漿體管道水力輸送臨界不淤流速的確定.docx

1、有色礦冶1991年（第3期）19-漿體管道水力輸送臨界不淤流速的確定西北水利科學(xué)研究所王敬昌陳天雷提要本攵敘述金屬礦帶礦初犀伊漿本宥）11水力播送中的仃要阿回是湎定漿陣的臨齊不淤,，速，其也應(yīng)的是否合理，不用巳響苗道輸送能沮的消耗，而且關(guān)扳共瑜送M建的安全運(yùn)行.正碰選擇臨界流速的計(jì)算，擇表左'匕觀律，具有堂要X?義.一、前言近兒十年來，國(guó)內(nèi)外數(shù)十家單位提出許多公式計(jì)算、預(yù)測(cè)臨界不淤流速，隨著工業(yè)漿體管道水力輸送的發(fā)展和研究工作的深入，發(fā)現(xiàn)這些公式存在著許多不足之處，如未能反映漿體流變特性的影響、需要采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、計(jì)算精度差和不具通用性等。鑒于此，國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)單位仍采用環(huán)管試驗(yàn)的辦法來

2、取得臨界流速這一設(shè)計(jì)參數(shù)。如所周知，環(huán)管試驗(yàn)不僅工作量大、費(fèi)用高，而且由于受設(shè)備儀器等條件的影響，有時(shí)難于做環(huán)管試驗(yàn)。因此運(yùn)用泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)及其成果，建立簡(jiǎn)單、實(shí)我國(guó)幾個(gè)選礦廠磨機(jī)實(shí)際充填系數(shù)與計(jì)算結(jié)果表1表中轉(zhuǎn)速幸汁牌時(shí)扣除河枳的唳度.廠礦名花'費(fèi)機(jī)規(guī)格DxL（mm）.轉(zhuǎn)述宰（%）元羹系數(shù)（%）憲際炬1計(jì)算值偏整新寶力格選廠MQG1500X300078.5033333366+0.33折宅力惜選LMQG2100X300077.003T.C437.47+0.43某選礦廠MQG3200X460075.9042.3239.48-2.84渾江紅石鋼廠MQY2700X360081.0047.084

3、6.36I-0.72南芬選廠MQY3200X310073.5039.1235.55-3.57810000-L中-n<VJ四、結(jié)語在磨礦過程中，無論磨桃半徑多大.轉(zhuǎn)速多高（小于臨界轉(zhuǎn)速）介質(zhì)拋落式運(yùn)動(dòng)軌跡的臨界拋起極角是73F4，,拋起極角小于該值，介質(zhì)拋落式運(yùn)動(dòng)的軌跡互不影響,反之，拋落式運(yùn)動(dòng)軌跡相互影響°磨機(jī)介質(zhì)最隹充填系數(shù)計(jì)算式：amaxsin22<tai+（k一2a）sin2a）da適用于中等轉(zhuǎn)速率磨機(jī)的介質(zhì)充填系數(shù)計(jì)算.其計(jì)算值與實(shí)際相吻合。因此，在選擇中等轉(zhuǎn)速率磨機(jī)的適宜充填系地肘可應(yīng)用該式直接計(jì)算求得。.用、能反映漿體力學(xué)特性的物理模式來確定漿體管道臨界不淤流

4、速是十分必要的。二、模式的建立管內(nèi)底部有少量粗顆?；七\(yùn)動(dòng)時(shí)的管內(nèi)平均流速一般定義為管道臨界不淤流速，其測(cè)量方法為目測(cè)法和電測(cè)法，前者是在管道上安裝有機(jī)玻璃窗,'祥人工觀察來判斷后者是用一對(duì)電極測(cè)量傍底電阻的變化來判斷：兩種方法均是以管底濃度的改變?yōu)橐罁?jù)來判斷臨界不淤流速的。管底濃度的改變，表明管道垂直斷而濃度梯度有了改變，管道垂直斷面濃度梯度的大小不但與管道流速有關(guān)，而且也與漿體的物理特性有關(guān)。為了解在臨界不淤狀態(tài)時(shí)、管道垂直斷面濃度的變化情況，我們?cè)诠芨垌敳亢偷撞扛靼惭b了兩葉電極，用以測(cè)量管頂和管低兩處的濃度變化情況。經(jīng)多次試驗(yàn)，在臨界不淤條件下有S上/S下=sn(1)其中S上為管

5、道頂部接近管壁處漿體濃度；3Ku.y(1-y/ym)£=*BKueyma(1-a)S下為管道底部接近管壁處的漿體濃度jS為管道斷面漿體平均濃度3n>1且隨物料性質(zhì)不同而變化，這說明,在臨界不淤條件下，固休顆粒沿垂直斷面分布的梯度隨著漿體平均濃度的增大而降低。近些年.'的泥沙研究成果表明，在高濃度條件下，管道斷面的固體顆粒分布仍遵循擴(kuò)散定律，管流中的粗顆粒仍依靠紊動(dòng)擴(kuò)散作用而懸浮，因此泥沙擴(kuò)散方程對(duì)漿體管道來說仍成立，泥沙擴(kuò)散方程為dSy£+coSy=0(2,)其中Sy一一Y處漿體體積比濃度，y一一由管底算起的高度，£一一顆粒交換系數(shù)，顆粒的沉速對(duì)于E

6、,般是假定E與動(dòng)扯交換系數(shù)Em成正比B為比例系數(shù)，0=11.5。從文獻(xiàn)認(rèn)為，在管道斷面，的分布應(yīng)如圖lc對(duì)于管道F半斷面<y<aym<3)aym<y<yra圖1、動(dòng)交換系數(shù)£“，的垂向分布為一參數(shù)，范圍為0.70.97。考慮到上半斷面的卡門常數(shù)k,較下半斷面的略大，令k，=,這樣上半斷面£的表達(dá)式為kU.y：（1一y】/ymQKU.ymia（1-a）<Y】<ays式中ynu為最大流速點(diǎn)距管頂?shù)木嚯x.把式（3）、<4）分別代入（2式租分，并近似取yn“=ym.可得管道斷面上，下部濃度分布為-aZYni-|-=（ym-y）/yzG

7、yMnymSh為參考高旅ya/2處的漿體濃度，Zym-ATz（1+a）Jym-ATz（1+a）J分別令y=2ym-A-y-A代入（5）、（6）式，兩邊相比得>Z（J1a>exp（-.yZ）j根據(jù)（1）式有（1-a）-（1P,e<p<-l.a-Z）（ym-Z）-Z（1+'）aaA上式中a取0.8.a取0.62；=0.2,D=2ym化簡(jiǎn)后Ln（477.7XDi«8>。nLnsnku.令K=Skn則3=一kLS-U.Ln（477.7xD'.8）'（7>式是漿體在臨界不淤狀態(tài)時(shí)各水力，特征值之間的關(guān)系，合理的計(jì)算沉速和摩阻流速U.,

8、就可以求得臨界不淤流速值。三、3和U的確定管道中漿體的運(yùn)動(dòng)可以看成是較細(xì)顆粒組成的漿液挾帶粗顆粒礦沙的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流速減小時(shí)，紊動(dòng)強(qiáng)度則誠(chéng)弱，以細(xì)顆粒礦沙組成的漿液作為載休挾帶粗顆林礦沙的能力降低，粗顆粒礦沙最先分選沉向管底，以粗題粒礦沙沿管底滑動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)的臨界狀態(tài)便開始出現(xiàn)，因而影響臨界流速的主要因素是粗顆粒的分選程度，反映粗顆粒分選程度的參數(shù)是粗顆粒在漿液中的沉速，其沉速的計(jì)算目前還無理想的計(jì)算方法.一般是用群體沉速公式來計(jì)算3=3©（1S）7。）一在本文中定義為dm在清水中的沉速，S為漿體體積比濃度，具體計(jì)算時(shí)用顆粒沉降的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線試算求出CU*是漿體在臨界狀態(tài)時(shí)的摩

9、阻流速，U.=%/gRJm、R為管道的水力半徑，Jm為在臨界狀態(tài)下的漿體壓坡?lián)p失，Jm二人房，入為阻力系數(shù)，很顯然計(jì)算U.主要是得先確定人3文獻(xiàn)認(rèn)為，在懸浮狀態(tài)下，在紊流光滑區(qū)入與館諾數(shù)Rel的關(guān)系符合Blasias公式。在工業(yè)管道實(shí)際生產(chǎn)中的漿體流速也大都集中在這一區(qū)域.因此臨界流速也應(yīng)該在這一區(qū)域，由于礦沙和泥沙均屬于泥沙范疇，其漿體應(yīng)遵循共同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖2是通過系列專門安排的阻力試驗(yàn)所給出的含有粗顆粒泥沙漿體的人Rel關(guān)系，從圖2可以看出，不淤積點(diǎn)均勻分布在實(shí)線兩側(cè)，管底有淤積時(shí)點(diǎn)據(jù)偏離實(shí)線，其阻力系數(shù)明顯增大.隨著淤積程度的加重，淤積點(diǎn)偏離實(shí)線越多，且有較明顯的規(guī)律性，因此可以認(rèn)為剛

10、出現(xiàn)臨界淤積狀態(tài)時(shí)的入則應(yīng)接近圖2中的實(shí)線，作為近似處理，可將淤積點(diǎn)據(jù)的虛線與實(shí)線的交點(diǎn)A、B、C看作臨界狀態(tài)時(shí)的臨界點(diǎn)，即臨界狀態(tài)時(shí)臨界點(diǎn)的入值落在實(shí)線上。這樣，只要知道臨界狀態(tài)的Rel,則可以從光滑區(qū)的A-Rel關(guān)系求出臨界狀態(tài)時(shí)的人值'圖3、YsdpjK關(guān)系將3、U.代入（7）式得Ln(477.7"D»InSPmVcDRel=其中式中Vc臨界不淤流速、厘米/秒、小，一為d/沉速、厘米/秒.S漿體體積比濃度，D一管徑，厘米.Pm漿體密度.克/厘米3,TB一漿體極限剪應(yīng)力，達(dá)因/厘米2叮一漿體剛度系數(shù)，泊。用實(shí)測(cè)資料反求K值,發(fā)現(xiàn)K值只是Ys與dpj之積（YS一礦

11、沙比重，dpj一礦沙的平均粒徑.厘米）的函數(shù),其關(guān)系如圖3°<8）式中的k值可以從圖3確定。k值確定后，即可解出Vc值。四、公式的驗(yàn)證圖4、圖5是公式（8）的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較，除個(gè)別點(diǎn)據(jù)外，絕大多數(shù)珀臨界不淤流速VC計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較笊臨界不淤流速VC計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較（下轉(zhuǎn)50頁）50有色礦冶1991年（第3期）然，對(duì)界面乾切強(qiáng)度與表層或內(nèi)襯乾切強(qiáng)度相同時(shí)，不易從咬合界面斷開，從兩種靜塊樣品剪切斷裂特征結(jié)果無實(shí)美國(guó)止推軸承靜塊樣品，從其雙金屬界而卯切斷開機(jī)率較高。2、兩種澆鑄工藝對(duì)界面剪切強(qiáng)度的澆鑄工藝對(duì)靜塊雙金屬界面結(jié)合特征與其組織結(jié)構(gòu)有明顯影響，作者已評(píng)述了靜態(tài)和離心

12、濟(jì)鑄工藝對(duì)靜塊表層組織的影晌，顯然，茂心澆鑄過程中，導(dǎo)致表層與內(nèi)襯緊密結(jié)合，并在界面附近成合金層的過渡區(qū)，由此，減弱了界面的機(jī)械結(jié)合特點(diǎn)，而在界面兩側(cè)表層與內(nèi)襯中元毒有互相滲透的現(xiàn)象.提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)也完全證實(shí)國(guó)產(chǎn)止推軸承靜塊樣品，大部從表層內(nèi)剪切斷開，從界面和表層兩種剪切斷裂的斷口微觀形貌分析觀察，都說明剪切斷裂基本在表層內(nèi)，從圖4a、b國(guó)產(chǎn)靜塊界面的內(nèi)襯一側(cè)凹下填補(bǔ)合金斷口微觀形貌觀察出與表層內(nèi)斷裂的斷口微觀形貌相一致，這也說明喪心澆鑄的靜塊.（上接23頁點(diǎn)據(jù)與實(shí)測(cè)值基本符合。造成個(gè)別點(diǎn)據(jù)分散的原因，可能與流變參數(shù)值的精度以及判斷臨界狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)各家不一致有關(guān)。五、結(jié)語L、在實(shí)際生

13、產(chǎn)中，即使?jié){體粒度組成不變，由于受PH值等因素的影響，流變參數(shù)值變化仍很大，流變參數(shù)值又是影響臨界不淤流速的一個(gè)重要因素。公式（8）中包含有漿體流變參數(shù)，可以反映流變特性這一因素對(duì)臨界流速的影響，因此比其它公式更為合理。2、公式（8的建立是以臨界狀態(tài)雙金屬界面剪切強(qiáng)度高于表層錫基巴氏合金的取切強(qiáng)度。從美國(guó)祥塊雙金屬界面斷裂面的表層與內(nèi)襯斷口的微觀形貌觀察分析結(jié)果表明二者基本相似，但內(nèi)襯斷面的微觀形貌較表層斷口的微觀形貌較粗大，且不均勻，有可能表層與內(nèi)襯結(jié)合不華，反映在內(nèi)襯斷口微觀形貌的不均勻尊征，說明界面的如切強(qiáng)度低于表層鉛基巴氏合金的剽切強(qiáng)度。.五、結(jié)論1、菌產(chǎn)止推軸承231j26靜塊（離心澆鑄）雙金屈界而剪切強(qiáng)度（6,高于54.4MPa,而美國(guó)止推軸承同型號(hào)掙塊靜置澆鑄）雙金屬界面剪切強(qiáng)度在40.6-43.3MPJ之間，前者界面剪切強(qiáng)度高于后者。2、國(guó)產(chǎn)止推軸承231126靜塊樣品，皆從其表層內(nèi)以剪切形式斷開，而美國(guó)止推軸承同型號(hào)靜塊雙金屬界面處以剪切形式斷開，兩種同型號(hào)產(chǎn)品尚需在油田進(jìn)行長(zhǎng)