Введение к работе
Актуальность работы. За последние 25-30 лет в СССР создана мощная обогатительная подотрасль по производству товарных железных руд, которая полностью обеспечивает сы -рьем отечественную черную металлургию и,в большей мере, страны социалистического содружества. Растущие потребности в металлах, переход к использованию низкосортных руд резко увеличивают количество обогащаемых руд. 3 настоящее, время более 85 % добываемых железных руд направляются на обогащение, к 2000 году будет обогащаться в 50 раз бсльше железной руды,чем в 1955 г. Одновременно происходит качественное изменение средств и методов обогащения, применяемого оборудования. Наблюдается непрерывный рост единичной мощности используемого оборудования. Так, по сравнению с первыми фабриками конца 50-х годов, мощность мельниц возросла в 6-7 раз, магнитных сепараторов в 20 раз, вакуум-фильтров в 5 раз и т.д.
Научно-технический прогноз на предстоящее десятилетие показывает, что основной прогресс в области обогащения будет происходить за счет концентрации производства, увеличения мощности обогатительных фабрик и единичной мощности используемого оборудования. Эти факторы на фоне непрерывно ухудшающихся технологических характеристик руда, усложнения схемы приводят ко все возрастающим капитальным затратам на строительство новых фабрик и реконструкцию действующих. Например, за последние 15-20 лет удельные капитальные затраты на обогащение I тонны железной магнети-товой руды возросли почти в 2 раза, себестоимость - в 1,5 раза. Нет оснований предполагать, что эти тенденции замедляться в обозримом будущем. Из сказанного следует, что одновременно возрастает экономическая"весомосгь" оптимальности принимаемых основ-
ных инженерно-технических решений при проектировании фабрик.
Если за последние, примерно, 30 лет мощность фабрик возросла в 10 раз, единичная мощность оборудования в 5-20 раз, то методы исследований в обогащении, инженерный подход к решаемой задаче за это время изменился мало, в настоящее время метод физического моделирования является основным в обогащении. Традиционные методы исследований и принятия решений, основанные на принципе физических испытаний схем, руд и аппаратов, уже не соответствуют масштабам современного производства. В современных условиях объемы обогащаемых руд настолько велики, что даже небольшое улучшение проектных технологических показателей приводит к громадному экономическому эффекту. Развитие обогащения, масштабы рудопод-готовки требуют качественно иных методов обоснования инженерных решений при проектировании технологии. Создание таких методов возможно только на базе математического моделирования и использования ЭВМ.
Работа выполнялась в соответствии с программой работ по:
Постановлению ЦК КПСС и СМ СССР № 277 от 14.04.72 г., Постановлению ГКНТ при СМ СССР № 400 от 15.10.70 г. проблема 0.80.475 "Ввести в действие автоматизированную систему управления производственным процессом на ИнГОКе";
Постановлениям ПИТ при СМ СССР № 123 от 21.04.76 г. и № 642 от 28.12.78 г. "Разработка научных основ и усовершенствование методов рационального использования минеральных ресурсов", раздел "Д" тема Д.05.03. "Усовершенствовать существующие, разработать новые методические положения по повышению эффективности использования минеральных ресурсов путем обеспечения однородности качественного состава сырья, направленного на переработку";
Отраслевой программой работ в области создания и использования САПР, утвержденной министром черной металлургии СССР 25.03.85 г.
ч.
Цель работы состояла в разработке общих принципов математического описания технологических операций и создания на их основе инженерных методов решения типовых задач в обогащении.
Основная идея работы состоит в выявлении единых общих закономерностей, присущих технологическим операциям, не связанных с механизмом и физической сущностью протекающего в операции процесса. Построение на базе найденных закономерностей уравнений связи между параметрами продуктов на входе и выхо- -де операции, позволяющих произвести ее прикладной инженерный расчет.
Основные научные положения, защищаемые в работе:
-
Независимо от физической сути технологических операций им присущи общие кинетические закономерности,которые проявляются в едином характере кривой кинетики, отражающей изменение со -става обрабатываемого продукта во времени. При "мокром" обогащении вода является компонентом исходного продукта (пульпы) и изменение концентрации ее подчиняется такой же по форме кинетической зависимости. Фракционный состав (по крупности и содержанию компонентов) при прохождении исходного продукта через технологическую операцию разделения перераспределяется. Это перераспределение зависит от свойств разделяемого материала и параметров операции. Информация о результатах разделения, полученная при разовых экспериментах, достаточна, чтобы произвести расчет показателей операции при ином гранулометрическим составе исходного продукта, другой производительности аппарата, концентрации воды и проч.
-
Технологическая операция (в зависимости от назначения расчета) рассматривается как инерционный или безинерционный смеситель,что позволяет на базе известного математического аппара-
та определять статистические характеристики параметров продукта на выходе из операции и одновременно решать обратную задачу: определить такие требуемые значения параметров на входе, которые бы обеспечили получение заданных значений их на выходе.
-
Процесс обогащения (разделения) зеркален: - повышение содержания полезного компонента в концентрате неразрывно связанс с одновременным пов-ышением извлечения пустой породы в хвосты. Оценка эффективности процесса должна равномерно учитывать обе эти составляющие. Результаты разделения исходного продукта отражаются полученной кривой обогатимости, которая, в свою очередь, является следствием кинетических закономерностей процесса. Эффек тивность процесса разделения определяется приближением получение кривой к идеально возможной.
-
Любая технологическая схема механического обогащения включает только три принципиально различных типа операций: из -
мзльчение, разделение, смешивание. Используя модели этих операций как передаточных операторов "вход-выход", трансформирующих харак теристики исходного продукта, можно имитировать на ЭВМ работу технологических схем любой конфигурации, производить постановку машинных экспериментов различного технического назначения и при различных условиях работы аппаратов.
Методологическую основу работы составляет комплекс теоретических и экспериментальных исследований по изучению и математическому описанию технологических опера ций с позиций кинетики процесса, гранулометрического состава про дуктов, распределения металла по фракциям крупности, балансовых соотношений, статистических закономерностей и их взаимосвязей. Исследования проводились на базе единого системного подхода. Работа выполнена методами современного аппарата прикладной математики, имитационного моделирования и машинного эксперимента на ЭВ
б.
Полученные выводы и зависимости подтверждались на большом количестве экспериментального материала. Для повышения достоверности выводов и их иллюстрации, автор использовал, в основном, экспериментальные данные литературных источников и обширный экспериментальный материал различных научно-исследовательских работ института Механобрчермет.
Научная новизна работы заключается в следующем :
предложено общее уравнение кинетики технологического передела;
предложены модели разделительных операций, позволяющие рассчитывать показатели разделения при изменении гранулометрического состава продукта питания, содержания в нем извлекаемого компонента и производительности аппарата;
предложено уравнение описания гранулометрического состава продукта;
предложен новый критерий оценки эффективности результатов разделения;
предложен критерий сравнительной оценки эффективности технологических процессов и индекс оценки обогатимости руды;
предложены методы расчета замкнутых циклов измельчения и классификации;
предложен метод расчета технологически оптимальной глубины обогащения;
предложены методы корректировки показателей обогащения при изменении масштабного фактора;
предложены методы расчета усреднительных устройств с учетом эффективности перемешивания в них продукта;
предложены методы выбора оптимальной рудной шихты, поступающей на обогатительную фабрику;
*
предложены методы различных видов расчетов схем и их имитационного моделирования на ЭВМ - балансового, водно-шламового, замкнутого водооборота, технологического, надежности, технико-экономического;
предложены номограммы пересчета показателе* концентрации твердой фазы в пульпе.
Выполненный автором комплекс многолетних исследований положил начало новому научному направлению - математическое моделирование и расчет схем обогащения на ЭВМ с целью выбора и обоснования оптимальных инженерно-технических решений при проектировании обогатительных фабрик, создание программно-математического обеспечения системы автоматического проектирования в обогащении.
Практическая ценно'сть работы состоит в том, что на единой методологической основе предложена совокупность новых инженерных методов и математических моделей расчета основных технологических операций, используемых в схемах механического обогащения руд - измельчения, разделения, смешивания -, позволяющих с применением ЭВМ осуществить моделирование схемы, выбрать оптимальные варианты инженерно-технических решений при проектировании обогатительных фабрик, в перспективе полностью автоматизировать процесс проектирования.
Работа реализована в комплексе инженерных методов, алгоритмов и моделей (доведенных до машинных программ), различных методических руководств, которые использованы при разработке ряда крупных проектов обогатительных фабрик, выполненных в институте Механобрчермет в 1975-1988 г.г., разработке проектов АСУ горно-обогатительных комбинатов, выполненных в 1970-80 г.г. институтами Ыеталлургавтоматика, Криворожским филиалом института Металлургавтоматика, институтом Автоматики (г.Киев), проекте объектов рудоподготовки Коммунарского металлургического завода, вы-
8.
полненного в 1980-8«? г.г. институтом "Гипросталь" и др. В частности, разработки диссертации использованы при проектировании следующих объектов, выполненных институтом Механобрчермет:
проект комбината по обогащению окисленных железных руд Кривбас са;
проект развития добычи и обогащения руд Большого Токмакско-го местороздения марганцевых руд;
проект реконструкции и расширения обогатительной фабрики Ингулецкого ГОКа;
проектное задание переработки окисленных руд Михайловского ГОКа;
проект расширения І-П очереди Северного ГОКа;
проектное задание реконструкции Камыш-Бурунского ГОКа;
анализ вариантов проектно-компоновочных решений отделений фильтрации;
проектное задание обогатительной фабрики окисленных руд Новокриворожского ГОКа;
проект фабрики переработки шахтных руд Северной группы рудников Кривбасса;
проект дообогащения железосодержащих хвостов Центрального ГОКа;
разработка норм технологического проектирования обогатительных фабрик;
проектное задание фабрики обогащения карбонатных руд Таврического ГОКа.
Разработанные математические модели и методические руководства использованы институтом Механобрчермет при выполнении научно-исследовательских работ, связанных с исследованием руд на обо-гатимость различных месторождений, анализе и оптимизации технологических процессов и аппаратов, расчете и обосновании схем обога-
9.
щения. Часть разработок нашла применение в учебном процессе ВУЗов при подготовке студентов по специальности "Обогащение полезных ископаемых".
Общий экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы (с учетом ожидаемого )составил 8,7 млн.руб.в год.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на научно-технических Советах института Механобрчермет в 1975-88 г.г., на Всесоюзных научно-технических конференциях "Основные направления технического прогресса в обогащении и окускова-нии руд черных металлов" 1976,1981,1986 г.г., на научно-технических конференциях Криворожского горнорудного института (1973, 1979 г.г.), Днепропетровского горного института (1975, 1980 г.г.), Свердловского горного института (1974г.)', на Всесоюзных семинарах "Итоги развития техники и технологии рудоподготовки" (г.Кривой Рог, 1980,1985 г.г.), на научно-технической конференции "Контроль и технологическая оптимизация процессов флотации" (г.Свердловск, 1978 г.), на Республиканской научно-технической конференции "Опыт разработки, перспектива развития и внедрение АСУ горно-обогатительными комбинатами" .(г.Киев, 1979 г.), на Республиканском научно-техническом семинаре "АСУТП железорудных обогатительных фаб -рик" (г.Киев, 1979 г.), на ХУЛ Международном си'опзиуме АРСОМ "Применение математических методов и ЭВМ в горном деле" (г.Москва, 1980 г.), на Всесоюзном совещани;; ш усреднению руд (г.Фрунзе, 1983 г.), на секциях координационного Совета "Внедрение математических методов и вычислительной техники в проектировании МЧМ УССР" (1979-85 г.г.), на научно-техническом семинаре "Совершенствование методов технологического опробования руд при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых с целью повышения качества исходных данных для проектирования" (г.Челябинск,1987 г.і на Всесоюзном семинаре "Опыт повышения эффективности геолого-раз-
JO.
ведочных работ и геологического обслуживания горных предприятий" (г.Кривой Рог,1988 г.),на Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы комплексного развития горных предприятий"(г.Свердловск, 1988 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Новые технологические решения по обогащению и обесфосфориванию марганцеворудного сырья" (г.Кривой Рог, 1988 г.), на Всесоюзном научном совещании "Научные основы выбора оптимальных схем обогащения минерального сырья" (г.Москва, 1988 г.),на Всесоюзном научно-техни -ческом семинаре "Научные основы, методы исследований и практическое применение пенной сепарации и колонной флотации" (г.Симферополь, 1988 г.),на научно-технической конференции "Опробование и оптимизация процессов обогащения полезных ископаемых" (г.Свердловск, 1988 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение ЭВМ в научных исследованиях и разработках" (г.Москва, 1988 г.),на ХУІ Международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых ( Стокгольм, 1988 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 73 печатные работы, в том числе три монографии и две коллек -тивные монографии под общей редакцией автора.
Структура и объем работы. Диссертация' состоит из введения, семи глав, изложенных на 305 страницах машинописного текста и содержит 34 рисунков, 23 таблиц, список литературы из 349 наименований на 37 страницах и приложения (сводка документов, подтверждающая полученный экономический эффект по работе) на II страницах.