自动配比（精选七篇）

自动配比（精选七篇）

自动配比 篇1

对于综采液压设备而言, 乳化液的浓度过低会降低防锈性、润滑性、稳定性、霉菌抑制性和抗硬水能力, 使液压元件锈蚀, 影响液压系统的工作效果和寿命, 增加设备维修成本, 严重的会导致液压支架泄压、失去支撑力而引起事故[1,2,3]。乳化液的浓度过高会使消泡能力降低、对橡胶密封材料的溶胀性增大, 还会造成乳化油的浪费, 增加生产成本[4]。对乳化液泵而言, 乳化液浓度不达标, 会导致系统控制阀堵塞, 液压缸受损。

香山矿丁6-22120综采工作面引进了一种基于齿轮泵的乳化液自动配比装置。该装置有效解决了乳化液自动配比问题, 提高了配比质量和乳化效果, 增加了乳化液泵站工作的可靠性和稳定性, 保证了工作面液压系统的正常工作, 有效避免了人工配比费时、费力, 工人劳动强度大, 乳化液质量不能精确保证等问题[1]。

1 工作面概况

平煤股份香山矿丁6-22120综采工作面地质构造较简单, 煤层赋存较稳定, 存在3处薄煤带、2处煤层分叉和1处夹矸。根据煤层赋存条件, 考虑技术熟练程度等多种因素, 工作面采用单一走向长壁后退式采煤方法, 综合机械化采煤工艺, 全部垮落法控制顶板, 共安装ZY4000-12/25型掩护式液压支架134架。工作面乳化液泵站采用BRW-200/31.5型乳化液泵“两泵一箱”配置, 1台泵工作、1台泵备用, 自动配比装置安装在乳化液箱体上。

2 自动配比装置

该套自动配比装置主要由齿轮泵 (混合器) 、乳化油桶、乳化液箱、管路、调节阀等组成, 其核心部件为齿轮泵 (图1) 。乳化油和清水分别经管路进入齿轮泵, 经齿轮泵混合成为乳化液后进入乳化液箱。通过进油管上安装的调节阀调整乳化油流量, 以控制油水混合液的浓度在3%~5%。

3 工作原理

清水从进水口进入混合器驱动叶轮 (叶轮的转速与水的流速成正比) , 叶轮轴与齿轮泵 (图2) 的驱动齿轮相连, 从而使齿轮泵运转, 乳化油由于负压作用经由进油口被吸入混合腔, 与流入的水混合产生乳化液。

齿轮泵的转速与叶轮的转速成正比 (乳化油通过齿轮泵的流速也与该转速成正比) , 经齿轮泵抽出的乳化油与流过的水量存在一定比例关系, 通过调节连接进油口的调节阀, 可以实现不同的混合比, 通常设定为1∶19, 混合后的乳化液由出液口流出。

该自动配比装置流量大, 仅靠水流驱动, 无需电控或其他动力, 操作简单、可靠性高, 使用螺钉连接方式安装在乳化液箱外部, 占用空间小, 易安装维护。

4 使用效果

经过8个月的现场运行, 自动配比装置使用效果良好。乳化液的质量得到了进一步提高, 泵组运行稳定性增加, 液压支架千斤顶、单体柱等各种液压设备故障率降低, 月节省维修费用在10%以上。同时由于液压支架的故障率降低, 每班投入的维护、检修工时也相应减少, 节省了设备检修工时费。使用自动配比装置以后, 泵站司机的工作流程得到简化, 省去了往返于料场和泵站之间加注乳化油的过程。同时由于浓度稳定性提高, 杜绝了因乳化液浓度过高造成的浪费, 月乳化油使用量减少20%以上。

5 结语

乳化液自动配比装置在工作面应用后, 在实现了乳化液自动配比的同时降低了工人的劳动强度, 提高了乳化液质量, 降低了液压设备故障率, 节省了维修和材料费用, 具有较高的推广应用价值。

参考文献

[1]柴光远, 王晓丽.基于模糊控制的乳化液自动配比系统[J].机床与液压, 2004 (6) :73-74.

[2]王开松.乳化液配制的自控系统研究[J].煤炭技术, 2003, 22 (1) :76-77.

[3]宋理敏.乳化液自动配比及其应用研究[D].太原:太原理工大学, 2006.

自动配比 篇2

1.1 PLC程序设计概述

由于P L C系统功能强大、组态灵活,它被广泛应用于烟草、冶金、化工等的许多行业,已经成为工业设备自动控制的基础。尤其在顺序控制系统中,采用P L C系统能够全面提高控制的精度、稳定性和可靠性。而在PLC系统中,PLC程序设计是PLC系统的灵魂,所以寻求安全可靠、简便易行的程序设计方法便成为P L C技术能否更快发展,工业自动化控制水平能否更快提高的关键[1]。

PLC系统程序设计整个过程可以分为需求分析、功能设置、程序实现、调试运行、系统维护及功能扩展等几个阶段。PLC系统通用的程序设计语言是梯形图,偏重于逻辑设计。由于每个人设计的习惯不同,使得程序的可读性较差,这为以后的系统维护和功能扩展带来很大困难。随着系统的规模不断扩大,系统复杂程度的不断增长,多见于单机设备、基于逻辑分析方法的传统程序设计语言经常使得问题复杂化,顺控系统再次成为工程设计中的一个难点。

近年来,面向对象编程方法在管理软件中得到广泛应用,尤其是在庞大、复杂的管理系统中。与其它的编程方法不同,面向对象的程序设计方法是把过程的设计与对象属性的设计分割开来,独立进行。采用面向对象分析和设计方法能够简化编程,提高系统的可维护性,加快系统的开发过程。因此,借鉴已经成功应用于管理系统设计的面向对象的方法,应用到P L C系统中,不仅能够提高PLC程序的设计质量,而且还能够提高设计效率。

1.2 香料厨房系统介绍

香料厨房系统是卷烟厂香精香料的配制输送中心。随着我国加入WTO,各卷烟生产企业在注重降焦降耗的同时,还在千方百计提高卷烟制品的内在质量,因为制丝生产线上各种香精香料的处理是否科学合理,直接关系到成品烟支吸味。因此香精香料的严格质量管理、科学配制、准确现场输送,作为文明生产、科学管理的重要手段,越来越受到卷烟厂的高度重视。

香料厨房系统主要三大部分组成,他们分别是香料调制、转存、现场输送系统;香精调制、贮存、现场输送系统;成品料液的现场发放系统。香料厨房系统负责全厂制丝线加香加料工艺中所有香糖料的调制、贮存及现场的定比加料,其工艺过程为:大部分原料通过管路系统计量后送入调制罐内调制,调制好的成品香糖料经过过滤器送入各贮存罐内贮存;系统根据现场各加香加料系统的要料信号,由贮存罐定量输送到车间的每个加香加料设备旁的现场罐,再由现场罐向加料设备实现定比跟踪施加。

2 传统的编程方法

系统要求所有设备按照各自生产流程完成转运操作。“流程”在这里是指对于某个主机设备或生产单元从原料输入到成品输出整个生产过程中各个状态阶段的列表。每台主机设备或生产单元可以独立手动操作,也可以按照流程顺序自动运行。任何一个设备在某一时间段只能属于该设备流程的某一个状态。设备之间也不是孤立的,而是包含于一个更大的生产流程中,是相互联系的[2]。

按照顺控系统的传统编程方法,将设备上所有元器件分类控制,分析每一台电机、每一个电磁阀等在所有可能的操作流程中的动作顺序,将设备中该元器件所有下游控制点的反馈信息经过复杂的逻辑运算之后构成启动条件,将所有上游控制点的故障和运行信息经过运算之后构成停车条件,从而得到该元器件的启停逻辑。由于每一个设备都有很多不同的生产操作状态,其所有的元器件就会有不同的启停逻辑,因此只能采用逐一分析,逐一编程的方法,编程的难点集中到对设备中所有控制点的启停条件的分析上。由此导致编程效率低,程序的可读性差,系统维护工作量大[3];同时,系统的可扩展性差,一旦设备需要增减器件或更改流程,与此相关的所有控制点的启停逻辑都需要更改。在此方法中弱化了“流程”概念,流程被融入设备内部错综复杂的逻辑关系。设备中控制点是受其上下游器件的控制,而不是由流程来控制的,流程只是一张顺序列表。上述是一种完全面向过程的方法。这与对系统的直观认识不相一致:实际系统中常常存在相似甚至完全一样的设备,只是外部逻辑不同。设计者更关心整台设备的状态和整个流程的运行,而不理会设备内部控制点间的复杂关联。

3 面向对象的编程方法及应用

3.1 面向对象编程中类的抽象与派生

面向对象的编程方法可以避免上述的诸多不利,该方法的基本原理就是把每一个设备或生产单元看成一个对象,将其属性封装一起,形成一个独立的智能化设备。在此基础上,对设备内部的逻辑关系进行描述,使其满足系统的工艺要求,以此形成设备的流程。在面向对象技术中,对象就是一个独立的实体,有相应的记忆和活动,通常具有自己的属性,可以执行相应的动作。把具有相同属性和方法的对象称为类,它通常是从实际问题中抽象出来的虚拟对象[4]。

在面向对象的设计方法中,流程就像是整个设备生产过程中一条清晰的脉络,直观上只是设备启停顺序的列表,但实际上流程才是整个控制系统的核心。在自动方式下,整个设备都被流程所操纵。设备依据流程状态发送的命令做出相应的动作,各控制点的启停关系和顺序都是流程动作的结果。由于流程控制下的主机设备或生产单元具有一定的属性和方法,是一个相对独立的实体,所以可以被视为对象。类抽象的逆过程就是类的派生过程。派生过程是以类的继承关系为中心进行的。父类可以通过增加属性和方法派生出子类,子类继承父类的属性和方法。类的派生过程体现了类与类之间的继承关系。虚拟的对象类必须经过实例化才能创建实际的对象,实例化就是按照类所具有的属性和方法来构建实际的对象实例的过程。

香料厨房系统中的工艺设备有很多种,但从实现的功能和控制逻辑上可以将其分成三个类型:进料管道类、罐体类、出料管道类。属于同一类型的设备具有相同的特性和方法。从上述三种类型的设备中抽象出了三个类,每一个类代表一类设备。通过进一步分析,以上三个类也具有相同的属性(如顺序控制、故障和手自动等)和相同的方法(如紧急停车、手自动切换和故障确认等),从而进一步抽为一个新类,即设备类。下图为香料厨房控制系统中类与类之间的继承关系:

在图1中,根类设备具有所有设备的共性,进料管道类、罐体类、出料管道类均从设备类继承了共性并具有一些特性。调制罐进料类、贮存罐进料类等是由进料管道类派生出的子类。各罐体及进出料管道是实例化之后的对象实例。针对每个对象实例编程,根据工艺要求,将其严格划分状态,即一个对象实例在某一时刻只能且必须属于其中的一个状态,用状态控制所有属于该对象实例的电气元器件(包括输送泵、搅拌电机、电磁阀、温度传感器、称重模块、质量流量计等)的动作。经过对象分析之后,类包含的属性和方法变得更为具体,利用梯形图可以方便的实现类与类之间的通讯。针对每个对象编写一个FC块,编写FC块就是实现类,在FC块中可以定义类的属性和方法,而调用F C的过程就是类的实例化过程,具体设备对象的数据都保存在相应的DB块中[5]。

对象具有相对的独立性,根据工艺过程来划分对象的状态,按照对象的状态来完成既定的动作。但对象并不是完全孤立和封闭的,每一个对象都可与其他对象通讯。在面向对象技术中,每个对象都可以接收信息,也可以发送信息。通常,向某一对象发送一个信息将会触发此对象做出相应动作,系统中各种复杂的控制功能就是通过不同对象之间的信息触发机制来完成的。

3.2 面向对象编程的实际应用

本文以广东韶关卷烟厂香料厨房控制系统为例,将面向对象的设计方法引入顺序控制系统设计中,分析了系统中类的抽象、封装、和继承之间的相互关系,并讨论了与线性逻辑编程方法相比的该设计方法的优势。

该香料厨房控制系统由1台S7-400 PLC和6个ET200S子站组成,控制1个高精度配料罐、3个香料调制罐(T)进出料、6个香料混合罐(A)进出料、5个香精混合罐(H)进出料、现场各个加香加料点的进料阀以及温度传感器、流量计、称重模块等仪器仪表。包括10台不同型号的输送泵电机、15台搅拌电机、15台称重模块、155个电磁阀(其中96个为阀岛控制),各罐及管路输送系统共计93个流程。根据实际情况,我们将整个香料厨房生产线划分为进料管道类、罐体类、出料管道类三个大类,并派生出调制罐进料管道、混合罐进料管道、现场叶片线进料管道、现场小线进料管道、现场梗线进料管道、现场膨胀丝线进料管道;调制1罐、调制2罐、调制3罐、混合1罐、混合2罐、混合3罐、混合4罐、混合5罐、混合6罐、香精1罐、香精2罐、香精3罐、香精4罐、香精5罐;调制罐出料管道、混合罐出料管道、香精罐出料管道等共计23个生产单元,每个生产单元都可以独立手动操作,也可以自动运行,因此可将其视为一个设备对象。每个设备对象在某一时间段内只能属于其流程的一个状态,一旦生产开始进行,就按照此流程的顺序动作,因此流程中的设备是状态是严格区分的,以调制1罐为例,对于该设备,其整个生产过程共分为六个状态,如图2所示。

由图2可清楚的看出一个设备的生产状态流程,此例将罐体作为一个对象,其整个生产过程可分为待料、进料、存料、出料、料空、清洗六个循环的状态流程,其中进料、出料、清洗状态又可分为很多子状态,该对象设备在某一时间段必定且只能属于其中的一个状态。设备状态由一个I N T型的状态字来定义,如D B 1 7 0.DBD0,当这个字的值等于0时,设备为待料状态;等于1时,进料状态;……;等于5时,清洗状态。状态间的顺序切换需通过生产条件满足或人工按钮确认来实现,再由状态来控制该对象所涉及各个电气元器件的动作。比如罐进料状态时,进料阀打开,出料阀关闭,搅拌电机运行;出料状态时,出料阀、防堵阀打开;清洗状态时,清洗水阀、排污阀等打开……这样程序结构非常清晰直观,也很好的避免了配料事故的发生。

由于在实际生产系统中很多设备非常相似或完全相同,在编程时为每个设备建立一个F C块和一个用于存储该设备工艺数据的DB块,这样当增加相似的工艺设备时,程序改动非常少也不容易出错,极大的降低了设备改造了复杂度,提高了程序的可扩展性。

4 应用情况

在广东韶关卷烟厂香料厨房控制系统中,采用了面向对象的设计方法。与传统的面向过程的程序结构相比,面向对象的控制方案具有易实现性、可读性强、易维护性和易扩充性等特点,提高了生产效率,降低了系统维护成本。

不仅该方法可以应用在香料厨房系统中,而且也可以应用于其它顺序控制系统中。在面向对象的基础上还可以进行路径优化和调度优化等算法的研究,因而具有广阔的应用和推广前景。

参考文献

[1]朱尊权,卷烟工艺[M].北京:北京出版社,1993.

[2]董景新,赵长德,控制工程基础[M].北京:清华大学出版社,2002.

[3]于庆广,可编程控制器原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]邱公伟,可编程拉制器网络通信及应用[M].北京:清华大学出版社,2000.

草莓栽培基质的配比试验 篇3

1材料与方法

1.1材料

供试香菇生产的基质为菇渣、锯木屑、玉米秸秆[3];供试草莓品种为宝交早生、丰香、明宝, 此3个品种均适宜南通地区种植。

1.2方法

试验于2011年9月~2013年9月在南通农业职业技术学院园林园艺系实训中心的简易日光温室内进行。共设3个处理, 处理1, 菇渣∶锯木屑∶玉米秸秆=4∶3∶3;处理2, 菇渣∶锯木屑∶玉米秸秆=5∶3∶2;处理3, 菇渣∶锯木屑∶玉米秸秆=3∶4∶4。将基质进行蒸汽灭菌, 然后用44cm×30cm×24cm (长宽高) 的B4蔬菜筐盛装, 每筐4株, 株行距为30cm×20cm。各处理每个品种栽培32株, 定植蔬菜框按每畦12框, 框与框间距为50cm, 随机放于温室地面, 共6畦。

草莓移栽后30d, 每个处理随机抽取15盆, 进行草莓叶片数、叶冠径、成活率、株高及产量等指标测定[4]。

2结果与分析

由表1可知, 3个草莓品种在基质配比为菇渣∶锯木屑∶玉米秸秆=3∶4∶4处理3中生长势最强, 草莓发根快、数量多、叶片多、冠径大, 叶色深绿, 总体成活率高。处理1和处理2配比基质草莓生长表现一般。各基质配方中都有菇渣、锯木屑和玉米秸秆, 只是配比不同。处理3基质中锯木屑、玉米秸秆成分最多, 其混合后通透性强[5], 适宜草莓根系生长发育, 叶片长势好、数量多, 植株长势旺盛, 是理想的基质配方。处理2基质中增加了锯木屑而减少了玉米秸秆, 基质有机质养分减少, 透气性差, 不适宜草莓的生长发育, 从植株长势看, 次于处理3基质强于处理2基质。表明玉米秸秆在配制草莓基质中起很大作用, 可使栽培基质疏松、透气、增加有机质含量。

参考文献

[1]蒋卫杰, 刘伟, 余宏军, 等.有机生态型无土栽培的现状与展望[J].中国农业科技导报, 2000 (2) :71-75.

[2]顾卫兵, 佘德琴, 徐秀银, 等.有机生态型无土栽培技术 (一) [J].上海果品, 2002 (6) :39-41.

[3]秦新惠, 郁继华.樱桃番茄有机生态型无土栽培基质筛选试验研究[J].农业工程技术 (温室园艺) , 2009 (3) :42-43.

[4]陈丽平, 赵方贵, 邹志荣, 等.有机生态型无土栽培草莓的研究初报[J].莱阳农学院学报, 2003, 20 (2) :122-124.

陶瓷原料配比方案优化方法 篇4

陶瓷产品性能取决于陶瓷原料配方和生产工艺等大量因素, 其中坯料的原料配方对产品性能起着决定性的作用。获得一个理想配方需要经过很多次设计和试验, 耗费大量的人力物力与时间, 借助于优化方法减少实验次数始终是寻找陶瓷原料配方的重要研究内容。

文献[1]系统介绍了陶瓷的生产工艺, 文献[2,3,4,5]主要讨论绝对误差最小的陶瓷原料配方优化或在指定误差范围内优化原料成本;文献[6]对泡沫轻质材料采用均匀试验设计方法进行材料的配方试验, 运用多元非线性回归方法进行方差分析, 得出了满足工程要求的最优配比。文献[7]对乙丙橡胶电缆电绝缘料的无卤阻燃配方进行均匀实验设计和优化, 并证明均匀实验设计优于正交试验。

既有文献以绝对误差最小为优化目标, 这样虽然使得各种成分含量的偏差相当, 但含量较小的成分含量偏差太大, 本文提出相对误差与绝对误差的组合优化目标, 发挥绝对误差和相对误差最小化的综合优势。除讨论化学成分含量误差最小化以外, 还研究了化学成分、矿物成分、不足微米颗粒含量、胶体指数等的综合误差最小化问题, 分别构建化学配方和综合配方两种优化模型。最后, 结合实际问题的需要, 构建原料使用种数受限的优化模型。

1 陶瓷配方问题及分析

陶瓷坯料的原料配方 (陶瓷配方) 是制备陶瓷坯料的各种原料质量的百分比。陶瓷坯料的化学组成确定陶瓷产品的主要性能, 菲尔普斯认为影响陶瓷性能的主要因素应包括化学成分、矿物成分、不足微米颗粒含量及胶体指数等[1]。所以, 陶瓷配方可以根据坯料和原料的化学成分含量的偏差最小化来配料, 也可以根据坯料和原料的化学成分、矿物成分、不足微米颗粒含量、胶体指数等因素的偏差最小化来综合配料, 前者称为化学配方, 后者称为综合配方。

陶瓷主要成瓷的化学成分为氧化物SiO2, Al2O3, K2O, Na2O, 以及Fe2O3, TiO2, CaO, MgO等, 主要矿物成分为蒙脱石、高岭石、云母、石英、有机物等, 它们来源于各种陶瓷原料, 陶瓷原料分为粘土类、石英类、长石类及其它原料。

粘土类原料的化学成分主要为SiO2, Al2O3, K2O, Na2O, 以及Fe2O3, TiO2, CaO, MgO等。石英类的化学成分主要为SiO2 (约90%以上) , 还含有Al2O3, CaO, MgO, TiO2等。长石类的化学成分主要为含钾、纳、钙和少量钡的铝硅酸盐, 是陶瓷原料中的溶剂性原料。

粘土类原料的矿物成分主要为蒙脱石、高岭石、云母、石英、有机物等;石英类的矿物成分主要为石英等;长石类的矿物成分主要为高岭石、石英等。

在陶瓷制品生产中, 广泛采用多组分坯料, 以便优化陶瓷制品的性能。当然多组分坯料也使得配料变得复杂, 采购与管理成本增加, 因此一般希望采用原料种数相对较少的多组分坯料。

2 陶瓷配方优化模型

2.1 化学配方优化模型

假设某陶瓷坯料具有n种化学成分, 方便描述起见, 灼减 (烧制过程中消失的部分) 也视为其中1种成分, 第j种化学成分质量的期望百分比为pj, 满足

$p{}_j>0‚j=1,2,\cdots ,n\text{和}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}p}{}_j<1$

上式不等于1意味着陶瓷坯料含有其它微量化学成分。第j种化学成分含量允许在pj上下波动的相对误差为±λj (则绝对误差为pjλj) 。采用m种陶瓷原料进行配方, 第i种陶瓷原料包含第j种化学成分质量的百分比为aij, 满足

$a{}_{ij}>0‚i=1,2,\cdots ,m,j=1,2,\cdots ,n\text{和}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}a}{}_{ij}<1$

其中, 上式不等于1意味着陶瓷原料含有其它化学成分。

设第i种陶瓷原料在配方中质量的百分比为xi, 满足

$x{}_i\ge 0‚i=1,2,\cdots ,m\text{和}{\displaystyle \sum _{i=1}^{m}x}{}_i=1$

评价配方可以从2个方面进行, 其一是配方的化学成分含量与期望值的相对误差最小化, 其二是绝对误差最小化, 即分别使得以下2个表达式最小化:

${\displaystyle \sum _{j=1}^n\lambda }{}_j\text{和}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}p}{}_j\lambda {}_j$

前者虽然成分含量偏差与成分含量成比例, 但一些关键成分因含量较高而偏差太大;后者虽然各种成分含量偏差相当, 但含量较小的成分含量偏差太大。兼顾二者的优缺点, 可采用它们的组合形式, 即选择合理的α (0<α<1) , 使

${\displaystyle \sum _{j=1}^n\left[\alpha \frac{1}{n}+(1-\alpha )p{}_j\right]}\lambda {}_j$

最小化。

综上所述, 可得优化化学配方的线性规划模型如下:

$\min {\displaystyle \sum _{j=1}^n\left[\alpha \frac{1}{n}+(1-\alpha )p{}_j\right]}\lambda {}_j(1)$

s.t.

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{i=1}^{m}a}{}_{ij}x{}_i\le p{}_j(1+\lambda {}_j)‚j=1,2,\cdots ,n(2)\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{m}a}{}_{ij}x{}_i\ge p{}_j(1-\lambda {}_j)‚j=1,2,\cdots ,n(3)\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{m}x}{}_i=1(4)\\ x{}_i\ge 0‚i=1,2,\cdots ,m(5)\\ \lambda {}_j\ge 0‚j=1,2,\cdots ,n(6)\end{array}$

其中, 式 (1) 为配方的组合误差最小化;式 (2) 表示化学成分含量的上限约束;式 (3) 表示化学成分含量的下限约束。

如果重点强调化学配方中主要氧化物的偏差, 次要氧化物可按照里奇特尔斯 (Richters) 近似原则[1]换算, 这时的化学配方称为近似化学配方。其中, 主要氧化物包括K2O、Al2O3和SiO2等, 奇特尔斯近似原则将CaO、MgO和Na2O转化为K2O的系数分别为1.68、2.35和1.5, Fe2O3转化为Al2O3的系数为0.9。近似化学配方的线性规划模型可以类似地建立, 下文不再叙述。

2.2 综合配方优化模型

比照化学配方中各种符号的定义, 假设该陶瓷坯料具有n′种矿物成分, 第j种矿物成分质量的期望百分比为p′j, 满足

$p^{\prime }{}_j>0‚j=1,2,\cdots ,n^{\prime }\text{和}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n^{\prime }}{p}^{\prime }}{}_j<1$

第j种矿物成分含量允许在p′j上下波动的相对误差为±λ′j (则绝对误差为p′jλ′j) 。 第i种陶瓷原料包含第j种矿物成分质量的百分比为a′ij, 满足

$a^{\prime }{}_{ij}>0‚i=1,2,\cdots ,m^{\prime },j=1,2,\cdots ,n^{\prime }$

和

${\displaystyle \sum _{j=1}^{n^{\prime }}{a}^{\prime }}{}_{ij}<1$

所以, 综合配方x1, x2, …, xm满足矿物成分含量约束:

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{i=1}^m{a}^{\prime }}{}_{ij}x{}_i\le p^{\prime }{}_j(1+{\lambda }^{\prime }{}_j)‚j=1,2,\cdots ,n^{\prime }(7)\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^m{a}^{\prime }}{}_{ij}x{}_i\ge p^{\prime }{}_j(1-{\lambda }^{\prime }{}_j)‚j=1,2,\cdots ,n^{\prime }(8)\\ {\lambda }^{\prime }{}_j\ge 0‚j=1,2,\cdots ,n^{\prime }(9)\end{array}$

选择合理的α′ (0<α′<1) , 综合配方的矿物成分优化的目标为使

${\displaystyle \sum _{j=1}^{n^{\prime }}\left[{\alpha }^{\prime }\frac{1}{n^{\prime }}+(1-{\alpha }^{\prime })p^{\prime }{}_j\right]}{\lambda }^{\prime }{}_j$

最小化。

假设该陶瓷坯料具有不足微米颗粒的质量期望百分比为p″ (0<p″<1) , 波动的相对误差为±λ″ (则绝对误差为p″λ″) , 第i种陶瓷原料包含不足微米颗粒的质量期望百分比为a″i (0<a″i<1) 。所以, 综合配方x1, x2, …, xm满足不足微米颗粒含量约束为:

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{i=1}^m{a}^{″}}{}_{i}x{}_i\le p^{″}(1+{\lambda }^{″})(10)\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^m{a}^{″}}{}_{i}x{}_i\ge p^{″}(1-{\lambda }^{″})(11)\\ {\lambda }^{″}\ge 0(12)\end{array}$

综合配方的不足微米颗粒含量偏差的优化目标为使λ″最小化。

假设该陶瓷坯料的胶体指数 (mg×mol/100g) 为p (0<p<1) , 波动的相对误差为±λ (则绝对误差为pλ) , 第i种陶瓷原料的胶体指数为ai (0<ai <1) 。所以, 综合配方x1, x2, …, xm满足胶体指数约束为:

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{i=1}^m{a}^{‴}}{}_{i}x{}_i\le p^{‴}(1+{\lambda }^{‴})(13)\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^m{a}^{‴}}{}_{i}x{}_i\le p^{‴}(1+{\lambda }^{‴})(14)\\ {\lambda }^{‴}\ge 0(15)\end{array}$

综合配方的胶体指数偏差的优化目标为使λ最小化。

采用参数A, B, C, D平衡4类指标的优化目标, 得综合配方的优化目标:

$\begin{array}{l}\min A{\displaystyle \sum _{j=1}^n\left[\alpha \frac{1}{n}+(1-\alpha )p{}_j\right]}\lambda {}_j\\ +B{\displaystyle \sum _{j=1}^{n^{\prime }}\left[{\alpha }^{\prime }\frac{1}{n^{\prime }}+(1-{\alpha }^{\prime })p^{\prime }{}_j\right]}{\lambda }^{\prime }{}_j+C{\lambda }^{″}+D{\lambda }^{‴}(16)\end{array}$

综上所述, 可得优化综合配方的线性规划模型 (16, 2～15) 。

2.3 原料种数受限的综合配方优化模型

由于一般希望采用原料种数相对较少的多组分坯料, 所以, 陶瓷配方中通常需要限制原料 (或某一类别原料, 如粘土类原料) 的使用种数, 下面仅对原料总数受限建立相应的优化模型。

记决定第i种陶瓷原料是否使用的变量及取值如下:

$y{}_i=\{\begin{array}{l}1,\text{若}\text{使}\text{用}\text{第}i\text{种}\text{陶}\text{瓷}\text{原}\text{料}\\ 0,\text{否}\end{array}‚i=1,2,\cdots ,m$

则共使用M种陶瓷原料需补充如下约束条件:

$\begin{array}{l}x{}_i\le y{}_i‚i=1,2,\cdots ,m(17)\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{m}y}{}_i\le {\rm M}(18)\\ y{}_i=0,1(19)\end{array}$

其中, 式 (17) 表示第i种陶瓷原料用多少和是否使用之间的关系, 式 (18) 表示使用原料的种数限制。

综上所述, 可分别获得优化原料种数受限的化学配方、综合配方的线性规划模型 (1～6, 17～19) 和 (16, 2～15, 17～19) , 这两个模型分别与化学配方和综合配方优化模型相对应。

当仅限于某类原料使用种数时, 只要限制式 (17～18) 的范围即可。

鉴于模型 (1～6, 17～19) 和 (16, 2～15, 17～19) 是0-1线性规划, 比其它几个模型的求解方法 (单纯形法) 相对复杂, 如果限制的原料种数较少, 可以直接对这些0-1变量的组合取值进行枚举, 当变量较多枚举困难时, 可以采用模拟退火或遗传算法等与单纯形法嵌套求解即可。

3 陶瓷原料配方算例分析

某陶瓷坯料配方考虑的主要化学成分为SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O和灼减, 主要矿物成分为蒙脱石、高岭石、云母、石英和有机物, 还考虑不足微米颗粒含量, 以及胶体指数。计划采用4种粘土和高岭石、长石、石英等7种原料进行配方, 表1给出了坯料和这些原料的主要成分, 其中表1 (a) 为化学成分, 表1 (b) 为矿物成分、不足微米颗粒含量和胶体指数。

注: 化学成分含量为质量的百分比。

注: 矿物成分含量为质量的百分比;不足微米颗粒含量为质量的百分比;胶体指数单位为mg×mol/100g.

首先优化化学配方。由表1 (a) 可得坯料的化学成分含量p1, p2, …, p9, 各种原料的化学成分含量aij (i=1, 2, …, 7, j=1, 2, …, 9) , 取α=0.5, 由化学配方优化模型 (1～6) 求得配方x1, x2, …, x7及优化目标值见表2, 配方的化学成分含量、各成分含量的相对误差λ1, λ2, …, λ9见表3 (a) 。

其次优化综合配方。除了优化化学配方的所有数据和参数外, 由表1 (b) 可得坯料的矿物成分含量p′1, p′2, …, p′5, 各种原料的矿物成分含量a′ij (i=1, 2, …, 7, j=1, 2, …, 5) ;坯料中不足微米颗粒含量p″, 各种原料中不足微米颗粒含量a″i (i=1, 2, …, 7) ;坯料的胶体指数p, 各种原料的胶体指数ai (i=1, 2, …, 7) 。取α′=0.5, A=9/16, B=5/16, C=1/16, D=1/16。由综合配方优化模型 (16, 2～15) 求得配方x1, x2, …, x7及优化目标值见表2, 配方的矿物成分含量、不足微米颗粒含量及胶体指数, 各成分含量的相对误差λ′1, λ′2, …, λ′5, λ″, λ见表3 (b) 。

最后优化限2种粘土综合配方。除了优化综合配方的所有数据和参数外, 取M=2, 约束条件 (17～19) 限于i=1, 2, 3, 4。由原料种数受限的综合配方优化模型 (16, 2～15, 17～19) 求得配方x1, x2, …, x7及优化目标值见表2, 配方的矿物成分含量、不足微米颗粒含量及胶体指数, 各成分含量的相对误差λ′1, λ′2, …, λ′5, λ″, λ见表3 (b) 。

便于分析起见, 还将化学配方的综合目标值, 综合配方、 限2种粘土综合配方的化学目标值也都列在表2中。

注: 配方为原料质量的百分比。

注: 化学成分含量为质量的百分比。

注: 矿物成分含量为质量的百分比;不足微米颗粒含量为质量的百分比;胶体指数单位为mg×mol/100g.

从算例可以看出, 单纯优化化学配方时, 矿物成分含量等其它指标偏差较大。只要适度考虑矿物成分含量等其它指标, 化学成分含量的偏差虽然稍微增加, 但矿物成分含量等其它指标却有很大的改善。

4 结论

注意到使用绝对误差最小配方虽然使得各种成分含量偏差相当, 但含量较小的成分含量偏差太大, 而使用相对误差最小配方虽然会使成分含量偏差与成分含量成比例, 但一些关键成分因含量较高而偏差较大, 因此为了发挥了绝对误差和相对误差最小化的综合优势, 提出了相对误差与绝对误差的组合优化目标。围绕化学成分含量偏差最小化和化学成分、矿物成分、不足微米颗粒含量、胶体指数等含量偏差最小化两方面问题, 分别构建陶瓷坯料的化学配方和综合配方的线性规划模型, 优化模型还可限制原料的使用种数 (或指定类别原料的使用种数) 。通过调整各种成分的优化权重或直接指定某些成分含量的限界, 专业人员可借此更深入地优化陶瓷配方。

参考文献

[1]章秦娟.陶瓷工艺学[M].武汉:武汉理工大学出版社, 1997.

[2]邓美兰, 孙国梁.模糊最优化方法在陶瓷配方设计中的应用[J].中国陶瓷工业, 2002, 9 (4) :24～29.

[3]邓美兰, 孙国梁, 唐燕超, 程昔恩.陶瓷配方设计的灰色优化方法[J].中国陶瓷, 2006, 42 (7) :33～36.

[4]杨云, 罗宏杰.陶瓷坯釉料配方优化算法及其实现[J].中国陶瓷工业, 2004, 11 (4) :4～7.

[5]杨云, 张瑛, 王秀峰.最优化技术在陶瓷配方优化设计中的应用[J].中国陶瓷, 2008, 44 (8) :34～36.

[6]张小平, 刘艳华, 张小蒙, 包承纲.泡沫轻质材料试验研究的均匀设计方法及配方优化[J].岩土力学, 2004, 25 (8) :1323～1326.

沥青混合料配比设计研究 篇5

(1) 沥青。沥青种类较多, 有70#、90#基质沥青、SB S改性沥青以及橡胶改性沥青等多种类型。沥青的选择应该结合工程项目对于沥青路面的基本要求并按照试验规程中对于沥青的不同要求, 对沥青的的针入度、针入度指数、软化点、延度、蜡含量、闪点、溶解度、密度、粘度等各项技术指标按照试验规程要求进行全面的试验检测, 确保各项指标满足设计要求。 (2) 集料。粗集料的技术控制指标主要包括粗集料的压碎值、磨耗值、磨光值、表观相对密度、吸水率、坚固性、针片状颗粒含量、<0.075 mm颗粒含量、粘附性以及破碎面要求等技术指标。细集料的试验检测指标重点是针对细集料的表观相对密度、坚固性、含泥量、砂当量、亚申蓝值以及棱角性等试验指标。 (3) 矿粉。添加矿粉的主要作用提高沥青与集料之间的粘附性, 矿粉的技术控制指标主要是有表观密度、含水量、粒径范围、亲水系数、塑性指数以及加热安定性等内容。

2 沥青混合料马歇尔设计方法设计流程

(1) 矿料级配范围的选择。第一, 对于矿料级配范围的选择, 应该根据工程项目建设沥青路面的类型要求, 即根据特粗式沥青混合料、粗粒式沥青混合料、中粒式沥青混合料、细粒式沥青混合料、砂粒式沥青混合料的类型, 明确其矿料的级配范围并以此为依据开展设计。第二, 应该在沥青混合料拌合站取料进行水洗筛分试验, 明确不同集料各档粒径的通过百分率, 并初步拟定不同粒径档集料的比例。第三, 根据集料比例计算出矿料的合成级配, 并验证其是否在级配范围之内, 如不满足要求则应该进行必要的调整, 直至满足规范规定的级配要求范围。

(2) 马歇尔试验确定最佳沥青用量。在设计过程中按照确定的矿料比例配料, 并将预估的最佳沥青用量作为中值, 并间隔0.5%确定几组沥青用量值, 进行马歇尔试验。再将马歇尔试件冷却脱模后, 测量不同马歇尔试件的密度、稳定度、流值、孔隙率以及饱和度等指标, 进而根据各项标优化确定最佳沥青用量。首先将沥青混合料的密度以及稳定度最大值、目标空隙率与沥青饱和度范围的中值确定沥青用量的平均值OAC1, 选择各项指标均满足规范设计要求的沥青用量范围中值作为OAC2, 进而将OAC1与OAC2的中值确定沥青混合料的最佳沥青用量。具体计算公式为:

式中:a1为最大稳定度对应的沥青用量;a2为最大密度对应的沥青用量;a3为设计空隙率中值对应的沥青用量;a4为饱和度范围的中值对应的沥青用量。

式中:OACm i n为符合各项指标的沥青用量最小值;OACmax为符合各项指标的沥青用量最大值。

在确定了沥青的最佳沥青用量之后, 应该对最佳沥青用量的粉胶比和有效沥青膜厚度进行必要的试验验证。通过计算沥青结合料被集料吸收的比例、有效沥青含量、有效沥青的体积百分率、矿料的体积百分率、最佳沥青用量对应的粉胶比以及有效沥青膜厚度等各项技术指标, 进一步优化调整沥青混合料沥青用量。

(3) 沥青混合料技术性能指标的验证。在确定了沥青混合料的最佳沥青用量之后, 应该对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、渗水性等技术指标进行验证。试验方法主要有车辙试验、低温弯曲试验、冻融试验、浸水马歇尔试验以及渗水试验等内容, 并通过对试验结果的数据分析, 确保沥青混合料配比设计满足设计规范的要求。

3 沥青混合料Superpave设计方法设计流程

(1) 沥青混合料设计基础数据资料整理。Super pave沥青混合料设计方法所需要收集的基础数据资料主要包括工程所在地附近的气候数据、气候资料、路面设计温度、路面最高和最低设计温度的最低路面性能等级、交通类型等内容, 只有准确的收集这些资料, 才能为Sup er p ave沥青混合料设计提供准确的参数。

(2) Superpave沥青混合料设计沥青分级体系的选择。对于Superpave沥青混合料设计方法, 首先应该确定项目所需要选用的沥青分级体系。在沥青胶结料的指标上, 主要有车辙银子、年度、拉伸应变、蠕变、质量损失、相位角、复数剪切模量、135℃粘度、蠕变进度以及破坏应变等一系列的指标。在Superpave沥青混合料设计方法中, 沥青性能等级的确定应该按照工程项目所在地附近的气候数据、气候资料的可靠度、路面设计温度、路面最高和最低设计温度的最低路面性能等级以及交通类型综合确定。

(3) 沥青混合料材料选择以及级配范围选择。Super pave沥青混合料设计方法中对于粗细集料、矿粉等原材料的技术指标要求, 应该严格按照设计规范执行。此外, 由于Sup er p ave沥青混合料设计方法中明确了限制区以及控制点的界限, 因此利用Superpave设计方法选择沥青混合料的级配时, 应该至少选择三个试验级配, 分别对应于从禁区上通过 (ARZ) 、通过禁区 (TRZ) 、在禁区下沿 (BRZ) 三条级配。

(4) 确定沥青混合料的最佳沥青用量。在初步确定了沥青混合料的级配范围之后, 应该进一步的明确混合料的体积特性, 进而根据沥青混合料的体积特性, 根据4%的空隙率控制指标, 初步确定沥青混合料的沥青用量。Sup er pave沥青混合料设计方法中, 沥青混合料的试件是由旋转压实仪制作而成, 其技术指标也主要包括孔隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、有效密度、有效沥青含量等一系列的技术指标。并在此基础之上, 绘制沥青用量与空隙率、矿料间隙率以及沥青饱和度的关系曲线, 找出满足各种指标要求的沥青用量, 确定沥青混合料的最佳沥青用量。

(5) 沥青混合料的技术性能验证。对于Superpave沥青混合料设计方法, 其试验方法与马歇尔设计方法有着很大的不同, 除了对高温性能、低温性能、疲劳性能、水稳定性能等技术指标进行验证之外, 还应该在完成集料级配和最佳沥青用量的设计后, 通过在最大压实次数下的压实度和水敏感性的验证, 进一步优化调整沥青混合料的级配设计以及沥青用量的确定。

4 结语

优化沥青混合料的配比设计, 对于提高沥青路面的整体施工质量, 延长沥青路面的使用寿命也具有非常重要的作用。因此, 在沥青混合料配比设计过程中, 必须确保原材料的质量满足设计要求, 并严格按照试验操作规程进行配比试验, 通过对沥青原材料、级配范围、沥青用量以及沥青混合料各项指标进行试验验证, 提高沥青混合料的配比设计质量, 为沥青路面的施工质量控制提供良好的基础。

参考文献

[1]赵心源, 朱建方, 崔云志.市政道路沥青混凝土路面的影响因素探讨[J].科技创新导报, 2010 (7) .

钻孔泥浆配比及性能试验要点 篇6

在钻孔灌注桩的施工中,无论对于成孔质量还是最终对桩的承载能力的发挥,泥浆质量都是重要因素。泥浆质量差,其后果是:

1)形成不了护壁泥膜或形成的泥皮粘附力差,易于脱落,导致孔壁稳定性差,易产生塌孔或缩颈。

2)泥浆稠度大,比重大,含砂率高,形成的泥皮质量差,厚度大,大大降低桩的侧摩阻力。

3)稠浆在钢筋笼上沉积粘附,导致钢筋与砼握裹力降低。泥浆比重过大,使得砼水下灌注阻力增大,降低砼的流动半径,使砼骨料大部分堆积在桩芯部位,而钢筋笼外几乎无骨料,不仅桩身质量不好而且桩的侧摩阻力也难以发挥。因此在施工中必须按规范要求严格控制泥浆的质量。

1 泥浆的作用

1)泥浆有保护孔壁的作用

在钻孔桩施工中,只要按规定配制符合要求的泥浆,即使在细砂土的孔中,孔壁四周都应是相对光滑的。这是因为泥浆经过钻孔旋转搅动,在离心力的作用下,泥浆被甩落到孔周壁,形成3～5 mm的护孔薄层,加之孔中水头作用,孔周壁土面基本得到封闭,土层中的地下水、承压水很难进入孔中。实践证明,较大比重的泥浆,护壁效果更佳,但也不是泥浆比重越大越好。

2)泥浆的排渣作用

所谓钻孔,就是钻头搅动土壤,使之松动,从外界输入泥浆把渣土稀释,形成浓泥浆,排出孔外。这里的关键就是注入孔中泥浆比重、稠度、含砂率应符合规范要求和实际情况,只有这样才能排出孔中钻渣。

工程实例:某高速公路分离式立交桥,18～20#墩底部有3 m左右的砾石层,比较坚硬,进尺和排渣都很困难,一般的回旋冲击钻机很难钻下去,最后采用重型冲击锤,采用1.4～1.5 g/cm3比重的粘土泥浆,终于,这一层钻渣悬浮出孔。一般情况下,在粘土层钻孔泥浆比重在1.05～1.2 g/cm3之间。在粗砂层、砾砂层和砾石层,配比重1.3、1.4、1.5左右的泥浆效果较好。反之,很难排出钻渣,还可能引起塌孔,严重影响钻进速度。

3)泥浆的清孔作用

清孔实际上是进行孔底排渣,但不同于正常钻孔排渣。清孔的目的是防止砂粒在孔中沉淀超过设计规定的厚度。首先要配制较好泥浆,由泥浆泵送入孔底,让孔中砂粒不断上浮出孔,并不断测试孔中泥浆含砂率,符合要求后,再测定比重和稠度是否达到规范要求。

4)泥浆的冷却和冲洗钻头作用

2 泥浆常用配方

泥浆配制一般由水、粘土(或膨润土)和化学处理添加剂按适当配合比配制而成,针对不同地层、不同钻掘工艺,配比思路不同。

1)松散地层泥浆

砼灌注桩工程中遇到较不利的和较多的情况为在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进,成孔的难度很大。这类地层称为机械松散性地层。由于颗粒间缺乏胶结,钻进时井壁很容易坍塌。

解决思路:增加井壁颗粒间的胶结力,粘性较大的泥浆适当渗入井壁地层中,可以明显增强砂、砾之间的胶结力,以此使井壁的稳定性增强。提高泥浆粘度,主要通过使用高分散性泥浆(细分散性)、增加泥浆中的粘土含量、加入有机或无机增粘剂等措施来实现。在这种地层中钻进所采用系分散性泥浆成功的工程实例很多,典型配方举例:

(1)Na-CMC(钠羧甲基纤维素)泥浆

该泥浆为最普通的提粘型泥浆,Na-CMC起进一步提粘和降失水作用。配方:优质造浆粘土150～200 g,水1 000 mL,纯碱5～10 kg,Na-CMC 6 kg左右。泥浆性能指标:密度1.07～1.1 g/cm3,粘度25～35 S,失水量小于12 mL/30 min,pH值约9.5。

(2) 铁铬盐-Na-CMC泥浆

该泥浆提粘且稳定性较强,铁铬盐起防絮凝(稀释)作用。配方:粘土200 g,水1 000 mL,纯碱液50%浓度加量约20%,铁铬盐溶液浓度20%加量0.5%,Na-CMC 0.1%。泥浆性能指标:密度1.10 g/cm3,粘度25 S,失水量12 mL/30 min,pH值9。

(3)木质素磺酸盐泥浆

木质素磺酸盐取材于亚硫酸纸浆废液,一般与煤碱剂配合使用,在提粘的基础上解决泥浆的防絮凝和降失水。配方:1 m3泥浆用粘土100～200 kg,亚硫酸纸浆废液30～40 kg,煤碱剂10～20 kg,NaOH 5～10 kg,消泡剂5～10 kg,水900～1 000 L。泥浆性能指标:密度1.06～1.20 g/cm3,相对粘度18～40 S,失水量5～10 mL/30 min,在钻进过程中,为进一步降失水可加0.1～0.3 kg Na-CMC。

(4) 腐植酸泥浆

腐植酸泥浆是用煤碱剂或腐植酸钠做稳定剂的,它可以与其他处理剂如Na-CMC等配合使用,制备腐植酸泥浆的配方是1 m3泥浆中,加150～200 kg煤碱剂(干量),3～5 kg Na2CO3,900～1 000 L水。泥浆性能指标:密度1.03～1.20 g/cm3,失水量4～10 mL/30 min,pH值9。

2)水敏抑制性泥浆[3]

此种泥浆多在粘土层、泥页岩中使用。

对于水敏性地层,应尽量减少钻进液对地层渗水,也就是降低泥浆的失水量以及增强井壁的岩土的抗水敏性,抑制分散是最为关键的问题。从泥浆失水量影响因素的分析和对岩土的水化性分析可以归纳出针对水敏性地层配制泥浆时的几个要点及解决思路:

(1) 选优质粘土。由于水化效果好,粘土颗粒吸附了较厚的水化膜,泥浆体系中的额外自由水量大大减少,所以优质粘土泥浆的失水量远低于劣质土。

(2) 采用“粗分散”方法。使粘土颗粒适度絮凝,而非高度分散。从而使井壁岩土的分散性减弱,保持一定的稳定性。

(3) 添加降水剂。Na-CMC、PAM等降水剂通过增加水化膜厚度、增大渗透阻力、起井壁网架隔膜作用等,可使失水量明显减少。

(4) 提高基液粘度。泥浆中的“自由水”实际上是滤向地层的基浆,其粘度愈高,向地层中渗滤的速率就愈低。

(5) 调整泥浆比重,平衡地层压力。井眼中液体压力与地层中的流体的压力差是泥浆失水的动力,尽可能减少压力差,维持平衡钻进是降失水的有效措施。

按照上述思路,使用的泥浆有钙处理泥浆、钾基泥浆、乳化沥青泥浆和油包水活度平衡泥浆的配方。常用配方:

① 石膏-铁铬盐泥浆。石膏加量一般为泥浆体积的1.14%～1.7%,铁铬盐加量为0.86%～1.7%,纯碱为0.28%～0.42%,为降失水可加入0.14%～0.42%的CMC配制。程序是:在淡水泥浆中先加入少量的铁铬盐和纯碱及一部分水,搅拌后把其余的铁铬盐和石膏一起加入,再后加CMC控制失水量。

② 氯化钙-褐煤泥浆。以加有0.3%～0.5%纯碱的比重为1.10～1.20的新浆一份,与煤碱剂(15∶2～3∶100～150)一份相混合,配成煤碱剂泥浆,然后加入0.5%～1.0%的氯化钙(配成溶液加入)经搅拌而成。

③ PAM-KCl泥浆。粘土加量按在泥浆中所占体积计为3%～5%,分子量在300×104以上,30%水解度的PAM加量为1.43～3.58 kg/m3,KCl加量为3%～15%左右。为除钙和提高抗温性能,可加入5%左右的(NH4)2SO4。

④ 分散型氯化钾泥浆。配制1 m3泥浆,粘土50～100 kg,KCl 30～50 kg,聚合物(淀粉等)5～10 kg,缩合亚硫酸酒精废液30～50 kg。KOH 5～10 kg,消泡剂2～3 kg。水920～940 L。

⑤ KOH-褐煤泥浆。用于不宜含氯离子过高的地区,用聚合物来控制失水和调节流变性,也可添加KCl来弥补钻井中的K+的消耗,但Cl-不能超过规定的水平,这种泥浆起抑制作用的组分为KOH和KHM,并主要靠KOH来维持钾含量和pH值。

⑥ KOH-磺酸盐泥浆。用于钻井蒙脱石含量高的地层。

3)溶蚀性地层泥浆

溶蚀性地层以氯化钠盐层最为典型,遇到水后发生溶解,使钻井液孔壁溶蚀,导致孔壁坍塌或超井。 解决思路:从两方面入手:一是降失水;二是降低钻井液对地层的溶蚀性。在钻井液中添加与地层被溶物相同的物质,使溶解度趋于饱和,制成盐水泥浆治理溶蚀。

盐水泥浆是粘土悬浮液中氯化钠含量大于1%,或用咸水(海水)配置泥浆,它是按氯化钠的含量的高低,分为盐水泥浆(一般含盐量3%～7%)、海水泥浆(总矿化度一般为3.3%～3.7%)和饱和盐水泥浆(氯化钠约为33%～36%)。上述泥浆在钱塘江隧道穿越得到应用,通过该工程说明,降低钻井液对地层的溶蚀,对长距离的穿越将是一个很重要的护壁因素。

上述常用配方,明显看出,泥浆都是由粘土、水和化学处理剂组成。因此,有必要说说粘土及化学处理剂。

3 泥浆中的粘土与化学处理剂

1)粘土(膨润土)[1]

钻进泥浆中的粘土主要由很细(2 μm以下)的粘土矿物颗粒组成。它们主要含氧化硅、氧化铝和水,还有少量的铁、碱金属和碱土金属,粘土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。粘土矿物的种类很多,常见的和对泥浆工艺较为重要的只有4种:高岭石、伊利石、蒙脱石和海泡石。钻进泥浆中的粘土是以蒙脱石为主的膨润土。按蒙脱石所含可交换阳离子种类、含量和结晶化学性质等,可将膨润土划分为钠基膨润土(碱性土)、钙基膨润土(碱性土)和天然漂白土(酸性土)3种[2]。

2)化学处理剂

在粘土水系统中,粘土粒子带负电,在水中能吸附正离子形成胶团。粘土粒子同时还大量吸附H+。在未加电解质时,由于H+离子半径小,电荷密度大,与带负电的粘土粒子作用力也大,易进入胶团吸附层,中和粘土粒子的大部分电荷,使相邻同号电荷粒子间的排斥力减小,致使粘土粒子易于粘附凝聚,降低流动性。当加入化学处理剂(电解质)后,这种电解质的阳离子离解程度大,且所带水膜厚,粘土粒子间排斥力增大,从而提高泥浆的流动性,即电解质起到了稀释作用。

泥浆配比如何,要用泥浆试验指标来检验。

4 泥浆试验指标

1)泥浆密度试验

指泥浆的质量与规定体积水的质量之比,测量泥浆密度的仪器目前用得最多的是密度计(密度秤)。

测量密度时,将泥浆装满于泥浆杯中,加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后,将杠杆放在支架上(主刀口坐在主刀垫上)。移动游码,使杠杆成水平状态(水平泡位于中央)。读出游码左侧的刻度,即为泥浆的密度值[5]。

为提高测量的精准度,不可忽略下述操作:

(1)测量泥浆密度前,先用清水对仪器进行校正。校正时如读数不在1.0处,可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。

(2)密度计关健部位要检查

一要看刃口是否在槽内,二要看刃口是否磨损,只有当刃口完全进槽并无磨损的情况下,才能进行试验,(刃口是否磨损可将刃口调头180度,看是否居中)。

2)粘度试验

(1)试验仪器:

国内常用1006型泥浆粘度计。

(2)试验方法:

用两端开口杯分别量取200 mL和500 mL的泥浆,用筛网滤去大的砂粒,再将泥浆倒入漏斗,使泥浆从漏斗流出,流满500 mL量杯所需的时间即为泥浆的粘度。(校正方法:漏斗中加满700 mL的清水,流出500 mL的时间应为15 s,如偏差超过±1 s,则测定的结果应进行修正)

提高该试验精准度,可以从下述几个方面入手:

① 尽量采用高度较高的量筒而不用开口较大的量杯。

因为开口大的量杯其下弯液面没有开口小的量筒好把握(控制)。

② 使用量筒前应对量筒进行容积较正

由于量筒底部玻璃厚薄往往是不均匀的,笔者作过多次试验,发现由于量筒底部厚度不同,造成较大的容积误差,相对误差1%～10%,且量筒愈小误差愈明显。

因此必须对量筒进行校正,校正方法通常用天平称量水的质量然后进行体积换算。

③ 注意环境温度[4]

夏季温度与冬季温度相差很多,室内温度与室外温度也有不同,因而测得的粘度值是不一样的。

④ 改用更先进的仪器如带加温的相对粘度仪

由于1006型泥浆粘度计没有加温保温条件,因此,笔者建议,使用恩格勒相对粘度仪等更先进的仪器来测泥浆粘度,这些仪器都有温度控制及开口控制。可以减少温度及操作带来的试验误差。

需要指出的是,在工地,由于条件所限,没有粘度计,也可用量杯法来代替做泥浆试验。

3)泥浆含砂率试验

泥浆的含砂率是指泥浆中砂粒和不可分散物质的含量。含砂率大会降低粘度、增大密度,造成泥皮松散、护壁不牢、增加孔内沉淀厚度,同时容易磨损泥浆泵。因此,应控制泥浆含砂率。含砂率工地一般用含砂率计测定。

试验时,先将含砂率计用清水洗净,并倒干筒内水将搅拌均匀的50 mL泥浆倒入含砂率计筒内,然后在倒入450 mL清水,将仪器塞紧,摇动1 min,使泥浆与水混合均匀,再将仪器竖直静放,应避免晃动仪器,最好将仪器悬挂在墙壁上。开动秒表,3 min后从仪器下端的刻度上读出沉淀物的体积,乘2(因所放入泥浆只有50 mL),即为含砂率%。以两次结果的平均值为测定值。为提高试验精准度,在操作时应遵偱:

(1)当旋浮的液体较混浊时,含砂率读数应通过液体翻花的界限来认定。

(2)测纯含砂量,可将上述试验后的稀释泥浆液倒掉,只留仪器试管中的沉淀物,用清水反复冲洗,至管内完全为清水,读砂的体积数乘2,为纯含砂率(纯含砂率不同于浊水含砂率)。

4)泥浆失水量和泥皮厚度确定

泥浆在井内承受压差作用,部分水渗入地层,这种现象叫泥浆的失水(或称滤失),滤失的多少称泥浆的失水量。其大小一般以30 min以内,在1个大气压压差作用下,渗过一定面积的水量,以mL计。

泥浆失水量的测定,过去用专门的失水量测定仪。该仪器由加压活塞、过滤器、逆止筏、十字螺丝、加压筒、金属套筒、加压锤等组成。试验时还要加注机油,操作繁杂,很麻烦。目前工地上常用简易法测定其近似值。试验时,将一张ϕ120 mm的滤纸置于水平玻璃板上,中央画一个直径30 mm的圆圈,将2 mL的泥浆滴于滤纸圆圈中心,30 min后,量算湿润圆圈的平均半径(mm),及泥浆坍平成泥饼的平均半径(mm),一般要测4～ 6个值取平均半径。

湿润圆圈平均半径减去泥饼的平均半径,即为泥浆的失水率,单位mL/30 min。

在滤纸上量出泥饼厚度(mm),即为泥皮厚,泥皮越平坦、越薄,则泥浆质量越高,一般不宜厚于2 mm。需要指出的:

简易法测定出来的失水量单位应当是mm,但目前有的试验规范上仍然为mL/30 min,使初学者摸不着头脑,实际上这个单位是由失水量仪测量得来,换算成简易法单位,值得研究。

使用简易法测失水量,对于滴在滤纸中心泥浆用量,用2或3 mL,值得研究,笔者建议,以30 min内,湿润圆圈的半径占滤纸的2/3为宜。

有的滤纸滴泥浆后出现椭圆失水现象,这由滤纸一个方向上(如横纹)较另一方向如纵纹纹路过多引起,处理方法为换质量较高的横竖纹理均匀的滤纸。

5 结 论

a.泥浆的主要功能: 一是携带和悬浮钻屑。这是泥浆的一个基本功能,就是要把钻头(扩孔钻)破碎的岩(土)屑从孔洞中带出孔眼,保持孔洞净化。其二是通过调节泥浆比重、粘度、含砂率、失水率、胶体率、静切力、pH值等稳定孔壁。以建立与地层压力相平衡的液柱压力,防止漏、塌、卡等地下不良情况的出现。这是泥浆技术措施的基本立足点。其三是冷却和冲洗钻头,清扫孔中(底)岩(土)屑。

b.泥浆3大功能的实现依据不同地层和钻进工艺,采用不同的粘土、化学处理剂配方。

c.良好的泥浆配方需用泥浆试验指标来检验,在检验过程中,试验要点和重要操作必须遵守,如密度计刃口检查与量筒底部校正及椭圆失水的滤纸更换,舍此不能正确反映泥浆指标,进而影响造浆的功用。

参考文献

[1]宋雪飞.正交试验设计方法在粘土水泥浆配方试验中的应用[J].建井技术,2005(5).

[2]席社.铁路桥梁施工废弃泥浆处理的实用技术研究[J].铁道标准设计,2012(7).

[3]张晓静.水敏/松散地层钻井液的护壁机理分析与应用研究[D].中国地质大学.

[4]田志坤.温度对泥浆影响的现场试验[J].探矿工程,1979(3).

烟草漂浮育苗营养基质配比研究 篇7

关键词：烟草,漂浮育苗,基质

漂浮育苗技术的推广与应用, 对烟草产业的发展起到极大的促进作用, 而漂浮育苗基质的好坏与成本直接影响着育苗工作[1,2]。就目前而言, 商品基质表现最好, 但其价格昂贵, 导致育苗成本大大提高, 通过配比不同漂浮育苗基质与商品基质进行对比试验, 筛选最合适的漂浮育苗基质。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验地设在昌乐县红河镇埠南头育苗工场, 育苗棚长52 m, 宽8 m, 为钢架结构, 共改造成8个长25.5 m、宽1.65 m、深0.15 m的育苗池, 配有消毒池、水管、毛毯、薄膜、拱子、温度计等设施。供试材料包括商品基质、麻刚沙、草炭土、牛粪、砂子、蛭石。供试烤烟品种:NC55、中烟203。

1.2 试验设计

试验分2个阶段进行, 2013年试验品种为NC55, 设10个处理, 分别为20%砂子+60%牛粪+20%土 (A1) 、40%砂子+40%牛粪+20%土 (A2) 、40%砂子+60%草炭土 (A3) 、20%麻刚沙+40%牛粪+40%草炭土 (A4) 、40%麻刚沙+20%牛粪+40%草炭土 (A5) 、20%蛭石+40%牛粪+40%草炭土 (A6) 、30%蛭石+30%牛粪+40%草炭土 (A7) 、30%蛭石+60%牛粪+10%土 (A8) 、30%土+20%牛粪+10%河沙 (A9) 、商品基质 (CK1) 。随机排列。2014年试验品种为中烟203, 在2013年试验的基础上从10个处理中筛选及新加处理共5个 (包含商品基质) , 包括20%麻刚沙+40%牛粪+40%草炭土 (B1) 、20%蛭石+40%牛粪+40%草炭土 (B2) 、20%珍珠岩+40%牛粪+40%草炭土 (B3) 、20%蛭石+10%珍珠岩+30%牛粪+40%草炭土 (B4) 、商品基质 (CK2) 。

1.3 试验方法

2013年试验于4月11日播种, 加强出苗期及苗期的温湿度管理, 保证各处理的出苗率, 适时喷药, 防治病虫害[3,4]。2014年试验调查分析各处理的出苗率、生育期及成本等[5,6]。

2 结果与分析

2.1 2013年试验各处理出苗率

2013年试验各处理出苗率见表1。由表1可知, 不同基质育苗出苗率处理间存在明显差异, 处理A6出苗率最高, 为96%;处理A4与CK1均为95%;其余处理均低于CK1, 为80%~94%, 处理A1最低。

2.2 2014年试验各处理出苗率

2014年试验各处理出苗率见表2。由表2可知, 不同基质育苗出苗率处理间存在差异, CK2优于其他处理, 处理B1出苗率次之, 处理B2出苗率最低。

2.3 2014年试验各处理植株长势

2014年试验各处理植株长势见表3。由表3可知, 处理CK2苗期长势最好, 烟苗最健壮, 处理B1次之, 处理B2出苗率及苗期生长状况最差。

2.4 2014年试验各处理成本

2014年试验各处理成本见表4。由表4可知, 各处理基质用量从多到少依次为处理B1=处理B2>处理B3=处理B4>CK2, 但差异不显著;单价依次为CK2>处理B2>处理B1=处理B3>处理B4, 除CK2与其他差异显著外, 其余处理间差异不明显;成本依次为CK2>处理B2>处理B1>处理B3>处理B4, 各处理间差异较大。其中, 处理B1、B2、B2、B4较CK2都有较大优势, 说明在昌乐县境内, 用麻刚沙、蛭石、珍珠岩等作为基质替代材料进行烤烟漂浮育苗均能大幅度节约成本。

3 结论与讨论

试验结果表明, 麻刚沙、蛭石、珍珠岩、牛粪、草炭土替代商品基质用于烤烟漂浮育苗, 20%麻刚沙+40%牛粪+40%草炭土处理的出苗率与商品基质接近, 成苗率和壮苗率与商用漂浮育苗基质相接近, 均达90%以上。出苗时间和成苗时间略有推迟 (1~5 d) , 但是不影响大田生产;其他管理措施与常规漂浮育苗相同, 成苗移栽后田间长势良好。

麻刚沙、蛭石、珍珠岩、牛粪、草炭土用于烤烟漂浮育苗优势在于成本较低, 原料充足, 成本比较商品基质低, 能大幅度降低育苗成本, 具有较好的经济效益和社会效益。

结合昌乐县当地自然环境, 麻刚沙资源丰富, 且试验表现较其他处理好, 适宜作基质替代材料。试验替代处理较商品基质在出苗率方面有一定不足, 出苗表现不均匀, 这一问题有待于进一步研究, 苗期生长状况较商品基质叶色发黄, 表现为肥力不足, 下一步应加强苗期管理工作。

参考文献

[1]岑怡红, 聂荣邦.烟草漂浮育苗培养基质及营养液对烟苗生长发育的影响[J].河南科技大学学报:农学版, 2003 (4) :38-40.

[2]杨朝辉, 刘岱松, 石方斌, 等.烟草漂浮育苗存在的问题及对策[J].现代农业科技, 2010 (13) :82-83.

[3]邓海滨, 邱妙文, 陈永明, 等.烟草漂浮育苗基质对烟苗生长的影响[J].仲恺农业技术学院学报, 2006 (1) :18-20.

[4]李卫华, 齐绍武, 胡宇, 等.烟草漂浮育苗技术研究进展[J].现代农业科技, 2008 (9) :112-113.

[5]时向东, 刘国顺, 陈江华, 等.烟草漂浮育苗系统中培养基质对烟苗生长发育影响的研究[J].中国烟草学报, 2001 (1) :18-22.