Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из важных направлений горнорудного производства, повышения его эффективности и конкурентоспособности в условиях современных рыночных отношений является создание мощной транспортной базы, способной значительно повысить производительность при одновременном снижении себестоимости перевозок минерального сырья и продуктов его переработки. Развитие такой базы связано с расширением использования непрерывных видов транспорта, среди которых наибольшее распространение получил гидравлический трубопроводный транспорт.
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, с крупностью частиц до 80-90 % класса - 0,044 мм и возрастает нагрузка на гидравлический транспорт, так как подавляющая часть объема хвостов обогащения транспортируется гидравлическим способом.
Практически все 400 действующих в горной промышленности гидротранспортных систем, работают на гидросмесях с низким содержанием твердой фазы, при этом по ним транспортируется около 1,5 млрд. т твердого материала. Средняя величина объемной концентрации не превышает 8-10%. Из-за больших объемов выхода твердого и низкой его концентрации снижается эффективность гидравлического транспортирования, повышается энергопотребление, обусловленное высокой удельной энергоемкостью процесса.
На протяжении нескольких десятков лет усилия многих ученых в области исследований взвесенесущих потоков были направлены на создание основ теории - выводе системы дифференциальных уравнений для двухфазных потоков, построенных методами механики 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 концен-
трациями твердой фазы и относительно большими крушюстями твердых частиц и, следовательно, эти уравнения применимы для решения ограниченного числа задач гидравлического транспортирования сыпучих твердых материалов.
Повышение технико-экономической эффективности гидравлического транспортирования минерального сырья и продуктов его переработки, снижение удельной энергоемкости и металлоемкости гидротранспортных систем является актуальной проблемой для предприятий горной промышленности, решение которой непосредственно связано с совершенствованием теории взвесенесу-щих потоков и переходе на транспортирование смесей с высокими концентрациями твердой фазы.
Эта проблема входит в федеральную целевую программу развития рудно-сырьевой базы металлургической промышленности Российской Федерации на 1997-2005 годы (ФЦП "Руда") по направлению "Производственные энергосберегающие технологии трубопроводного транспорта руды и продуктов ее переработки"; в комплексную программу научных исследований, проводимых отраслевой лабораторией гидравлического транспорта руды и продуктов ее переработки при кафедре горных транспортных машин по соответствующим координационным планам госбюджетных и хоздоговорных работ на предприятиях горнодобывающей промышленности; в перечень НИОКР комплексного плана повышения технического уровня и эффективности производства АО "Норильский комбинат".
Целью работы является создание научно обоснованной методики расчета гидравлического транспорта продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях при высоких концентрациях гидросмесей и обоснование выбора насосного и сгу-стительного оборудования для повышения эффективности транспортирования при снижении удельной энергоемкости процесса.
Научная идея работы заключается в том, что высококонцентрированные мелкофракционные гидросмеси с изменяющимися в поперечном сечении потока концентрацией и вязкостью сохраняют свою структуру при весьма низких скоростях движения, в том числе и при ламинарном течении, позволяя существенно уменьшить энер-
гозатраты на их транспортирование при обеспечении заданной производительности по твердому материалу.
Метод исследований - включает в себя теоретический анализ с использованием математического аппарата, экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях и обработку результатов методами математической статистики.
Обоснованность и достоверность научных положений, основных вьшодов и рекомендаций определятотся использоваїшем фундаментальных уравнений гидромеханики, обобщением и проверкой обработанных с помощью математической статистики результатов экспериментов, собственных и полученных другими исследователями, а также промышленных данных.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке новой физико-математической модели и выводе теоретических закономерностей течения вязкопластических жидкостей для условий гидравлического транспортирования высококонцентриро-ваіпіьгх полидисперсных гидросмесей по промышленным трубопроводам, включая:
описание мехшшзма формирования и проявления реологических свойств концешгрированными мелкофракционными гидросмесями при течении их по трубопроводам и вывод теоретических зависимостей параметров вязкопластического потока от его структуры и концентрации;
разработку новых безразмерных параметров вязкоплатиче-ского потока гидросмеси, устанавливающих функциональную зависимость объемного расхода от напряженного состояния и реологических свойств тела течения;
обоснование критериев повышения эффективности и снижения энергоемкости при эксплуатации гидротранспортных систем на предприятиях горной промышленности;
- определение зависимости энергетических характеристик
взвесенесущего потока от его вязкопластических и реологических
свойств и установление закономерностей снижения затрат энергии
на транспортирование при изменении массового расхода системы.
Практическое значение работы:
- установлены зависимости кинематических и динамических
параметров гидравлического транспортирования высококонцентрированных мелкофракционных гидросмесей от концентрации твердой фазы, соответствующие максимальной производительности системы по твердому материалу и минимальным энергетическим затратам;
получены эмпирические формулы для расчета основных реологических характеристик вязкопластических гидросмесей, являющиеся явными функциями исходной концентрации и учитывающие ее изменение в поперечном сечении трубопровода;
выведены новые расчетные зависимости для определения энергетической эффективности гидравлического транспортирования высококонцентрированных мелкофракционных гидросмесей, учитывающие реологические характеристики вязкопластического потока;
разработана инженерная методика расчета параметров гидравлического транспортирования высококонцентрированных гидросмесей для выбора насосного и сгустительного оборудования при оптимальном соотношении массового расхода и энергетических затрат.
Реализация результатов работы:
полученные научные результаты и разработанная методика расчета приняты институтом "Механобр инжиниринг" для использования при проектировании гидротранспортных систем на горнообогатительных предприятиях металлургической промышленности;
результаты работы были использованы при реконструкции закладочных комплексов и системы гидротранспорта хвостовой пульпы ОФ № 3 на Джезказганском горно-металлургическом комбинате; на рудниках "Тишинский", "40 лет ВЛКСМ" и "Риддер-ский" Лениногорского полиметаллического комбината; на шахте "Заполярная" ОАО "Воркутауголь" в схеме сгущения, транспортирования и утилизации угольной просыпи.
Апробация работы: диссертация в целом и ее отдельные положения докладывались на межкафедральных семинарах горноэлектромеханического факультета СТ1ГТИ (ТУ); на 6-ой Международной конференции по проблемам гидротехники (Шклярская По-ремба, 6-8 мая 1996 г., Польша); на Международной конференции по проблемам трубопроводного транспорта и качества воды (Познань,
Польша), на IV и V Международных горно-геологических симпозиумах (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ) - ноябрь 1996 г., октябрь 1997 г.); на 9-й и 10-й Международных конференциях по проблемам гидравлического транспорта (Краков 2-5 сентября 1998 г., Вроцлав 2-4 сентября 2000 г., Польша).
Публикации: научные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 66 печатных трудах.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы; изложена на 300 страницах, содержащих 45 рисунков, 30 таблиц и включает в себя Приложения, в которых приведены дополнительные материалы по экспериментальным данным, обработке результатов, информационно-техническая и справочная документация.