精礦流態化

鐵精礦在海運中受風浪振動作用時易發生水分析出至礦體表面，形成自由液面的現象，即流態化。利用室內振動台模型試驗，對散裝鐵精礦流態化細觀規律進行了研究。基於細觀圖像採集分析系統，研究了鐵精礦在流態化演化過程中顆粒間及顆粒與水分間的相互作用，分析了顆粒長軸方向、平均接觸數、平面孔隙率等演化規律，探討了鐵精礦流態化細觀規律及其與巨觀現象間的聯繫。

基本介紹

• 中文名：精礦流態化
• 外文名：Concentrate fluidization
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 特點：流態化
• 試驗：模型試驗

簡介

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

目前，國內外關於鐵精礦流態化特性的試驗研究較少，大多數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生事故的原因、危害及安全措施等經驗控制兩個方面。周健等利用空心圓柱扭剪試驗，探討了鐵精礦的動力特性，並通過室內振動台試驗研究了鐵精礦流態化析出水的演化歷程，從巨觀角度探討不同因素對鐵精礦流態化特性的影響，並發現含水率是影響鐵精礦流態化的關鍵因素．眾所周知，對於由散粒狀介質組成的顆粒集合體，外荷載作用下其微觀結構的變化是引發其巨觀力學性狀的真正內因。

利用室內振動台，研究了鐵精礦在動荷載作用下的流態化細觀機理．通過分析鐵精礦流態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、平面孔隙率等細觀組構的演化規律，探討了鐵精礦流態化演化過程中細觀機理及其與巨觀現象間的聯繫。

試驗設備

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

水平振動台採用曲柄滑塊裝置實現振動台模型箱的水平往復簡諧振動，通過改變曲柄半徑大小來變換振動台振幅，從而調節模型箱基底振動加速度。實際船運中，貨船船艙為剛性艙壁，故採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。

數據採集裝置由數字圖像數據採集、細觀圖像採集等部分組成，包括高精度數碼成像設備、高放大倍數數碼攝錄設備．數據採集裝置均固定在振動台軌道上，與模型箱同步運動．細觀圖片與數據採集採用日本JAI公司CM－030GE－RA高速細觀攝像機，對距離模型箱底部30cm（z方向）、距離模型箱側壁33cm（x 方向）的鐵精礦局部區域進行拍設，拍攝範圍為8mm×6mm，拍攝頻率為90幀·s－1。

試驗材料

試驗所用鐵精礦產自加拿大，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%．鐵精礦顆粒大小屬於細砂範疇，利用岩土力學試驗方法，將其作為一種特殊材料，研究鐵精礦在水平循環荷載下的流態化機理。

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，流盤振動台的振動頻率為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，艙內鐵精礦的橫向加速度幅值範圍為0．15g～0．42g．根據周健等的研究表明，含水率是影響散裝鐵精礦流態化形成的關鍵因素，當水分上升至礦體上表面時，表層礦水混合物呈流動狀態。

試驗振動頻率為1Hz，加速度為0．5g，試樣含水率為10%．試樣的製備採用分層濕搗法，均勻配置鐵精礦試樣，分八層進行，控制每層試樣的相對密實度基本保持在同一數值，各層接觸面刮毛以保證上下接觸良好．試樣製備完成後鐵精礦表面鋪設濕毛巾，並靜置1h使鐵精礦的含水率保持充分均勻．在所有準備工作完成後，開啟高速細觀攝像機採集細觀圖像，施加振動荷載．試驗最大振動周數為600次，確保鐵精礦模型試驗現象已穩定。

鐵精礦流態化的巨觀現象

試驗在施加循環荷載時，試樣流態化前後的現象。可看出，流態化現象的出現與水分遷移密切相關，其巨觀表現為礦粉孔隙減少，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化演化過程。

鐵精礦流態化的細觀分析

水分遷移的細觀規律

由鐵精礦流態化的巨觀規律分析可知，水分的遷移對鐵精礦的流態化發生至關重要．利用高速細觀攝像機採集的鐵精礦流態化演化過程中的細觀變化．細觀觀測位置為距離模型箱底部30cm、短邊側壁33cm 處，觀測範圍為6mm×8mm．通過對不同振次時鐵精礦細觀照片的直觀分析，研究散裝鐵精礦流態化演化過程中水分在鐵精礦顆粒間遷移運動的細觀規律。

試驗開始前，不同粒徑鐵精礦顆粒均勻分布，礦體相對比較鬆散，粒間孔隙體積較大，水分均勻分布在鐵精礦顆粒間孔隙中；振動開始後，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；孔隙體積進一步減小，顆粒表面的包裹水膜厚度增加，水分匯集連線成片，形成連續水體，觀測到鐵精礦孔隙體積明顯減小；隨著孔隙水分的進一步析出，細觀觀測區域內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，觀測區域內的連續水體與鐵精礦顆粒共同做水平往復運動。

振動至40振次時，細觀觀測區域內的細顆粒含量明顯減少，顆粒間接觸緊密，觀測區域內水分含量減少，這是因為水分在遷移過程中帶動細顆粒一起運動，細顆粒流失後礦體粒徑粗化；振動至60振次時，孔隙間析出水繼續遷移，析出水量逐漸減小，此時由巨觀觀測到的水液面已上升至細觀觀測區域的位置；振動至100振次時，析出水量逐漸減小；振動至600振次時，鐵精礦細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，顆粒間剩餘水分含量很少。

在縮尺條件下，散裝鐵精礦流態化形成的水分遷移細觀規律大致相同．在振動過程中，鐵精礦體積被壓縮；顆粒孔隙間水分被擠出並匯集成片，形成連續水體；水分在重力作用下向下遷移，其巨觀表現為形成水液面上升．同時孔隙水遷移帶動礦體中細顆粒運動，細顆粒填充了粗顆粒骨架之間的孔隙，進一步促使孔隙體積減小，導致孔隙水分析出。

鐵精礦細觀組構

研究鐵精礦細觀組構的目的是通過對顆粒間相互作用的定量描述，在某種假設或力學原理的基礎上做出統計平均，建立鐵精礦細觀組構指標與鐵精礦巨觀特性回響間的關係．本文通過模型試驗對鐵精礦流態化形成過程中的巨觀現象和組構參量之間的關係進行了定性探討，嘗試從鐵精礦細觀組構的演化解釋鐵精礦流態化現象的細觀機制。

利用課題組自主開發的Geodip數字圖像處理軟體，對試驗過程中記錄的高清照片進行處理，分析鐵精礦在循環荷載作用下顆粒細觀組構變化，包括鐵精礦顆粒長軸方向，平均接觸數和平面孔隙率的變化等．通過對比在流態化形成過程中不同振次下鐵精礦顆粒的細觀組構規律，探討鐵精礦發生流態化的內在機理。

（1）顆粒長軸方向

顆粒定向性的發展是流態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分布。

從長軸方向的演化來看，由於採用分層濕搗法進行制樣，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，由於不規則形狀的鐵精。鐵精礦顆粒孔隙間水分不斷匯集形成連續水體，由於同時受到水平往復荷載和水流的作用，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施加，孔隙間水分攜帶部分細顆粒趨於向礦體上層遷移，顆粒長軸明顯偏向於豎直方向發展。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。至60振次時，細觀拍攝處的鐵精礦顆粒主要受到水平往復荷載的作用，顆粒的長軸繼續向水平方向發展，巨觀上的表現為水液面遷移至礦粉表面、流態化基本完成；待振動結束時，鐵精礦骨架相對穩定，顆粒只是在原位附近輕微錯動和旋轉，並沒有明顯的顆粒滾動，長軸方向變化不大。

綜上所述，在鐵精礦流態化形成演化過程中，由於受到水平往復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，並且偏向於豎直方向和水平方向．顆粒長軸方向的演化過程，反映了在流態化形成過程中鐵精礦顆粒的重新排列過程。

（2）平均接觸數

平均接觸數是指顆粒與周圍顆粒接觸的平均數目，用以分析顆粒運動和重新排列規律，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，平均接觸數目上下波動；至40振次以後，鐵精礦顆粒的平均接觸數逐漸增大，這說明顆粒間孔隙壓縮充分，鐵精礦越來越密實。

總體而言，鐵精礦平均接觸數的總體趨勢是增大的，其反映的規律與鐵精礦孔隙率變化規律基本一致，即流態化演化過程中鐵精礦顆粒的運動使得鐵精礦總體發生壓縮，粒間孔隙中的水分得以擠出並向上遷移，這與巨觀流態化現象得到的結論一致。需指出，平均接觸數是通過統計顆粒與其周邊顆粒的平均接觸數來反映土體的緊密程度，其值並不是衡量顆粒間作用力的指標．

（3）平面孔隙率

利用Geodip程式計算得到的顆粒孔隙率隨時間的變化曲線．需要說明的是，這裡採用的平均孔隙率為平面孔隙率，而並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生壓縮，孔隙體積縮小；從振次10開始，平面孔隙率經歷有升有降的波動，總的趨勢是減小的，這是由於鐵精礦顆粒受水平荷載和水流衝力的共同作用，顆粒發生旋轉、錯動和移動，但顆粒孔隙仍被壓縮；至振次60以後，孔隙率基本不發生波動，且遠遠小於初始值．總體而言，鐵精礦流態化形成過程中，孔隙率呈減小趨勢，在最初20振次內尤為明顯，這與試樣總體發生壓縮的巨觀現象一致。

總結

（1）水分遷移是鐵精礦流態化形成的關鍵誘因，在振動過程中，水分首先在重力作用下向下遷移，形成水液面後，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顆粒隨水運動，細顆粒不斷填充粗顆粒間孔隙，造成孔隙體積減小，進一步促使水分析出。

（2）細觀組構特徵反映了鐵精礦顆粒與水分相互作用規律．鐵精礦流態化形成過程中，顆粒受水分遷移和水平往復荷載共同作用，顆粒長軸方向由初始的均勻分布變化到定向分布，並且偏向於豎直方向和水平方向。

（3）細觀觀測區域的鐵精礦平面孔隙率隨振動次數的增加而逐漸減小，顆粒平均接觸數隨之增加．這表明流態化演化過程中鐵精礦顆粒的運動使得鐵精礦總體發生壓縮，則粒間孔隙中的水分得以擠出並在重力作用下向下遷移，形成連續水體，水液面向上遷移，與巨觀流態化現象得到的結論一致。