·674 工程科学学报，第40卷，第6期 音体浓密机是尾矿高效脱水的关键设备，以重 D 力浓密理论为基础的膏体浓密过程可分为絮凝沉降 及压缩浓密两个阶段口，耙架剪切作用直接影响浓 密机压缩浓密阶段的泥床尾砂絮网结构脱水程度和 速度，决定浓密机底流浓度回.浓密机扭矩过低，容 易产生压耙、鼠洞现象，而扭矩过高，则可能产生泥 圈、底流浓度低等问题司，因此耙架扭矩是影响音 体浓密机高效脱水效果的关键因素 基于物理试验模型或CFD数值模型，现有研究 主要集中于耙架转速和尺寸对附着在浓密机底部尾 砂料浆的耙运效率日，耙刀在刮泥耙上不同安装角 度时对固体颗粒的脱水效率，螺旋状耙架对泥床 料浆的剪切脱水效果因，以及耙架剪切脱水效果的 图1深锥浓密机耙架示意图 计算模型，但模型普适性较差m,而且计算模型没 Fig.I Schematic diagram of thickener rake 有考虑泥床的非牛顿体特征.近年来，已有学者对 泥床料浆浓度与距底端的高度之间的函数关系，确 料浆初始剪切应力急剧上升导致浓密机压耙现象进 定相应高度水平的料浆初始剪切应力，进而改进了 行了研究，但未对料浆流变性变化与扭矩的关系进 文献0]提出耙架的扭矩模型计算精度 行定量分析阁；展开了导水杆数量和排列方式影响 导水通道形成和连通度，进而决定尾砂底流浓度的 1.1耙架剪切作用区域的泥床料浆浓度 研究，但未建立模型进行力学解释回：基于流变学 尾砂在浓密机脱水的过程可分澄清区、稀释区、 和散体力学，提出了复杂结构耙子扭矩的计算模型， 干涉沉降区、压缩沉降区)，尾砂颗粒自由沉降进 揭示了深锥浓密机压耙的力学原因，但计算模型未 入干涉沉降区后，重力作用使得颗粒继续沉降，颗粒 考虑泥床上部料浆重力对耙底扭矩的影响@.本 间距减小，固体质量分数高于凝胶点固体质量分数 文针对深锥浓密机絮凝网络结构特征和高浓度料浆 中。的料浆开始形成絮网结构泥床0，泥床高度为 的初始剪切应力变化规律，提出了扭矩的计算模型， H.通过干涉沉降区的尾砂颗粒进入压缩浓密区， 并结合某铅锌矿膏体浓密机运行情况进行了验证. 压缩浓密区顶部距离浓密机底部的高度为H。,对应 此处料浆固体质量分数为中。·耙架剪切作用破坏泥 扭矩模型的建立 床絮网结构，使得絮团尺寸降低，絮网孔隙水排出， 音体浓密机耙架由中心传动轴、水平横梁、导水 尾砂颗粒进一步脱水至底流固体质量分数中。· 杆以及刮泥耙组成。水平横梁用于固定竖直导水杆 在浓密机垂直方向不同高度h区域内，料浆固 和刮泥耙，耙刀则安装于刮泥耙底部，耙架结构如图 体质量分数C上升幅度不同的.在耙架剪切作用 1所示.图中D为耙架水平横梁长度，H为耙架水 区域料浆浓度与泥床高度呈近似线性关系，但在料 平横梁距浓密机底端的高度，L为刮泥耙斜长，0为 浆高度位置h高于凝胶点高度H。的区域内，料浆固 浓密机锥角，d,~d。为导水杆直径，h,~hs为导水 体质量分数C上升幅度大，而在料浆高度位置h低 杆长度，1~6为导水杆距离中心传动轴的水平 于凝胶点高度H。的区域内，料浆固体质量分数上升 距离. 幅度小回 导水杆在压缩脱水过程中对矿浆进行搅拌，破 假设料浆固体质量分数与泥床高度呈近似线性 坏了料浆浓相层的平衡状态，在浓相层中制造出一 关系，k。为两者相关系数，将料浆固体质量分数C 个低压区域，这些低压区域就成了导水通道，导水通 与泥床高度h进行积分处理，得到耙架剪切作用区 道的形成大大提高了泥床压缩脱水效率.而刮 任意高度的料浆固体质量分数为： 泥耙则具有将底部沉积的高浓度尾砂耙运至底流排 C=中e h=H 放口，刮除浓密机底部固结泥层的作用网、由此可 dC=k。dh,Φ。<C<Φ.，0<h<h。(1) 见，耙架是保证浓密机高效脱水和正常运行的重要 C=φ.， h=0 部件，耙架扭矩直接影响浓密机脱水速率和底流浓 由于k。在h≤H.和h>H.两个区域的值不相 度.本文针对浓密机泥床料浆的非均质体特征，以 同，通过料浆高度h位置与凝胶点高度H。的关系，工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 膏体浓密机是尾矿高效脱水的关键设备，以重 力浓密理论为基础的膏体浓密过程可分为絮凝沉降 及压缩浓密两个阶段［1］，耙架剪切作用直接影响浓 密机压缩浓密阶段的泥床尾砂絮网结构脱水程度和 速度，决定浓密机底流浓度［2］． 浓密机扭矩过低，容 易产生压耙、鼠洞现象，而扭矩过高，则可能产生泥 圈、底流浓度低等问题［3］，因此耙架扭矩是影响膏 体浓密机高效脱水效果的关键因素． 基于物理试验模型或 CFD 数值模型，现有研究 主要集中于耙架转速和尺寸对附着在浓密机底部尾 砂料浆的耙运效率［4］，耙刀在刮泥耙上不同安装角 度时对固体颗粒的脱水效率［5］，螺旋状耙架对泥床 料浆的剪切脱水效果［6］，以及耙架剪切脱水效果的 计算模型，但模型普适性较差［7］，而且计算模型没 有考虑泥床的非牛顿体特征． 近年来，已有学者对 料浆初始剪切应力急剧上升导致浓密机压耙现象进 行了研究，但未对料浆流变性变化与扭矩的关系进 行定量分析［8］; 展开了导水杆数量和排列方式影响 导水通道形成和连通度，进而决定尾砂底流浓度的 研究，但未建立模型进行力学解释［9］; 基于流变学 和散体力学，提出了复杂结构耙子扭矩的计算模型， 揭示了深锥浓密机压耙的力学原因，但计算模型未 考虑泥床上部料浆重力对耙底扭矩的影响［10］． 本 文针对深锥浓密机絮凝网络结构特征和高浓度料浆 的初始剪切应力变化规律，提出了扭矩的计算模型， 并结合某铅锌矿膏体浓密机运行情况进行了验证． 1 扭矩模型的建立 膏体浓密机耙架由中心传动轴、水平横梁、导水 杆以及刮泥耙组成． 水平横梁用于固定竖直导水杆 和刮泥耙，耙刀则安装于刮泥耙底部，耙架结构如图 1 所示． 图中 D 为耙架水平横梁长度，H 为耙架水 平横梁距浓密机底端的高度，L 为刮泥耙斜长，θ 为 浓密机锥角，d1 ～ d6 为导水杆直径，h1 ～ h6 为导水 杆长度，r1 ～ r6 为导水杆距离中心传动轴的水平 距离． 导水杆在压缩脱水过程中对矿浆进行搅拌，破 坏了料浆浓相层的平衡状态，在浓相层中制造出一 个低压区域，这些低压区域就成了导水通道，导水通 道的形成大大提高了泥床压缩脱水效率［11］． 而刮 泥耙则具有将底部沉积的高浓度尾砂耙运至底流排 放口，刮除浓密机底部固结泥层的作用［12］． 由此可 见，耙架是保证浓密机高效脱水和正常运行的重要 部件，耙架扭矩直接影响浓密机脱水速率和底流浓 度． 本文针对浓密机泥床料浆的非均质体特征，以 图 1 深锥浓密机耙架示意图 Fig． 1 Schematic diagram of thickener rake 泥床料浆浓度与距底端的高度之间的函数关系，确 定相应高度水平的料浆初始剪切应力，进而改进了 文献［10］提出耙架的扭矩模型计算精度． 1. 1 耙架剪切作用区域的泥床料浆浓度 尾砂在浓密机脱水的过程可分澄清区、稀释区、 干涉沉降区、压缩沉降区［13］，尾砂颗粒自由沉降进 入干涉沉降区后，重力作用使得颗粒继续沉降，颗粒 间距减小，固体质量分数高于凝胶点固体质量分数 g 的料浆开始形成絮网结构泥床［14］，泥床高度为 Hs． 通过干涉沉降区的尾砂颗粒进入压缩浓密区， 压缩浓密区顶部距离浓密机底部的高度为 Hc，对应 此处料浆固体质量分数为 c ． 耙架剪切作用破坏泥 床絮网结构，使得絮团尺寸降低，絮网孔隙水排出， 尾砂颗粒进一步脱水至底流固体质量分数 u ． 在浓密机垂直方向不同高度 h 区域内，料浆固 体质量分数 C 上升幅度不同［15］． 在耙架剪切作用 区域料浆浓度与泥床高度呈近似线性关系，但在料 浆高度位置 h 高于凝胶点高度 Hg 的区域内，料浆固 体质量分数 C 上升幅度大，而在料浆高度位置 h 低 于凝胶点高度 Hg 的区域内，料浆固体质量分数上升 幅度小［2］． 假设料浆固体质量分数与泥床高度呈近似线性 关系，kc 为两者相关系数，将料浆固体质量分数 C 与泥床高度 h 进行积分处理，得到耙架剪切作用区 任意高度的料浆固体质量分数为: dC = kc ∫ dh， C = c， h = Hc c ＜ C ＜ u， 0 ＜ h ＜ hc {C = u， h = 0 ( 1) 由于 kc 在 h≤Hg 和 h ＞ Hg 两个区域的值不相 同，通过料浆高度 h 位置与凝胶点高度 Hg 的关系， · 476 ·