周旭等：基于FBRM和PVM技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 1427 尺寸的浓密机模型需耗费大量算力 浓密实验柱和耙架转动控制器后，将ParticleTrack 采用是聚焦光束反射测量(Focused beam G4O0型FBRM探头，Particle view V19型PVM探 reflectance measurement,,FBRM)技术和颗粒录像显 头安装到1、2位置，分别距离浓密机底部的垂直 微镜(Particle video microscope.,PVM)技术实现浓 高度为10和20cm.实验浓密机耙架尺寸和传感 密过程絮团的在线观测，是解决上述取样和观测 器安装示意如图2 难题的有效途径之一.FBRM可在原位条件下，在 线追踪颗粒和液滴的变化情况，实时反映颗粒的 Rake motor 弦长值（通常视为粒径）和颗粒数量、分布特征等 信息，消除了取样和制样带来的负面影响.PVM 具备自动照明和在线获取高分辨率的颗粒图像功 Overflow 能，可实现颗粒粒径和浓度的实时变化本文基 Polymer 1 holding Rake Peristaltic 于金属矿尾砂音体浓密室内实验装置，通过FBRM tank pump Interface 系统和，对浓密过程絮团状态的连续监测和在线 of mud bed 原位监测，分析絮团直径和分布情况，结合图像分 Polymer 析对絮团密实化过程的结构特征进行研究 Water Tailings VM 1实验系统及实验材料 FBRM 1.1实验材料 2 Peristaltic 实验尾矿来自于某铜矿，全尾砂密度平均为 Holding pump Underflow tank 2.72tm3.经粒径分析可知-200目粒径平均为 78%;-400目粒径平均为48.27%.由粒径分布曲线 图2实验系统示意图 Fig.2 Schematic of experimental system (图1)，可见全尾砂粒径分布均匀，适宜采用膏体 浓密机脱水制备高浓度尾矿料浆 保持尾砂料桶内尾砂浆均匀，絮凝剂溶液制 备后静置，开启尾矿和絮凝剂给料泵向装满清水 袋100 的浓密实验柱内注入尾矿料浆和絮凝剂溶液.待 80 泥层高度达到预设值后停止给料，开启底流循环 60 泵使料浆在实验浓密柱内重新达到均匀分布状态， 40 调整耙架转速并开启监测FBRM和PVM系统. 2分析方法 0.1 10 100 1000 Particle diameter/um 絮团直径是絮团强度在剪切作用下的宏观体 图1全尾砂粒径分布曲线 现，絮团结构表征絮团内部链接键数量、强度和链 Fig.1 Particle size distribution of tailings 接方式，直接关系着絮团强度阿絮团强度是指絮 1.2实验方案 团所能承受的最大外部作用力，由基本颗粒之间 尾砂浓密系统由浓密机实验柱、搅拌装置组 的相互作用力、固体体积分数和基本颗粒尺寸，以 成.浓密实验柱直径为20cm、高度为100cm,在 及基本颗粒在絮团中排列方式所决定.絮团强度 垂直方向每隔20cm设有一个取样口.搅拌装置 决定了絮团破裂程度，当絮团受到的外部力大于 由电机、电机控制系统及耙架组成，实现了耙架转 此值时，絮团即会发生破碎生成小絮团倒.由于絮 速的精准控制.尾砂浓密系统实现了尾砂的动态 团直径d是絮团凝聚力J和动态能量耗散率ε的函 浓密、耙架转速控制，还原工业浓密机的运行状态 数，如式(1)所示，可知在不同剪切速率G条件下， 实验以耙架剪切速度、剪切时间和初始泥层 絮团直径（最大稳定絮团直径dmax或平均絮团直径 高度实验因素，耙架剪切速度设置为0,0.1,1和 davg)可由式(2)进行描述6 10rmin,泥层高度为75,45和25cm.首先将全尾 d=d(J,s) (1) 砂加入适量清水，配置固体质量分数为15%的全 davg/max-Cavg//max =Cavg/maxG-2Yavgl max 尾砂料浆，另配置15gt的絮凝剂溶液待用.组装 (2)尺寸的浓密机模型需耗费大量算力. 采 用 是 聚 焦 光 束 反 射 测 量 （ Focused  beam reflectance measurement，FBRM）技术和颗粒录像显 微镜（Particle video microscope，PVM）技术实现浓 密过程絮团的在线观测，是解决上述取样和观测 难题的有效途径之一. FBRM 可在原位条件下，在 线追踪颗粒和液滴的变化情况，实时反映颗粒的 弦长值（通常视为粒径）和颗粒数量、分布特征等 信息，消除了取样和制样带来的负面影响. PVM 具备自动照明和在线获取高分辨率的颗粒图像功 能，可实现颗粒粒径和浓度的实时变化[14] . 本文基 于金属矿尾砂膏体浓密室内实验装置，通过 FBRM 系统和，对浓密过程絮团状态的连续监测和在线 原位监测，分析絮团直径和分布情况，结合图像分 析对絮团密实化过程的结构特征进行研究. 1    实验系统及实验材料 1.1    实验材料 实验尾矿来自于某铜矿，全尾砂密度平均为 2.72 t·m−3 . 经粒径分析可知−200 目粒径平均为 78%；−400 目粒径平均为 48.27%. 由粒径分布曲线 （图 1），可见全尾砂粒径分布均匀，适宜采用膏体 浓密机脱水制备高浓度尾矿料浆. 100 80 60 40 20 Accumulated proportion/ 0 % Particle diameter/μm 0.1 1 10 100 1000 图 1    全尾砂粒径分布曲线 Fig.1    Particle size distribution of tailings 1.2    实验方案 尾砂浓密系统由浓密机实验柱、搅拌装置组 成. 浓密实验柱直径为 20 cm、高度为 100 cm，在 垂直方向每隔 20 cm 设有一个取样口. 搅拌装置 由电机、电机控制系统及耙架组成，实现了耙架转 速的精准控制. 尾砂浓密系统实现了尾砂的动态 浓密、耙架转速控制，还原工业浓密机的运行状态. 实验以耙架剪切速度、剪切时间和初始泥层 高度实验因素，耙架剪切速度设置为 0，0.1，1 和 10 r·min−1，泥层高度为 75，45 和 25 cm. 首先将全尾 砂加入适量清水，配置固体质量分数为 15% 的全 尾砂料浆，另配置 15 g·t−1 的絮凝剂溶液待用. 组装 浓密实验柱和耙架转动控制器后，将 ParticleTrack G400 型 FBRM 探头 ， Particle  view  V19 型 PVM 探 头安装到 1 #、2 #位置，分别距离浓密机底部的垂直 高度为 10 和 20 cm. 实验浓密机耙架尺寸和传感 器安装示意如图 2. Holding tank Polymer holding tank 2 # Peristaltic pump 1 # Peristaltic pump Rake motor Overflow Underflow 2 # 1 # Polymer Tailings Water PVM FBRM Rake Interface of mud bed 图 2    实验系统示意图 Fig.2    Schematic of experimental system 保持尾砂料桶内尾砂浆均匀，絮凝剂溶液制 备后静置，开启尾矿和絮凝剂给料泵向装满清水 的浓密实验柱内注入尾矿料浆和絮凝剂溶液. 待 泥层高度达到预设值后停止给料，开启底流循环 泵使料浆在实验浓密柱内重新达到均匀分布状态， 调整耙架转速并开启监测 FBRM 和 PVM 系统. 2    分析方法 d J ε dmax davg 絮团直径是絮团强度在剪切作用下的宏观体 现，絮团结构表征絮团内部链接键数量、强度和链 接方式，直接关系着絮团强度[15] . 絮团强度是指絮 团所能承受的最大外部作用力，由基本颗粒之间 的相互作用力、固体体积分数和基本颗粒尺寸，以 及基本颗粒在絮团中排列方式所决定. 絮团强度 决定了絮团破裂程度，当絮团受到的外部力大于 此值时，絮团即会发生破碎生成小絮团[3] . 由于絮 团直径 是絮团凝聚力 和动态能量耗散率 的函 数，如式（1）所示, 可知在不同剪切速率 G 条件下， 絮团直径（最大稳定絮团直径 或平均絮团直径 ）可由式（2）进行描述[16] . d = d (J,ε) （1） davg/max = Cavg/max · ε −γavg/max = Cavg/max ·G −2γavg/max （2） 周    旭等： 基于 FBRM 和 PVM 技术的尾矿浓密过程絮团演化规律 · 1427 ·