Содержание к диссертации
Введение
1. Предпосылки создания сепаратора кипящего слоя 15
1.1. Анализ техники и технологии разделения продуктов переработки железосодержащих композиций 15
1.2. Анализ конструкций сепараторов мокрого разделения 20
1.3. Анализ конструкций сепараторов сухого разделения 29
1.4. Обзор существующих теорий расчета сухого разделения тонкодисперсных материалов 37
1.5. Цель и задачи исследований 43
1.6. Выводы 48
2. Основы теории процесса работы сепаратора кипящего слоя 50
2.1. Обоснование способа разделения в сепараторе кипящего слоя 50
2.1.1. Сухое разделение компонентов сыпучего материала в состоянии кипящего слоя и особенности конструкции установки 50
2.1.2. Свойства частиц разделяемого сыпучего материала и расчет параметров кипящего слоя 52
2.2. Моделирование магнитной системы сепаратора кипящего слоя 57
2.2.1. Общие характеристики магнитного поля сепаратора кипящего
слоя 57
2.2.2 Расчет магнитного поля сепаратора кипящего слоя 64
2.3. Исследование движения частиц в рабочей зоне сепаратора кипящего слоя 68
2.3.1. Свойства извлекаемых частиц 68
2.3.2. Силы, действующие на частицы, и особенности их извлечения .70
2.4. Прогнозирование коэффициента извлечения в сепараторе кипящего слоя 77
2.5. Выводы 85
3. Методика проведения экспериментальных исследований и характеристика экспериментальных установок 87
3.1. План экспериментальных исследований 87
3.2. Характеристика исследуемого материала 88
3.3. Порядок технологических операций сепаратора кипящего слоя 90
3.4. Описание экспериментальной установки 91
3.5. Методика проведения испытаний 102
3.6. План проведения многофакторного эксперимента 104
3.7. Выводы 108
4. Результаты экспериментальных исследований сепаратора кипящего слоя 109
4.1. Эффективность разделения в сепараторе кипящего слоя сухого разделения 109
4.2. Производительность сепаратора кипящего слоя сухого разделения ... 136
4.3. Выводы 148
5. Результаты промышленной апробации 149
5.1. Использование хвостов обогащения в производстве мелкозернистых
бетонов 149
5.2. Использование хвостов обогащения в производстве асфальтобетона. 152
5.3. Выводы 163
Основные результаты и выводы 165
Библиографический список
- Анализ конструкций сепараторов сухого разделения
- Сухое разделение компонентов сыпучего материала в состоянии кипящего слоя и особенности конструкции установки
- Порядок технологических операций сепаратора кипящего слоя
- Производительность сепаратора кипящего слоя сухого разделения
Анализ конструкций сепараторов сухого разделения
Электромагнитный принцип разделения применяется для выделения из исходных материалов частиц, обладающих сильно выраженными магнитными свойствами, для отделения железосодержащих примесей, для разделения полезных ископаемых и основан на использовании различий в магнитных свойствах разделяемых материалов [49, 56, 96, 102, 104, 141]. Машины, которые осуществляют данный процесс, называются магнитными сепараторами. Конструкция отдельных узлов и режим работы различных типов сепараторов характеризуются большим разнообразием.
В зависимости от назначения и напряженности магнитного поля сепараторы классифицируются на сепараторы со слабым магнитным полем - для выделения сильномагнитных материалов и сепараторы с сильным магнитным полем - для выделения слабомагнитных материалов. В зависимости от характера среды, в которой происходит разделение исходного сырья, магнитные сепараторы делятся на сухие, в которых разделение осуществляется в воздушной среде и мокрые - для разделения в водяной среде. В зависимости от магнитных систем классифицируют на сепараторы электромагнитные и с постоянными магнитами.
В настоящее время преимущественно используются барабанные сепараторы. Для мокрого магнитного разделения сильномагнитных руд используются барабанные сепараторы типа ПБМ (рисунок 1.5) с многополюсной системой из постоянных магнитов и выпускается в трех исполнениях: с прямоточной, противо-точной и полупротивоточной ваннами [1, 12, 35, 106]. Через зону извлечения у прямоточных сепараторов проходит весь объем питания, а у полупротивоточных и противоточных - немагнитная часть [41]. Прямоточные сепараторы применяются для материалов крупностью 6 мм и менее, противоточные - для крупности материала 2(3) мм и менее, полупротивоточные - для материала крупностью 0,3 мм и менее.
Сепаратор имеет барабан 1 с шестиполюсной магнитной системой 2, изготовленной из постоянных магнитов, ванну 4, загрузочную коробку 5, переливную коробку для смывной воды 3. Внешняя поверхность барабана покрыта резиной. Привод сепаратора смонтирован внутри барабана. Пульпа в сепаратор подается под вращающийся барабан, магнитные минералы в зоне действия магнитной системы притягиваются к барабану и выносятся в концентратное отделение ванны. В месте разгрузки концентрат с барабана смывается водой. Немагнитные минералы, пройдя через рабочую зону, разгружаются в хвостовое отделение ванны. Напряженность магнитного поля на поверхности барабана 90-100 кА/м, на расстоянии 50 мм от поверхности - 40-50 кА/м, производительность достигает 40-200 т/ч.
На рисунке 1.6 представлен прямоточный магнитный барабанный сепаратор 167А-СЭ, предназначенный для обогащения сливов стержневой мельницы и классификаторов [106]. У данного сепаратора установлена трехполюсная система из никель-кобальтовых магнитов (сплав ЮНДК-24), укрепленных на ярме из динам-ной стали. Также имеется разработка с четырехполюсной системой из ферритоба-риевых магнитов. В ванне сепаратора поддерживают постоянный уровень пульпы. Барабан и лотки футеруются резиной. Принцип работы сепаратора 167А-СЭ заключается в следующем: питание по двум трубам направляется в загрузочную коробку сепаратора, откуда равномерным слоем подается на питающий лоток ванны под вращающийся барабан. Магнитные частицы под воздействием магнитного поля притягиваются к барабану и перемещаются к краю магнитной системы, где они отделяются от барабана и самотеком поступают в разгрузочную коробку. Немагнитные частицы вместе с основной массой воды разгружаются через хвостовые насадки и хвостовой патрубок. Питание
Сепаратор 26-СБ (рисунок 1.7) представляет собой противоточный магнитный барабанный сепаратор и предназначен для обогащения сливов шаровых мельниц и классификаторов [106]. Принцип работы сепаратора 26-СБ заключается в следующем: питание по трубе поступает в загрузочную коробку сепаратора, откуда двумя питающими патрубками направляется на питающий лоток и под вращающийся барабан. Магнитные частицы под действием магнитного поля притягиваются к барабану и перемещаются к краю магнитной системы, где они отделяются от барабана и разгружаются. Немагнитные частицы вместе с основной массой воды разгружаются через хвостовой патрубок.
Сепаратор ПБМ-4ПА (рисунок 1.8) предназначен для разделения сливов классификаторов и шаровых мельниц и представляет собой противоточный магнитный барабанный сепаратор. В его конструкции предусмотрено два варианта магнитных систем - пятиполюсная с литыми магнитами из сплава ЮНДК-24 и шестиполюсная с керамическими магнитами из феррита бария. Принцип работы аналогичен сепаратору 26-СБ.
Сухое разделение компонентов сыпучего материала в состоянии кипящего слоя и особенности конструкции установки
Обогащение магнетитовых кварцитов на горно-обогатительных комбинатах Курской магнитной аномалии сопровождается накоплением огромных количеств «хвостов» обогащения - нерудных материалов с остаточным содержанием магни-титадо 10% [54].
Образуемые этими материалами отвалы наносят серьезный ущерб окружающей среде и хозяйству в целом. Ликвидация и утилизация отвалов горно-обогатительного производства представляет собой актуальную, но очень сложную проблему. Одним из направлений ее решения является использование отходов обогащения железной руды, содержащих до 93 % тонкоизмельченного кварцевого песка (кварцита) в строительстве, в частности - дорожном, а также в производстве строительных материалов и изделий. Некоторые технологии использования отвалов требуют предварительного обезжелезивания кварцевого песка, т.е. удаление остаточных магнетитовых частиц. Получаемый при этом железорудный концентрат, в частности, может использоваться как наполнитель и пигмент при изготовлении красок специального назначения [112]. Для разделения таких материалов нами разработан сепаратор кипящего слоя сухого разделения, в котором извлечение частиц происходит из кипящего слоя исходного сыпучего материала (рисунок 2.1).
Сущность разработанного аэродинамического способа разделения продуктов железорудного производства состоит в том, что извлечение частиц тонкоизмельченного исходного материала происходит за счет перечистки частиц, разделяемого материала создаваемой восходящим потоком воздуха, проходящим через воздухопроницаемое металлокерамическое днище транспортирующего лотка. Размещение магнитной системы и ленточного транспортера под углом к транс 51 портирующему лотку повышает селективность извлечения частиц, что способст вует повышению чистоты получаемого кварцевого песка.
Известно [50], что для извлечения сильномагнитных магнетитовых частиц достаточно применения сравнительно слабых магнитных полей с напряженностью Н 80 кА/м. Поэтому в разработанном сепараторе кипящего слоя сухого разделения используется открытая многополюсная магнитная система, собранная из стандартных постоянных магнитов. Рабочим органом сепаратора кипящего слоя сухого разделения является транспортирующая лента, проходящая над магнитной панелью.
Магнититовые частицы, извлекаемые в рабочей зоне сепаратора кипящего слоя сухого разделения, притягиваются к ленте, удерживаются на ней и транспортируются к месту разгрузки.
Разработанный способ разделения сыпучих железосодержащих композиций имеет ряд существенных преимуществ: - процесс разделения происходит в воздушной среде при так называемом сухом разделении, что позволяет обойтись без сложных систем водоснабжения и шламового хозяйства; - аэродинамическая перечистка материала из-за отсутствия движущихся деталей намного проще и надежней вибропсевдоожижения; - простая система управления процессом разделения путем изменения па раметров загрузочного устройства, угла наклона магнитной системы и характери стик кипящего слоя.
Таким образом, использование технологии кипящего слоя позволяет получать сырьё для бетонных конструкций и строительства дорог, а также лакокрасочной промышленности из отходов горно-обогатительного производства.
Параметры кипящего слоя сыпучего материала тесно связаны с физико-механическими свойствами частиц [92, 94, 95]. Разделяемый материал представляет собой двухкомпонентную механическую смесь частиц магнетита и немагнитных частиц кварцита (песка). Магнетит (Fe304) - сильномагнитный минерал черного цвета, содержащий 72,4 % железа. Его плотность рм = 5260 кг/м , магнитная восприимчивость х Ю"4. Кварцит - парамагнитный минерал с плотностью рп = 2650 кг/м и магнитной восприимчивостью 10" . Относительное массовое содержание магнитной и немагнитной составляющих fM 0,07 и fn 0,93. Дисперсный состав составляющих исследовался методом лазерной гранулометрии. Результаты этих исследований приведены в таблице 2.1.
Обе составляющие материала состоят из частиц неправильной формы - округлых и угловатых. Отличие формы частиц от сферической характеризуется геометрическим коэффициентом формы Ф, равным отношению площади поверхности частицы S4 к площади поверхности шара 5ш такого же объема:
Установлено [94], что для округлых частиц Ф = 1,33, для угловых - 1,52, а для вытянутых - 1,72. Коэффициенты формы частиц разделяемого материала определяются по относительному содержанию частиц различной формой и составляют: Фм = 1,65, Фп = 1,4. Для учета несферичности формы частиц в соотношениях для кипящего слоя вместо размера d следует брать d/Ф.
В разработанном сепараторе кипящего слоя сухого разделения слой сыпучего материала формируется в лотке прямоугольного сечения, днище которого выполнено из воздухопроницаемого металлокерамического материала (лист пористый марки Х18Н15-МП (ПНС-10) ТУ 14-1-2173-77). Нагнетаемый через перегородку воздух создает однородный поток, которой проходит через слой сыпучего материала. Отношение объемного расхода воздуха Q к площади пористой перегородки S называется скоростью фильтрации (фиктивной скоростью) Воздушный поток, проходя через зернистый слой материала, оказывает лобовое аэродинамическое давление на отдельные частицы и на весь слой в целом. Как только вес слоя материала уравновесится силой давления потока, так материал переходит во псевдоожиженное состояние, а связный слой частиц преобразуется в кипящий слой. Зерна материала витают в воздухе, пульсируют, но не покидают пределов слоя. Скорость восходящего воздушного потока, при которой сила тяжести, действующая на слой, становится равной силе аэродинамического сопротивления слоя, т.е. потере напора воздушного потока, называется первой критической wKV.
Разделяемый материал является полидисперсным, поэтому его переход в псевдоожиженное состояние происходит постепенно, начиная с некоторой начальной скорости wH. При дальнейшем увеличении скорости воздушного потока высота кипящего слоя и его пористость возрастают, а его гидравлическое сопротивление остается неизменным. При значительном увеличении скорости восходящего потока (примерно до 50 wKp) начинается унос частиц и кипящий слой разрушается. Скорость, при которой начинается унос частиц, называется скоростью уноса wy при второй критической скорости wK (рисунок 2.2).
Порядок технологических операций сепаратора кипящего слоя
Скребковый конвейер (рисунок 3.6) предназначен для стабилизации движения смеси по транспортирующему лотку вплоть до выгрузки немагнитных частиц и не препятствует процессу выделения из смеси магнитных частиц. Скребковый конвейер содержит выполненный из немагнитных материалов двухцепной тяговый орган 7, с закреплёнными на нём скребками 2.
Транспортирующий лоток (рисунок 3.7) выполнен с дном в виде короба 1. Верхняя плоскость транспортирующего лотка изготовлена из проницаемого для воздуха пористого материала 3 (лист пористый марки Х18Н15-МП (ПНС-10) ТУ 14-1-2173-77). Короб соединен трубопроводами через штуцеры 2 с вентилятором среднего давления (до 4 кПа). Проходящий через пористый материал воздух образует слой сжатого воздуха между поверхностью пористого материала и смесью, в результате чего воздух проходит сквозь смесь и создает эффект псевдоожижения. Разделение смеси на фракции в режиме псевдоожижения и увеличения подвижности частиц повышает вероятность их захвата магнитным полем, способствует повышению коэффициента извлечения магнитных частиц, снижает вероятность залегания частиц на перегородке и коэффициент их сопротивления перемещения скребками.
Загрузочное устройство (рисунок 3.8) предназначено для распределения по ширине перемещаемого материала. Загрузочное устройство включает бункер 7, шибер 2, вибрирующий лоток 3, систему стабилизации производительности материала 4 на вибрирующем лотке, управляющий элемент 5 шибера, вертикальные тяги б и электродвигатель 7 привода возвратно-поступательного движения лотка. Стенки бункера выполнены из плоских полых элементов, в которых с материалом контактирует поверхность из пористого материала. Такая конструкция бортов предотвращает налипание и слеживание материала в бункере. Шибер предназначен для регулирования проходного сечения пазов, выполненных в нижней части передней стенки бункера. Вибрирующий лоток выполнен в виде короба. Контактирующая со смесью плоскость выполнена из пористого материала. Провод вибрирующего лотка осуществляется от электродвигателя возвратно-поступательного движения. Вибрирующий лоток вертикальными тягами соединен с кронштейном с возможностью колебаний, перпендикулярных направлению движения материала. Выполнение внутренних стенок бункера и контактирующей с материалом поверхности лотка вибрирующего из металлокерамики предотвращает налипание и слеживание материала в бункере и на вибрирующем лотке, так как рабочий агент - воздух, создает в зоне контакта материала с пористым материалом разделительный слой, который снижает коэффициент сцепления и обеспечивает свободное истечение материала из бункера и движение по вибрирующему лотку.
Электродвигатель возвратно-поступательного движения (рисунок 3.9) установлен для обеспечения выбора оптимального режима колебаний вибрирующего лотка [77, 130, 131]. Электродвигатель состоит из трубчатого якоря 7, внутри якоря по его центру помещена немагнитная направляющая ось 2. На одном из крайнем участке 3 направляющей оси 2 установлена втулка 4, на которой размещен каркас 5. На противоположном крайнем участке 3 направляющей оси закреплен каркас б. В каркасах 5 и б расположены проводники 7. На направляющей оси 2 размещена опорная втулка 8, к которой прикреплён трубчатый якорь 1. К торцевым поверхностям каркасов 5 и б прикреплены кольца 9 из упругого материала, реализующих функцию торможения перед остановкой якоря. Направляющая ось 2 содержит установленную втулку из проницаемого для рабочего тела материала.
Таким образом, при использовании предлагаемого электродвигателя возвратно-поступательного движения расширяются функциональные возможности устройства за счёт возможности варьирования амплитуды колебаний якоря, и по 99 вышается надёжность линейного электродвигателя возвратно-поступательного движения за счёт снижения коэффициента сухого трения между направляющей осью и опорной втулки. Реализация устройства на практике позволяет увеличить наработку на отказ и обеспечить точность выполнения режимов работы линейного электродвигателя возвратно-поступательного движения.
Схема системы стабилизации производительности вибрирующего лотка изображена на рисунке 3.10. Система стабилизации состоит из: 3 - задатчика производительности, Дос - датчика обратной связи, У - усилителя сигнала, УС - узла сравнения сигналов, ИМ - исполнительного механизма, Ш - передаточного звена. Задатчик производительности 3 формирует сигнал управления U3 = Q3. Датчик обратной связи Дос формирует сигнал обратной связи Uoc от величины и направления отклонения производительности Q от заданной производительности Q3. Узел сравнения УС сигналов U3 и Uoc формирует сигнал рассогласования Uc, пропорциональный разности сигналов задатчика и обратной связи. Исполнительный механизм ИМ отрабатывает, как интегрирующее звено, команду Uc в форме угла поворота ф, пропорционального уровню сигнала Uc и времени работы tp. Передаточное звено Ш преобразует вращательное движение ИМ в поступательное движение шибера, регулирующего проходное сечение выпускного окна загрузочного устройства. Соответственно знаку и величине угла поворота ф, изменяющего количество загружаемого материала Q на упруго подвешенный вибрирующий лоток, что обусловливает перемещение подвески лотка на расстояние X{Q ). Датчик обратной связи Д0 с формирует сигнал Uoc, вводимый в узел сравнения.
Производительность сепаратора кипящего слоя сухого разделения
Например, при минимальном значении напряженности магнитного поля Н= 16 кА/м (см. рисунок 4.8, линия v = 0,011 м/с) параметр п составляет 39,33 %. При увеличении напряженности магнитного поля до 23 кА/м эффективность разделения п составляет 67,63 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля до 40 кА/м увеличивает значение эффективности разделения до 81,63 %. Максимальное значение эффективности разделения п достигается при напряженности магнитного поля Н, равной 48 кА/м, и составляет 83,27 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля Н до значений 57 кА/м и 74 кА/м приводит к уменьшению значений эффективности разделения п и составляет, соответственно, 81,34 и 66,75 %. Изменение напряженности магнитного поля //позволяет варьировать значение эффективности разделения в пределах 39,33-83,27 %.
Дальнейшее увеличение скорости перемещения v разделяемого материала увеличивает параметр л, о чем говорит кривая, характеризующая эффективность разделения на рисунке 4.8, линия v = 0,0134 м/с. При минимальном значении напряженности магнитного поля Н, равном 16 кА/м (см. рисунок 4.8, линия v = 0,0134 м/с), параметр п увеличивается до 42,88 %. При увеличении напряженности магнитного поля Н до 23 кА/м эффективность разделения составляет 58,46 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля до 40 кА/м увеличивает значение эффективности разделения до 83,77 %. Максимальное значение эффективности разделения достигается при напряженности магнитного поля Н, равной 48 кА/м, и составляет 85,06 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля Н до значений 57 кА/м и 74 кА/м приводит к уменьшению значений эффективности разделения п и составляет, соответственно, 82,77 и 67,48 %. Изменение напряженности магнитного поля Н позволяет варьировать значение эффективности разделения в пределах 42,88-85,06 %.
Дальнейшее увеличение скорости перемещения v разделяемого материала увеличивает параметр п до максимальных значений, о чем говорит кривая, характеризующая эффективность разделения (линия v = 0,02 м/с). При минимальном значении напряженности магнитного поля Н, равном 16 кА/м (см. рисунок 4.8, линия v = 0,02 м/с), параметр п составляет 48,27 %. При увеличении напряженности магнитного поля Н до 23 кА/м эффективность разделения составляет 74,17 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля до 40 кА/м увеличивает значение эффективности разделения до 85,77 %. Максимальное значение эффективности разделения п достигается при напряженности магнитного поля Н = 48 кА/м и составляет 86,21 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля Н до значений 57 кА/м и 74 кА/м приводит к уменьшению значений эффективности разделения п и составляет, соответственно, 83,07 и 66,09 %. Изменение напряженности магнитного поля Н позволяет варьировать значение эффективности разделения в пределах 48,27-86,21 %.
Дальнейшее увеличение скорости перемещения v разделяемого материала до v = 0,0266 м/с и v = 0,029 м/с уменьшает значение параметра л. Например, при минимальном значении напряженности магнитного поля Н = 16 кА/м (см. рисунок 4.8, линия v = 0,0266 м/с) параметр п составляет 49,19 %. При увеличении напряженности магнитного поля до Н = 23 кА/м эффективность разделения увеличивается до 73,39 %. Максимальное значение эффективности разделения п достигается при напряженности магнитного поля Н = 40 кА/м и составляет 83,30 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля Н до значений 57 кА/м и 74 кА/м приводит к уменьшению эффективности разделения п и составляет, соответственно, 78,91 и 60,22 %. Изменение напряженности магнитного поля //позволяет варьировать значение эффективности разделения в пределах 49,19-83,30 %.
Анализируя зависимость скорости перемещения v разделяемого материала, равной 0,029 м/с (см. рисунок 4.8), получаем, что при минимальном значении напряженности магнитного поля //, равном 16 кА/м, параметр п составляет 48,27 %. При увеличении напряженности магнитного поля Н до 23 кА/м эффективность разделения составляет 61,80 %. Максимальное значение эффективности разделения п достигается при напряженности магнитного поля Н = 40 кА/м и составляет 80,97 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля Н до значений 57 кА/м и 74 кА/м приводит к уменьшению значений эффективности разделения п и составляет, соответственно, 75,87 и 56,49 %. Изменении напряженности магнитного поля между максимальным и минимальным значениями Н составляет 48,27-80,97 %, эффективность разделения изменяется на 32,7 %.
При анализе графиков, изображенных на рисунке 4.8, можно сделать вывод, что максимальное значение эффективности разделения п достигается при напряженности магнитного поля //= 48 кА/м и составляет п = 86,21 %.
На рисунке 4.9 представлена зависимость влияния напряженности магнитного поля Н на эффективность разделения п при различных значениях угла наклона ленточного конвейера а, постоянной толщине слоя разделяемого материала 5 = 8 мм и скорости перемещения разделяемого материала v = 0,02 м/с.
На рисунке 4.9 видно, что все представленные зависимости носят экстремальный характер в исследованном диапазоне варьирования факторов.
Например, при минимальном значении напряженности магнитного поля Н = 16 кА/м (см. рисунок 4.9, линия а = 9) параметр п составляет 28,22 %. При увеличении напряженности магнитного поля Н до 23 кА/м эффективность разделения п составляет 54,12 %. Увеличение напряженности магнитного поля Н до значения 40 кА/м приводит к увеличению значений эффективности разделения п и составляет 65,72 %. Максимальное значение эффективности разделения п достигается при напряженности магнитного поля Н, равной 48 кА/м, и составляет 66,16 %. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля //до значений 57 и 74 кА/м приводит к уменьшению значений эффективности разделения п и составляет, соответственно, 63,03 и 46,04 %. Изменение напряженности магнитного поля Н позволяет варьировать значение эффективности разделения в пределах 28,22-66,16 %.