王志凯等：超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 ·1319· 30 无超声波 25 20 50W超声波 10 图9尾砂浆流变试验设备 0 72 74 76 78 Fig.9 Rheological testing equipment of tailings slury 尾砂质量分数% 图11尾砂浆屈服应力对比 3.2超声对砂浆黏度的影响分析 Fig.11 Yield stress comparison of tailings slurry 采用20kHz,50W功率的超声对尾砂浆黏度影响 进行试验，尾砂浆质量分数为70%、72%、74%、76% 粒不同的界面处产生剪切力和定向作用力.这种定向 和78%，试验结果如图10所示 作用力可以使介质质点以其平衡位置为中心产生强烈 0.55 的机械振动.增加了尾砂颗粒之间的碰撞机会，使颗 无超声波 粒发生聚凝，继而由于颗粒变大而不能继续伴随超声 0.50 波振动而振动，最后颗粒在重力作用下加快了沉降，促 0.45 50W超声波 进了尾砂浆体的固一液分离.同时剪切力可以使分子 之间、不同介质之间的结合力减弱，改变了浆体的流变 0.40 特性，黏度与剪切应力随之降低，也促进了砂仓尾砂的 0.35 排砂 0.30 4.2超声波的空化效应 超声空化效应可以形成了微泡，并且在尾砂颗粒 0.25 70 74 76 78 表面上富集，伴随着气泡的破裂，能够产生局部很强的 尾砂质量分数% 冲击波，并在一定情况下产生带电的自由基.冲击波 图10尾砂浆黏度值对比 和自由基能够进而加速液固分离 Fig.10 Viscosity comparison of tailings slurry 4.3超声波的声流效应 从图10中可以看出，功率因素对砂浆黏度值的影 超声波在尾砂浆中传播时，与尾砂浆的黏性力 响相对较大.随着浓度的增大，功率超声的作用效果 相互作用，导致了振幅衰减，使尾砂浆体内形成了声 越来越强.当50W的超声波作用于质量分数为78% 压力梯度，从而促进了尾砂浆的流动.当声压幅值超 的尾砂浆体时，尾砂浆的黏度值为0.4169Pa·s,与无 过一定值时产生喷射流，喷射流在整个尾砂浆中形 超声作用的尾砂浆相比，黏度降幅为22.3%，超声波 成环流，从而产生声流现象.声流效应能促使流体产 可显著降低尾砂浆的黏度值. 生流动[4 3.3功率超声对砂浆屈服应力的影响分析 超声波的振动、声流效应可以在尾砂浆体中形成 试验采用20kHz,50W功率的超声对质量分数为 有效的搅动和流动，空化气泡对固体表面产生的强烈 70%、72%、74%、76%和78%的砂浆进行了测试，其 射流和局部微冲流，均可以降低尾砂浆体的黏度和屈 得到的屈服应力结果如图11所示. 服应力，破坏固一液界面的附面层，同时使浆体与砂仓 从图11中可以看出，功率超声对砂浆屈服应力具 仓壁之间的结合力减弱，改善砂浆在仓壁上沉积和板 有显著的减小效果.当功率为50W时，超声对质量分 结的情况，使砂仓仓壁上板结逐渐脱落. 数为78%砂浆屈服应力降幅达到了18%.因此，超声 5结论 波对砂浆屈服应力的减小具有良好的作用效果 (1)超声波换能器位置固定的情况下，在距离砂 4超声波作用下砂浆浓密及放砂机理研究 仓底部13.5cm处安装功率50W,频率20kHz的换能 4.1超声波的振动效应 器，在沉降20min后施加超声波，作用时间5min,能够 当超声波作用于尾砂浆体时，由于不同的介质中， 使沉降浓密时间最短为80min,最终沉降质量分数达 超声波传播速度也有所不同，速度差会在水和尾砂颗 到最大为77.5%.超声波对刚由干涉沉降转为浓密压王志凯等: 超声波作用下尾砂浆浓密沉降及放砂 图 9 尾砂浆流变试验设备 Fig. 9 Rheological testing equipment of tailings slurry 3郾 2 超声对砂浆黏度的影响分析 采用 20 kHz,50 W 功率的超声对尾砂浆黏度影响 进行试验,尾砂浆质量分数为 70% 、72% 、74% 、76% 和 78% ,试验结果如图 10 所示. 图 10 尾砂浆黏度值对比 Fig. 10 Viscosity comparison of tailings slurry 从图 10 中可以看出,功率因素对砂浆黏度值的影 响相对较大. 随着浓度的增大,功率超声的作用效果 越来越强. 当 50 W 的超声波作用于质量分数为 78% 的尾砂浆体时,尾砂浆的黏度值为 0郾 4169 Pa·s,与无 超声作用的尾砂浆相比,黏度降幅为 22郾 3% ,超声波 可显著降低尾砂浆的黏度值. 3郾 3 功率超声对砂浆屈服应力的影响分析 试验采用 20 kHz,50 W 功率的超声对质量分数为 70% 、72% 、74% 、76% 和 78% 的砂浆进行了测试,其 得到的屈服应力结果如图 11 所示. 从图 11 中可以看出,功率超声对砂浆屈服应力具 有显著的减小效果. 当功率为 50 W 时,超声对质量分 数为 78% 砂浆屈服应力降幅达到了 18% . 因此,超声 波对砂浆屈服应力的减小具有良好的作用效果. 4 超声波作用下砂浆浓密及放砂机理研究 4郾 1 超声波的振动效应 当超声波作用于尾砂浆体时,由于不同的介质中, 超声波传播速度也有所不同,速度差会在水和尾砂颗 图 11 尾砂浆屈服应力对比 Fig. 11 Yield stress comparison of tailings slurry 粒不同的界面处产生剪切力和定向作用力. 这种定向 作用力可以使介质质点以其平衡位置为中心产生强烈 的机械振动. 增加了尾砂颗粒之间的碰撞机会,使颗 粒发生聚凝,继而由于颗粒变大而不能继续伴随超声 波振动而振动,最后颗粒在重力作用下加快了沉降,促 进了尾砂浆体的固—液分离. 同时剪切力可以使分子 之间、不同介质之间的结合力减弱,改变了浆体的流变 特性,黏度与剪切应力随之降低,也促进了砂仓尾砂的 排砂. 4郾 2 超声波的空化效应 超声空化效应可以形成了微泡,并且在尾砂颗粒 表面上富集,伴随着气泡的破裂,能够产生局部很强的 冲击波,并在一定情况下产生带电的自由基. 冲击波 和自由基能够进而加速液固分离. 4郾 3 超声波的声流效应 超声波在尾砂浆中传播时,与尾砂浆的黏性力 相互作用,导致了振幅衰减,使尾砂浆体内形成了声 压力梯度,从而促进了尾砂浆的流动. 当声压幅值超 过一定值时产生喷射流,喷射流在整个尾砂浆中形 成环流,从而产生声流现象. 声流效应能促使流体产 生流动[14] . 超声波的振动、声流效应可以在尾砂浆体中形成 有效的搅动和流动,空化气泡对固体表面产生的强烈 射流和局部微冲流,均可以降低尾砂浆体的黏度和屈 服应力,破坏固—液界面的附面层,同时使浆体与砂仓 仓壁之间的结合力减弱,改善砂浆在仓壁上沉积和板 结的情况,使砂仓仓壁上板结逐渐脱落. 5 结论 (1) 超声波换能器位置固定的情况下,在距离砂 仓底部 13郾 5 cm 处安装功率 50 W,频率 20 kHz 的换能 器,在沉降 20 min 后施加超声波,作用时间 5 min,能够 使沉降浓密时间最短为 80 min,最终沉降质量分数达 到最大为 77郾 5% . 超声波对刚由干涉沉降转为浓密压 ·1319·