精礦流態(tài)化試驗(yàn)設(shè)備

船舶在海浪作用下的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)可認(rèn)為由簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(jià)值。利用自主研發(fā)的室內(nèi)小型振動(dòng)臺(tái)，對(duì)其施加水平簡(jiǎn)諧循環(huán)荷載，來模擬載運(yùn)過程中船舶受到海浪作用的水平橫搖。

水平振動(dòng)臺(tái)采用曲柄滑塊裝置實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)模型箱的水平往復(fù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，通過改變曲柄半徑大小來變換振動(dòng)臺(tái)振幅，從而調(diào)節(jié)模型箱基底振動(dòng)加速度。實(shí)際船運(yùn)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(shí)際散貨船載運(yùn)時(shí)鐵精礦的邊界條件．試驗(yàn)中鐵精礦模型尺寸：長(zhǎng)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(dòng)臺(tái)軌道上，與模型箱同步運(yùn)動(dòng)．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(duì)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 。

近年來，在我國(guó)管轄水域發(fā)生了多起載運(yùn)鐵精礦船舶傾覆事故，造成海上生命、財(cái)產(chǎn)重大損失。鐵精礦在海運(yùn)中受風(fēng)浪振動(dòng)作用時(shí)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(guó)內(nèi)外關(guān)于鐵精礦流態(tài)化特性的試驗(yàn)研究較少，大多數(shù)研究集中在鐵精礦貨物流動(dòng)水分點(diǎn)（FMP）的測(cè)定和載運(yùn)鐵精礦散貨發(fā)生事故的原因、危害及安全措施等經(jīng)驗(yàn)控制兩個(gè)方面。周健等利用空心圓柱扭剪試驗(yàn)，探討了鐵精礦的動(dòng)力特性，并通過室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(dòng)臺(tái)，研究了鐵精礦在動(dòng)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(zhǎng)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 。

試驗(yàn)所用鐵精礦產(chǎn)自加拿大，由上海出入境檢驗(yàn)檢疫局提供。顆粒級(jí)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(yàn)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(yàn)檢疫局利用流盤試驗(yàn)法測(cè)鐵精礦的適運(yùn)水分限量（TML）時(shí)，流盤振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率為50次·min－1．實(shí)測(cè)資料表明，5．7萬噸級(jí)散貨船在五個(gè)艙均勻裝載時(shí)，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(shí)，表層礦水混合物呈流動(dòng)狀態(tài)。

試驗(yàn)振動(dòng)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(duì)密實(shí)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(dòng)荷載．試驗(yàn)最大振動(dòng)周數(shù)為600次，確保鐵精礦模型試驗(yàn)現(xiàn)象已穩(wěn)定 。

試驗(yàn)在施加循環(huán)荷載時(shí)，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(dòng)，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(gè)流態(tài)化演化過程 。

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(duì)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(cè)位置為距離模型箱底部30cm、短邊側(cè)壁33cm 處，觀測(cè)范圍為6mm×8mm．通過對(duì)不同振次時(shí)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(yùn)動(dòng)的細(xì)觀規(guī)律。

試驗(yàn)開始前，不同粒徑鐵精礦顆粒均勻分布，礦體相對(duì)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(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)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(yùn)動(dòng)。

振動(dòng)至40振次時(shí)，細(xì)觀觀測(cè)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(cè)區(qū)域內(nèi)水分含量減少，這是因?yàn)樗衷谶w移過程中帶動(dòng)細(xì)顆粒一起運(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒流失后礦體粒徑粗化；振動(dòng)至60振次時(shí)，孔隙間析出水繼續(xù)遷移，析出水量逐漸減小，此時(shí)由宏觀觀測(cè)到的水液面已上升至細(xì)觀觀測(cè)區(qū)域的位置；振動(dòng)至100振次時(shí)，析出水量逐漸減??；振動(dòng)至600振次時(shí)，鐵精礦細(xì)顆粒嵌合在粗顆?？紫堕g，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(dòng)過程中，鐵精礦體積被壓縮；顆?？紫堕g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(shí)孔隙水遷移帶動(dòng)礦體中細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(jì)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(yàn)對(duì)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(duì)試驗(yàn)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(zhǎng)軸方向，平均接觸數(shù)和平面孔隙率的變化等．通過對(duì)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(zhǎng)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(shí)鐵精礦顆粒長(zhǎng)軸方向演化的玫瑰圖，扇形大小反映顆粒長(zhǎng)軸方向的角度頻數(shù)分布。

從長(zhǎng)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(zhǎng)軸方向分布相對(duì)比較均勻。振動(dòng)初始，由于不規(guī)則形狀的鐵精。鐵精礦顆粒孔隙間水分不斷匯集形成連續(xù)水體，由于同時(shí)受到水平往復(fù)荷載和水流的作用，鐵精礦顆粒長(zhǎng)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(zhǎng)軸明顯偏向于豎直方向發(fā)展。約至50振次時(shí)，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(zhǎng)軸稍微向水平方向偏轉(zhuǎn)。至60振次時(shí)，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(zhǎng)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(dòng)結(jié)束時(shí)，鐵精礦骨架相對(duì)穩(wěn)定，顆粒只是在原位附近輕微錯(cuò)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，并沒有明顯的顆粒滾動(dòng)，長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)荷載的作用下，平均接觸數(shù)目上下波動(dòng)；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(shí)。

總體而言，鐵精礦平均接觸數(shù)的總體趨勢(shì)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(jì)算得到的顆?？紫堵孰S時(shí)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(shí)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，孔隙體積縮小；從振次10開始，平面孔隙率經(jīng)歷有升有降的波動(dòng)，總的趨勢(shì)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(cuò)動(dòng)和移動(dòng)，但顆?？紫度员粔嚎s；至振次60以后，孔隙率基本不發(fā)生波動(dòng)，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(shì)，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(dòng)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(dòng)荷載作用下向礦體表面析出．同時(shí)，水分在遷移過程中帶動(dòng)細(xì)顆粒隨水運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)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(cè)區(qū)域的鐵精礦平面孔隙率隨振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)被一起選出的精礦產(chǎn)品，稱作混合精礦?；旌暇V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(yàn)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(yàn)。

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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

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