Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструктивных решений по машинам и оборудованию для сепарации минерального сырья. задачи исследования 13
1.1. Технологическое назначение, разновидности и сущность процессов разделения мелкозернистых материалов 13
1.2. Основные разновидности сепараторов и их сравнительная характеристика. Направления развития и совершенствования машин и оборудования для сепарации минерального сырья 18
1.2.1 Противоточные сепараторы 18
1.2.2 Центробежные сепараторы 26
1.2.3 Магнитожидкостные сепараторы 34
1.3. Выбор направления исследования и основные его задачи 39
2. Исследование и конструктивная разработка противоточных сепараторов 42
2.1. Теоретические исследования гидравлической сепарации в камере с восходящим потоком 42
2.2. Экспериментальные исследования процесса разделения в про-тивоточном сепараторе 53
2.3. Расчетно-теоретический анализ виброперемещения частиц по дну камеры разделения центробежно-гравитационного сепаратора 69
2.4. Конструктивная разработка и испытания опытно-промышленных противоточных сепараторов 77
3. Исследование и конструктивная разработка центробежно-вибрационного сепаратора 87
3.1. Расчетно-теоретический анализ процессов разделения в центробежном поле мелкозернистых материалов с помощью вибраций 87
3.2. Конструктивная разработка и испытания опытно-промышленного центробежно-вибрационного сепаратора 99
4. Исследование и конструктивная разработка магнитогидростатического центробежного сепаратора 104
4.1. Характеристика магнитных коллоидов и совершенствование технологии их производства 104
4.2. Исследование коэффициента сопротивления движению тел в магнитных коллоидах 118
4.3. Расчетно-теоретический анализ процесса разделения мелкозернистых материалов в слое ферромагнитной жидкости магнито-годростатического центробежного сепаратора 125
4.4. Экспериментальные исследования процесса разделения в маг-нитогидростатическом центробежном сепараторе 134
4.5. Конструктивная разработка и испытания опытно-промышленного магнитогидростатического центробежного сепаратора 137
5. Разработка и исследование технологического комплекса для сепарации минерального сырья 142
5.1. Практика работы сепараторов в промышленных условиях 142
5.2. Обоснование решений по технологической линии для сепарации минерального сырья 152
5.3. Теоретические положения расчета толщины стенок вибрирующей бункерной части центробежно-гравитационного сепаратора 157
5.4. Определение мощности электромагнитных вибраторов проектируемого магнитогидростатического центробежного сепаратора 162
Заключение 167
Литература 171
Приложения 182
- Основные разновидности сепараторов и их сравнительная характеристика. Направления развития и совершенствования машин и оборудования для сепарации минерального сырья
- Экспериментальные исследования процесса разделения в про-тивоточном сепараторе
- Конструктивная разработка и испытания опытно-промышленного центробежно-вибрационного сепаратора
- Исследование коэффициента сопротивления движению тел в магнитных коллоидах
Введение к работе
Актуальность темы. Экономическое и социальное развитие общества невозможно без быстрого технического перевооружения производства и всемерной интенсификации технологических процессов и оборудования. Совершенствование горнорудного и металлургического оборудования, разработка новых высокоэффективных и высокопроизводительных машин и агрегатов является актуальной задачей.
Высокие темпы развития промышленности требуют все большего увеличения добычи полезных ископаемых и внедрения более совершенных методов и схем для их обогащения, особенно в связи с вовлечением в эксплуатацию бедных и труднообогатимых руд.
Гравитационные процессы имеют значительное распространение в практике обогащения руд черных, цветных и редких металлов и преобладающее при обогащении углей, руд и россыпей благородных металлов и неметаллических полезных ископаемых. Увеличение добычи многих полезных ископаемых стало возможным благодаря освоению гравитационных методов обогащения. В настоящее время более 90 % марганцевых руд обогащают гравитационными методами, ежегодно повышается долевое участие гравитационных методов в переработке окисленных железных, полиметаллических и золотосодержащих руд. Одним из основных методов гравитационного обогащения руд и других материалов являются процессы сепарации, позволяющие с высокой эффективностью производить разделение материалов различной крупности в жидкой среде, что очень важно как при флотационном обогащении, так и при других методах получения готового продукта в условиях обогащения.
С целью интенсификации технологических процессов широко применяется вибрационная техника, это обусловлено тем, что при использовании вибрационного воздействия на обрабатываемые материалы повышаются производительность оборудования и энергонапряженность процессов, значительно снижаются эксплуатационное затраты. Вибрационное воздействие на обрабатываемые среды легко поддается регулированию путем изменения амплитуды и частоты колебаний, что дает возможность оптимизировать режимы технологических процессов.
Цель работы. Развитие научных основ проектирования и создания аппаратов сепарации продуктов горно-обогатительного производства на основе вибрационной техники. Поиск возможных конструктивных решений создания конструкций для процессов сепарации с устойчивым непрерывным режимом работы при достаточно интенсифицированном процессе разделения мелкозернистых материалов с высокой эффективностью при обогащении полезных ископаемых.
Идея работы. Разработка расчетных и экспериментальных методов определения параметров вибрационного воздействия, обеспечивающего устойчивую работу вибрационных машин и принятия научно обоснованного решения по их конструктивному исполнению.
Методика исследований и аппаратура. Теоретические исследования выполнены с учетом основополагающих законов гидродинамики обтекания тел при вибрационном воздействии. При этом широко использованы известные методы аналитического и численного решения дифференциальных уравнений движения частиц, математического и физического моделирования разделительных процессов, методы системного анализа и математической статистики. Технологические эксперименты осуществлены на серийно выпускаемых, а также разработанных автором лабораторных и промышленных обогатительных аппаратах с использованием современных измерительных комплексов.
Научные положения 1. Влияние формы сечения канала на режим работы концентратора оценивается производительностью по концентрату (количеством образующегося продукта) и характеризуется параметрами конструкции и геометрией камеры разделения, характером движения потока пульпы и представляет собой зависимости, определяющие техническую характеристику аппарата. 2. Совокупное влияние параметров вибрационного воздействия (амплитуда, частота) на режим работы центробежно-гравитационного сепаратора оценивается производительностью по концентрату (количеством образующегося продукта) и характеризуется параметрами конструкции и геометрии камеры разделения, характером движения потока пульпы и представляют собой зависимости, определяющие техническую характеристику аппарата. 3. Влияние параметров вибрационного воздействия (амплитуда, частота) на режим работы центробежно-вибрационного сепаратора оценивается производительностью по концентрату (количеством образующегося продукта) и характеризуется возможностью виброперемещения слоя концентрата по поверхности ротора, свойствами пульпы, которые описываются дифференциальными уравнениями второго порядка, определяющими техническую характеристику вибромашины. 4. Режим работы магнитогидростатического центробежного сепаратора оценивается влиянием параметров вязкости ферроколлоидов магнитной жидкости, коэффициента сопротивления на направление и скорость сдвига движения твердых тел вдоль силовых линий магнитного поля в рабочей зоне (вдоль силовых линий на 20-30% меньше, чем поперек), и аппроксимируется экспериментально полученной зависимостью коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса при движении вдоль силовых линий. 5. Пропускная способность отдельных вибромашин, работающих в режиме технологической линии, определяется их функциональными связями и зависимостями режимов работы концентратора, центробежно-гравитационного, центробежно-вибрационного, магнитогидростатического центробежного сепараторов. 1. Теоретические и экспериментальные зависимости процессов разделения мелкозернистых материалов в концентраторе учитывают влияние на производительность геометрических параметров камеры разделения, особенность конструкции камеры разделения (угол наклона, длина, количество деформаторов потока и т.д.), свойства и характер потока пульпы (отношение жидкого к твердому в пульпе, размер частиц, их плотность, скорость потока пульпы и др.). 2. Теоретические и экспериментальные зависимости процессов разделения мелкозернистых материалов в центробежно-гравитационном сепараторе учитывают влияние на производительность параметров вибрационного воздействия (амплитуда, частота), особенность конструкции камеры разделения (угол наклона, длина, количество деформаторов потока и т.д.), свойства и характер потока пульпы (отношение жидкого к твердому в пульпе, размер частиц, их плотность, скорость потока пульпы и др.); выполнен теоретический анализ вибротранспорта тяжелых частиц по дну вибрирующей камеры разделения, получена скоростная диаграмма виброперемещения частиц. 3. Теоретические и экспериментальные зависимости процесса разделения в центробежно-вибрационном сепараторе учитывают влияние на производительность параметров вибрационного воздействия (амплитуда, частота), особенность конструкции ротора (сила сопротивления при виброперемещении слоя осадка), свойства и характер потока пульпы (отношение жидкого к твердому в пульпе, размер частиц, их плотность и др.). 4. Теоретические и экспериментальные зависимости процесса разделения в магнитогидростатическом центробежном сепараторе учитывают влияние на производительность параметров вязкости ферро-коллоидов в магнитном поле в зависимости от его направления и скорости сдвига, сопротивления движения частиц вдоль силовых линий магнитного поля рабочей зоны; составлены и решены дифференциальные уравнения движения частиц в псевдоутяжеленных феррокол-лоидах; получены точные аналитические выражения для определения скорости частиц; теоретически обоснована технология получения магнетита для синтеза маловязких ферроколлоидов; определены условия снижения полидисперсности коллоидной системы за счет оптимизации концентрации и скорости смешения исходных растворов, интенсивности перемешивания; получены уравнения, связывающие режимные параметры синтеза с крупностью коллоидных частиц. 5. Теоретические и экспериментальные зависимости производительности в концентраторе, центробежно-гравитационном сепараторе, центробежно-вибрационном сепараторе и магнитогидростатиче-ском центробежном сепараторе учитывают их взаимовлияние при работе в режиме технологической линии по количеству переработанного продукта разного гранулометрического состава.
Научное значение работы: 1. Полученные зависимости влияния формы сечения канала на скорость движения частицы позволили предложить научно обоснованное решение по конструкции концентратора, обеспечивающего разделение пульпы из частиц разной плотности и получение концентрата с содержанием ценного компонента 80-85%. 2. Полученные зависимости вибрационного воздействия на камеру разделения позволили предложить научно обоснованное решение по конструкции центробежно-гравитационного сепаратора, обеспечивающего разделение пульпы из частиц различной плотности и получение концентрата с содержанием ценного компонента 80-85%. 3. Полученные зависимости вибрационного воздействия на ротор позволили предложить научно обоснованное решение по конструкции центробежно-вибрационного сепаратора, обеспечивающего разделение и получение концентрата с содержанием ценного компонента 95-98%. 4. Полученные зависимости сопротивления движения частиц вдоль силовых линий магнитного поля рабочей зоны позволили предложить научно обоснованное решение по конструкции магнитогидростатиче-ского центробежного сепаратора обеспечивающего разделение и получение концентрата с содержанием ценного компонента 98-99%. 5. Полученные зависимости режимов работы концентратора, цен-тробежно-гравитационного сепаратора, центробежно-вибрационного сепаратора, магнитогидростатического центробежного сепаратора позволили создать технологическую линию с высокой эффективностью сепарации продуктов горно-обогатительного производства с выдачей готового мелкозернистого продукта. Практическое значение и реализация работы
Диссертация содержит теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение работоспособности технологической линии для сепарации сырья с применением вибрационной техники. Разработанные и апробированные в промышленных условиях концентраторы, центробежно-гравитационные сепараторы, центробежно-вибрационные сепараторы, маг-нитогидростатические центробежные сепараторы для разделения минеральных смесей показали высокую эффективность работы при большей производительности в сочетании с малыми затратами энергии на ведение процесса, что указывает на практическую ценность выполненной работы, которая может лечь в основу разработки новых устройств для сепарации.
По результатам выполненных исследований разработаны гидравлические сепараторы, которые в составе сепарационных комплексов внедрены в технологию обогащения золотосодержащих шлихов с/а "Чукотка" (п. Комсомольский Чукотской АО), с/а "Георгий" (п. Мой-Уруста Магаданской обл.), с/а "Полярная" (п. Полярный Чукотской АО), ассоциации "Сибирское золото" (г. Бодайбо Иркутской обл.), с/а "Дендрит", "Заря-1", "Дамбукинская" (Амурской обл.). Во всех случаях достигнуты технико-экономические показатели, полностью удовлетворяющие "Заказчика". Разработанные аппараты использованы для переработки лежалых и текущих хвостов ШОФ, хвостов ручной доводки шлихов, шлюзовых сполосков, а также труднообогатимых касситеритовых, пиритных, галенитовых и гранатовых промпродуктов, включая кассовые отдувы разного качества и состава.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на: ежегодных научных симпозиумах "Неделя горняка - 2001-2006" (г. Москва); Международном научном симпозиуме "Машины и механизмы ударного, периодического и вибрационного действия" в 2000 г., (г. Орел); XXXI Уральском семинаре по "механике и процессам управления". Уральское отделение Российской академии наук. Межрегиональный совет по науке и технологиям в 2001 г., (г. Миасс); международном форуме по проблемам науки, техники и образования 2001 г., (г. Москва); конференции "XXII Российская школа по проблемам науки и технологий" Российская академия наук, отделение проблем машиностроения, механики и процессов управления Уральское отделение межрегиональный совет по науке и технологиям в 2002 г., (г. Екатеринбург); международной научно-технической конференции "Чтения памяти В.Р. Кубачека" Уральской государственной горногеологической академии в 2001-2002 г., (г. Екатеринбург); ежегодных научно - технических конференциях Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета), в период с 1993 по 2006 г., (г. Владикавказ).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 35 научных работ, отражающих основное содержание диссертации, получено шесть патентов Российской Федерации. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и 12 приложений; содержит 208 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 51 рисунок. Данная работа является продолжением исследований и разработок конструкций центробежно-вибрационных машин для сепарации смесей, защищенных автором в кандидатской диссертации. В приложениях приведены: Программа решения систем дифференциальных уравнений, расчета эффективной плотности и акты промышленного внедрения оборудования в составе сепарационного комплекса. Работа выполнена на кафедре "Технология разработки месторождений" Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) в качестве докторанта очного обучения. Экспериментальные исследования проведены в лабораториях кафедры "Обогащение полезных ископаемых" СКГМИ (ГТУ) и условиях золотодобывающих артелей Амурской области.
Основные разновидности сепараторов и их сравнительная характеристика. Направления развития и совершенствования машин и оборудования для сепарации минерального сырья
Данные аппараты относятся к классу гравитационных машин, в которых основным элементом для концентрации материала являются струйные желоба. В зарубежной практике часто применяется аппарат со струйными желобами - сепаратор Кеннона [5, 6]. Этот аппарат представляет собой желоба, расположенные радиально, разгрузочными концами к центру, установленные на поверхности опрокинутого конуса. Пульпа подается на лотки, через неподвижный пульподелитель. Продукты разгружаются в центре конуса. Производительность такого аппарата составляет 27-45 т/ч. Угол наклона желобов изменяется. Достоинством этого сепаратора является одновременная регулировка угла наклона всех желобов, сбор всех продуктов обогащения в одном месте. Недостаток - затрудненный визуальный контроль, за ходом процесса. Кроме того, для регулирования выхода продуктов необходима установка сменных отсекателей.
В выпускаемом веерном сепараторе Спенсера [7, 8] питание подается снизу по расширяющемуся вертикальному пульповоду. Расслоившаяся по ширине желоба пульпа стекает на веерообразную пластину, которая растягивает веер минералов по вертикали, что позволяет более четко делить его на отдельные продукты передвижными делителями. Желоб изготавливается, из молибденистой стали, и покрывается неопреном. Данные аппараты, как правило, устанавливают батареями. Питание на сепаратор подается из напорных баков [9]. Достоинством веерного сепаратора является удобный визуальный контроль, за качеством продуктов разделения. Недостатки заключаются в необходимости индивидуальной регулировки угла наклона и выходов продуктов обогащения каждого желоба. По сравнению с сепаратором Кеннона веерный сепаратор занимает большую площадь на единицу производительности.
Сепаратор Иорка [10] помимо своих размеров отличается тем, что расслоившаяся пульпа делится на продукты в узком канале с параллельными стенками, которыми заканчивается желоб. Разгрузка осуществляется через разгрузочную щель. На сепараторе образуются только два продукта: концентрат и хвосты. Наиболее широкое распространение получила каскадная компоновка желобов.
Своеобразным аппаратом, использующим суживающийся желоб, является сепаратор Ламекс [11]. В поперечном сечении на участке с прямым днищем желоб имеет прямоугольную форму. Участок желоба с параболическим днищем имеет в поперечном сечении закругленное днище и расходящиеся в стороны боковые стенки. Пульпа подается в прямоугольный загрузочный желоб и течет по желобу сепаратора, образуя постель. Пружинной подвеской автоматически регулируются угол наклона желоба.
В Австралии и ряде других стран при обогащении россыпей применяется сепаратор Райчерта [12], представляющий собой комбинацию желобов и конусов в одном аппарате. Питание подается в центр аппарата и по поверхности распределительного конуса поступает на концентрационный конус. Концентрат разгружается через две концентрические щели, и перечищается отдельно на расположенных ниже желобах, а хвосты верхнего конуса и желобов контрольной операции перечищаются на втором конусе [13, 14]. Производительность сепаратора на песках прибрежных месторождений Австралии составляет до 35 т/ч при извлечении тяжелых минералов свыше 90 % и степени концентрации, достигающей шести [15]. Достоинством сепаратора является высокая производительность на единицу занимаемой площади, небольшой выход промежуточных продуктов (30-35 % от поступающего питания) и небольшой вес. Недостатком является отсутствие возможности регулирования процесса, т.к. угол наклона конусной поверхности и желобов, ширина щелей постоянны.
Наряду с зарубежными конструкциями сепараторов ведется разработка и создание отечественных струйных аппаратов, часть из которых получила промышленное распространение [16].
Винтовой (спиральный) сепаратор представляет собой желоб постоянного сечения, изогнутый по спирали вокруг вертикальной оси. Пульпа загружается сверху и самотеком стекает вниз. На винтовых сепараторах разделение минеральных зерен по плотности происходит при движении потока пульпы по спирали под действием силы тяжести, центробежных сил и сил трения [17]. С верхних витков спирали через отверстия удаляется концентрат, с нижних - промпродукт, хвосты (легкая фракция) - стекают с нижнего желоба. Главные достоинства винтовых сепараторов - простота конструкции, отсутствие движущихся деталей и привода, малая занимаемая площадь.
Применение вышеописанных сепараторов весьма затруднительно, т.к. при большой производительности степень концентрации в этих аппаратах невелика, что требует применения развернутых схем обогащения с использованием нескольких аппаратов [18]. Широкий диапазон крупности материала, одновременно разделяемого в этих аппаратах, не обеспечивает эффективного выделения тонких частиц. Затруднено и снижение производительности данных аппаратов до необходимой в доводочных операциях, т.к. невозможно создание струйных желобов менее 2 м.
Одним из перспективных путей решения рассматриваемой проблемы, является использование восходящих потоков воды, в которых происходит разделение исходного материала по крупности или по плотности. Реализация этой идеи привела к созданию ряда классификаторов с восходящим водным потоком.
Институтом НИИжелезобетон создана конструкция классификатора противоточного типа [19], в которой исходный материал подается в центр приеморазделительной камеры сверху вниз. Восходящий поток воды движется со скоростью, при которой частицы размером больше заданной граничной крупности оседают, а мелкие выносятся в слив.
Экспериментальные исследования процесса разделения в про-тивоточном сепараторе
Основные задачи и направления экспериментального исследования в условиях вибрации в принятой исходной схеме концентратора и центробеж-но-гравитационного сепаратора (см. ниже) определяются необходимостью выявить: - возможности и условия, при которых происходит процесс разделения мелкозернистых материалов в концентраторе и центро-бежно-гравитационном сепараторе (класса крупности частиц -2 +0,25 мм); - влияние параметров колебаний (амплитуда, частота) на процесс сепарации; n- величину скорости восходящего потока жидкости, длины камеры разделения, числа деформаторов потока;- влияние формы канала на эффективность разделения; - угол наклона канала к плоскости горизонта, угол наклона деформаторов к оси канала, расстояние между деформаторами потока.
Все эти задачи рассматриваются с точки зрения законов механики, обусловленных крупностью разделяемых частиц, восходящего потока жидкости.
Для экспериментального исследования влияния технологических (режимных) и конструктивных параметров на эффективность разделения минеральной смеси по плотности созданы следующие конструкции сепараторов.
Из конструктивных соображений, для проведения экспериментальных исследований, разработана конструкция сепаратора с Y-образной формой (рис. 2.2).
Гидравлические сепараторы Y-образной формы имеют равное по площади, но отличное по форме (рис. 2.3) поперечное сечение канала - круглое (R = 22 мм), квадратное (а = 39 мм) и трапецевидное (а = 45 мм, b = 22 мм, h = 45 мм).
Величина площади поперечного сечения (1,52-10"3 м2) выбрана исходя из соображений возможности обеспечения требуемой масштабности экспериментов (1:1). Форма поперечного сечения каналов принята с учетом результатов анализа поведения частиц вблизи стенок, отличающихся своей геометрией.
Принцип разделения в каналах противоточный. Исходное питание с помощью калиброванной воронки подается в середину канала, имеющего длину 1,8 м. Калиброванная воронка обеспечивает равномерную подачу требуемого количества минеральной смеси. Транспортные потоки разделяемых минералов противоположны по направлению.
Для организации специально формируемого поля скоростей и структуры потоков разделяющей среды в каналы помещены деформаторы потока. Деформаторы выполнены в виде пластин (рис. 2.3.), установленных навстречу осевому восходящему потоку воды в канале под углом, величину которого можно изменять от 0 до 90. Между деформаторами восходящего потока и стенкой канала в донной его части существует периферийный зазор для скатывания тяжелых частиц вниз к разгрузочному устройству [53].
В каналах с квадратным и трапециевидным поперечными сечениями периферийный зазор плоский. Форма профиля зазора в канале с круглым поперечным сечением - сегмент круга. Величина зазора определяется двумя технологическими параметрами разделяемой смеси минералов - их крупностью и количеством тяжелых минералов (содержанием тяжелой фракции).
Таким образом, геометрические размеры деформаторов и их угол наклона к осевому потоку определяется требуемым полем скоростей, структурой потоков и степенью стесненности, а величина периферийного зазора деформаторов - решаемой технологической задачей. Пространство между двумя соседними деформаторами потока - это разделительный каскад, в котором частицы минералов имеют возможность выхода в транспортные потоки фракций равной плотности и перехода в сопряженные каскады. Количество разделительных каскадов, соотношение числа каскадов, установленных ниже и выше точки загрузки питания, во многом определяют эффективность разделительного процесса, а также обеспечение требуемой степени концентрации тяжелой фракции.
Работа гидросепаратора заключается в разделении минеральной смеси по плотности в восходящем потоке воды, который является средой разделения и перемещается с некоторой скоростью. Скорость потока подобрана так, чтобы частицы меньшей плотности были взвешены в потоке и выносились из канала, образуя верхний продукт, а частицы большей плотности, оседали. Скатываясь по дну канала, более плотные частицы попадают в области вих-реобразования (вихри), образуемые деформаторами потока (рис. 2.4). В вихре происходит разделение минеральной смеси, т.е. более плотные частицы оседают на дно камеры разделения, а менее плотные отбрасываются на периферию вихря и уносятся потоком в верхний продукт. Пройдя несколько перечисток, тяжелые частицы попадают в приемную камеру, образуя нижний продукт [54].
На первом этапе исследований была поставлена задача, экспериментально установить зависимость эффективности разделения минералов в гидросепараторах с различной формой поперечного сечения канала (квадратной и круглой) от соотношения гидродинамических и технологических параметров процесса разделения по плотности. В матрицу планирования экспериментов в качестве входных независимых переменных были включены: V - скорость восходящего потока разделительной среды, см/с; Q - производительность по исходному питанию, кг/ч. В качестве объекта исследования выбрана смесь барита (плотность 4,2-4,4 г/см ) и кварца (плотность 2,6 г/см ) с крупностью частиц минералов (-0,4;+1 мм). Рассев минералов осуществляли мокро-сухим способом на механическом встряхивателе. При проведении исследований была принята следующая методика. Методом экстремального планирования Бокса-Уилсона определяли оптимальное сочетание параметров V и Q при определенных значениях SK/Д - соотношении площадей поперечного сечения канала (SK) и деформатора потока (Sfl), а - угле наклона гидросепаратора, град., 9 - угле наклона деформаторов потока, град. Диапазон варьирования скорости восходящего потока разделительной среды V выбран из условия необходимости обеспечения одновременной транспортировки вниз частиц тяжелой фракции и вверх частиц легкой фракции заданной крупности при их совместном присутствии в канале. Интервал варьирования нагрузки по исходному питанию Q подобран на основе анализа результатов серии предварительных исследований.
Конструктивная разработка и испытания опытно-промышленного центробежно-вибрационного сепаратора
В пристенной области центробежных сепараторов перемещение зерен концентрата при отрыве от стенки ротора происходит в горизонтальном направлении, для перемещения слоя концентрата в двух направлениях целесообразно использовать вибрацию чаши и пульсацию воды одновременно, что положено в основу работы центробежно-вибрационного сепаратора.
Опытно-промышленный образец центробежно-вибрационного сепаратора конструктивно разрабатывался на базе следующих решений:
Вибраторы. Поскольку диапазону применяемых режимов соответствует частота 50 Гц, то конструктивно целесообразно использовать в качестве вибраторов серийно выпускаемые нашей промышленностью, для вибропитателей и виброгрохотов, электромагнитные или инерционные вибраторы (другие типы вибраторов также могут быть применены) обеспечивающие возможность регулирования амплитуды изменением силы тока в их обмотках и позволяющие иметь удобное конструктивное сопряжение, как с опорной конструкцией, так и с рабочим (вибрирующим) конусом.
Основной привод. Обеспечение вращательного движения рабочему конусу с ускорениями до 300 g, конструктивно целесообразно выполнять с электромеханическим приводом, состоящим из синхронного электродвигателя и клиноременной передачи (возможны варианты из асинхронного электродвигателя с жестким соединением через муфту).
Конструкция центробежно-вибрационного сепаратора (рис. 3.3.) состоит из опорной рамы, на которой в подшипниковом узле 4 установлен вертикальный вал 3, получающий вращение от электродвигателя 1, через клиноременную передачу 2. В верхней части вертикального вала 3 закреплен ротор 6, внутри которого соосно установлен через упругие элементы 7 дополнительный конус 5, поверхность которого перфорирована. Для подачи исходного продукта предусмотрен патрубок подачи питания 8.
Вывод легкой фракции осуществляется через патрубок вывода легкой фракции 9. Тяжелая фракция выводится через патрубок 12.Нижней частью пустотелый вертикальный вал шарнирно связан с коромыслом, которое в свою очередь шарнирно связано с эксцентриковым вибратором 10.
Создание пульсаций путем вибрации вращающейся чаши при подаче воды [78] реализовано на практике в центробежно-вибрационном сепараторе, который работает следующим образом. Минеральная смесь подается во внутрь дополнительного конуса 5 и под действием центробежной и вибрационной сил, а также противодавлением воды разделяется по крупности и удельному весу и выводится наружу. Крутящий момент от электродвигателя посредством клиноременной передачи передается пустотелому валу, установленному в подшипниках. Вал приводит во вращение дополнительный конус, и установленный в нем соосно ротор, посредством пружин. При этом в ротор по патрубку подается исходное питание, содержащее более и менее плотные частицы. Под действием центробежных сил происходит разделение смеси. Более плотные частицы попадают на поверхность ротора, образуя слой материала, а менее плотные всплывают и разгружаются через патрубок для вывода легкой фракции.
В пространство между дополнительным конусом и ротором подается вода. При ходе ротора вниз, относительно дополнительного конуса, вода через перфорационные отверстия поступает в ротор, и слой материала, содержащий более и менее плотные частицы, отрывается от его поверхности и перемещается в горизонтальном направлении. При ходе ротора вверх частицы расслаиваются по его поверхности в вертикальном направлении, при этом менее плотные частицы восходящими потоками выносятся из ротора в легкую фракцию, более плотные перемещаются вниз к патрубку для разгрузки тяжелой фракции [79, 80, 81].
Экспериментальная часть работы заключалась в переработке золотоносных песков в центробежно-вибрационном сепараторе, которую производили в две стадии.
При этом питанием сепаратора являлись техногенные пески крупностью - 2,8 мм, представленные мелкообломочной породой, состоящей из зерен кварца различной крупности от грубо- до мелкозернистого. Масса пробы составляла 50 кг. Главным породообразующим минералом в пробах является кварц (82,54 %), к второстепенным относятся полевые шпаты (3,6%) и слюды (1,83%). Также присутствуют гидроокислы железа, карбонаты, гранаты, содержание которых находится в пределах от 0,1 до 0,3%. В целом выход тяжелой фракции составляет 1,5 %.
В результате обогащения 95,7 % золота извлечено в гравитационный концентрат, при последующей доводке получена золотая головка с содержанием металла 50390 г/т и промпродукт, содержащий золота 43 г/т, при извлечении 90,6 и 6,9 % соответственно таблица В гравитационном концентрате содержание мелкого золота (-0,25 мм) составляет 95,7 %, причем тонкого металла (-0,1 мм) содержится 35,2 %. Извлечение частиц размером более 50 мкм превышает 95 %, основные потери золота с хвостами связаны с классом менее 50 мкм. При этом извлечение наиболее тонкого металла составляет 84,7 %, что является высоким показателем гравитационного обогащения.
Разработанная конструкция центробежно-вибрационного сепаратора позволяет осуществлять разделение мелкозернистых материалов различных месторождений в том числе и отработанных, при этом сам сепаратор конструктивно прост, удобен в эксплуатации не требует больших затрат в изготовлении и ремонте потребляет незначительное количество электроэнергии.
Исследование коэффициента сопротивления движению тел в магнитных коллоидах
Сопротивление жидкости движению тел определяется равнодействующей силы гидродинамического давления на тело и силы трения жидкости о тело. Форма, размер тел и скорость их перемещения влияют на обе составляющие. Вязкость жидкости влияет на величину ее трения о тело [107].
Вязкость магнитных коллоидов зависит от степени их структурирования и, следовательно, от скорости сдвига. При концентрации магнетита более 0,06 структурообразование неизбежно. Однако высококонцентрированные ФМЖ при скорости сдвига более 104 с"1, ведут себя как ньютоновские. Как указывалось, магнитное поле также способствует их структурированию и изменяет вязкость ФМЖ [108].
В практике МГС используют жидкости с концентрацией магнетита от 0,05 до 0,10 %. Как правило, такие жидкости в магнитных полях МГ-сепараторов структурированы.
Магнитные жидкости могут возобновить ньютоновские свойства при сравнительно большой скорости сдвига в окрестности движущихся минеральных частиц.
На основании изложенного, для анализа гидродинамики перемещения частиц в ферроколлоидах представляется рациональным использование не вязкости их, а параметра, учитывающего все факторы, влияющие на движение частиц в среде - коэффициента сопротивления (у). Этот параметр присутствует во всех уравнениях, описывающих гидродинамику перемещения частиц. Поэтому его определение для последующего анализа является чрезвычайно важной задачей.
Изучению коэффициента сопротивления уделено достаточно большое внимание в работе [109]. Однако вопрос был изучен только для случая движения частиц перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Совершенно очевидно, что вдоль силовых линий сопротивление движению тел в магнитных коллоидах будет иным. Это связано, прежде всего с тем, что структурная и вращательная вязкость коллоида зависят от угла между направлением магнитного поля и сдвигового потока. Особенно различие в сопротивлении движению тела от направления будет наблюдаться в жидкостях, потерявших ньютоновские свойства, с крупномасштабными структурами в виде цепей, кластеров микрокапельных агрегатов, ориентированных вдоль силовых линий магнитного поля.
Движение минеральных частиц в магнитожидкостных сепараторах возможно как поперек, так и вдоль силовых линий. Последнее, с точки зрения эффективности разделения, как будет показано ниже, является предпочтительным. В связи с этим, в работе выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по определению вязкости и коэффициента сопротивления движению частиц вдоль силовых линий магнитного поля в объеме магнитного коллоида. Необходимость подобных исследований была продиктована также отсутствием однозначного ответа на данный вопрос в фундаментальных работах по физике ферромагнитных коллоидов [110].
Исследования проводили с помощью физического маятника по методике, используемой в работе [111]. При этом в экспериментальной установке использована электромагнитная система от спектрофотометра ЯМР. Система позволяет в зазоре шириной до 12 см между круглыми полированными полюсами диаметром 36 см создавать магнитное поле до 4000 Э с очень высокой степенью однородности в центральной зоне, где двигался измерительный шар физического маятника. Схема установки представлена на рис. 4.3.
Изменяя балансирным грузом положение центра тяжести маятника, можно задавать скорость его движения в жидкости в широких пределах. Сопротивление движению маятника, обусловленное наличием погруженной в жидкость части стержня, на котором крепится шар, в сравнении с силой сопротивления шару является пренебрежимо малым и систематическим. В экспериментах использовали маятники длиной =0,4 м, массой 0,015 кг, и диаметром шара 0,003 м. С помощью электронного секундомера и механических контактов на небольшом (1-5 см) участке измерялась скорость маятника [112].
В рассматриваемом случае уравнение движения маятника имеет вид где Ми - момент инерции маятника, кг-м2; MB, М0, Мс - соответственно моменты выталкивающей, гравитационной силы и силы сопротивления, Н-м; ф - угол отклонения маятника от вертикали, град.; а - расстояние от центра тяжести до оси маятника, м; d - диаметр шара на конце маятника, м; V - объем шара, м ; m - масса маятника, кг; у - коэффициент гидродинамического сопротивления.
Уравнение (4.15) отражает момент положительного движения, т.е. в направлении, противоположном движению часовой стрелки. Целесообразно определять коэффициент сопротивления при максимальной скорости движения маятника, когда ускорение его стремится к нулю и меняет свой знак, т.к. движение маятника является неравномерным.
