Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность и состояние вопроса сгущения и гидро транспорта продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях
1.1.Общая характеристика систем гидротранспорта на горных предприятиях 13
1.2. Особенности гидравлического транспортирования смесей высоких концентраций 22
1.2.1. Влияние твердых частиц на турбулентные характеристики потока 24
1.2.2. Зависимость турбулентных характеристик потока гидросмеси от концентрации твердой фазы 25
1.3. Кинематические характеристики потоков гидросмесей 28
1.3.1. Межфазовое динамическое равновесие потока гидросмеси 32
1.3.2. Критическая скорость потока гидросмеси 34
1.4. Сгущение гидросмесей хвостов обогащения в технологии пульпоподготовки 39
1.4.1. Рабочий процесс гравитационного сгустителя радиального типа..42
1.4.2. Зависимость геометрических размеров сгустителя от параметров сгущаемой гидросмеси 49
1.4.3. Сгустители пластинчатые (тонкослойные) 54
1.5. Обобщение результатов анализа, цель и задачи исследования 58
2. Теоретические исследования процессов сгущения и гид равлического транспорирования гидросмесей хвостов обогащения
2.1. Общий баланс энергии потока гидросмеси 63
2.2. Баланс энергии гидросмеси с мелкодисперсными частицами 68
2.3. Энергоемкость гидравлического транспортирования крупнодисперсных и мелкодисперсных гидросмесей 74
2.4. Гидромеханические характеристики грунтовых насосов в режиме оптимальной энергоемкости процесса гидротранспорта 82
2.4.1. Теоретический напор грунтового насоса 83
2.4.2. Гидромеханические характеристики грунтовых насосов при работе на гидротранспортном трубопроводе 88
2.4.3. Регулирование характеристик грунтового насоса в системе гидротранспорта 93
2.5. Теоретические исследования процесса сгущения хвостовых пульп...98
2.5.1. Определение длины межпластинного канала и геометрических параметров тонкослойного сгустителя 100
2.5.2. Синтез оптимального по технологическим и конструктивным параметрам тонкослойного сгустителя 106
2.5.3. Стабилизация процесса сгущения в сгустителях гравитационного типа 109
2.6. Результаты теоретических исследований 116
3. Экспериметальные исследования процессов сгущения и гидравлического транспорирования гидросмесей хвостов богащения
3.1. Основные задачи экспериментальных исследований 121
3.2. Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований 123
3.3. Характеристика твердого материала 126
3.4. Результаты экспериментальных исследований 136
3.4.1. Результаты экспериментов на лабораторном гидравлическом стенде 136
3.4.2. Результаты экспериментов на лабораторном сгустителе 149
3.4.3. Гидромеханические характеристики лабораторного грунтового на соса 157
3.5. Обобщение результатов экспериментальных исследований и основные выводы 162
4. Методика расчета технологического оборудования для гидравлического транспорта гидросмесей хвостов обогащения и технико-экономические показатели
4.1. Методика расчета оптимальных параметров гравитационных сгустителей и грунтовых насосов 166
4.2. Технико-экономические показатели 176
Заключение 178
Список использованной литературы
- Особенности гидравлического транспортирования смесей высоких концентраций
- Баланс энергии гидросмеси с мелкодисперсными частицами
- Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований
- Технико-экономические показатели
Введение к работе
Специфика добычи и обогащения руд заключается в извлечении и переработке огромных масс горных пород. Современная технология позволяет использовать лишь часть извлекаемой горной массы, а оставшаяся часть породы накапливается в виде техногенных отходов. Из всего разнообразия техногенных объектов именно с отходами обогатительных фабрик (хвостами) связаны проблемы, решение которых является одной из важнейших задач, стоящих перед горнодобывающими предприятиями на сегодняшний день.
Одной из таких проблем является задача снижения энергетических затрат в технологическом процессе сгущения и гидравлического транспортирования хвостов обогащения минерального сырья, так как эта статья расхода на сегодняшний день одна из самых высоких среди экономических затрат горных предприятий.
Основными параметрами, определяющими возможность повышения эффективности систем гидравлического транспорта, являются скорость транспортирования и концентрация твердого материала в потоке гидросмеси. Но до настоящего времени еще недостаточно изучен процесс транспортирования гидросмесей высоких концентраций с объемным содержанием твердого материала 30 - 50% и практически не имеется таких систем в промышленных условиях. Имеющиеся теоретические и экспериментальные результаты относятся в основном к транспортированию смесей с низкой концентрацией твердого материала, не превышающей 10 % по объему смеси.
Существующие методики расчета систем гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья базируются на утверждении турбулентного характера движения гидросмеси и устанавливают эмпирические и полуэмпирические зависимости кинематических и динамических параметров гидравлического транспортирования от характеристик твердого материала, гранулометрического состава частиц, их концентрации в объеме гидросмеси и критической скорости потока. Основой этих методик являются гра-
витационная модель взвесенесущих потоков, разработанная академиком М.А. Великановым и диффузионная модель проф. В.М. Маккавеева (в зарубежной практике гидравлического транспорта известные как Power Model). Главной задачей этих методик является определение значений потерь напора при минимально допустимых (по условиям гравитационного взвешивания твердой фазы в осредненном пульсационном поле скоростей) средних скоростях транспортирования и соответствующих значениях диаметров трубопроводов.
На протяжении нескольких десятков лет усилия многих ученых в области исследования взвесенесущих потоков были направлены на создание основ теории - системы дифференциальных уравнений для двухфазных и многофазных потоков, построенных методами механики сплошной среды. Несмотря на значительный прогресс в этой области теоретических исследований, единая теория, охватывающая все многообразие гомогенных и гетерогенных жидких сред, требует дальнейшего развития. Области использования предложенных уравнений, как правило, ограничены малыми концентрациями и большими крупностями дискретной твердой фазы и, следовательно, эти уравнения применимы для решения лишь ограниченного числа задач гидравлического транспортирования сыпучих твердых материалов.
От крупности частиц твердого материала и его концентрации зависят свойства транспортируемой гидросмеси. С уменьшением крупности и увеличением концентрации роль критической скорости снижается, а при некоторых предельных значениях этих характеристик влияние критической скорости на кинематические и динамические параметры потока исчезает, так как само понятие критической скорости в этих условиях теряет свой обычный общепринятый смысл. С уменьшением крупности твердых частиц и увеличением концентрации их в объеме смеси последнюю необходимо рассматривать как однородную, или гомогенную систему, отличающуюся по своим физическим свойствам от гидросмесей гетерогенных, с относительно крупными частицами и невысокими концентрациями.
Гидравлическое транспортирование гетерогенных смесей характерно лишь для турбулентного потока, при некоторых минимальных критических скоростях, соответствующих перемещению твердой фазы во взвешенном состоянии. При этом предполагается, что силы взаимодействия вмещающей жидкости и твердых частиц, обусловленные вязкостью жидкости достаточно малы по сравнению с силами тяжести, действующими на твердую фазу. Поэтому для перемещения твердой фазы во взвешенном состоянии необходим режим критической скорости, которая является функцией гидравлической крупности твердых частиц. Для обеспечения требуемой производительности системы по твердому материалу, при низких его концентрациях используются большие диаметры трубопроводов (600 - 1200 мм), что неизбежно связано с возникновением турбулентного режима течения.
Гидравлическое транспортирование смесей с относительно мелкими частицами, образующими гомогенные гидросмеси, теоретически возможно при сколько угодно малых числах Рейнольдса, так как в этом случае силы тяжести частиц компенсируются силами, обусловленными вязкостью вмещающей жидкости. С увеличением концентрации твердой фазы седиментационная устойчивость гидросмесей возрастает, так как к силам вязкости добавляются силы механического взаимодействия между отдельными частицами, что в итоге проявляется в возрастающем эффекте вязкости гидросмеси. Таким образом, при течении мелкофракционных высококонцентрированных смесей основными факторами, определяющими параметры гидравлического транспортирования, являются концентрация твердой фазы и вязкость гидросмесей, а не критическая скорость.
Транспортирование гидросмесей с высоким содержанием твердого материала неизбежно приводит к некоторому увеличению потерь напора и в большинстве случаев применение широко используемых грунтовых насосов становится неэффективным из-за недостаточности создаваемого ими давления нагнетания и зависимости рабочих характеристик этих насосов от параметров
гидросмеси, в результате чего центробежные насосы работают в системах гидротранспорта с изменяющимися расходами и напорами.
Причиной является то, что в настоящее время вопросы сгущения и гидравлического транспорта рассматриваются в отрыве один от другого, и при этом отсутствует системный подход к выбору и обоснованию оптимальных и эффективных режимов сгущения и гидротранспорта. Поэтому правильнее было бы рассматривать эти процессы не по отдельности, как это делалось ранее, а в виде системы гидротранспорта. Под системой гидротранспорта необходимо понимать совокупность оборудования, машин и механизмов, обеспечивающих подготовку гидросмеси к гидравлическому транспортированию с заданными кинематическими и механическими характеристиками, и транспортирование приготовленной гидросмеси по гидротранспортному трубопроводу при помощи грунтового насоса. Таким образом, из всей совокупности сложных физико-механических явлений, характеризующих данную систему, основными процессами, определяющими ее эффективность, являются:
Сгущение исходной пульпы до требуемых параметров.
Гидравлический транспорт полученной гидросмеси по трубопроводу на заданное расстояние с наименьшими энергетическими затратами.
Из сказанного следует, что снижение энергетических затрат в технологическом процессе сгущения и гидравлического транспортирования хвостов обогащения является актуальной задачей и ее решение будет способствовать повышению эффективности добычи и обогащения минерального сырья на горнодобывающих предприятиях РФ.
Эта проблема входит в федеральную целевую программу развития рудно-сырьевой базы металлургической промышленности Российской Федерации на 2000-2010 годы (ФЦП "Руда") по направлению "Производственные энергосберегающие технологии трубопроводного транспорта руды и продуктов ее переработки";' в программу научных исследований, проводимых кафедрой рудничных стационарных установок СПГГИ (ТУ) по соответствующим координаци-
онным планам госбюджетных и хоздоговорных работ на предприятиях горнодобывающей промышленности; в перечень НИОКР комплексного плана повышения технического уровня и эффективности производства АО "Норильский комбинат", АО Качканарский ГОК «Ванадий».
Идея работы. Для любого стратифицированного потока с заданной производительностью по дискретной фазе существует единственное соотношение кинематических параметров течения и концентрации дискретной фазы, удовлетворяющих наименьшим значениям энергоемкости процесса транспортирования и наибольшей его эффективности.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Наименьший уровень энергоемкости любой системы гидротранспорта определяется В - критерием, равным отношению произведения удельных потерь напора и плотности гидросмеси к величине концентрации дискретной фазы стратифицированного потока и принимающий единственное наименьшее значение при достижении оптимального значения концентрации.
Оптимальные геометрические параметры гравитационных сгустителей в системах гидротранспорта и гидромеханические характеристики грунтовых насосов, отвечающие наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы, определяются величиной оптимальной концентрации, являющейся функцией В - критерия.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается использованием теоретических положений гидромеханики, анализом и сравнением обработанных методами наименьших общих квадратов результатов экспериментов и промышленных данных. Удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов на различных гидросмесях, трубопроводах, концентрациях и гранулометрических составах с теоретическими.
Научная новизна работы заключается в разработке метода расчета рабочих параметров гравитационных сгустителей и гидромеханических характеристик грунтовых насосов на основе выявленной зависимости энергоемкости процесса гидротранспорта от величины концентрации дискретной фазы:
определение В -критерия и соответствующего значения оптимальной концентрации, удовлетворяющего наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы;
установление расчетных зависимостей геометрических параметров радиальных и тонкослойных сгустителей для получения оптимальной величины концентрации дискретной фазы стратифицированного потока при обеспечении материального баланса продуктов в разгрузке и в сливе аппаратов и наименьшей энергоемкости гидротранспортной системы;
обоснование способа регулирования частоты вращения рабочего колеса грунтовых насосов на основе разработанной управляющей функции, устанавливающей соотношение номинальных (расчетных) режимов и случайных режимов, в зависимости от текущего значения концентрации дискретной фазы стратифицированного потока.
впервые получена зависимость для КПД гидротранспортной системы, определяемая отношением полезной работы, расходуемой в гидротранспортном трубопроводе и работы расходуемой грунтовым насосом, позволяющая в широком диапазоне кинематических и динамических параметров стратифицированного потока оценить эффективность системы грунтовый насос - трубопровод.
Практическая ценность работы:
Впервые гидротранспортная система рассмотрена в виде гидромеханического комплекса (ГК) оборудования, включающего сгустители стратифицированного потока, трубопровод и грунтовый насос. Рабочие режимы ГК задаются функцией В -критерием, минимизирующей энергоемкость процесса гидравлического транспортирования на основе расчетного оптимального значения
концентрации дискретной фазы. Доказано, что для каждого вида стратифицированного потока, характеризующегося заданной производительностью дискретной твердой фазы существует вполне определенное соотношение кинематических характеристик и концентрации, при которых энергоемкость ГК будет иметь минимальное значение. Разработаны методы расчета сгустителей и грунтовых насосов, отвечающих В -критерию и минимальной энергоемкости. Обоснован метод регулирования гидромеханических характеристик грунтового насоса и предложена формула для оценки эффективности ГК.
Реализация выводов и рекомендаций работы
Полученные результаты и разработанная методика приняты гидротехническим отделом ЗАО «Механобр-инжиниринг» для использования при проектировании и реконструкции гидротранспортных комплексов на горнообогатительных комбинатах. Результаты работы переданы для использования при эксплуатации гидротранспортных систем на АО Качканарский ГОК «Ванадий» - хвосты обогащения железной руды, АО «РУДАС» - строительные пески и гравий.
Апробация работы - отдельные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ), «Полезные ископаемые России и их освоение» - апрель 2004, 2005, 2006 г.г., на технических совещаниях гидротехнического отдела института «Меха-нобр инжиниринг» - декабрь 2006 г., на заседании НТС АО «РУДАС» - декабрь 2006 г.
Личный вклад автора
разработан стенд и методика экспериментальных исследований; подготовлены гранулометрические составы для исследуемых гидросмесей с различными концентрациями твердой фазы;
выполнены лабораторные эксперименты. Обработаны опытные данные, произведена оценка сходимости теоретических и экспериментальных результатов;
обоснована функция В - критерия и установлена зависимость энергоемкости КГ от концентрации дискретной фазы.
разработана и обоснована методика расчета геометрических параметров радиальных и тонкослойных сгустителей;
предложен способ регулирования гидромеханических характеристик грунтового насоса в системе гидротранспорта и разработан вид управляющей функции.
сопоставлены данные промышленных экспериментов с теоретическими и лабораторными и дана оценка сходимости и адекватности результатов. Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 научных работ. Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав,
выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений.
1. ИЗУЧЕННОСТЬ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СГУЩЕНИЯ И ГИДРОТРАНСПОРТА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Особенности гидравлического транспортирования смесей высоких концентраций
Основными параметрами, определяющими эффективность систем гидравлического транспорта, являются скорость транспортирования и концентрация твердого материала в потоке гидросмеси. До настоящего времени еще недостаточно изучен процесс транспортирования гидросмесей высоких концентраций с объемным содержанием твердого материала 30 -50 % и практически не имеется таких систем в промышленных условиях. Имеющиеся теоретические и экспериментальные результаты относятся в основном к транспортированию смесей с низкой концентрацией твердого материала, не превышающей 10 % по объему смеси.
Существующие расчетные зависимости основных параметров гидравлического транспорта основаны на концепции турбулентного переноса твердой фазы потоком жидкости, а эффективность процесса рассматривается в связи с влиянием твердых частиц на турбулентные характеристики потока. Эти вопросы изучались в работах Юфина А.П., Трайниса В.В., Офенгендена Н.Е., Витошкина Ю.К., Виссарионова В.И., Бороховича А.И. и др., в работах которых даны теоретические основы гидротранспорта смесей различной концентрации [2-Ю], но только в работах Н.А. Силина (ИГМ АН Украины), проф. В.Н.Покровской и проф. В.И. Александрова рассматриваются режимы течения гидросмесей высоких концентраций в применении к конкретным условиям эксплуатации систем гидротранспорта (в работах Н.А. Силина - транспортирование угля и водоугольных суспензий, в работах В.Н. Покровской - закладочных смесей, в работах В.И. Александрова - хвостов обогащения полиметаллических руд) [11-14].
Установлено, что возникновение в потоке скоростного поля связано с образованием в нем вихрей разных форм и масштабов. Эти вихри обладают определенной энергией, величина которой зависит от интенсивности пульсации скорости при соответствующем частотном спектре [12]. Присутствие в жидкостном потоке твердых частиц изменяет структуру потока и воздействует на его турбулентные характеристики.
При оценке влияния твердой фазы на турбулентные параметры потока некоторые исследователи приходят иногда к прямо противоположным результатам. Некоторые полагают, что твердые частицы в потоке гидросмеси принимают на себя часть его энергии и тем самым снижают турбулентность, по результатам других, наоборот, твердые частицы способствуют возникновению вихрей малых масштабов, в результате чего возникает дополнительная турбулентность потока. В работах [6, 9, 15] установлено различное воздействие твердых частиц на турбулентные характеристики потока смеси. В некоторых условиях твердые частицы способствуют снижению турбулентности, а в других вызывают ее увеличение. В работах [9, 16, 17] отмечается увеличение турбулентности при введении в поток твердого материала.
Различные результаты исследований объясняются разными условиями экспериментов. Это, прежде всего, различные характеристики твердого материала по крупности, гранулометрическому составу и плотности; различные характеристики экспериментальных гидросмесей (плотность, концентрация, вязкость, ph); различные методики проведения исследований и аппаратурное оформление экспериментов и т. д.
Вопросы, связанные с воздействием твердой фазы потока на турбулентные характеристики течения, являются наиболее важными в теории взвесенесущих потоков при гидротранспорте насыпных материалов.
Основное влияние на турбулентные характеристики потока гидросмеси оказывает крупность частиц транспортируемого материала. Твердые частицы изменяют структуру потока. Интенсивность воздействия частиц на турбулентный поток обусловливается их концентрацией, размерами, формой, плотностью и соответствием их масштабу потока - отношению диаметра твердых частиц к диаметру трубопровода. Относительно мелкие, в сравнении с масштабом потока, частицы твердого материала образуют в смеси с водой непрерывный континуум и не оказывают значительного влияния на параметры турбулентности. С увеличением крупности частиц возникает явление скольжения, проявляющееся в отставании твердой фазы от жидкой составляющей потока [9]. Скольжение в потоке связано с ростом волнового числа турбулентности, особенно в диапазоне больших волновых чисел.
Крупные частицы в потоке жидкости взаимодействуют с крупномасштабными турбулентными вихрями. При большой массе они выпадают из потока на дно трубопровода или переходят в слои жидкости с другими параметрами турбулентного вихря. Такой характер движения частиц твердого (с одной стороны - отставание от потока несущей жидкости, а с другой - переход от одного слоя потока в другой), создает дополнительное поле относительных скоростей в потоке смеси, что способствует увеличению турбулентности течения.
Баланс энергии гидросмеси с мелкодисперсными частицами
Дополнительные потери напора определяют часть общей энергии потока (здесь рассматривалась потенциальная энергия, как если бы движение потока осуществлялось по наклонному трубопроводу), обусловленную наличием твердых частиц, т.е. их концентрацией. Кроме того, косвенное влияние оказывает диаметр трубопровода, средняя скорость течения (особенно для крупнодисперсных частиц), средневзвешенный диаметр твердых частиц d0, их плотность и, соответственно, скорость осаждения (гидравлическая крупность - woc) и гравитационная постоянная -g.C учетом перечисленных факторов функцию дополнительных потерь напора можно представить в общем виде M = f(cme Dmp v woc g)- (2-9)
Выражение (2.9) записано в неявном виде, а для представления его в виде конечного уравнения можно использовать эмпирический метод или с использованием теории подобия (размерностей), а также эксперименталь ный способ. Наиболее реальным является полуэмпирический метод с использованием формулы (2.8), в которой эмпирические характеристики К и п определяются и обобщаются на основе экспериментальных результатов. При таком подходе к расчету дополнительных потерь напора их расчетная формула представится в виде следующего выражения = f{Dmp,v,w0C g), (2.10) т.е. при полуэмпирическом методе определения дополнительных потерь напора (удельной энергии) выражение в правой части (2.10) будет представляться в виде некоторого числового значения, соответствующего конкретным значениям характеристик твердой фазы. В итоге энергетические затраты приводятся к удобной расчетной зависимости, определяемой только значением концентрации твердых частиц в виде зависимости 1см(ств) = ЬЕ, (2.11) где ЬЕ - удельная энергия потока гидросмеси.
Приведенные расчетные зависимости основаны на известных в литературе положениях о движении двухфазных, жидких стратифицированных потоков по трубопроводам. Особенность рассмотренной модели в том, что она обобщает многофакторную зависимость удельных потерь напора в форме однофакторной зависимости. В качестве этого фактора принята концентрация твердой фазы, являющегося наиболее значимой характеристикой гидротранспортного комплекса, так как определяет эффективность процесса и его энергоемкость.
Приведенная в предыдущем разделе феноменологическая модель баланса энергии в потоке гидросмеси справедлива для общего случая течения двухфазных жидких стратифицированных течений. Она исходит из где т - касательное напряжение сдвига на стенке трубопровода, ц - дина мический коэффициент вязкости жидкости, градиент скорости в по dn перечном сечении потока (для круглой трубы dn = dr, где г - текущий радиус потока).
Свойства однородных гидросмесей с мелкодисперсными частицами зависят от концентрации частиц в объеме смеси и ее плотности. При относительно малых значениях концентрации твердого материала свойства гидросмесей мало отличаются от обычных чистых и вязких жидкостей. С увеличением содержания твердых частиц гидросмеси ньютоновские свойства гидросмесей трансформируются в неньютоновские, с возникновением начального напряжения сдвига. В этом случае не наблюдается течения жидкости до достижения некоторого порогового значения нормального давления. В этом случае закон трения Ньютона действует только при давлениях, превышающих начальное напряжение, и записывается в виде двучлена (модель Бингама-Шведова) [66 - 69]: dv т = хо+т1— dr Рис. 2.2. Изменение напряжения сдвига ньютоновской и неньютоновской жидкости в зависимости от градиента скорости где г = г\эф - эффективная динамическая вязкость гидросмеси, х0 - начальное напряжение сдвига.
На рис. 2.2 показаны характерные кривые изменения напряжения сдвига (касательных напряжений) от градиента скорости потока для ньютоновской и неньютоновской гидросмеси в ламинарной области течения.
Модель Бингама-Шведова можно привести к виду подобному модели вязкой жидкости и далее выразить величину потерь напора по формуле подобной уравнению Дарси-Вейсбаха: T-Xo= Y- f(l-o)= Y» (2-12) dv .1 т0 где у = градиент скорости в поперечном сечении по тока, с , а = — dr т относительное касательное напряжение. Касательные напряжения являются результатом действия нормальной составляющей силы, действующей в поперечном сечении потока гидросмеси. Из равенства нормальных и касательных сил можно получить соотношение между ними, т.е. АР D in D о 2D x = i _.±: = _ = (2.13) L 4 4 4 К где АР - нормальное давление, действующее в поперечном сечении потока, L - рассматриваемый участок потока, D - диаметр потока, / - потери давления на участке длиной L, Па/м.
Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований
Схема лабораторного гидротранспортного стенда приведена на рис. 3.1. Гидросмесь из зумпфа вместимостью 0,5 м перекачивалась по одному из трубопроводов с помощью центробежного насоса 3 Гр-8, производи-тельность которого составляла 5 м /ч. В качестве привода использовался асинхронный электродвигатель с фазным ротором, что позволяло изменять частоту вращения и, соответственно, производительность насоса. Дополнительное регулирование производилось задвижками на входе в трубопроводы. В конструкцию зумпфа был встроен мерный бак вместимостью 25 л, который использовался для тарировки расходомера и для определения действительной производительности насоса и средней скорости потока гидросмеси, проходящего по одному из трубопроводов. Измерительный участок для всех трубопроводов составлял 2,0 и 2,5 м. Измерение давления производилось с помощью пьезометров, а также при помощи датчиков давления ДРД-19. Сигналы с датчиков подавались на преобразователь и измерялись вторичным прибором (амперметром).
Экспериментам на гидросмеси предшествовали опыты на чистой воде. При этом осуществлялась проверка работы насоса, привода и стенда в целом, производилась тарировка приборов. Для всех экспериментов был выбран диапазон изменения средней скорости потока смеси в трубопроводе от 0,5 до 2 м/с. Для этого диапазона минимальная частота вращения ро-тора электродвигателя была равна 100 об/мин при расходе 0,1 м /ч (для трубопровода 0,025 м при средней скорости потока 0,5 м/с). Максимальная частота вращения составляла 1270 об/мин (для трубопровода 0,05 м при средней скорости 1,8 м/с). Регулирование частоты вращения производилось в диапазоне 100-1270 об/мин в зависимости от исследуемого трубопровода и требуемой скорости потока. Опытные данные обрабатывались стандартными методами математической статистики, определялись среднеквадратичные отклонения, абсолютные и относительные ошибки, коэффициенты корреляции.
В табл. 3.1 приведены результаты экспериментов на чистой воде, по данным которой на рис. 3.2 построены графические зависимости потерь напора от средней скорости потока в трубопроводах. Кривые потерь напора описываются уравнением Дарси-Вейсбаха. Коэффициент гидравлических сопротивлений уменьшается с увеличением диаметра труб, и в проведенных опытах принимал значения:
Х25 =0,0192; Л,40 =0,0177. Температура воды изменялась в процессе экспериментов от +15 до +25 С. При такой температуре среднее значение динамического коэффициента вязкости было равно ц = 0,001017 Па-с.
Значения чисел Рейнольдса, приведенные в табл. 3.1, показывают, что течение воды происходит в турбулентном режиме, при котором коэффициент гидравлических сопротивлений X является функцией шероховатости внутренних стенок трубы и числа Рейнольдса.
В качестве твердого материала использовались хвосты обогащения железной руды (Качканарский ГОК), медной руды (Джезказганский ГОК), морской песок, предоставленный АО «Рудас», хвосты обогащения полиметаллической руды (Норильский ГМК), измельченный каменный уголь (шахта Белово) и др. В общем объеме исследований использовались 16 видов различных материалов, как однородных по крупности, так и полифракционных, включающих все возможные классы крупности. Дифференциальные кривые гранулометрического состава исследованных материалов приведены на рис. 3.3.
Особенностью использованных твердых материалов является то, что они охватывают практически весь диапазон плотности твердых частиц, их гранулометрических составов и концентраций, встречающихся в практике гидравлического транспорта на горно-обогатительных комбинатах.
Наибольший интерес представляют хвосты обогащения полиметаллических руд, характеризующихся высокой степенью измельчения. По данным гранулометрического состава видно, что хвосты обогащения полиметаллической руды представлены в основном мелкими классами крупности частиц -0.074 мм - 89,33 %, а класса -0.044 - 79,39%. Средний диаметр частиц равен
Интегральная кривая гранулометрического состава твердого материала хвостов обогащения медной руды приведена на рис. 3.4. Анализ гранулометрического состава производился путем отбора проб, фильтрации, сушки и просеивания сухого материала через стандартный набор сит.
Технико-экономические показатели
Выполненные экспериментальные исследования показали, что удельная энергия гидравлического транспорта гидросмесей хвостов обогащения зависит от производительности системы по твердому материалу ІЯте) плотности твердых частиц (ртв) и их концентрации в объеме перекачиваемой пульпы {ств). Для исследованных типов гидросмесей (угольных, хвостов обогащения железной руды, хвостов обогащения медной руды, крупного песка) величина удельных потерь напора (потерь удельной энергии) может быть рассчитана по уравнению Дарси-Вейсбаха с учетом относительной плотности перекачиваемой гидросмеси. Для подобных гидротранспортных систем (в том числе и промышленных) расчетная формула удельных потерь напора имеет вид (3.1).
Величина удельных потерь напора позволяет определить значение В -критерия, устанавливающего значение концентрации гидросмеси, соответствующей наименьшей удельной энергоемкости гидротранспортной системы по формуле л2 р2 В = 7,14 -1(Г4— -& -. (3.11)
С учетом критической скорости потока гидросмеси, равной при определенном диаметре средней скорости потока, в соответствии с формулой (3.4) получена эмпирическая формула Л-критерия, как функции производительности гидротранспортной системы (qme), механических характеристик перекачиваемой гидросмеси (рсм, рш) и концентрации твердых частиц (ств) - формула (3.5). Значение концентрации ств для наименьшего значения Л -критерия (Bmin) становится оптимальным {сопт).
Решение (3.5) относительно оптимальной концентрации при наименьшем значении В - критерия приводится к виду опт ( п0 575 11 1 г те R0.417 Л37 3 0,075 Р Ро Чта ) 1 дР (3.12) где Р = 0,607 - 0,0768 рш - коэффициент, учитывающий линейность изменения концентрации гидросмеси; Ap = (pwe-p0) - относительная плотность, кг/м3.
Расчеты по формуле (3.12) совпадают с опытными данными при гидротранспорте различных гидросмесей, приведенными в Приложении 3. Отклонение расчетных и опытных результатов не превышает 1 - 2 %.
2. Геометрические размеры гравитационных сгустителей, расход пульпы на входе в аппарат, параметры сгущенной гидросмеси и парамет 164 ры сливной воды находятся в определенной функциональной связи друг с другом.
Изменение параметров входного потока пульпы приводит к изменению параметров в разгрузке и в сливе при соблюдении материального баланса продуктов.
Использование тонкослойного модуля увеличивает эффективную площадь сгущения и способствует улучшению качества сливной воды. При определенных режимах работы сгустителя использование тонкослойного модуля позволит снизить расход ПАВ и обеспечить удовлетворительное качество оборотной воды с содержанием твердых частиц не более 15-20 г/л.
Изменение (увеличение) расхода на входе в сгуститель приводит к изменению (увеличению) высоты уплотненного осадка и содержания твердых частиц в сливной воде.
Концентрация твердых частиц в сгущенном продукте определяет геометрию гравитационного сгустителя.
3. Экспериментальные исследования гидромеханических характеристик грунтового насоса показали, что грунтовый насос в системе гидротранспорта работает с переменными расходом и напором. С увеличением концентрации твердого материала в перекачиваемой гидросмеси расход-но-напорные характеристики насоса смещаются по ординате на величину относительной плотности гидросмеси, а величина максимального напора (при нулевой производительности) не изменяется и остается равной номинальной величине, задаваемой уравнением расходно-напорной характеристики. С изменением плотности перекачиваемой гидросмеси возрастает потребляемая мощность, а для режима работы на оптимальной концентрации гидравлическая мощность насоса уменьшается.
