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1 km 铰接式扬矿子系统横向运动仿真与实验研究
2011-08-03
根据相似理论,建立了深海采矿1 km 中试系统铰接式扬矿子系统的动力学实验系统,采 用正弦机构,模拟海浪对船的横向激振,对铰接式光体圆柱硬管系统在6 级海况下的横向运动进 行了实验;用虚拟样机技术进行了6 级海况时的瞬时动态分析、动力学分析及动力学仿真. 结果 表明:铰接式扬矿系统的泵及中间舱的弯矩呈周期性变化,60 N ·s 时趋于稳定,其值小于固接 扬矿系统. 激振周期10 s 时中间舱和泵处的横向偏移振幅分别为9 m 和5 m ,呈周期性变化,运 动周期大于海流周期;仿真结果与实验结果基本一致. 铰接式扬矿管体不受弯矩,相当于柔性管.
第 36 卷 第 2 期 中 国 矿 业 大 学 学 报 Vol. 36 No. 2 2007 年 3 月 Journal of China University of Mining & Technology Mar. 2007 文 章 编 号 :100021964 (2007) 0220246205 1 km 铰 接 式 扬 矿 子 系 统 横 向 运 动 仿 真 与 实 验 研 究 冯 雅 丽 , 徐 妍 , 冯 福 璋 , 张 文 明 ( 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 , 北 京 100083) 摘 要 :根 据 相 似 理 论 ,建 立 了 深 海 采 矿 1 km 中 试 系 统 铰 接 式 扬 矿 子 系 统 的 动 力 学 实 验 系 统 ,采 用 正 弦 机 构 ,模 拟 海 浪 对 船 的 横 向 激 振 ,对 铰 接 式 光 体 圆 柱 硬 管 系 统 在 6 级 海 况 下 的 横 向 运 动 进 行 了 实 验 ;用 虚 拟 样 机 技 术 进 行 了 6 级 海 况 时 的 瞬 时 动 态 分 析 、动 力 学 分 析 及 动 力 学 仿 真 . 结 果 表 明 :铰 接 式 扬 矿 系 统 的 泵 及 中 间 舱 的 弯 矩 呈 周 期 性 变 化 ,60 N 发 s 时 趋 于 稳 定 ,其 值 小 于 固 接 扬 矿 系 统 . 激 振 周 期 10 s 时 中 间 舱 和 泵 处 的 横 向 偏 移 振 幅 分 别 为 9 m 和 5 m ,呈 周 期 性 变 化 ,运 动 周 期 大 于 海 流 周 期 ;仿 真 结 果 与 实 验 结 果 基 本 一 致 . 铰 接 式 扬 矿 管 体 不 受 弯 矩 ,相 当 于 柔 性 管 . 关 键 词 : 铰 接 式 扬 矿 系 统 ; 相 似 理 论 ; 横 向 偏 移 ; 虚 拟 样 机 技 术 中 图 分 类 号 : P 751 ; P 74 ; TH 122 ; TP 3 文 献 标 识 码 : A Experimental Study for Lateral Motion of 1 km Articulated Lifting Subsystem FEN G Ya2li , XU Yan , FEN G Fu2zhang , ZHAN G Wen2ming ( Civil & Environment Engineering School ,University of Science & Technology Beijing , Beijing 100083 , China) Abstract : Based on the similarity theory , experimental installation for dynamics of 1 km articu2 lated lifting subsystem was established. Lateral shock excitation upon mining ship was simula2 ted by using sine mechanism. The lateral motions of articulated cylinders under the six2grade o2 ceanic condition were tested. The model of lifting system is established by virtual prototype technology. Its dynamic behavior under the same oceanic condition is analyzed. The results show that flexural torques of pump and buffer in articulated lifting subsystem are periodic changed , and drive to 60 N 发 S. The values of them are less than the ones of fixed lifting sys2 tem. When the period of shock excitation is 10 second , the amplitudes of lateral displacement of buffer and pump are 9 and 5 meters , respectively. The locus is periodic changed. The period of motion is much greater than the ocean current one. The simulation results and the test ones are consistent. The articulated lifting pipes don’t bear flexural torque , so it can be treated as flexible bodies. Key words : articulated lifting system ; similarity theory ; lateral displacement ; virtual prototype 大 洋 多 金 属 结 核 赋 存 于 5~ 6 km 海 底 ,富 含 进 行 1 km 深 海 采 矿 中 试 系 统 海 上 试 验 . 铜 、钴 、锰 等 金 属 ,是 人 类 重 要 的 接 替 资 源 . 经 过 多 深 海 采 矿 1 km 中 试 系 统 由 采 矿 船 、扬 矿 管 、 [ 3 ] 年 的 研 究 ,我 国 确 立 了 水 力 提 升 自 行 式 集 矿 机 的 深 提 升 泵 、中 间 舱 、软 管 、集 矿 机 等 组 成 在 海 水 中 承 受 着 由 采 矿 船 的 纵 摇 、横 摇 . 扬 矿 系 统 [ 1 ] [2 ] [4 ] 海 开 采 系 统 ,完 成 了 部 分 关 键 部 件 的 研 制 ,拟 、升 沉 以 收 稿 日 期 : 2006 06 12 基 金 项 目 : 国 家 长 远 发 展 专 项 和 国 际 海 底 区 域 研 究 开 发 “ 十 五 ”项 目 (DY105203202217) ;高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 项 目 20060008025) 作 者 简 介 : 冯 雅 丽 (19672) ,北 京 市 人 ,副 教 授 ,从 事 机 械 动 力 学 方 面 的 研 究 . E2mail : ylfeng126 @126. com Tel : 010262332467 ( 第 2 期 冯 雅 丽 等 : 1 km 铰 接 式 扬 矿 子 系 统 横 向 运 动 仿 真 分 析 与 实 验 研 究 247 [ 5 ] ,呈 现 出 复 杂 的 动 力 学 特 及 洋 流 、海 浪 等 的 作 用 1. 2 运 动 及 动 力 相 似 [ 6 ] 性 ,刚 性 连 接 的 扬 矿 管 承 受 很 大 的 弯 曲 应 力 ,连 7 ] 、应 力 腐 蚀 现 象 ,对 系 统 扬 矿 系 统 横 向 和 纵 向 的 振 动 主 要 是 在 船 拖 曳 时 引 起 的 ,而 船 的 运 动 是 海 浪 作 用 的 结 果 ,可 见 扬 矿 系 统 运 动 相 似 的 主 要 参 数 为 海 浪 速 度 . 实 验 中 海 浪 速 度 通 过 改 变 船 的 速 度 来 反 映 . 扬 矿 管 在 海 洋 环 境 下 作 业 ,受 力 十 分 复 杂 ,主 要 有 波 浪 与 海 流 作 用 于 管 壁 的 液 动 力 ;采 矿 船 的 升 沉 运 动 产 生 的 周 期 性 纵 向 拉 力 ;系 统 各 部 分 的 重 力 和 浮 力 ,静 水 压 力 等 . 其 中 液 动 力 主 要 由 波 浪 力 和 海 流 力 组 成 . [ 接 部 位 易 出 现 应 力 集 中 [ 8 ] 的 强 度 及 可 靠 性 产 生 很 大 影 响 . 若 采 用 铰 接 式 连 接 装 置 ,扬 矿 管 相 当 于 “ 柔 性 管 ” , 不 承 受 弯 矩 ,有 一 定 的 弯 曲 、转 动 自 由 度 ,在 变 化 的 切 向 力 作 用 下 , 只 承 受 轴 向 力 .   根 据 相 似 理 论 ,设 计 1 km 深 海 采 矿 铰 接 式 扬 矿 子 系 统 的 实 验 装 置 ,并 采 用 虚 拟 样 机 技 术 对 铰 接 式 扬 矿 系 统 的 运 动 学 特 性 进 行 分 析 ,将 实 验 和 仿 真 结 果 进 行 比 较 ,为 1 km 深 海 采 矿 系 统 中 间 试 验 提 供 实 验 依 据 . 在 我 国 圈 定 的 采 矿 区 域 内 ,洋 面 海 流 的 流 速 为 0. 772 m/ s ,而 海 底 流 速 为 0. 15 m/ s ;水 深 与 波 长 的 比 值 小 于 0. 5 ,根 据 爱 利 波 理 论 海 深 z 处 的 海 流 速 度 为 1 实 验 装 置 设 计 1/ 2 1 000 + z 1 000 u c = 0. 15 + 0. 622 专 , (1) 扬 矿 系 统 在 海 水 中 的 力 学 行 为 非 常 复 杂 ,用 实 由 莫 里 森 方 程 得 到 所 矿 管 所 受 的 波 浪 载 荷 为 0 验 的 方 法 来 完 全 模 拟 海 洋 环 境 非 常 困 难 ,在 经 济 和 技 术 上 都 不 可 行 . 根 据 流 体 动 力 学 相 似 理 论 ,通 过 量 纲 分 析 ,确 定 扬 矿 系 统 在 海 水 中 的 运 动 的 相 似 准 数 ,设 计 研 制 了 1 ∶ 100 扬 矿 系 统 实 验 装 置 . 实 验 模 型 暂 不 考 虑 内 部 流 体 对 扬 矿 管 的 影 响 ,将 扬 矿 管 、 提 升 泵 和 中 间 舱 都 考 虑 为 实 心 圆 柱 体 . 1 F i = C d ρ w D - 1 (Uwn + u c ) | Uwn + u c | dz + (2) 2 ∫ 2 0 w π D C m ρ - 1 U wn dz . 4 ∫ 式 (2) 中 水 质 点 的 速 度 和 加 速 度 在 水 平 方 向 的 分 量 应 为 1 . 1 实 验 装 置 参 数 的 确 定 = π H 2π z x K t T U wn exp cos 2π sin 2π - , 铰 接 式 扬 矿 子 系 统 为 长 管 线 系 统 ,几 何 相 似 的 T L 0 主 要 参 数 为 扬 矿 管 几 何 长 度 . 深 海 采 矿 1 km 中 试 系 统 的 主 要 参 数 见 表 1. 2 2 π 2 Hexp 2π z x K t UÛwn = - T . T L 0   实 验 用 扬 矿 管 模 型 的 长 度 L 1 , 与 实 际 扬 矿 管 (2) 中 第 1 项 为 拖 曳 力 , C d 为 拖 曳 系 数 ,第 2 项 为 惯 性 力 , C 为 惯 性 力 系 数 . 式 的 长 度 L 2 之 比 c(常 数 ) 为 扬 矿 管 特 征 数 长 度 比 , m 取 1/ 100. 实 验 装 置 的 设 计 参 数 为 :水 深 10 m ,实 验 用 扬 矿 管 每 节 长 度 为 110 mm ,提 升 泵 位 于 水 面 下 系 数 Cd , Cm 与 雷 诺 数 Re , Kc 数 及 表 面 粗 糙 度 有 关 ,对 于 深 海 采 矿 扬 矿 管 ,其 表 面 相 对 光 滑 ,根 据 我 国《 海 港 水 文 》 的 规 定 选 取 Cd = 1. 2 , 根 据 横 截 3 9 m ,提 升 泵 长 度 为 65 mm ,中 间 舱 位 于 水 面 下 m 处 . 面 形 状 ,选 取 . 3 流 态 相 似 为 了 流 态 相 似 ,还 需 要 模 拟 水 中 惯 性 力 与 黏 性 m C = 2. 表 1 扬 矿 管 系 统 几 何 模 型 和 6 级 海 况 参 数 Table1 Geometrical model of lifting system and parameters of six2grade oceanic condition 1 力 之 比 . 这 一 关 系 式 是 流 体 动 力 因 素 的 一 种 形 式 , 即 雷 诺 数 . 要 重 现 在 物 体 上 的 流 动 完 全 相 似 ,要 求 模 型 和 全 比 尺 上 的 雷 诺 数 相 等 . 根 据 量 纲 分 析 ,可 以 确 定 实 验 系 统 的 相 似 准 数 为 雷 诺 数 ,即 10 m 扬 矿 实 验 装 置 和 1 km 海 试 系 统 的 雷 诺 数 相 等 . 参 数 取 值 外 径 / mm 壁 厚 / mm 材 料 219. 08 12. 7 29CrMo44 钢 级 弹 性 模 量 / GPa 泊 松 比 P110 210 0. 3 950 6 500 6 077 4 直 径 / mm 长 度 / mm 对 于 16 ℃ 的 海 水 , 雷 诺 数 R e = 0. 900 专 0 V D ,V 为 特 征 速 度 ,扬 矿 管 为 光 体 圆 柱 ,不 考 虑 电 缆 直 径 ,直 径 D 为 模 型 的 特 征 尺 度 . 船 的 最 大 拖 提 升 泵 外 形 尺 寸 6 1 提 升 泵 在 水 中 质 量 / kg 宽 / m 长 / m 高 / m 中 间 舱 外 形 尺 寸 4 e 航 速 度 V = 0. 514 m/ s ,此 时 雷 诺 数 : R = 1. 013 1 5 专 10 . 实 验 所 用 流 体 为 水 ,通 过 模 拟 在 海 浪 作 用 下 6 中 间 舱 在 水 中 质 量 / kg 单 元 数 21 705 83 4 的 船 运 动 来 实 现 流 态 相 似 ,所 以 实 验 的 雷 诺 数 范 围 5 为 0~ 1. 0131 专 10 . 浪 高 / m 周 期 / s 6 级 海 况 10  24 8 中 国 矿 业 大 学 学 报 第 36 卷 波 流 的 周 期 性 质 是 重 要 的 ,而 1 个 周 期 参 数 通 常 表 示 为 = ( Keulegan2Carpenter ) 数 , K T/ D , T 为 振 动 周 期 ,U 是 船 的 最 大 拖 航 速 度 . 数 是 与 波 浪 中 涡 漩 脱 离 有 密 切 关 系 ,值 越 大 ,波 K c c U m m K c 浪 状 况 越 接 近 于 稳 定 流 动 的 条 件 . 实 验 围 :5. 5~ 28. c K 数 的 范 另 一 个 参 数 :粗 糙 数 ꢀk = k/ D , 其 中 k 为 试 件 表 面 粗 糙 高 度 的 平 均 值 ,与 材 料 有 关 . 为 了 满 足 粗 糙 数 ,实 验 扬 矿 管 选 用 与 1 km 海 试 扬 矿 管 相 同 的 材 料 . 依 据 实 验 的 可 操 作 性 原 则 ,确 定 实 验 系 统 的 其 他 参 数 为 :实 验 用 扬 矿 管 的 直 径 为 0. 005 m ,提 升 泵 的 直 径 为 0. 022 m ,泵 的 水 下 重 量 为 0. 145 kg , 中 间 舱 的 水 下 重 量 为 0. 520 kg. 图 2 1 km 深 海 采 矿 扬 矿 系 统 实 验 装 置 Fig. 2 Experiment device of lifting system of 1 km deep sea mining system 2 虚 拟 样 机 仿 真 结 果 1 . 4 采 矿 船 运 动 模 拟 装 置 根 据 表 1 的 数 据 ,利 用 动 态 仿 真 软 件 ADAMS 对 扬 矿 系 统 建 立 几 何 模 型 ,管 与 管 之 间 采 用 球 形 铰 接 约 束 (图 3) ,并 保 证 每 个 接 头 部 位 有 3 个 自 由 度 ,模 型 总 自 由 度 为 248 ;在 建 模 时 考 虑 了 浮 力 作 用 ,并 且 通 过 数 据 拟 合 ,仿 真 系 统 所 受 的 液 动 力 也 成 正 弦 规 律 变 化 ,这 样 可 以 保 证 与 实 际 海 况 相 同 , 与 实 验 结 果 具 有 可 比 性 . 实 验 采 用 由 正 弦 机 构 产 生 的 运 动 来 模 拟 波 浪 , 并 带 动 扬 矿 管 模 型 运 动 ,从 而 达 到 模 拟 海 洋 环 境 下 扬 矿 管 力 学 特 性 的 目 的 . 正 弦 机 构 是 把 旋 转 运 动 转 化 为 直 线 运 动 的 装 置 ,在 时 间 历 程 下 即 为 正 弦 运 动 ,该 机 构 主 要 包 括 电 机 、导 轨 、滑 块 等 . 在 正 弦 机 构 的 激 励 下 ,可 实 现 扬 矿 管 的 横 向 运 动 . 采 矿 船 运 动 的 实 现 装 置 如 图 1 所 示 ,电 机 通 过 减 速 器 带 动 曲 柄 OC 作 旋 转 运 动 ,滑 块 沿 导 轨 在 BC 方 向 作 直 线 运 动 ,固 接 于 滑 块 末 端 的 扬 矿 系 统 在 垂 直 于 导 轨 运 动 的 方 向 作 往 复 运 动 ,从 而 实 现 正 弦 运 动 . 通 过 调 节 变 频 器 的 频 率 改 变 运 动 的 周 期 . 系 统 的 运 动 位 移 通 过 数 字 采 集 卡 与 摄 像 头 进 行 采 集 记 录 . 摄 像 头 和 数 字 采 集 卡 与 计 算 机 相 连 ,在 计 算 机 上 对 数 据 进 行 分 析 (图 2) . 图 3 扬 矿 管 系 统 的 球 铰 连 接 内 部 结 构 Fig. 3 Structure of spherical joint in lifting system 只 需 对 系 统 的 2 个 关 键 位 置 进 行 分 析 ,就 可 以 说 明 扬 矿 系 统 的 运 动 规 律 . 泵 及 中 间 舱 处 在 铰 接 连 接 下 的 弯 矩 见 图 4 所 示 ,水 平 方 向 上 的 偏 移 如 图 5 所 示 . 采 用 铰 接 连 接 接 头 处 的 弯 矩 值 不 随 时 间 而 改 变 ,并 且 恒 为 零 ,表 明 在 接 头 位 置 管 道 不 承 受 弯 矩 作 用 . 此 时 ,整 个 扬 矿 管 道 可 视 为 柔 性 体 系 统 . 图 4a ,4b 分 别 为 铰 接 式 扬 矿 系 统 的 泵 及 中 间 舱 的 弯 矩 随 时 间 变 化 的 情 况 ,曲 线 虽 不 规 则 ,但 总 体 为 周 期 性 变 化 ,随 着 时 间 的 推 移 ,弯 矩 减 小 ,在 图 1 采 矿 船 运 动 的 实 现 装 置 Fig. 1 Exciting device of the mining ship moving   主 要 设 备 和 仪 器 为 :电 机 型 号 Y112M24 ,功 率 6 0 N 发 S 趋 于 稳 定 ,其 值 小 于 固 接 扬 矿 系 统 . 图 5a ,5b 分 别 表 示 泵 和 中 间 矿 舱 在 水 平 方 向 为 4 kW ,额 定 转 速 n = 1 500 r/ min ;减 速 器 为 双 轴 型 一 级 减 速 ,传 动 比 11 ,机 型 号 A 型 4 级 . 变 频 器 型 号 为 :CIMR2F7A. 有 机 玻 璃 圆 筒 内 装 满 水 ,正 弦 机 构 固 定 于 圆 筒 上 . 圆 筒 直 径 1 m ,总 高 度 为 10 m. 上 的 偏 移 ,曲 线 呈 周 期 性 变 化 ,但 周 期 大 于 海 流 的 周 期 . 从 以 上 2 图 可 以 看 出 泵 处 的 横 向 偏 移 振 幅 小 于 中 间 舱 处 的 振 幅 . 第 2 期 冯 雅 丽 等 : 1 km 铰 接 式 扬 矿 子 系 统 横 向 运 动 仿 真 分 析 与 实 验 研 究 249 图 4 扬 矿 系 统 不 同 位 置 处 的 弯 矩 随 时 间 变 化 曲 线 Fig. 4 Time history plot of Flexural torque on lifting system 图 5 扬 矿 系 统 在 不 同 位 置 处 横 向 偏 移 仿 真 曲 线 Fig. 5 Simulation curves of lateral displacement on lifting system m 的 距 离 ,而 实 验 的 总 高 度 为 10 m ,所 以 其 周 期 接 近 于 正 弦 运 动 的 周 期 10 s. 3 实 验 模 拟 结 果 模 拟 实 验 中 ,采 用 正 弦 机 构 带 动 一 系 列 铰 接 连 4 结 论 接 的 光 体 圆 柱 进 行 水 平 方 向 的 往 复 运 动 ,来 模 拟 在 海 浪 和 海 流 作 用 下 ,船 带 动 扬 矿 系 统 所 作 的 横 向 运 动 . 6 级 海 况 下 ,滑 块 的 运 动 周 期 为 10 s ,变 频 器 频 率 为 2. 23 Hz. 对 所 测 定 的 实 验 数 据 进 行 分 析 处 理 ,得 到 的 曲 线 如 图 6 所 示 . 1) 根 据 相 似 理 论 建 立 的 1 km 海 试 扬 矿 系 统 实 验 系 统 ,其 实 验 结 果 与 仿 真 结 果 基 本 相 符 ,证 明 该 装 置 具 有 科 学 性 和 实 用 性 ,可 为 我 国 采 用 铰 接 式 连 接 扬 矿 系 统 进 行 1 km 海 上 开 采 (试 验 ) 提 供 实 验 依 据 . 2 ) 铰 接 式 扬 矿 系 统 的 泵 及 中 间 舱 的 弯 矩 呈 周 期 性 变 化 ,60 N 发 S 趋 于 稳 定 ,其 值 小 于 固 接 扬 矿 系 统 . 3 ) 实 验 显 示 中 间 舱 和 泵 处 的 横 向 偏 移 振 幅 分 图 6 模 拟 实 验 中 泵 的 横 向 运 动 规 律 Fig. 6 Curves of lateral displacement of bump plotted by experiment results 别 为 9 m 和 5 m ,呈 周 期 性 变 化 ,运 动 周 期 大 于 海 流 周 期 ;仿 真 结 果 表 明 中 间 舱 和 泵 处 的 横 向 偏 移 振 幅 分 别 为 9 m 和 5. 2 m ,仿 真 结 果 与 实 验 结 果 基 本 一 致 . 图 6a 描 述 了 泵 的 横 向 偏 移 规 律 ,最 大 横 向 偏 移 为 5. 2 m ,相 同 工 况 下 仿 真 计 算 曲 线 见 图 5a ,横 向 偏 移 在 大 约 200 s 稳 定 以 后 ,系 统 的 最 大 偏 移 是 参 考 文 献 : 5 5 m ;图 6b 描 述 中 间 舱 最 大 横 向 偏 移 约 为 9 m ,图 b 的 仿 真 曲 线 显 示 最 大 横 向 位 移 为 9 m. 提 升 泵 [ 1 ] 冯 雅 丽 ,张 文 明 ,俞 洁 . 深 海 采 矿 扬 矿 管 横 向 运 动 特 性 [J ]. 有 色 金 属 ,2002 ,54 (3) :1202123. 与 中 间 舱 的 实 验 曲 线 与 虚 拟 样 机 仿 真 的 结 果 大 体 相 符 ,但 由 于 采 用 的 介 质 不 同 以 及 系 统 数 学 模 型 以 及 仿 真 参 数 的 数 值 难 以 准 确 确 定 ,仿 真 曲 线 与 试 验 曲 线 还 存 在 一 定 的 偏 差 . Feng Ya2li ,ZHAN G Wen2ming , YU Jie. Lateral dis2 placement dynamic character of deep sea mining pipe [ J ]. Nonferrous Metals ,2002 ,54 (3) :1202123. [ 2 ] 凌 胜 ,肖 林 京 ,申 焱 华 ,等 . 深 海 采 矿 开 采 系 统 运 动 模 型 仿 真 显 示 的 运 动 周 期 明 显 大 于 实 验 得 到 的 数 据 . 这 是 因 为 模 型 长 度 为 1 km ,"采 矿 船 "的 振 动 波 型 传 播 到 泵 和 中 间 舱 分 别 需 要 经 过 300 ,900 状 态 和 动 态 特 性 影 响 因 素 分 析 研 究 [J ]. 中 国 工 程 科 学 ,2002 ,4 (3) : 78283. L IN G Sheng ,XIAO Lin2jing ,SHEN Yan2hua , et al.  25 0 中 国 矿 业 大 学 学 报 第 36 卷 A Study of the factors influencing the kinematic con2 dition and dynamic characteristics of deep seabed min2 ing systems[J ]. Engineering Science ,2002 ,4 (3) : 782 [6 ] 唐 达 生 ,邹 伟 生 . 深 海 扬 矿 硬 管 系 统 设 备 可 行 性 分 析 [J ]. 矿 冶 工 程 ,2004 , 24 (4) :16219. TAN G Da2sheng , ZOU Wei2sheng. Feasibility analy2 sis on the equipment for deep2sea lifting pipeline sys2 tem [ J ]. Mining and Metallurgical Engineering , 2004 , 24 (4) :16219. 8 3. 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