精礦流態(tài)化

試驗所用鐵精礦產(chǎn)自加拿大，由上海出入境檢驗檢疫局提供。顆粒級配為：顆粒直徑>0．50mm的占7．2%，>0．25～0．50mm的占32．6%，>0．10～0．25mm 的占48．4%．鐵精礦顆粒大小屬于細(xì)砂范疇，利用巖土力學(xué)試驗方法，將其作為一種特殊材料，研究鐵精礦在水平循環(huán)荷載下的流態(tài)化機(jī)理。

入境檢驗檢疫局利用流盤試驗法測鐵精礦的適運水分限量（TML）時，流盤振動臺的振動頻率為50次·min－1．實測資料表明，5．7萬噸級散貨船在五個艙均勻裝載時，艙內(nèi)鐵精礦的橫向加速度幅值范圍為0．15g～0．42g．根據(jù)周健等的研究表明，含水率是影響散裝鐵精礦流態(tài)化形成的關(guān)鍵因素，當(dāng)水分上升至礦體上表面時，表層礦水混合物呈流動狀態(tài)。

試驗振動頻率為1Hz，加速度為0．5g，試樣含水率為10%．試樣的制備采用分層濕搗法，均勻配置鐵精礦試樣，分八層進(jìn)行，控制每層試樣的相對密實度基本保持在同一數(shù)值，各層接觸面刮毛以保證上下接觸良好．試樣制備完成后鐵精礦表面鋪設(shè)濕毛巾，并靜置1h使鐵精礦的含水率保持充分均勻．在所有準(zhǔn)備工作完成后，開啟高速細(xì)觀攝像機(jī)采集細(xì)觀圖像，施加振動荷載．試驗最大振動周數(shù)為600次，確保鐵精礦模型試驗現(xiàn)象已穩(wěn)定 。

試驗在施加循環(huán)荷載時，試樣流態(tài)化前后的現(xiàn)象?？煽闯?，流態(tài)化現(xiàn)象的出現(xiàn)與水分遷移密切相關(guān)，其宏觀表現(xiàn)為礦粉孔隙減少，表層礦粉滑動，水分遷移和水液面上升以及自由液面形成．水分遷移始終貫穿整個流態(tài)化演化過程 。

近年來，在我國管轄水域發(fā)生了多起載運鐵精礦船舶傾覆事故，造成海上生命、財產(chǎn)重大損失。鐵精礦在海運中受風(fēng)浪振動作用時易發(fā)生水分析出至礦體表面，形成自由液面的現(xiàn)象，即流態(tài)化。

目前，國內(nèi)外關(guān)于鐵精礦流態(tài)化特性的試驗研究較少，大多數(shù)研究集中在鐵精礦貨物流動水分點（FMP）的測定和載運鐵精礦散貨發(fā)生事故的原因、危害及安全措施等經(jīng)驗控制兩個方面。周健等利用空心圓柱扭剪試驗，探討了鐵精礦的動力特性，并通過室內(nèi)振動臺試驗研究了鐵精礦流態(tài)化析出水的演化歷程，從宏觀角度探討不同因素對鐵精礦流態(tài)化特性的影響，并發(fā)現(xiàn)含水率是影響鐵精礦流態(tài)化的關(guān)鍵因素．眾所周知，對于由散粒狀介質(zhì)組成的顆粒集合體，外荷載作用下其微觀結(jié)構(gòu)的變化是引發(fā)其宏觀力學(xué)性狀的真正內(nèi)因。

利用室內(nèi)振動臺，研究了鐵精礦在動荷載作用下的流態(tài)化細(xì)觀機(jī)理．通過分析鐵精礦流態(tài)形成化過程中顆粒間及顆粒與水分間的相互作用，分析顆粒長軸方向、平均配位數(shù)、平面孔隙率等細(xì)觀組構(gòu)的演化規(guī)律，探討了鐵精礦流態(tài)化演化過程中細(xì)觀機(jī)理及其與宏觀現(xiàn)象間的聯(lián)系 。

船舶在海浪作用下的運動具有隨機(jī)性，若假定海浪是規(guī)則和穩(wěn)定的，那么船舶在海浪作用下的運動可認(rèn)為由簡諧運動組成，這將給分析研究帶來方便，且研究結(jié)果同樣具有參考價值。利用自主研發(fā)的室內(nèi)小型振動臺，對其施加水平簡諧循環(huán)荷載，來模擬載運過程中船舶受到海浪作用的水平橫搖。

水平振動臺采用曲柄滑塊裝置實現(xiàn)振動臺模型箱的水平往復(fù)簡諧振動，通過改變曲柄半徑大小來變換振動臺振幅，從而調(diào)節(jié)模型箱基底振動加速度。實際船運中，貨船船艙為剛性艙壁，故采用剛性模型箱能較好地模擬實際散貨船載運時鐵精礦的邊界條件．試驗中鐵精礦模型尺寸：長度為66cm，寬度為32cm，高度為40cm。

數(shù)據(jù)采集裝置由數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集、細(xì)觀圖像采集等部分組成，包括高精度數(shù)碼成像設(shè)備、高放大倍數(shù)數(shù)碼攝錄設(shè)備．?dāng)?shù)據(jù)采集裝置均固定在振動臺軌道上，與模型箱同步運動．細(xì)觀圖片與數(shù)據(jù)采集采用日本JAI公司CM－030GE－RA高速細(xì)觀攝像機(jī)，對距離模型箱底部30cm（z方向）、距離模型箱側(cè)壁33cm（x 方向）的鐵精礦局部區(qū)域進(jìn)行拍設(shè)，拍攝范圍為8mm×6mm，拍攝頻率為90幀·s－1 。

精礦流態(tài)化水分遷移的細(xì)觀規(guī)律

由鐵精礦流態(tài)化的宏觀規(guī)律分析可知，水分的遷移對鐵精礦的流態(tài)化發(fā)生至關(guān)重要．利用高速細(xì)觀攝像機(jī)采集的鐵精礦流態(tài)化演化過程中的細(xì)觀變化．細(xì)觀觀測位置為距離模型箱底部30cm、短邊側(cè)壁33cm 處，觀測范圍為6mm×8mm．通過對不同振次時鐵精礦細(xì)觀照片的直觀分析，研究散裝鐵精礦流態(tài)化演化過程中水分在鐵精礦顆粒間遷移運動的細(xì)觀規(guī)律。

試驗開始前，不同粒徑鐵精礦顆粒均勻分布，礦體相對比較松散，粒間孔隙體積較大，水分均勻分布在鐵精礦顆粒間孔隙中；振動開始后，礦體體積被壓縮，孔隙體積減小，孔隙中均勻分布的水分逐漸聚集，形成水膜裹附在鐵精礦顆粒表面；孔隙體積進(jìn)一步減小，顆粒表面的包裹水膜厚度增加，水分匯集連接成片，形成連續(xù)水體，觀測到鐵精礦孔隙體積明顯減??；隨著孔隙水分的進(jìn)一步析出，細(xì)觀觀測區(qū)域內(nèi)的鐵精礦水分含量增多，礦體飽和度增大，顆粒間作用力降低，觀測區(qū)域內(nèi)的連續(xù)水體與鐵精礦顆粒共同做水平往復(fù)運動。

振動至40振次時，細(xì)觀觀測區(qū)域內(nèi)的細(xì)顆粒含量明顯減少，顆粒間接觸緊密，觀測區(qū)域內(nèi)水分含量減少，這是因為水分在遷移過程中帶動細(xì)顆粒一起運動，細(xì)顆粒流失后礦體粒徑粗化；振動至60振次時，孔隙間析出水繼續(xù)遷移，析出水量逐漸減小，此時由宏觀觀測到的水液面已上升至細(xì)觀觀測區(qū)域的位置；振動至100振次時，析出水量逐漸減??；振動至600振次時，鐵精礦細(xì)顆粒嵌合在粗顆粒孔隙間，顆粒間咬合緊密，礦體孔隙體積很小，顆粒間剩余水分含量很少。

在縮尺條件下，散裝鐵精礦流態(tài)化形成的水分遷移細(xì)觀規(guī)律大致相同．在振動過程中，鐵精礦體積被壓縮；顆粒孔隙間水分被擠出并匯集成片，形成連續(xù)水體；水分在重力作用下向下遷移，其宏觀表現(xiàn)為形成水液面上升．同時孔隙水遷移帶動礦體中細(xì)顆粒運動，細(xì)顆粒填充了粗顆粒骨架之間的孔隙，進(jìn)一步促使孔隙體積減小，導(dǎo)致孔隙水分析出。

精礦流態(tài)化鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)

研究鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)的目的是通過對顆粒間相互作用的定量描述，在某種假設(shè)或力學(xué)原理的基礎(chǔ)上做出統(tǒng)計平均，建立鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)指標(biāo)與鐵精礦宏觀特性響應(yīng)間的關(guān)系．本文通過模型試驗對鐵精礦流態(tài)化形成過程中的宏觀現(xiàn)象和組構(gòu)參量之間的關(guān)系進(jìn)行了定性探討，嘗試從鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)的演化解釋鐵精礦流態(tài)化現(xiàn)象的細(xì)觀機(jī)制。

利用課題組自主開發(fā)的Geodip數(shù)字圖像處理軟件，對試驗過程中記錄的高清照片進(jìn)行處理，分析鐵精礦在循環(huán)荷載作用下顆粒細(xì)觀組構(gòu)變化，包括鐵精礦顆粒長軸方向，平均接觸數(shù)和平面孔隙率的變化等．通過對比在流態(tài)化形成過程中不同振次下鐵精礦顆粒的細(xì)觀組構(gòu)規(guī)律，探討鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的內(nèi)在機(jī)理。

（1）顆粒長軸方向

顆粒定向性的發(fā)展是流態(tài)化形成過程中鐵精礦顆粒重新排列的反映。不同振次時鐵精礦顆粒長軸方向演化的玫瑰圖，扇形大小反映顆粒長軸方向的角度頻數(shù)分布。

從長軸方向的演化來看，由于采用分層濕搗法進(jìn)行制樣，因此試樣的鐵精礦顆粒長軸方向分布相對比較均勻。振動初始，由于不規(guī)則形狀的鐵精。鐵精礦顆?？紫堕g水分不斷匯集形成連續(xù)水體，由于同時受到水平往復(fù)荷載和水流的作用，鐵精礦顆粒長軸主要分布在水平0°方向和豎直90°方向。隨著水平荷載的繼續(xù)施加，孔隙間水分?jǐn)y帶部分細(xì)顆粒趨于向礦體上層遷移，顆粒長軸明顯偏向于豎直方向發(fā)展。約至50振次時，鐵精礦顆粒間孔隙充分壓縮，粒間孔隙中的水分已充分析出，顆粒間殘存少量水分，水流作用減弱，原來受水流影響偏向豎向的顆粒長軸稍微向水平方向偏轉(zhuǎn)。至60振次時，細(xì)觀拍攝處的鐵精礦顆粒主要受到水平往復(fù)荷載的作用，顆粒的長軸繼續(xù)向水平方向發(fā)展，宏觀上的表現(xiàn)為水液面遷移至礦粉表面、流態(tài)化基本完成；待振動結(jié)束時，鐵精礦骨架相對穩(wěn)定，顆粒只是在原位附近輕微錯動和旋轉(zhuǎn)，并沒有明顯的顆粒滾動，長軸方向變化不大。

綜上所述，在鐵精礦流態(tài)化形成演化過程中，由于受到水平往復(fù)荷載和水流的綜合作用，顆粒長軸方向由初始的均勻分布變化到定向分布，并且偏向于豎直方向和水平方向．顆粒長軸方向的演化過程，反映了在流態(tài)化形成過程中鐵精礦顆粒的重新排列過程。

（2）平均接觸數(shù)

平均接觸數(shù)是指顆粒與周圍顆粒接觸的平均數(shù)目，用以分析顆粒運動和重新排列規(guī)律，其變化是顆粒受力變化的間接反映。

振動初期，鐵精礦體積輕微壓縮，鐵精礦顆粒平均接觸數(shù)略微增多；至10～20振次，顆粒間的運動使得鐵精礦平均接觸數(shù)略有下降，這表明顆粒間孔隙中水形成的水膜包裹了鐵精礦顆粒；至20～40振次，顆粒在水流和振動荷載的作用下，平均接觸數(shù)目上下波動；至40振次以后，鐵精礦顆粒的平均接觸數(shù)逐漸增大，這說明顆粒間孔隙壓縮充分，鐵精礦越來越密實。

總體而言，鐵精礦平均接觸數(shù)的總體趨勢是增大的，其反映的規(guī)律與鐵精礦孔隙率變化規(guī)律基本一致，即流態(tài)化演化過程中鐵精礦顆粒的運動使得鐵精礦總體發(fā)生壓縮，粒間孔隙中的水分得以擠出并向上遷移，這與宏觀流態(tài)化現(xiàn)象得到的結(jié)論一致。需指出，平均接觸數(shù)是通過統(tǒng)計顆粒與其周邊顆粒的平均接觸數(shù)來反映土體的緊密程度，其值并不是衡量顆粒間作用力的指標(biāo)．

（3）平面孔隙率

利用Geodip程序計算得到的顆?？紫堵孰S時間的變化曲線．需要說明的是，這里采用的平均孔隙率為平面孔隙率，而并非鐵精礦真實孔隙率。

水平荷載的施加，使得鐵精礦顆粒間孔隙發(fā)生壓縮，孔隙體積縮??；從振次10開始，平面孔隙率經(jīng)歷有升有降的波動，總的趨勢是減小的，這是由于鐵精礦顆粒受水平荷載和水流沖力的共同作用，顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)、錯動和移動，但顆粒孔隙仍被壓縮；至振次60以后，孔隙率基本不發(fā)生波動，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始值．總體而言，鐵精礦流態(tài)化形成過程中，孔隙率呈減小趨勢，在最初20振次內(nèi)尤為明顯，這與試樣總體發(fā)生壓縮的宏觀現(xiàn)象一致 。

（1）水分遷移是鐵精礦流態(tài)化形成的關(guān)鍵誘因，在振動過程中，水分首先在重力作用下向下遷移，形成水液面后，在動荷載作用下向礦體表面析出．同時，水分在遷移過程中帶動細(xì)顆粒隨水運動，細(xì)顆粒不斷填充粗顆粒間孔隙，造成孔隙體積減小，進(jìn)一步促使水分析出。

（2）細(xì)觀組構(gòu)特征反映了鐵精礦顆粒與水分相互作用規(guī)律．鐵精礦流態(tài)化形成過程中，顆粒受水分遷移和水平往復(fù)荷載共同作用，顆粒長軸方向由初始的均勻分布變化到定向分布，并且偏向于豎直方向和水平方向。

（3）細(xì)觀觀測區(qū)域的鐵精礦平面孔隙率隨振動次數(shù)的增加而逐漸減小，顆粒平均接觸數(shù)隨之增加．這表明流態(tài)化演化過程中鐵精礦顆粒的運動使得鐵精礦總體發(fā)生壓縮，則粒間孔隙中的水分得以擠出并在重力作用下向下遷移，形成連續(xù)水體，水液面向上遷移，與宏觀流態(tài)化現(xiàn)象得到的結(jié)論一致 。2100433B

每一個分選作業(yè)都可得出相應(yīng)的精礦，每一分選作業(yè)有兩種或兩種以上的產(chǎn)物，精礦是產(chǎn)物中有用成分含量最高的部分。原礦經(jīng)過預(yù)選或粗選作業(yè)，有用成分初步富集的產(chǎn)品稱作粗精礦。粗精礦需經(jīng)過精選作業(yè)才能得到合格的最終精礦。礦石中含有的兩種或兩種以上有用礦物，在選礦時被一起選出的精礦產(chǎn)品，稱作混合精礦。混合精礦中各種有用礦物或有用成分，在以后的分選作業(yè)或冶煉作業(yè)中進(jìn)行分離。選礦廠產(chǎn)出的最終成品稱作最終精礦。其礦物組成和化學(xué)成分(有用或有害成分)、粒度和含水量等均需滿足造塊、冶煉或其他工業(yè)利用的要求。

用途

鎢精礦是生產(chǎn)鎢鐵、APT（仲鎢酸銨）的主要原料。

產(chǎn)制

鎢砂從巖體中采出，經(jīng)粗碎、篩分及手選后，通常采用磁選、浮選以及重力、靜電、化學(xué)選礦等方法進(jìn)行精選，經(jīng)精選后，可得到含WO3為65%以上的鎢精礦成品。

質(zhì)量規(guī)格

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的黑、白鎢精礦的技術(shù)條件如下表

表： 鎢精礦質(zhì)量規(guī)格

檢驗標(biāo)準(zhǔn)

鎢精礦按照GB/T4414—84《包裝鎢精礦取樣、制樣 方法》和GB6150.1～6150.19—85《鎢精礦化學(xué)分析方法》進(jìn)行檢驗。

外觀

鉬精礦外觀為黑色或稍帶銀灰色極細(xì)粉末。

用途

其用途為浮選所得的鉬精礦，供生產(chǎn)氧化鉬、鉬鐵、鉬鹽等用。

包裝

出口鉬精礦的包裝，有以下兩種：①內(nèi)玻璃纖維袋，外麻袋、每袋 凈重50kg；②內(nèi)乳膠袋、外麻袋每袋凈重25～30kg或50kg。

檢驗標(biāo)準(zhǔn)

出口鉬精礦化學(xué)成分檢驗按照GB/T15079—94進(jìn)行。