Содержание к диссертации
Введение
І. Анализ состояния изученности вопроса. Цель и задачи исследований 6
1.1. Анализ опыта эксплуатации гидротранспортных установок на Кубе 6
1.2. Анализ выполненных исследований 13
1.3. Цель и задачи исследований 27
2. Теоретические исследования процесса гидротранспорта лимонитовой руды 30
2.1. Комплекс для добычи и транспорта лимонитовой руды с карьера Моа-Восточный
до завода им. Педро Сото Альба 30
2.2. Свойства лимонитовых гидросмесей 37
2.3. Реологические модели структурированных дисперсных систем 43
2.4. Физическая и математическая модели процесса движения лимонитовой гидросмеси. 53
2.5. Определение гидравлических сопротивлений при движении лимонитовой гидросмеси в структурном и турбулентном режимах 60
2.6. Определение допустимого угла наклона трубопроводов, транспортирующих лимонитовую гидросмесь 64
3. Экспериментальные исследования процесса транспортирования высококонцентрированной лимонитовой гидросмеси 67
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований реологических свойств лимонитовой гидросмеси 67
3.2. Результаты обработки данных исследований реологических свойств гидросмеси 70
3.3. Обоснование параметров экспериментальной установки 74
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований на полупромышленной установке 78
3.5. Результаты исследований на полупромышленной установке 85
3.6. Исследование коэффициента гидравлических сопротивлений в структурном и турбулентном режимах 87
3.7. Определение допустимого угла наклона и потерь напора трубопроводов, транспортирующих лимонитовую гидросмесь 95
4. Рекомендации для расчета систем гидротранспорта лимонитовой руды с карьера Моа-Восточный до завода им. Педро Сото Альба 99
4.1. Общие положения 99
4.2. Методика расчета параметров гидротранспорта лимонитовой руды в структурном режиме 100
4.3. Методика расчета параметров гидротранспорта лимонитовой руды в турбулентном режиме 101
4.4. Рекомендации по расчету гидротранспортной линии Моа-Восточный - завод им. Педро Сото Альба 102
4.5. Расчет экономической эффективности 106
Заключение 110
Литература
- Анализ выполненных исследований
- Реологические модели структурированных дисперсных систем
- Результаты обработки данных исследований реологических свойств гидросмеси
- Методика расчета параметров гидротранспорта лимонитовой руды в структурном режиме
Введение к работе
Республика Куба обладает большими резервами никелевой руды. В настоящее время переработкой никелевой руды занимаются три предприятия. Из этих предприятий только на заводе им. Педро Сото Альба в схеме транспорта руды с карьера Моа-Западный кроме автомобильного, конвейерного транспорта используется гидротранспорт. Учитывая, что процесс обогащения на этом заводе является мокрым, то этот вид транспорта является достаточно эффективным.
Увеличение выпуска никеля за счет совершенствования технологических процессов, аппаратов и транспортной системы, применяемых на действующих заводах, является одной из основных задач повышения эффективности развития никель-кобальтовой промышленности Республики Куба.
Запасы карьера Моа-Западный заканчиваются и в настоящее время выполняются проектные разработки различных вариантов транспорта с нового месторождения Моа-Восточный до завода им. Педро Сото Альба: Существующая разница геодезических высот (65 м) между месторождением и точкой подачи гидросмеси в существующие сгустители указывает на экономическую выгоду в случае использования самотечно-напорного гидротранспорта, так как не требует расхода энергии, что является важным условием при существующем на Кубе недостатке энергоресурсов.
На карьере Моа-Западный добыча руды производится с помощью экскаваторов, погрузкой ее в автосамосвалы, которые транспортируют до рудоспуска, а далее-ленточными конвейером до цеха приготовления гидросмеси. Получаемая гидросмесь направляется в радиальные сгустители.
Сопряжение различных видов транспорта усложняет и удорожает процесс транспортирования руды.
Поэтому обоснование экономически выгодного варианта транспортирования руды с карьера Моа-Восточный до металлургического завода является актуальной задачей.
В производстве земляных работ при добыче полезных ископаемых с целью механизации процессов труда широко используется гидромеханизация.
Она позволяет полностью механизировать в один непрерывный процесс добычу и транспортировку руды. Непрерывность процесса обеспечивают высокую производительность и экономичность этого способа производства работ.
Основным звеном в процессе производства при добыче полезных ископаемых является гидравлический транспорт добытой руды. Производительность работы гидротранспортных установок будет зависеть от того насколько правильно определены отдельные составляющие её элементы и насколько правильно запроектированы режимы движения гидросмеси в трубопроводах.
Использование гидромеханизации для добычи и транспорта лимонитовой руды позволит существенно повысить эффективность производства никеля.
Цель работы - установление закономерностей процесса гидротранспортирования высококонцентрированной лимонитовой гидросмеси для разработки методики расчета и обоснованного .выбора параметров гидротранспорта, что позволит снизить его энергоемкость и металлоемкость.
Идея работы заключается в том, что предварительно подготовленная в пульпонасосном агрегате высококонцентрированная* тонкодисперсная лимонитовая гидросмесь сохраняет свою структуру при минимальных скоростях её движения по напорному трубопроводу.
Защищаемые научные положения:
1. Физико-математическая модель течения высококонцентрированной тонкодисперсной лимонитовой гидросмеси заданной концентрации, предварительно подготовленной в пульпонасосном агрегате, основанная на
5 экспериментально определенной её реологической кривой, устанавливает зависимость среднего расхода смеси от физико-механических свойств твердых частиц, скорости движения, начального напряжения сдвига и распределения концентрации твердой фазы по линейному закону в поперечном сечении трубопровода.
2. Экспериментально установлена зависимость коэффициента гидравлических сопротивлений при течении тонкодисперсной высококонцентрированной лимонитовои гидросмеси в структурном режиме от вязкопластических и реологических характеристик, что позволяет с достаточной для практических целей точностью, определять потери напора и рациональные режимы движения гидросмеси.
Анализ выполненных исследований
Одной из важных составляющих для повышения эффективности добычи, экологичности транспорта и переработки минерального сырья является гидротранспорт. Поэтому его использование в настоящее время расширяется для транспорта сыпучих материалов, руд, концентратов и хвостов обогащения. Причем, дальность транспортирования все время увеличивается. Гидротранспорт используется в различных климатических зонах. В России в Норильске была построена уникальная гидротранспортная система с 9 трубопроводами, длиной 36 км, для перемещения концентратов с обогатительной фабрики в п. Талнах на металлургический завод «Надежда». А в горной промышленности на Кубе в районе г. Моа применяется гидравлическое транспортирование для транспортирования латеритовой руды с карьера (цех подготовки пульпы) до завода имени Педро Сото Альба.
На протяжении нескольких десятков лет усилия многих ученых в области исследований взвесенесущих потоков были направлены на создание основ теории - выводе системы дифференциальных уравнений для двух разных потоков, построенных методами сплошной среды. Несмотря на определенные достижения, единая теория, охватывающая все многообразие гомогенных и гетерогенных жидких сред, до сих пор не создана. Области использования предложенных уравнений ограничены малыми концентрациями твердой фазы и относительно большими крупностями твердых частиц и, следовательно, эти уравнения применимы для решения задач гидравлического транспортирования сыпучих материалов для тех условий, для которых получены. Вследствие истощения богатых месторождений горная промышленность стоит перед необходимостью вовлечения в переработку все возрастающих количеств бедных и забалансовых руд, содержание полезного минерала в которых составляет не более 1-2 %. Это приводит к увеличению выхода твердых хвостов обогащения мельчайших классов, которые при увеличении их концентрации в гидросмеси способствуют превращению ньютоновских жидкостей в неньютоновские.
В области теории гидравлического транспортирования большие достижения принадлежат русским ученым - М.А. Великанову, обосновавшего гравитационную теорию движения твердой фазы взвесенесущего потока и В.М. Маккавееву с его диффизионной теорией пульсационного движения твердых частиц в потоке жидкости. В расширении и углублении теоретического подхода к проблеме переноса твердого в потоке жидкости важное значение имеют исследования, выполненные видными учеными СССР: Н.А.Силиным, А.П. Юфиным, М.А. Дементьевым, В.Н. Покровской, А.Е. Смолдыревым, А.Г. Джваршеишвили и другими. Из зарубежных школ большой вклад в общую теорию и практику гидротранспорта внесли труды Р. Дюрана, Р. Уостера, Д.Ф. Ричардсона, С.А. Щука, В. Пажонки, Ц. Кембловски, Е. Соботы, П. Слаттера и других.
Анализ исследований, проведенных разными авторами, показал, что они посвящены следующим направлениям: теоретические работы, в которых была сделана попытка найти математическое решение и физическое объяснение процессов, происходящих при переносе твердых частиц, взвешенных в потоке жидкости; экспериментальные работы с последующим обобщением полученных данных; работы, направленные на согласование теоретических и экспериментальных результатов.
Анализ структуры потоков гидросмесей должен исходить из особенностей движения однородной жидкости, в которую добавляются твердые частицы. С увеличением концентрации твердых частиц в потоке структура потока изменяется в зависимости от физико-механических характеристик материалов. При изучении процесса движения гидросмесей в трубах и каналах вначале определяются физико-механические свойства гидросмесей, т.е. гранулометрический и химический составы твердой фазы, и другие характеристики.
Вследствие того, что в зависимости от крупности частиц меняются условия гидродинамического взаимодействия частиц с потоком несущей жидкости, чаще встречается в литературе следующая классификация гидросмесей [15, 16]: коллоидные, структурные, тонкодисперсные, грубодисперсные, неоднородные грубодисперсные и полидисперсные.
Как известно, при движении однородной жидкости с малой скоростью (ламинарный режим) распределение скоростей по сечению трубы подчиняется параболическому закону: 1-1 Л2 (1.1) и=и„ где R - радиус трубы; г - расстояние от оси трубы до рассматриваемой точки; Umax - максимальная скорость (г = 0).
Длительный перенос водой крупных частиц во взвешенном состоянии возможен только в турбулентном потоке гидросмеси [17].
При турбулентном режиме движения эпюры скорости (однородной жидкости) описываются логарифмическим законом, предложенным на основе полуэмпирической теории Прандтля-Кармана: - = І.і„, (1.2) U, % у где х - постоянная Кармана; у - расстояние от стенки трубы до рассматриваемой точки; U, = — - динамическая скорость, где т - напряжение сдвига на \Р поверхности трубы. Авторы работ [18, 19, 20, 21, 22] указывают, что присутствие большого количества мельчайших частиц может изменять режим течения жидкости, когда они движутся со скоростью, практически равной скорости жидкости, уменьшая сопротивления движения потока.
Реологические модели структурированных дисперсных систем
Наличие твердых частиц в водном потоке, безусловно, влияет на величину и характер внутреннего трения в потоке, но это трение отличается от трения между слоями однородной (гомогенной) среды, хотя, имея в виду повышенное трение в гидросмеси (в общем случае), можно говорить и о повышенной вязкости гидросмеси по сравнению с вязкостью воды.
А. Эйнштейн [36] характеризует вязкость гидросмесей, содержащих зернистые материалы, следующей формулой: И=Цо(1+ф5), (2.1) где [До - вязкость воды; S - концентрация твердых частиц в жидкости; (р -коэффициент, принимаемый равным 0,25. Для однородных жидкостей Ньютон дал следующее выражение для определения напряжений внутреннего трения: где i//a?y - градиент скорости; ц - абсолютная вязкость жидкости. Жидкости, удовлетворяющие соотношению (2.2), называются нормальными, или Ньютоновскими.
Гидросмеси, не удовлетворяющих выражению (2.2), относятся к классу неоднородных (гетерогенных), аномальных, неньютоновских жидкостей.
Если твердая фракция представлена очень мелкими, например, глинистыми, илистыми и им подобными частицами, то при смешивании таких частиц с водой получаются устойчивые смеси, в которых твердое вещество не осаждается даже при длительном покое. Такие гидросмеси имеют особые структуры, обуславливающие специфические вязкостные свойства. Но такие жидкости, хотя и приближаются по своему характеру к однородным, остаются аномальными, неньютоновскими жидкостями, так как не удовлетворяют соотношению (2.2).
Неньютоновские жидкости, в которых вязкость не зависит от времени, следующие: дилатантная, псевдопластичная, пластично-идеальная и пластично-реальная жидкости (рис.2.7) [49,50,51,52,53].
В настоящее время для описания деформационного поведения различных структурированных дисперсных сред существует более 30 реологических моделей, передающих в определенном диапазоне напряжений сдвига отдельные особенности реального течения. Наибольшее практическое распространение получили модели Оствальда: =kf, (2-3) где к - показатель концентрации; п - индекс течения, и Бингама-Шведова: т=То+чУ, (2-4) где т - напряжение сдвигу; То - напряжение при начальном сдвиге; г -структурная вязкость.
Уравнение (2.4) положено в основу учения о структурных жидкостях. Распространенность этих моделей обусловлена простотой математических операций с ними. Против степенной модели М. Рейнер [69] еще в 1928г. выдвинул три возражения: размерности, нулевое, бесконечности. Модель Бингама-Шведова не учитывает нелинейный характер кривой течения. Известна модель Гершеля-Балкли: T=T0+kf. (2.5)
Эта модель включает в себя предыдущие модели, когда п=\ она переходит в модель Бингама-Шведова, для касательных напряжений сдвига т=0 - превращается в модель Оствальда. Для п=1 и т=0 модель Гершеля-Балкли переходит в модель Ньютона [54, 55, 56]. Существует модель Сиско: х=[А+В(уГ1], (2.6) где А,Вип- реологические параметры, определенные для данной жидкости. Модели вязкопластичных сред Кроули-Китца, Кэссона, Шульмана, Вочадло и других не отражают механического поведения дисперсной среды, когда пространственная структура ее полностью разрушена и вязкость среды характеризуется наименьшей ньютоновской вязкостью.
Опыты, выполненные Ю.К. Сафоновым [56], показали, что эффективная (структурная) вязкость, определяемая по зависимости ц=т/у, является более сложной функцией напряжения сдвига, чем обратная ей величина - текучесть (подвижность) ф. Поэтому реологическую модель вязкопластичных дисперсных сред с переменной вязкостью и пределом текучести то целесообразно представить в виде переменной функции ф=Дт-То). В качестве искомой безразмерной переменной было выбрано отношение ф/фт (где фт - ньютоновская текучесть) и введен некоторый безразмерный комплекс (т-ТоУС к-То)- Это соотношение записывается в следующем виде У Т-Т К к т0 j (2.7) где п - показатель псевдопластичности. Уравнение (2.7) можно записать в следующем виде У Р = Рп т-та К.Тк то J (2.8) при п-\ или /1=0, То=0, т=тк уравнение (2.8) превращается в реологическую модель Ньютона. При То=0 уравнение (2.8) примет вид (Р = Рп ҐТУ \TKJ (2.9)
Таким образом, Ю.К. Сафоновым предложена реологическая модель, выраженная уравнением (2.8), описывающим механическое поведение псевдопластичных и вязкопластичных сред с нелинейной кривой текучести, предельное разрушение которых характеризуется ньютоновским течением (рис.2.8).
Результаты обработки данных исследований реологических свойств гидросмеси
Внутренний цилиндр приводится во вращение посредством груза 9, подвешенного на нити 12, огибающей систему блоков 7,8 и намотанной на барабан 6. Для замера скорости вращения цилиндра служит мерная планка 4, расположенная вертикально, на которой нанесены деления с расстоянием между соседними делениями, равным длине окружности барабана.
На нижнем торце внутреннего цилиндра имеется углубление, создающее при погружении цилиндра в исследуемую суспензию трение между материалом и дном цилиндра, а внутренний цилиндр приводится во вращение посредством груза, подвешенного на конце нити, переброшенной через блок; другой конец нити наматывается на барабан, имеющий общую ось с внутренним цилиндром.
Опытные данные обработаны согласно известной методике, рекомендованной И.М.Белкиным, Г.В.Виноградовым и А.И.Леоновым [54] для вискозиметров с небольшими зазорами. Выбранная методика обработки опытных данных представлена в виде зависимости среднего градиента скорости в зазоре у от напряжения сдвига т. Касательное напряжение определялось по формуле где /?о -радиус барабана; Нц -высота внутреннего цилиндра; #Вн - радиус внутреннего цилиндра; Градиент скорости вычисляется по формуле Г=шЕ, (3.2) где N- угловая скорость цилиндра; AR- зазор между цилиндрами.
Гранулометрический состав исследуемого минерала представлен на рис. 2.2. Для подготовки навесок различных концентраций гидросмеси первоначально производился расчет объемной и массовой концентрации по формулам (3.13), (3.14).
Перед началом проведения опытов определялась величина трения в подшипниках 11, Ро; затем приготовленная лимонитовая гидросмесь заливалась в сосуд так, чтобы уровень ее соответствовал высоте внутреннего цилиндра, а мешалка обеспечивала перемешивание смеси.
Регулирование скорости вращения внутреннего цилиндра осуществлялось изменением веса груза Р от максимального до минимального, при этом одновременно отмечалось время пройденного грузом расстояния. Температура смеси во время опытов поддерживалась постоянной Т=20±0,1С Достоверность полученных данных для ротационного вискозиметра зависит от многих факторов. Распространенным способом оценки достоверности получаемых результатов является тарирование прибора.
В качестве тарировочной жидкости был выбран глицерин, вязкость которого предварительно была определена с помощью калиброванного капиллярного вискозиметра типа Уббеллоде и оказалось равной 0,536Па с.
Затем снимали зависимости скорости вращения внутренних цилиндров N от веса груза Р, приводящего цилиндры во вращение. Тарировочная зависимость представляла собой прямую линию, исходящую из начало координат, рис. 3.3. Расхождение значений вязкости, измеренной на капиллярном и ротационном вискозиметрах, составило 0,5%, что является удовлетворительным. На рис.3.4. представлены реологические кривые лимонитовой гидросмеси для концентраций 32-49,5% твердого по массе. Эти кривые описываются линейным уравнением Бингама-Шведова: т=т0+гу, где т0 - начальное напряжение сдвига, Па; г - структурная вязкость гидросмеси, Па-с; у - градиент скорости по сечению потока, с"1.
Анализ зависимостей T=f(y) показывает, что гидросмеси с концентрацией 39% при течении в зазоре вискозиметра проявляют свойства ньютоновских жидкостей. Начиная с концентрации 39%, характер течения меняется: течение гидросмеси наступает только после приложения определенной нагрузки, характеризующей начальное напряжение сдвига, что присуще неньютоновским жидкостям.
Для получения аналитической зависимости опытных данных производили методом регрессионного анализа [75], предполагая в качестве модели следующую зависимость ч=чо-еь. (3.3) Для превращения этого уравнения в линейное, необходимо прологарифмировать обе его части In rpln ro+ks, обозначив составляющие уравнения у=\п ц; Ро= I 1 чо Pi=k; %i=s получили следующую модель: =Po+PfXi+e, где Ро и Рі - параметры модели; є - ошибка экспериментов.
Методика расчета параметров гидротранспорта лимонитовой руды в структурном режиме
Успешное решение задач, связанных с обеспечением бесперебойного гидротранспорта лимонитовои руды, в значительной мере зависит от совершенствования инженерных методов расчета режимов транспортирования вязкопластичных гидросмесей.
Существующие методы расчета гидротранспорта, основанные на использовании опытных данных в виде таблиц, номограмм и эмпирических формул, достоверны в относительно узком диапазоне конкретных измерений и не могут быть распространены на все возможные варианты транспортирования [83, 84, 86, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97]. Данная инженерная методика расчета параметров гидротранспорта лимонитовои руды в структурном и турбулентном режимах с карьера Моа-Восточный разработана на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследованиях.
Проектирование гидравлического транспортного комплекса выполняется по конкретним данным топографических изысканий.
Задачи расчета гидротранспортных систем включают рассмотрение основных взаимовлияющих факторов с целью их оптимизации по минимуму приведенных затрат и обеспечению надежности транспортирования. К этим факторам относят концентрацию твердого в гидросмеси, диаметр трубопровода, рабочую и критическую скорость и удельные потери напора при движении гидросмеси.
Расчету основных гидравлических параметров, обеспечивающих эффективные режимы транспортирования, должны предшествовать обоснование и выбор важнейших технологических параметров гидротранспортной системы. Исходными данными для расчета обычно являются: пропускная способность системы - годовое (часовое) количество транспортируемого материала или гидросмеси; расстояние транспортирования по горизонтали и по вертикали; плотность и гранулометрический состав материала; плотность несущей жидкости. Общая расчетная схема гидротранспорта включает в себя: определение характеристик гидросмеси; определение режимов движения; выбор диаметра трубопровода; определение удельных потерь напора; выбор насосно-перекачивающего оборудования по производительности и напору с определением мощности привода и энергоемкости гидротранспорта. В соответствии с исходными данными сначала определяется расход гидросмеси: е= _1М, (4.1) SpT где 2Т - количество твердого, т/ч; рт - плотность твердого, кг/м3; S -концентрация твердого по массе. Плотность гидросмеси вычисляем по формуле: pcM=S(pT-po)+po, (4.2) где ро - плотность воды, кг/м . Предварительно из данных опыта и по нормали для водопроводов из условия обеспечения полученного расхода гидросмеси выбираем внутренний диаметр трубопровода Dy.
Режим транспортирования лимонитовой гидросмеси обусловлен особенностями технологического процесса на заводе им. Педро Сото Альба, заключающемся в следующем.
Содержание твердого в гидросмеси определяется технологией обогащения лимонитовой руды. В настоящее время массовая концентрация твердого не превышает 25%.
Ранее проведенные эксперименты показали, что при скоростях движения потока гидросмеси в трубе, превышающих 1,4 м/с значительно ухудшаются показатели сгущения этой гидросмеси в сгустителях Дора, диаметр которых равен 115 м. При высоких скоростях потока происходит разрушение агрегатных формирований мельчайших частиц, в связи с чем гидравлическая крупность минерала снижается, и увеличивается время осаждения частиц при сгущении. Таким образом скорость потока должна ограничиваться диапазоном 0.8-1.4 м/с.
В настоящее время рассматривается вариант проекта гидротранспортной системы Моа-Восточный, включающей каскадную часть схемы гидротранспорта и напорную часть (рис.4.1, табл.4.1). В качестве альтернативного варианта в данной работе предлагается самотечно-напорная схема гидротранспорта, в которой гидросмесь на конечную отметку трассы (58 м) подается за счет перепада высоты. Из сравнения вариантов видно, что применение первого варианта приведет к существенному увеличению капитальных и эксплуатационных расходов из-за необходимости строительства насосной станции для преодоления высоты конечного участка трубопровода.
Похожие диссертации на Обоснование технологической схемы и параметров комплекса для транспортирования высококонцентрированной гидросмеси на латеритовых карьерах
