tends to stabilize. Also, the volume fraction of underflow increases in the range of 0郾 7% 鄄鄄2郾 2% with ascending circular flow and height. In addition, the time necessary for the solid concentration to stabilize is reversely affected by underflow flow and height. The regression function obtained from experimental statistics shows excellent performance in the model when designing and ana鄄 lyzing circular systems for thickeners. KEY WORDS thickener; underflow; regulation mechanism; circular parameters; mathematical model
·1508· 工程科学学报，第39卷，第10期 浓密机广泛应用于污水处理、冶金、矿业等各个行 业-]，设备适用于连续进出料工作方式，运行时泥层 高度、底流体积分数、粑架扭矩等参数保持动态稳 定[].随着膏体充填技术的发展，浓密机逐渐成为膏 体充填中重要的脱水设备[).在充填中常因暂无充填 需求而停止膏体浓密机底流排料)：有时又因充填空 高循环 区大，而浓密机备料不足且处理能力有限，迫使充填作 业中止等待设备储料.如果料浆在浓密机中停留时间 底流 循环 过长，底部料浆在上部泥层压力作用下[6-)，进一步压 系统 低循环 密脱水体积分数升高s-],其流动性大大降低甚至出 现板结现象[].料浆流动性减小，容易造成底流无法 顺利排出，甚至浓密机因运行阻力过大而出现压耙 图1底流循环系统示意图 因此，如何调控膏体浓密机在高料位运行下，保持粑架 Fig.I Underflow circulation system schematic diagram 扭矩、底流体积分数等参数运行稳定成为技术难题. 区域为一倒立圆锥体（只要该区域形态规则，则结果 为解决以上问题往往采用两种措施：一是设置粑 与区域形态无关)，循环前该区域料浆体积分数下高 架剪切装置，通过利用其搅拌作用改善料浆流动性. 上低.同时，根据现场实践可知循环作用区域不但与 这是因为当底流料浆达到一定体积分数后，其表现出 循环高度相关，也与循环流量相关.因此，该循环作用 的流变特性具有非牛顿流体的特征-]，存在剪切变 区域循环高度可分为两个部分，一部分是循环系统高 稀现象[-4]，所以耙架的剪切搅拌可以使底流料浆的 度H,一部分是循环流量所引起的作用区域高度 剪切应力及扭矩降低).二是在浓密机底部增设底 f(Q),作用区域示意图并建立坐标系如下图2. 流循环系统，通过加强浓密机内部物料在纵向上的流 y 动性6)，保持底流体积分数稳定、防止板结，从而调控 浓密机长时间运行稳定].目前，在耙架的搅拌作用 4r 机理研究方面取得了较大成果，然而较少涉及循环系 统对底流体积分数调控及其作用机理，难以实现高料 ① 位下稳定运行.为研究循环系统对底流体积分数调控 流量 机制，通过理论推导了底流体积分数调控数学模型，并 应用相关底流循环实验参数对模型进行验证.实验数 据很好的吻合了该数学模型，模型可实现对底流循环 调控效果的精确预测，为循环系统的设计及运行提供 科学依据 图2循环作用区域示意图 1底流调控数学模型建立 Fig.2 Sketch map of the underflow circular system 1.1底流循环系统 浓密机循环系统作用区域一般在其耙架搅拌区， 为了保证物料良好流动性及均质性，尤其是在高 而根据文献[18-19]浓密机耙架搅拌区内料浆体积分 料位且不充填时需防止压耙事故发生，必须添加底流 数在重力方向上呈线性变化，其体积分数随泥层高度 循环系统.浓密机底流循环是指将体积分数较高的底 的增加而增加，因此图2中y轴上体积分数变化满足 部料浆泵入压缩泥层的高位，利用不同泥层高度处不 下式 同体积分数物料之间的流动混合作用，改善底流料浆 C,Co-ky (1) 的流动性及均质性，从而达到活化底流料浆的目的 式中，C,为沿着y轴高度上某处料浆体积分数：C。为0 底流循环系统有多种形式，依据泵送循环位置的 点处料浆体积分数：k为料浆体积分数在y轴变化率， 高低划分为高位循环和低位循环.底流循环系统示意 m;y为该处离0高度，m. 图如图1所示.通过控制开关A、B和C调整循环路线 1.3底流体积分数变化分析 及工作方式，开关A控制循环系统的开关及流量 根据公式(1)，利用数学积分可以求解出循环作 大小 用区域内固体总体积V 1.2循环区域内料浆分布特征 ry 先假设在循环系统作用下，浓密机内部物料作用 g=mmo(G-)[a7o]a=
工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 浓密机广泛应用于污水处理、冶金、矿业等各个行 业[1鄄鄄2] ,设备适用于连续进出料工作方式,运行时泥层 高度、底流体积分数、耙架扭矩等参数保持动态稳 定[3] . 随着膏体充填技术的发展,浓密机逐渐成为膏 体充填中重要的脱水设备[4] . 在充填中常因暂无充填 需求而停止膏体浓密机底流排料[5] ;有时又因充填空 区大,而浓密机备料不足且处理能力有限,迫使充填作 业中止等待设备储料. 如果料浆在浓密机中停留时间 过长,底部料浆在上部泥层压力作用下[6鄄鄄7] ,进一步压 密脱水体积分数升高[8鄄鄄9] ,其流动性大大降低甚至出 现板结现象[10] . 料浆流动性减小,容易造成底流无法 顺利排出,甚至浓密机因运行阻力过大而出现压耙. 因此,如何调控膏体浓密机在高料位运行下,保持耙架 扭矩、底流体积分数等参数运行稳定成为技术难题. 为解决以上问题往往采用两种措施:一是设置耙 架剪切装置,通过利用其搅拌作用改善料浆流动性. 这是因为当底流料浆达到一定体积分数后,其表现出 的流变特性具有非牛顿流体的特征[11鄄鄄12] ,存在剪切变 稀现象[13鄄鄄14] ,所以耙架的剪切搅拌可以使底流料浆的 剪切应力及扭矩降低[15] . 二是在浓密机底部增设底 流循环系统,通过加强浓密机内部物料在纵向上的流 动性[16] ,保持底流体积分数稳定、防止板结,从而调控 浓密机长时间运行稳定[17] . 目前,在耙架的搅拌作用 机理研究方面取得了较大成果,然而较少涉及循环系 统对底流体积分数调控及其作用机理,难以实现高料 位下稳定运行. 为研究循环系统对底流体积分数调控 机制,通过理论推导了底流体积分数调控数学模型,并 应用相关底流循环实验参数对模型进行验证. 实验数 据很好的吻合了该数学模型,模型可实现对底流循环 调控效果的精确预测,为循环系统的设计及运行提供 科学依据. 1 底流调控数学模型建立 1郾 1 底流循环系统 为了保证物料良好流动性及均质性,尤其是在高 料位且不充填时需防止压耙事故发生,必须添加底流 循环系统. 浓密机底流循环是指将体积分数较高的底 部料浆泵入压缩泥层的高位,利用不同泥层高度处不 同体积分数物料之间的流动混合作用,改善底流料浆 的流动性及均质性,从而达到活化底流料浆的目的. 底流循环系统有多种形式,依据泵送循环位置的 高低划分为高位循环和低位循环. 底流循环系统示意 图如图 1 所示. 通过控制开关 A、B 和 C 调整循环路线 及工作方式,开 关 A 控 制 循 环 系 统 的 开 关 及 流 量 大小. 1郾 2 循环区域内料浆分布特征 先假设在循环系统作用下,浓密机内部物料作用 图 1 底流循环系统示意图 Fig. 1 Underflow circulation system schematic diagram 区域为一倒立圆锥体(只要该区域形态规则,则结果 与区域形态无关),循环前该区域料浆体积分数下高 上低. 同时,根据现场实践可知循环作用区域不但与 循环高度相关,也与循环流量相关. 因此,该循环作用 区域循环高度可分为两个部分,一部分是循环系统高 度 H, 一 部 分 是 循 环 流 量 所 引 起 的 作 用 区 域 高 度 f(Q),作用区域示意图并建立坐标系如下图 2. 图 2 循环作用区域示意图 Fig. 2 Sketch map of the underflow circular system 浓密机循环系统作用区域一般在其耙架搅拌区, 而根据文献[18鄄鄄19]浓密机耙架搅拌区内料浆体积分 数在重力方向上呈线性变化,其体积分数随泥层高度 的增加而增加,因此图 2 中 y 轴上体积分数变化满足 下式. Cy = C0 - ky. (1) 式中,Cy为沿着 y 轴高度上某处料浆体积分数;C0为 O 点处料浆体积分数;k 为料浆体积分数在 y 轴变化率, m - 1 ;y 为该处离 O 高度,m. 1郾 3 底流体积分数变化分析 根据公式(1),利用数学积分可以求解出循环作 用区域内固体总体积 Vs . Vs = 仔 乙 H+f(Q) 0 (C0 - ky) [ ry (H + f(Q ] )) 2 dy = ·1508·
杨柳华等：基于循环系统的膏体浓密机底流调控及其数学模型 ·1509· ㎡[号C(H+Q)-(H+Q)2](2) 式中，V为全尾砂固体体积：H为循环高度，m:f(Q)为 循环流量所引起的作用区域高度，m:r为作用区域顶 面半径，m. 循环系统利用不同泥层高度处不同体积分数物料 之间的流动混合作用，实现在循环作用区域内料浆均 一及活化的目的，可认为在循环底流体积分数稳定后 该区域内料浆体积分数相同.为此，可推导出循环作 1一尾矿浆：2一搅拌机：3一蠕动泵；4一絮凝剂：5一驱动电机： 6一谧流槽：7一实验柱：8一粑架：9、10、11、12、13一取样口： 用区域内物料循环稳定后体积分数C. 14一累动电机 c=片=G-(H+Q) V. (3) 图4实验装置示意图 Fig.4 Experimental installation 式中，V为循环区域体积，m3. 由公式(3)可推导出体积分数差△C,建立底流体 (3)实验方案. 积分数调控数学模型如下： 1)实验前先组装小型智能深锥浓密机模拟系统. 2)往组装和架设智能深锥浓密模拟系统的实验 △c=G-c=(H+Q). (4) 柱注满清水，同时配制质量分数10%的尾矿料浆，以 式中，△C为体积分数差 及质量分数为0.01%絮凝剂溶液. 从底流体积分数调控数学模型可知，底流体积分数 3)开启蠕动泵泵送料浆及单耗为20g1的絮凝 差与循环高度及循环流量所引起的作用区域高度成线性 剂，开始絮凝沉降过程. 相关，下面将通过相关实验数据对该模型进行验证 4)给料结束后开启底流泵进行底流循环实验. 将循环管道连接到相应循环高度进行循环实验，实验 2模型验证实验 期间分别取样用于测其质量分数. 2.1验证实验 5)重复步骤(2)~(4)，设置不同循环流量在此 (1)实验材料 实验 实验材料采用某矿全尾砂，通过激光粒度分析仪 根据以上实验流程，文献[20]中分别在H(10 进行粒度分析，尾矿密度为2.66tm3,分析结果见图3. cm)、H2(17cm)和H3(24cm)高度下，进行了流量为 Q,(200 mL.min)、Q2(600mL·min-)及Q3(1000ml. 100 min)共9组实验.每组实验连续循环3h,在此期间 ·一激光粒度分析 80 ·一人工湿筛 分别在20、40、60、80、100、120、140、160和180min时 取循环底流料浆，通过测其质量分数获得相应时刻底 60 流体积分数 2.2实验结果 根据实验数据所得到的底流体积分数，绘制不同 20 循环条件下的底流体积分数随时间的变化曲线，见图 5所示. 101 102 从图5中可以看出：①底流循环可以使底流体积 粒径μm 分数降低，降低幅度为0.7%~2.2%：②底流体积分 图3全尾砂粒度分析结果 数变化曲线总体呈现先减小后稳定的趋势，其变化主 Fig.3 Particle size analysis of the unclassified tailings 要发生在底流循环的初始阶段，随着循环时间的增加 絮凝剂选用阴离子型聚丙烯酰胺.根据前期絮凝 底流体积分数最终趋于稳定，此时称之为稳定体积分 沉降试验结果，絮凝剂单耗为20g1·,絮凝剂溶液质 数，并定义该值与初始体积分数之差为“体积分数 量分数0.01%时絮凝效果达到最佳.实验前配制质量 差”：③在同一循环高度下，循环流量越大底流体积分 分数为0.1%絮凝剂溶液，实验时再将其稀释至 数下降越多，即底流调控效果越好 0.01%. 3验证结果及分析 (2)实验装置 根据文献[20]中所进行的循环实验，其采用自制3.1验证结果 小型智能深锥浓密模拟系统，实验装置见图4. 结合图5中实验数据，分别计算不同循环流量及
杨柳华等: 基于循环系统的膏体浓密机底流调控及其数学模型 仔r [ 2 1 3 C0 (H + f(Q)) - 1 4 k(H + f(Q)) ] 2 . (2) 式中,Vs为全尾砂固体体积;H 为循环高度,m;f(Q)为 循环流量所引起的作用区域高度,m;r 为作用区域顶 面半径,m. 循环系统利用不同泥层高度处不同体积分数物料 之间的流动混合作用,实现在循环作用区域内料浆均 一及活化的目的,可认为在循环底流体积分数稳定后 该区域内料浆体积分数相同. 为此,可推导出循环作 用区域内物料循环稳定后体积分数 C. C = Vs V = C0 - 3 4 k(H + f(Q)). (3) 式中,V 为循环区域体积,m 3 . 由公式(3)可推导出体积分数差 驻C,建立底流体 积分数调控数学模型如下: 驻C = C0 - C = 3 4 k(H + f(Q)). (4) 式中,驻C 为体积分数差. 从底流体积分数调控数学模型可知,底流体积分数 差与循环高度及循环流量所引起的作用区域高度成线性 相关,下面将通过相关实验数据对该模型进行验证. 2 模型验证实验 2郾 1 验证实验 (1)实验材料. 实验材料采用某矿全尾砂,通过激光粒度分析仪 进行粒度分析,尾矿密度为2郾 66 t·m -3 ,分析结果见图3. 图 3 全尾砂粒度分析结果 Fig. 3 Particle size analysis of the unclassified tailings 絮凝剂选用阴离子型聚丙烯酰胺. 根据前期絮凝 沉降试验结果,絮凝剂单耗为 20 g·t - 1 ,絮凝剂溶液质 量分数 0郾 01% 时絮凝效果达到最佳. 实验前配制质量 分数 为 0郾 1% 絮 凝 剂 溶 液, 实 验 时 再 将 其 稀 释 至 0郾 01% . (2)实验装置. 根据文献[20]中所进行的循环实验,其采用自制 小型智能深锥浓密模拟系统,实验装置见图 4. 1—尾矿浆; 2—搅拌机; 3—蠕动泵; 4—絮凝剂; 5—驱动电机; 6—溢流槽; 7—实验柱; 8—耙架; 9、10、11、12、13—取样口; 14—驱动电机 图 4 实验装置示意图 Fig. 4 Experimental installation (3)实验方案. 1) 实验前先组装小型智能深锥浓密机模拟系统. 2) 往组装和架设智能深锥浓密模拟系统的实验 柱注满清水,同时配制质量分数 10% 的尾矿料浆,以 及质量分数为 0郾 01% 絮凝剂溶液. 3) 开启蠕动泵泵送料浆及单耗为 20 g·t - 1的絮凝 剂,开始絮凝沉降过程. 4) 给料结束后开启底流泵进行底流循环实验. 将循环管道连接到相应循环高度进行循环实验,实验 期间分别取样用于测其质量分数. 5) 重复步骤(2) ~ (4),设置不同循环流量在此 实验. 根据以上实验流程,文献[20] 中分别在 H1 (10 cm)、H2 (17 cm) 和 H3 (24 cm) 高度下,进行了流量为 Q1 (200 mL·min - 1 )、Q2 (600 mL·min - 1 )及 Q3 (1000 mL· min - 1 )共 9 组实验. 每组实验连续循环 3 h,在此期间 分别在 20、40、60、80、100、120、140、160 和 180 min 时 取循环底流料浆,通过测其质量分数获得相应时刻底 流体积分数. 2郾 2 实验结果 根据实验数据所得到的底流体积分数,绘制不同 循环条件下的底流体积分数随时间的变化曲线,见图 5 所示. 从图 5 中可以看出:淤底流循环可以使底流体积 分数降低,降低幅度为 0郾 7% ~ 2郾 2% ;于底流体积分 数变化曲线总体呈现先减小后稳定的趋势,其变化主 要发生在底流循环的初始阶段,随着循环时间的增加 底流体积分数最终趋于稳定,此时称之为稳定体积分 数,并定义该值与初始体积分数之差为“ 体积分数 差冶;盂在同一循环高度下,循环流量越大底流体积分 数下降越多,即底流调控效果越好. 3 验证结果及分析 3郾 1 验证结果 结合图 5 中实验数据,分别计算不同循环流量及 ·1509·
·1510· 工程科学学报，第39卷，第10期 45.0 环流量下循环高度越高，底流体积分数下降越多，即循 一■一(0，H)◆-(QH)▲一(OH) -(Q,H, ◆-(Q,H）一(Q,H,1 环效果与循环高度成正比 44.5 -(QH,) -(Q,H) ★一(QH 因此，在矿山浓密系统设计及运行过程中，可根据 44.0 实际需要兼顾循环效果、能耗等多方因素进行优化 当矿山尾砂较粗，浓密机容易压粑时，通过设计较高的 43.5 循环高度及增大循环流量，实现对底流体积分数的快 43.0 速调控：而当矿山尾砂不易压把时，为降低能耗及投 资，可以降低循环高度及流量.而在实际运作过程中， 42.5 可根据实际需求开启不同的循环模式及流量，并在开 启一段时间后，底流体积分数维持不变，此时可以暂停 42.0 20 40 6080100120140160180 循环时间min 循环，等需要时再重新开启.通过应用该调控模型实 现对浓密机循环系统的设计及应用进行指导，形成对 图5实验结果 Fig.5 Experimental results 底流体积分数的精确调控及预测，既可以达到预防压 粑效果又可以节约能耗. 循环高度下底流体积分数差，得到如图6结果. 2.2·循环高度∥10cm时：△C=0.001Q+0.50 4结论 。循环高度H=17cm时：△C=0.001Q+0.85 2.0 L▲循环高度H-24cm时：△C=0.001Q+1.20 (1)浓密机中底部料浆停留时间过长，其流动性 将降低甚至出现板结现象，容易造成压耙事故发生. 1.8 一般通过增设底流循环将体积分数较高的底部料浆泵 期1.6 入压缩泥层的高位，利用不同泥层高度处不同体积分 4 数物料之间的流动混合作用，改善底流料浆的流动性 及均质性 1.0 (2)应用自制的小型智能膏体浓密机模拟系统， 0 模拟了循环系统对底流体积分数的调控作用.实验结 果表明，浓密机底流循环系统可实现对底流精确调控， 200 400 600 800 1000 循环流量/(mL.min) 底流变化幅度为0.7%~2.2%，且底流稳定所需时间 图6调控结果与循环参数相互关系 随流量及高度增加而减小. Fig.6 Interaction between regulation effects and circular parameters (3)通过实验数据的拟合及理论分析，构建了底 流体积分数差△C、循环高度H和循环流量Q三者之 从图6可知，开启底流循环后体积分数差与循环 间调控模型，阐述了底流体积分数差随着循环流量及 流量呈正相关，并通过对图中数据进行线性拟合，数据 循环高度线性相关性，实现对底流体积分数的准确预 表现出很好的线性关系.拟合结果表明，三个循环高 测，并可依据预测体积分数差计算出相应底流质量分 度下底流体积分数差与循环流量之间关系相同，且与 数变化，为工程设计及运行提供理论依据. 循环高度密切相关，从拟合结果可以获得底流体积分 数差与循环高度、循环流量之间相互关系如下式 参考文献 Ac=0.01Q+H=(H+Q). 2 (5) [1]Zhou A M,Gu D S.Mine-filing model based on industrial ecolo- 式中，Q为循环流量，mL·min;k为料浆体积分数在y gy.JCent South Unie Sci Technol,2004,35(3):468 轴变化率，m:(Q)为循环流量所引起的作用区域高 (周爱民，古德生.基于工业生态学的矿山充填模式.中南大 学学报（自然科学版），2004,35(3)：468) 度，m [2] Wang X M,Zhang G Q,Zhao J W,et al.Underflow concentra- 3.2结果分析 tion prediction and extemal structure parameter optimization of 从验证结果可知，理论模型式(4)与拟合结果式 deep cone thickener.J Chongqing Unie Nat Sci Ed,2015,38 (5)一致，说明实验结果完全吻合理论模型，从实验角 (6):1 度验证了模型的准确性，并得到k值及循环流量所引 (王新民，张国庆，赵建文，等.深锥浓密机底流浓度预测与 外部结构参数优化.重庆大学学报，2015,38(6)：1) 起的作用区域高度∫(Q),从而可以精准预测开启底流 [3] Wang Y,Wang H J,Wu A X.Mathematical model of deep cone 循环后底流体积分数差，并可依据预测体积分数差计 thickener underflow concentration based on the height to diameter 算出相应底流质量分数变化.结果也表明，在同等循 ratio.J Wuhan Unir Technol,2011,33(8):113
工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 图 5 实验结果 Fig. 5 Experimental results 循环高度下底流体积分数差,得到如图 6 结果. 图 6 调控结果与循环参数相互关系 Fig. 6 Interaction between regulation effects and circular parameters 从图 6 可知,开启底流循环后体积分数差与循环 流量呈正相关,并通过对图中数据进行线性拟合,数据 表现出很好的线性关系. 拟合结果表明,三个循环高 度下底流体积分数差与循环流量之间关系相同,且与 循环高度密切相关,从拟合结果可以获得底流体积分 数差与循环高度、循环流量之间相互关系如下式. 驻C = 0郾 001Q + 1 2 H = 3 4 k(H + f(Q)). (5) 式中,Q 为循环流量,mL·min - 1 ;k 为料浆体积分数在 y 轴变化率,m - 1 ;f(Q)为循环流量所引起的作用区域高 度,m. 3郾 2 结果分析 从验证结果可知,理论模型式(4) 与拟合结果式 (5)一致,说明实验结果完全吻合理论模型,从实验角 度验证了模型的准确性,并得到 k 值及循环流量所引 起的作用区域高度 f(Q),从而可以精准预测开启底流 循环后底流体积分数差,并可依据预测体积分数差计 算出相应底流质量分数变化. 结果也表明,在同等循 环流量下循环高度越高,底流体积分数下降越多,即循 环效果与循环高度成正比. 因此,在矿山浓密系统设计及运行过程中,可根据 实际需要兼顾循环效果、能耗等多方因素进行优化. 当矿山尾砂较粗,浓密机容易压耙时,通过设计较高的 循环高度及增大循环流量,实现对底流体积分数的快 速调控;而当矿山尾砂不易压耙时,为降低能耗及投 资,可以降低循环高度及流量. 而在实际运作过程中, 可根据实际需求开启不同的循环模式及流量,并在开 启一段时间后,底流体积分数维持不变,此时可以暂停 循环,等需要时再重新开启. 通过应用该调控模型实 现对浓密机循环系统的设计及应用进行指导,形成对 底流体积分数的精确调控及预测,既可以达到预防压 耙效果又可以节约能耗. 4 结论 (1) 浓密机中底部料浆停留时间过长,其流动性 将降低甚至出现板结现象,容易造成压耙事故发生. 一般通过增设底流循环将体积分数较高的底部料浆泵 入压缩泥层的高位,利用不同泥层高度处不同体积分 数物料之间的流动混合作用,改善底流料浆的流动性 及均质性. (2) 应用自制的小型智能膏体浓密机模拟系统, 模拟了循环系统对底流体积分数的调控作用. 实验结 果表明,浓密机底流循环系统可实现对底流精确调控, 底流变化幅度为 0郾 7% ~ 2郾 2% ,且底流稳定所需时间 随流量及高度增加而减小. (3) 通过实验数据的拟合及理论分析,构建了底 流体积分数差 驻C、循环高度 H 和循环流量 Q 三者之 间调控模型,阐述了底流体积分数差随着循环流量及 循环高度线性相关性,实现对底流体积分数的准确预 测,并可依据预测体积分数差计算出相应底流质量分 数变化,为工程设计及运行提供理论依据. 参 考 文 献 [1] Zhou A M, Gu D S. Mine鄄filing model based on industrial ecolo鄄 gy. J Cent South Univ Sci Technol, 2004, 35(3): 468 (周爱民, 古德生. 基于工业生态学的矿山充填模式. 中南大 学学报(自然科学版), 2004, 35(3): 468) [2] Wang X M, Zhang G Q, Zhao J W, et al. Underflow concentra鄄 tion prediction and external structure parameter optimization of deep cone thickener. J Chongqing Univ Nat Sci Ed, 2015, 38 (6): 1 (王新民, 张国庆, 赵建文, 等. 深锥浓密机底流浓度预测与 外部结构参数优化. 重庆大学学报, 2015, 38(6): 1) [3] Wang Y, Wang H J, Wu A X. Mathematical model of deep cone thickener underflow concentration based on the height to diameter ratio. J Wuhan Univ Technol, 2011, 33(8): 113 ·1510·
杨柳华等：基于循环系统的膏体浓密机底流调控及其数学模型 ·1511· (王勇，王洪江，吴爱样.基于高径比的深锥浓密机底流浓度 backfill.Miner Eng,2006,19(1):28 数学模型.武汉理工大学学报，2011,33(8)：113) [12]Mangiafico S,Sauzeat C.Di Benedetto H,et al.Quantification [4]Reid C,Becaert V,Aubertin M,et al.Life cycle assessment of of biasing effects during fatigue tests on asphalt mixes:non-line- mine tailings management in Canada.J Clean Prod,2009,17 arity,self-heating and thixotropy.Road Mater Parement Des, (4):471 2015,16(Suppl2):73 [5]Wu A X,Jiao HZ,Wang HJ,et al.Mechanical model of scrap- [13]Coussot P,Nguyen Q D,Huynh HT,et al.Avalanche behavior er rake torque in deep-cone thickener.J Cent South Univ Sci Tech- in yield stress fluids.Phys Rer Lett,2002,88(17):175501 nol,2012,43(4):1469 [14]Roussel N,Le Roy R,Coussot P.Thixotropy modelling at local (吴爱祥，焦华枯，王洪江，等.深锥浓密机搅并刮泥粑扭矩 and macroscopic scales.J Non-Nenton Fluid Mech,2004,117 力学模型.中南大学学报（自然科学版），2012,43(4)： (2-3):85 1469) [15]Li H,Wang H J,Wu A X,et al.Pressure rake analysis of deep [6]Wang H J.Chen Q R,Wu A X,et al.Study on the thickening cone thickeners based on tailings'settlement and rheological properties of unclassified tailings and its application to thickener characteristics.J Unin Sci Technol Beijing,2013,35(12): design.J Unie Sci Technol Beijing,2011,33(6):676 1553 (王洪江，陈琴瑞，吴爱祥，等.全尾砂浓密特性研究及其在 (李辉，王洪江，吴爱祥，等.基于尾砂沉降与流变特性的深 浓密机设计中的应用.北京科技大学学报，2011,33(6)： 锥浓密机压粑分析.北京科技大学学报，2013,35(12)： 676) 1553) [7]Wang Y,Wu A X,Wang H J,et al.Dynamic thickening charac- [16]Diaz-Zorita M.Effect of deep-tillage and nitrogen fertilization in- teristics and mathematical model of total tailings.Rock Soil Mech, teractions on dryland corn (Zea mays L)productivity.Soil Till 2014,35(Suppl2):168 Res,2000.54(1-2):11 (王勇，吴爱祥样，王洪江，等.全尾膏体动态压密特性及其数 [17]Li S,Wang X M.Fly-ash-based magnetic coagulant for rapid 学模型.岩土力学，2014,35（增刊2）：168) sedimentation of electronegative slimes and ultrafine tailings. [8]Zhai Y G,Wu A X,Wang HJ,et al.Threshold mass fraction of Pouder Technol,2016,303:20 unclassified-tailings paste for backfill mining.Unig Sci Technol [18]Zhou Z W,Scales P J,Boger D V.Chemical and physical con- Bemg,2011,33(7):795 trol of the rheology of concentrated metal oxide suspensions. (翟永刚，吴爱样，王洪江，等.全尾砂膏体充填临界质量分 Chem Eng Sci,2001,56(9):2901 数.北京科技大学学报，2011,33(7)：795) [19]Jiao HZ,Wang H J,Wu A X,et al.Rule and mechanism of [9]Wang H J,Wang Y,Wu A X,et al.Dynamic compaction and flocculation sedimentation of unclassified tailings.J Univ Sci static compaction mechanism of fine unclassified tailings.J Univ Technol Beijing,2010,32(6):702 Sci Technol Beijing,2013,35(5):566 (焦华枯，王洪江，吴爱祥，等.全尾砂絮凝沉降规律及其机 (王洪江，王勇，吴爱祥，等.细粒全尾动态压密与静态压密 理.北京科技大学学报，2010,32(6)：702) 机理.北京科技大学学报，2013,35(5)：566) [20]Chen H.Research on Underflow Concentration Influence Factors [10]Banfill P F G.The rheology of fresh mortar.Mag Concrete Res, of the Deep-cone Thickener and Its Relationship with Mud Height 1991,43(154):13 Dissertation).Beijing:University of Science and Technology [11]Huynh L,Beattie D A,Fomasiero D,et al.Effect of polyphos- Beijing,2016 phate and naphthalene sulfonate formaldehyde condensate on the (陈辉.浓密机底流浓度影响因素及其与泥层高度的关系 theological properties of dewatered tailings and cemented paste [学位论文].北京：北京科技大学，2016)
杨柳华等: 基于循环系统的膏体浓密机底流调控及其数学模型 (王勇, 王洪江, 吴爱祥. 基于高径比的深锥浓密机底流浓度 数学模型. 武汉理工大学学报, 2011, 33(8): 113) [4] Reid C, B佴caert V, Aubertin M, et al. Life cycle assessment of mine tailings management in Canada. J Clean Prod, 2009, 17 (4): 471 [5] Wu A X, Jiao H Z, Wang H J, et al. Mechanical model of scrap鄄 er rake torque in deep鄄cone thickener. J Cent South Univ Sci Tech鄄 nol, 2012, 43(4): 1469 (吴爱祥, 焦华喆, 王洪江, 等. 深锥浓密机搅拌刮泥耙扭矩 力学模型. 中南大学学报 ( 自然科学版), 2012, 43 ( 4 ): 1469) [6] Wang H J, Chen Q R, Wu A X, et al. Study on the thickening properties of unclassified tailings and its application to thickener design. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(6): 676 (王洪江, 陈琴瑞, 吴爱祥, 等. 全尾砂浓密特性研究及其在 浓密机设计中的应用. 北京科技大学学报, 2011, 33 (6 ): 676) [7] Wang Y, Wu A X, Wang H J, et al. Dynamic thickening charac鄄 teristics and mathematical model of total tailings. Rock Soil Mech, 2014, 35(Suppl 2): 168 (王勇, 吴爱祥, 王洪江, 等. 全尾膏体动态压密特性及其数 学模型. 岩土力学, 2014, 35(增刊 2): 168) [8] Zhai Y G, Wu A X, Wang H J, et al. Threshold mass fraction of unclassified鄄tailings paste for backfill mining. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(7): 795 (翟永刚, 吴爱祥, 王洪江, 等. 全尾砂膏体充填临界质量分 数. 北京科技大学学报, 2011, 33(7): 795) [9] Wang H J, Wang Y, Wu A X, et al. Dynamic compaction and static compaction mechanism of fine unclassified tailings. J Univ Sci Technol Beijing, 2013, 35(5): 566 (王洪江, 王勇, 吴爱祥, 等. 细粒全尾动态压密与静态压密 机理. 北京科技大学学报, 2013, 35(5): 566) [10] Banfill P F G. The rheology of fresh mortar. Mag Concrete Res, 1991, 43(154): 13 [11] Huynh L, Beattie D A, Fornasiero D, et al. Effect of polyphos鄄 phate and naphthalene sulfonate formaldehyde condensate on the rheological properties of dewatered tailings and cemented paste backfill. Miner Eng, 2006, 19(1): 28 [12] Mangiafico S, Sauz佴at C, Di Benedetto H, et al. Quantification of biasing effects during fatigue tests on asphalt mixes: non鄄line鄄 arity, self鄄heating and thixotropy. Road Mater Pavement Des, 2015, 16(Suppl 2): 73 [13] Coussot P, Nguyen Q D, Huynh H T, et al. Avalanche behavior in yield stress fluids. Phys Rev Lett, 2002, 88(17): 175501 [14] Roussel N, Le Roy R, Coussot P. Thixotropy modelling at local and macroscopic scales. J Non鄄Newton Fluid Mech, 2004, 117 (2鄄3): 85 [15] Li H, Wang H J, Wu A X, et al. Pressure rake analysis of deep cone thickeners based on tailings 爷 settlement and rheological characteristics. J Univ Sci Technol Beijing, 2013, 35 ( 12 ): 1553 (李辉, 王洪江, 吴爱祥, 等. 基于尾砂沉降与流变特性的深 锥浓密机压耙分析. 北京科技大学学报, 2013, 35 ( 12 ): 1553) [16] D侏az鄄Zorita M. Effect of deep鄄tillage and nitrogen fertilization in鄄 teractions on dryland corn (Zea mays L. ) productivity. Soil Till Res, 2000, 54(1鄄2): 11 [17] Li S, Wang X M. Fly鄄ash鄄based magnetic coagulant for rapid sedimentation of electronegative slimes and ultrafine tailings. Powder Technol, 2016, 303: 20 [18] Zhou Z W, Scales P J, Boger D V. Chemical and physical con鄄 trol of the rheology of concentrated metal oxide suspensions. Chem Eng Sci, 2001, 56(9): 2901 [19] Jiao H Z, Wang H J, Wu A X, et al. Rule and mechanism of flocculation sedimentation of unclassified tailings. J Univ Sci Technol Beijing, 2010, 32(6): 702 (焦华喆, 王洪江, 吴爱祥, 等. 全尾砂絮凝沉降规律及其机 理. 北京科技大学学报, 2010, 32(6): 702) [20] Chen H. Research on Underflow Concentration Influence Factors of the Deep鄄cone Thickener and Its Relationship with Mud Height [Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2016 (陈辉. 浓密机底流浓度影响因素及其与泥层高度的关系 [学位论文]. 北京: 北京科技大学, 2016) ·1511·