Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы. Обоснование актуальности темы исследования 9
1.1 Аналитический обзор состояния теории и практики, проблем и задач в области
устройств для мелкодисперсного измельчения материалов 9
1.1.1 Особенности рудоподготовки для извлечения полезного компонента из труднообогатимых руд и хвостов обогащения 9
1.1.2 Обзор состояния машин и механизмов для мелкодисперсного измельчения материалов 10
1.2 Целесообразность применения импульсного гидроударно-кавитационного воздействия для мелкодисперсного измельчения материалов 23
1.3 Основные существующие конструктивные решения импульсного гидроударно-кавитационного устройства 27
1.4 Выводы по главе 36
2 Теоретические предпосылки к разработке многоступенчатого гидроударно- кавитационного устройства (МГКУ) 37
2.1 Современная теоретическая база по основным процессам мелкодисперсного измельчения материалов 37
2.1.1 Характеристика процессов измельчения и диспергирования 37
2.1.2 Импульсная акустическая энергия в процессах мелкодисперсного измельчения 39
2.1.3 Пондеромоторные силы 41
2.2 Обоснование и исследование конструктивных решений МГКУ 43
2.2.1 Конструктивные особенности МГКУ 43
2.2.2 Определение основных конструктивных параметров МГКУ 47
2.2.3 Исследование влияния отверстий ротора и статора на параметры работы МГКУ 50
2.2.4 Изучение зазора между ротором и статором ступеней МГКУ 56
2.2.5 Математическая модель течения обрабатываемой смеси в отверстиях ротора и статора устройства 63
2.2.6 Применение МГКУ для мелкодисперсного измельчения труднообогатимых руд и потенциальные направления его использования 67
2.3 Выводы по главе 68
3 Разработка и создание МГКУ 71
3.1 Определение параметров измельчения материала в импульсном гидроударно- кавитационном устройстве (ГКУ) 71
3.1.1 Краткое описание ГКУ 71
3.1.2 Лабораторная установка для исследования импульсного гидроударно-кавитационного воздействия 72
3.1.3 Определение минимального объема смеси и основных параметров лабораторной установки 73
3.1.4 Определение максимально допустимой концентрации материала в водной среде 74
3.1.5 Определение зависимости степени измельчения материала от времени обработки 74
3.1.6 Определение скоростных характеристик обработки 78
3.1.7 Результаты исследования импульсного гидроударно-кавитационного воздействия 81
.2 Проектирование основных конструктивных элементов МГКУ 83
3.2.1 Расчет основных параметров МГКУ 83
3.2.2 Определение основных размеров ротора рабочей ступени 85
3.2.3 Профилирование каналов ротора в меридиальном сечении 88
3.2.4 Профилирование лопаток ротора 88
3.2.5 Определение общей площади, количества и размеров отверстий ротора и статора ступеней МГКУ 90
3.2.6 Расчет статора рабочей ступени 91
3.2.7 Изучение подвода обрабатываемой смеси к роторам ступеней 93
3.2.8 Исследование плана скоростей потока обрабатываемой смеси на входе и выходе из ротора 93
3.2.9 Расчёт осевых сил, выбор устройства для уравнения осевых сил 93
3.2.10 Определение объемных потерь 94
3.2.11 Расчёт конструкции вала МГКУ 96
3.2.12 Определение нагрузок, действующих на подшипники 97
3.2.13 Выбор типоразмера подшипников 98
3.2.14 Выбор посадок подшипниковых колец 98
3.2.15 Выбор конструкционных материалов для основных деталей МГКУ 98
3.2.16 Проектирование МГКУ 98
3.3 Расчёт деталей МГКУ на гидродинамическую устойчивость и прочность 100
3.3.1 Расчет на прочность вала МГКУ 100
3.3.2 Проверка прочности шпоночного соединения 104
3.3.3 Расчет роторов ступеней МГКУ на прочность 104
3.3.4 Расчет прочности сборной конструкции корпуса МГКУ 106
3.4 Описание основных изготовленных деталей и узлов МГКУ 107
3.4.1 Роторы ступеней 107
3.4.2 Статоры ступеней 108
3.4.3 Элементы корпуса 109
3.4.4 Вал 110
3.4.5 Узел рабочей камеры ступеней 110
3.4.6 Узлы рабочих ступеней 110
3.4.7 МГКУ в сборе 111
3.5 Выводы по главе 112
4 Создание лабораторного стенда для исследования МГКУ и изучения с его помощью параметров измельчения материала 113
4.1 Создание лабораторного стенда для исследования МГКУ 113
4.2 Экспериментальные исследования параметров измельчения материала с помощью МГКУ 115
4.2.1 Основные технические и технологические параметры лабораторного стенда для исследования МГКУ 116
4.2.2 Определение зависимостей температуры и плотности смеси от времени обработки 118
4.2.3 Определение зависимостей силы тока и мощности на валу электропривода МГКУ от времени и частоты обработки 119
4.2.4 Исследование зависимостей напора ступеней МГКУ от времени и частоты обработки 121
4.2.5 Построение фактической напорной характеристики МГКУ и его ступеней 124
4.2.6 Определение влияния частоты вращения и времени обработки на изменение давления МГКУ 128
4.2.7 Определение влияния частоты вращения и времени работы на скорость течения обрабатываемого потока смеси 130
4.2.8 Исследование влияния частоты вращения и времени работы на силу гидроударных импульсов в ступени 134
4.2.9 Определение влияния частоты вращения и времени работы на уровень кавитации потока смеси 139
4.2.10 Определение зависимости степени измельчения материала от частоты вращения и времени обработки смеси 142
4.2.11 Исследование зависимости измельчения материала по массе от частоты вращения и времени обработки смеси 148
4.2.12 Исследование зависимости количества измельчённых частиц материала от частоты вращения и времени обработки смеси 152
4.3 Выводы по главе 156
5 Методика расчёта конструктивных параметров МГКУ для получения заданного фракционного состава измельчаемого материала. Технико-экономическая эффективность разработанного МГКУ 157
5.1 Методика расчёта конструктивных параметров МГКУ для получения заданного фракционного состава измельчаемого материала 157
5.1.1 Установление характерных напорных зависимостей работы МГКУ 157
5.1.2 Определение теоретической напорной характеристики МГКУ 159
5.1.3 Построение напорной характеристики МГКУ с любым количеством ступеней .161
5.1.4 Определение содержания мелкодисперсной фракции достигаемой степени измельчения перерабатываемого материала 165
5.2 Технико-экономическая эффективность разработанного МГКУ 168
5.3 Практическое применение результатов работы 172
5.4 Выводы по главе 172
Заключение 174
Список использованной литературы 175
- Обзор состояния машин и механизмов для мелкодисперсного измельчения материалов
- Обоснование и исследование конструктивных решений МГКУ
- Определение максимально допустимой концентрации материала в водной среде
- Основные технические и технологические параметры лабораторного стенда для исследования МГКУ
Обзор состояния машин и механизмов для мелкодисперсного измельчения материалов
Из существующих научно-технических задач, которые стоят перед современной горнодобывающей промышленностью, проблема глубокого вскрытия перерабатываемого материала с целью дальнейшего извлечения полезного компонента из труднообогатимых руд и хвостов обогащения, может быть отнесена к числу наиболее значимых. Благодаря широкому вовлечению в эксплуатацию труднообогатимых руд и хвостов обогащения в ближайшие десятилетия планируется обеспечить основной прирост сырья для горного производства [14]. Сложность рудоподготовки таких продуктов к обогащению полезных ископаемых, прямо или косвенно, связана с проблемой разрушения сростков минералов с целью последующего извлечения ценного компонента из труднообогатимых руд и хвостов обогащения [102].
Большинство труднообогатимых руд имеют мелкозернистую структуру. Тонкая вкрапленность рудных минералов является основной причиной трудной обогатимости руд Жайремского месторождения. В основном доля свинца составляет около 20 %, но местами доходит и до 60 %, причем большая часть таких зерен находится за пределами возможностей флотационного процесса, так как имеет размер не более 7 мкм [25]. Руда Рубцовского полиметаллического месторождения имеет сложную тонковкрапленную структуру, ее окисленные формы сочетаются с наличием сажистых и глинистых шламов, что затрудняет процесс обогащения, включающий тонкое измельчение класса «-74» мкм до крупности 85 %, удаление шлама и флотацию. При обогащении таких руд извлечение ценных компонентов не превышает 50 %. При этом 30 % потерь связано с тонкими частицами размером менее 40 мкм и около 40 % потерь связано со сростками [105].
Сульфидные медно-никелевые руды и железистые кварциты являются так же труднообогатимыми. Наличие большого количества вторичных минералов, тонкая вкрапленность сульфидов и низкая контрастность флотационных свойств пирротина и петландита сульфидных медно-никелевых руд обеспечивает потери ценных компонентов с отвальными шлаками и определяет сложность получения концентратов. Основными рудными минералами железистых кварцитов являются гематит и магнетит. При этом средний размер магнетита составляет 0,04 мм, гематита около 0,02 мм. Наибольший размер рудных зерен соответствует легкообогатимым, а наименьший труднообогатимым кварцитам. Преобладание в кварцитах тонких зерен магнетита обусловливает необходимость мелкодисперсного измельчения кварцитов для обеспечения высокой степени раскрытия сростков [36].
Оценка степени труднообогатимых руд выполняется по их поведению в каком-то одном наиболее важном технологическом процессе, который определяет конечные показатели извлечения полезного ископаемого и технико-экономическую эффективность всего рудоподготовительного цикла. Эффективность извлечения ценных компонентов из труднообогатимых руд и хвостов обогащения напрямую зависит от степени их раскрытия в процессе рудоподготовки. В данном процессе имеет значение не только повышение селективности раскрытия, но и снижения крупности куска, получаемого в заключительном цикле измельчения. При снижении крупности продукта значительно улучшаются показатели степени разрушения сростков минералов.
При переработке труднообогатимых руд дробление, помол и последующее мелкодисперсное измельчение обеспечивают раскрытие минеральных зерен и высвобождение полезного компонента перед технологическим переделом [106]. Для получения высокой доли мономинеральных частиц, которые наиболее эффективно разделяются в последующем цикле обогащения, разрушение сростков минералов руды должно быть выполнено вдоль границ между породой и ценными компонентами. В используемых горно-перерабатывающей промышленностью мельницах куски рудного продукта разрушаются ударом, истиранием и раздавливанием. Раздавливание и истирание наиболее энергетически затратны, так как этим процессам горные породы оказывают наибольшее сопротивление [19, 23]. При раздавливании и истирании частицы полезного компонента деформируются в большей степени. Они раскатываются в тонкие непрочные пластинки, в которые вдавливаются частицы других минералов. Все это приводит к нарушению селекции при последующем обогащении и увеличению потерь ценного компонента. Если в рудоподготовительном цикле используются стержневые мельницы, то в процессе измельчения руд может теряться до четверти полезного компонента, который развальцовывается по поверхности мелющих тел [91].
В редких случаях измельчение труднообогатимой руды до необходимой крупности от 80 до 90 % класса менее 10 мкм достигается и в стандартных мельницах с применением особых режимов измельчения, классификации и большого времени помола [90]. Данный способ не позволяет достичь требуемой для вскрытия полезного компонента степени извлечения, особенно если она находится за гранью возможностей существующего измельчительного оборудования [42]. Поэтому для труднообогатимых руд и хвостов обогащения наиболее эффективным будет являться применение специальных устройств для мелкодисперсного измельчения с целью доводки продукта перед обогащением. При достижении таких условий помола для последующего извлечения полезного компонента можно использовать базовые гравитационные схемы обогащения [61].
Попытки улучшения технологических показателей переработки труднообогатимых руд традиционными методами рудоподготовки горнодобывающей промышленности не позволили в полной мере достичь желаемых результатов помола. В связи с этим проблема разработки эффективного оборудования для мелкодисперсного измельчения материалов с целью его вскрытия является весьма актуальной [15].
Существующие способы измельчения материалов и используемые для этого устройства очень разнообразны и многочисленны [98, 112]. Однако только небольшая часть данных устройств предназначена для мелкодисперсного измельчения. Обычно для этого используют специальные аппараты, которые являются комплексной системой мельниц и сепаратора [103]. Сепаратор обеспечивает выделение необходимой тонкой фракции и возвращение на домол более грубой. Такие аппараты с мельницами и
дополнительными классификаторами различаются по конкретным видам обрабатываемых материалов и дисперсности конечного продукта. Применимость их для конкретной цели обуславливается плотностью, абразивностью, влажностью, склонностью к образованию агрегатов и слипаемостью обрабатываемых материалов [1].
В результате проведённого аналитического обзора существующих конструкций для мелкодисперсного измельчения материалов выделим наиболее приемлемые группы машин и механизмов: мельницы, ротационные аппараты и роторные аппараты с периодическим прерыванием потока обрабатываемой среды. Рассмотрим более подробно представителей каждой обозначенной группы.
Для мелкодисперсного измельчения материалов обычно применяют следующие типы мельниц: вибрационные, планетарные шаровые, и дезинтеграторные. Диапазон дисперсности и экономичность работы таких мельниц зависят от целого ряда факторов. К таким факторам в общем случае относятся материалы стенок и мелющих тел, размеры и количество шаров, частота и амплитуда колебаний [34].
В настоящее время нет универсальной мельницы, которая могла бы во всех случаях эффективно заменить все другие даже для такой узкой области дисперсности. По этой причине для научно-исследовательской работы или технологических целей специально выбирают мельницы с учетом конкретных свойств измельчаемого материала и требований к условиям его применения. Вибрационные мельницы предназначены для очень тонкого и сверхтонкого измельчения. Недостатком является то, что измельчаемый в них материал загрязняется продуктом износа мелющих тел. Дезинтеграторы пригодны для измельчения только сравнительно мягких материалов, абразивность которых достаточно мала. Планетарные мельницы лишены многих недостатков присущих перечисленным выше аппаратам и используются для сверхтонкого измельчения и диспергирования материалов [29].
Принцип действия вибрационных мельниц (рисунок 1.1) основан на приведении массы шаров и измельчаемого материала в круговое колебательное движение посредством вибратора, сопряженного с электродвигателем. Частицы материала, попадая в пространство между шарами, разрушаются
Обоснование и исследование конструктивных решений МГКУ
На явлении кавитационного воздействия основан известный процесс очистки поверхностей твёрдых тел с помощью ультразвуковых технологий. При такой высокой степени очистки возникают соединения несоединяемые в стандартных условиях материалов. Например, выявлено соединение различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами, соединение алюминия с другими металлами.
В процессах ультразвуковой обработки большое значение оказывает звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение жидкой среды в мельчайшие трещины и поры. Такой эффект обусловлен возникновением кавитации. Звукокапиллярный эффект оказывает влияние на все процессы ультразвуковой обработки твёрдых тел в жидкостях.
Ультразвуковое диспергирование материалов происходит под действием микроударных волн. Такие волны образуются при захлопывании кавитационных пузырьков. Наблюдается сильная интенсификация микроударных волн при наличии статического давления. Данным способом можно получать мелкодисперсные материалы, необходимые для технологии извлечения полезного ископаемого из труднообогатимых руд, лабораторных исследований минералов и веществ. Полученные таким образом материалы применяются в химической, фармацевтической, лакокрасочной отраслях промышленности и играют значительную роль в порошковой металлургии. При ультразвуковом диспергировании размер получаемых частиц может составлять доли мкм. Аналогичным процессом для жидкости является процесс эмульгирования, который так же обуславливается процессом кавитации. Процесс эмульгирования позволяет получать стойкие однородные мелкодисперсные эмульсии. При этом размер капель достигает 0,1 мкм.
Технологические процессы обработки твёрдых тел с применением
ультразвуковых технологий основываются на следующем: сокращение предела текучести, уменьшение трения между движущимися друг относительно друга поверхностями при ультразвуковых колебаниях одной из них, разрушающее ударное воздействие. Ультразвук оказывает влияние на процесс пластичного течения, силу трения и деформирование, как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно граничной поверхности. Влияние ультразвука на пластическую деформацию твёрдых тел связано как с увеличением числа дислокаций под действием знакопеременных нагружений, так и с увеличением их подвижности. Эффекты роста пластичности и сокращения трения применяются при обработке металлов давлением, а также в процессах резания металлов с наложением [115].
Природа ультразвука и управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых волн. Но, не смотря на это, он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его значимость, как и в технике, так и в науке. Такие особенности обусловлены высокими частотами и малостью длин волн.
В промышленности используют гидродинамические излучатели для обработки дисперсных систем «жидкость – твердое тело». Такие устройства преобразуют в энергию акустических волн часть энергии турбулентной затопленной струи жидкости. Работа гидродинамических излучателей основана на генерировании возмущений в жидкой среде в виде некоторого поля скоростей и давлений при взаимодействии вытекающей из сопла струи с препятствием определённой формы и размеров либо при принудительном периодическом прерывании струи. Способствуя установлению автоколебательного режима, сгенерированные возмущения оказывают обратное действие на основание струи у сопла.
Механизм излучения звука возмущениями может быть различным в зависимости от конструкции гидродинамического излучателя, которая принципиально отличается от конструкции газоструйных излучателей для воздушной среды, хотя гидродинамические излучатели и называют жидкостными свистками. Конструктивно наиболее приемлемым является механизм излучения гидродинамическим излучателем импульсов за счёт пульсации кавитационной области, образующейся между соплом и препятствием. Такая конструктивная особенность реализована в гидроударно-кавитационном устройстве, основными рабочими элементами которого являются соосно расположенные цилиндры в виде ротора и статора. Статор и ротор на своих боковых поверхностях снабжён системой прорезей или отверстий. Как и функционирование сирен, работа системы сводится к периодическому прерыванию струи жидкости, что достигается чередованием прорезей статора и ротора при вращении последнего. Данные действия приводит к возникновению в рабочей среде так же пульсаций давления. Частота гидроударно-кавитационных устройств определяется количеством отверстий и числом оборотов ротора [101].
Гидродинамические излучатели в зависимости от конструктивных особенностей способны излучать акустические колебания в широком частотном диапазоне от 0,3 до 35 кГц и с интенсивностью от 1,5 до 2,5 Вт/см2. Преимуществами таких излучателей являются дешевизна получаемой акустической энергии, простота эксплуатации и их конструкций, а также тот факт, что струя жидкости является в них, с одной стороны, генератором колебаний, с другой стороны объектом озвучивания. Гидроударно-кавитационные устройства существенно сложнее остальных гидродинамических излучателей, как в конструктивном отношении, так и в эксплуатации. При этом они имеют наибольшую производительность [104]. Гидродинамические излучатели применяются для интенсификации различных технологических процессов, таких, как диспергирование материалов в жидкостях, эмульгирование нерастворимых друг в друге жидкостей и т. д.
Пондеромоторные силы Пондеромоторные силы представляют собой совокупность действующих на вещество или тело сил в звуковом поле. Переменное звуковое давление, пропорциональное амплитуде звука, силы Бьеркнеса, радиационное давление и гидродинамические силы, обусловленные движением среды в звуковой волне, вносят свой вклад в рассматриваемые силы. Пондеромоторные силы проявляются в действии звуковой волны на чувствительные элементы приёмников звука в процессе кавитации и диспергировании при возникновении акустических течений и усталости материалов. Сила, которая действует на элемент объёма V равная fV, где f – объёмная плотность пондеромоторных сил, определяется изменением импульса элемента объёма V в единицу времени, равным импульсу, втекающему в объём через его поверхность. Если тензор плотности потока импульса , то i компонента силы, действующей на объём V вычислится по следующему выражению: , (2.6) где – элемент поверхности объёма; – внешняя нормаль по отношению к объёму. Исходя из этого сила, действующая на элемент поверхности , равна потоку проходящего через него импульса и вычисляется выражением . На поверхности площади действует сила, i компонента которой определится . Тензор плотности потока импульса звуковой волны определится по формуле: , (2.7) где – звуковое давление; – основная компонента колебательной скорости частиц; – символ Кронекера; – тензор вязких напряжений; – плотность среды. В случае жёсткой поверхности скорость частиц среды, которые прилегают к ней, обращается в ноль. При этом сила, действующая на единицу её площади, определится следующим образом: , (2.8)
Основной вклад в х вносит звуковое давление . Именно эта величина воспринимается чувствительными элементами приёмников звука. Так же, здесь задействованы силы вязкости. Для монохроматических звуковых волн звуковое давление является гармонической функцией времени, которая меняется с частотой звука. В жидкостях при интенсивности звука I = 1 Вт/см2, характерной для ряда практических применений ультразвука = 1 атм. Данные силы могут превысить порог прочности жидкости и вызвать кавитацию. Средняя пондеромоторная сила по времени, обусловленная звуковым давлением в гармонических звуковых полях, равняется нулю.
В звуковых полях образуются пондеромоторные силы, которые постоянны во времени. Они определяются квадратичными членами тензора плотности потока импульса и по порядку величины соответствуют плотности энергии Е звуковой волны, тогда . Обычно такие силы можно рассматривать как результат действия давления звукового излучения или радиационного давления. Их величина предельно мала, но, тем не менее, они приводят к заметным эффектам, проявляющимся во вспучивании границ раздела двух сред, в появлении акустических течений и в возникновении фонтанчиков жидкости [109].
Пондеромоторные силы действует не только на элементы обрабатываемой среды, где возбуждено звуковое поле, но и на граничащей с ней поверхности и на находящиеся в среде тела. На взвешенное в акустическом поле тело, размеры которого много меньше длины звуковой волны , а плотность равна плотности окружающей среды, действует сила в звуковом поле, заставляющая его вместе с частицами среды колебаться. При разных плотностях тела и окружающей среды возникает движение тела относительно среды. Если плотность тела 1 больше плотности среды , то оно отстаёт от частиц среды. В случае, когда 1 , тогда опережает их. Движение тела относительно среды вызывает дополнительное движение среды, следовательно, и дополнительную силу реакции, действующей на тело. Например, на сферу радиуса a, если a много меньше , в поле плоской звуковой волны действует сила, которая определится по выражению:
Определение максимально допустимой концентрации материала в водной среде
В результате анализа разделов главы можно сделать следующие выводы: Для подтверждения теоретических заключений по исследованию МГКУ предварительно были изучены особенности импульсного гидроударно-кавитационного воздействия ГКУ для получения мелкодисперсных фракций перерабатываемой труднообогатимой руды в водной среде. Результаты проведённых экспериментальных исследований позволили сделать заключение о том, что для увеличения степени мелкодисперсного измельчения материала необходимо не только поднимать частоту оборотов ротора, но и изменить конструкцию самого устройства. Конструктивно устройство предложено выполнить многоступенчатым, и, при проектировании его ступеней, предусмотреть конструкцию рабочей пары статор-ротор, которая обеспечит эффективность и управляемость процесса мелкодисперсного измельчения материалов.
Такие конструктивные решения позволят получать мелкодисперсные фракции измельчаемого материала за несколько циклов обработки или в проточном режиме, что обеспечит снижение энергозатрат и сократит время обработки.
2 Анализ экспериментальных исследований ГКУ послужил так же фундаментальной базой для проектирования основных узлов и деталей МГКУ, так как предлагаемая конструкция МГКУ не позволяет в полной мере воспользоваться типовыми гидравлическими формулами для расчёта его конструктивных параметров. Результатом расчёта и проектирования деталей и узлов является МГКУ в сборе с электроприводом на опоре.
3 В результате проверочных расчётов установлено, что основные сконструированные детали МГКУ имеют достаточную гидродинамическую устойчивость и прочность. 4 Заключительным этапом разработки МГКУ стало изготовление его узлов и деталей. Результатом компоновки данных элементов является изготовленное МГКУ для мелкодисперсного измельчения материалов в жидкой среде в сборе с электроприводом на опоре. Создание лабораторного стенда для исследования МГКУ и изучения с его помощью параметров измельчения материала Для проведения экспериментальных испытаний разработанного МГКУ требуется создать лабораторный стенд, который должен быть укомплектован измерительными приборами и устройствами для регистрации основных характеристик. С помощью построенного стенда необходимо провести исследования параметров измельчения труднообогатимого материала.
Создание лабораторного стенда для исследования МГКУ При создании стенда для экспериментальных исследований импульсного гидроударно-кавитационного воздействия на перерабатываемый материал за базу принят разработанное трёхступенчатое МГКУ. Проектируемый лабораторный стенд для исследования характеристик МГКУ и изучения с его помощью параметров измельчения материала в водной среде укомплектован аналоговыми и электронными измерительными приборами и устройствами. Схема разработанного многофункционального стенда приведена на рисунке 4.1.
Установленный в соединительном трубопроводе после выходного патрубка ультразвуковой расходомер 15 позволяет определить производительность МГКУ. В начале каждой рабочей ступени установлены электронные вакуумметры 17, а в конце электронные манометры 16, которые позволяют определить фактический напор ступеней. Электронные манометры 16 служат так же для регистрации создаваемого давления на выходе из ступени. Для регистрации фактической скорости потока в трёх точках рабочей ступени (перед входом в рабочую камеру, перед выходом из рабочей камеры и на выходе из ступени) установлены ультразвуковые трёхлучевые расходомеры
Пробы обрабатываемой смеси для проведения исследований степени измельчения материала из ступеней МГКУ берутся через патрубки отбора проб 9 путём открывания вентилей 10. Электронный термометр 21 установлен на накопительной ёмкости и выводит на дисплей текущую температуру обрабатываемой смеси.
По результатам расчёта принят и установлен электропривод 6 номинальной мощностью 18,5 кВт. Для изменения и осуществления регулировки частоты вращения электропривода применён частотный преобразователь 11. С целью контроля оборотов приводного вала установлен тахометр 14. Для контроля силы тока и мощности подключены соответственно амперметр 12 и ваттметр 13.
Построенный лабораторный стенд для исследования разработанного МГКУ и изучения с его помощью параметров мелкодисперсного измельчения материала
Построенный лабораторный стенд для исследования разработанного МГКУ и изучения с его помощью параметров мелкодисперсного измельчения материала показан на рисунке 4.2.
На щите нанесены условные обозначения следующих регистрируемых параметров: давление (Р), разряжение (В), уровень кавитации (К), скорость потока смеси (V), плотность смеси (), производительность МГКУ (Qвых), температура смеси (Т), сила тока (А), мощность (W), частота вращения (п). Цифровой индекс обозначает номер исследуемой ступени. Автоматический выключатель (QF), частотный регулятор электропривода (ЧР) и секция из выключателей (SA) представляют собой основные элементы управления МГКУ.
Подробное описание хода экспериментальных исследований с аналитическими выкладками представлено в следующем разделе.
Лабораторные испытания МГКУ проводились в три этапа. На первом этапе были определены основные технические и рабочие параметры МГКУ и необходимая концентрация компонентов в процентном соотношении обрабатываемой смеси. На втором этапе были определены и построены фактические напорные характеристики ступеней МГКУ. одновременно для каждой ступени МГКУ. Значения с регистрирующих приборов и отборы проб делались синхронно каждую минуту с первой по двенадцатую.
В общей сложности за третий этап лабораторных исследований было проведено семь однотипных экспериментов для каждой установленной частоты вращения 20, 30, 40, 45, 50, 55, 60 с-1. Для каждого из семи экспериментальных исследований подготавливалась и заливалась новая обрабатываемая смесь, абсолютно аналогичная предыдущим исследованиям. Для подготовки семи одинаковых обрабатываемых смесей было заготовлено семь одинаковых по гранулометрическому процентному составу фракций материала.
Анализ полученных данных позволит сделать, предположения о влиянии различных параметров на показатели процесса измельчения в каждой из ступеней, установить ряд особенностей конструктивных параметров ступеней в зависимости от частоты и времени обработки среды, возникающих внутренних явлений процесса измельчения, импульсного знакопеременного и кавитационного воздействий.
Концентрация в процентном соотношении перерабатываемого материала была взята такая же, как при предварительном эксперименте с использованием ГКУ, для того, чтобы можно было достоверно сравнивать результаты измельчения. В качестве измельчаемого материала так же принята труднообогатимая сульфидная медно-никелевая руда Норильского горно-металлургического комбината крупностью фракций 1 мм и менее. Перерабатываемая руда имела следующий химический состав в процентном соотношении: Сu – 2,2; Ni – 0,9; Аl2O3 – 7,2; MgO – 7,3; S – 11,8; СаО – 16,1; SiO2 – 25,8; Fe – 27,1 и др.
Основные технические и технологические параметры лабораторного стенда для исследования МГКУ
В целях апробации полученных экспериментальных результатов, проведём сравнительный анализ эффективности мелкодисперсного измельчения труднообогатимого материала с помощью разработанного образца МГКУ и существующего ГКУ, описание характеристик которого выполнено в третей главе работы на примере чуктуконских труднообогатимых руд,
Для определения экономического эффекта от внедрения разработанного МГКУ рассчитаны основные экономические показатели, которые свидетельствуют о целесообразности реализации проекта. В существующей технологической схеме переработки труднообогатимых чуктуконских руд в рамках реализации федерального проекта «изучение высвобождения монацита в необогатимых чуктуконских рудах при гидромеханической и химической активации и разработка принципиальной технологической схемы их переработки» применяется ГКУ, которое позволяет в процессе многократной цикличной обработки руды получить конечный продукт, пригодный для последующего обогащения.
Предлагается заменить ГКУ на разработанное МГКУ, что обеспечит сокращение количества циклов обработки и энергопотребление процесса мелкодисперсного измельчения руды. По технологической карте готовый продукт по крупности должен быть представлен классом крупности фракции «-0,045» мм в объеме не менее 22 %. Концентрация твердого в обрабатываемой смеси должна составлять 27 % от общего объёма. С целью сравнительного анализа измельчение одинаковых навесок материала в общем объёме смеси 0,158 м3 проводилось с помощью ГКУ и МГКУ. Сравнительный анализ изменения содержания фракции «-0,045» мм в зависимости от времени обработки показан на рисунке 5.9.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что для получения необходимого класса крупности на существующем ГКУ необходимо затратить 30 мин, а в разработанном МГКУ – 2 мин. Несмотря на то, что приводная мощность МГКУ больше в 7,5 раз, но за счёт его конструктивных решений, которые обеспечивают сокращение времени обработки в 15 раз, это привело к сокращению общего потребления электроэнергии в 2,4 раза.
Годовой фонд времени работы установленных трёх идентичных ГКУ при двухсменном режиме работы составляет 4140 часов. Учитывая основные потери от номинального фонда в размере 3 %, окончательно действительный годовой фонд времени работы составит 4015 часов. При этом перерабатывается не менее 1044 м3 руды в год, что в общем объёме смеси с водой составляет 3806 м3.
К показателям эффективности реализации проекта относят динамические и статические показатели. Динамические показатели основаны на использовании дисконтированных показателей, т.е. на учете «фактора времени». К ним относят -чистый дисконтированный доход, индекс рентабельности инвестиций, внутреннюю норму доходности, дисконтированный срок окупаемости инвестиций [28].
Окончательный расчет чистого дисконтированного дохода, внутренней нормы доходности, индекса доходности, простого и дисконтированного срока окупаемости финансового проекта внедрения разработанного образца МГКУ выполнен по форме приложения 2.3 к приказу Минэнерго России от 24 марта 2010 г. № 114. Все вычисления по данной форме сведены в таблицы Б.1 и Б.2 приложения Б.
Таким образом, реализация проекта по внедрению разработанного образца МГКУ целесообразна и экономически эффективна. При общих капитальных затратах 176,4 тыс. руб. внутренняя норма доходности составит 33,7 %, а индекс доходности 5,6. Простой срок окупаемости проекта составит 5 лет, при этом создаётся дополнительная возможность по увеличению производительности существующей технологической линии.
Разработанная методика расчёта конструктивных параметров созданного устройства для получения заданного фракционного состава измельчаемого в нём материала прошла лабораторную проверку в ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный Университет» и внедрена в ОАО «Сибирский научно-исследовательский и проектный институт цветной металлургии» (на горнодобывающих предприятиях-заказчиках). Результаты выполненной работы используется в учебном процессе кафедры «Горные машины и комплексы» ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный Университет» (лабораторные и практические занятия, раздел курса лекций по конструкции гидромашин) при подготовке студентов специальности «Горное дело», специализация «Горные машины и оборудование» в дисциплинах «Гидромеханика» и «Гидро - и пневмопривод». получить содержание фракции «-0,045» мм в заданный момент времени для любой ступени МГКУ. Погрешность расчётного метода по определению содержания фракции «-0,045» мм находится в допустимых пределах и не превышает 5 %. Проведённые сравнительные расчёты подтверждают, что полученное выражение позволяет вычислить содержание фракции «-0,045» мм в процентном соотношении в зависимости от частоты гидроударных импульсов, межпарного напора, времени обработки, количества и конструкции рабочих ступеней МГКУ.
