Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ минерально-сырьевой базы действующих предприятий России по добыче железорудного сырья показывает, что в настоящее время ресурсная база Российской Федерации позволяет обеспечить потребности страны и экспорт железорудного сырья на длительную перспективу. В настоящее время Россия является пятым по величине производителем железорудного сырья (ЖРС).
Обычно повышение качества магнетитовых концентратов осуществляется с помощью применения более развитых схем магнитной сепарации, что неизбежно приводит к повышению себестоимости 1 т концентрата. Поэтому в современных условиях повышение качества магнетитовых концентратов при снижении затрат для их получения является весьма актуальной задачей.
На всех переделах обогатительных фабрик по переработке железосодержащего сырья существуют проблемы, и во многих случаях существуют научные разработки по их преодолению.
Проблемой магнитного обогащения железистых кварцитов на используемых барабанных сепараторах типа ПБМ является низкая селективность свойств разделяемых частиц из-за явления магнитной флоккуляции. Анализ вещественного состава измельченной руды показал, что значительная часть зерен магнетита раскрыта уже после первой стадии измельчения, поэтому возникла идея стадиального выведения не только кварца, но и товарного магнетита уже на первой и последующих стадиях.
В НТЦ МГГУ успешно реализован такой механизм сепарации в новом экспериментальном высокоселективном мокром магнитном сепараторе ВСПБМ–32,5/20, применение которого усложняет технологическую схему обогащения.
В настоящее время нет способов обогащения и сепараторов для их осуществления с одновременным и эффективным разделением исходной пульпы на три продукта: концентрат, промпродукт и шлам, которые позволят получать высококачественные конкурентоспособные концентраты, соответствующие современным требованиям.
Цель работы: повышение эффективности магнитного обогащения путем сепарации сырья через воздушный зазор.
Идея работы: разработать способ обогащения железосодержащего сырья без извлечения немагнитной фракции на основе теоретических и экспериментальных исследований разделения минералов при сепарации через воздушный зазор.
Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, теоретические исследования с использованием теории электромагнитного поля, теории функций комплексного переменного, аналитических методов решения систем дифференциальных уравнений и теории сепарационных процессов, методы математического и физического моделирования, лабораторные эксперименты, методы планирования экспериментов, статистические методы исследований с обработкой результатов на ЭВМ.
Научные положения, защищаемые в работе.
1. Способ обогащения железистых кварцитов путем магнитной сепарации через воздушный зазор между извлеченным материалом и потоком пульпы, который может быть применен на любой стадии обогащения.
2. Математические модели расчета магнитных полей в ленточных магнитных сепараторах, в которых магнитная система имеет вид линейки постоянных магнитов с различными углами наклона к горизонтальной оси, и траекторий движения минералов в рабочей зоне сепараторов.
3. Зависимости извлечения Fe2O3 при обогащении концентрата первой стадии мокрой магнитной сепарации от длины рабочей зоны ленточных прямо - и противоточных сепараторов с воздушным зазором. В противоточном сепараторе наблюдается рост извлечения Fe2O3 при увеличении длины рабочей зоны от 210 до 630 мм, при этом его концентрация снижается с 62,2 до 55,2 %. В прямоточном сепараторе при длинах рабочей зоны от 210 до 420 мм извлечение Fe2O3 растет, при дальнейшем увеличении длины извлечение стабилизируется.
Научная новизна:
1. Разработанный способ обогащения железистых кварцитов путем магнитной сепарации через воздушный зазор между извлеченным материалом и потоком пульпы отличается возможностью разделения исходной пульпы на три продукта: концентрат, промпродукт и шлам.
2. Математические модели расчета магнитных полей в ленточных магнитных сепараторах, в которых магнитная система имеет вид линейки постоянных магнитов с различными углами наклона к горизонтальной оси, и траекторий движения минералов в рабочей зоне сепараторов разработаны на основе теории функций комплексного переменного и теории электромагнитного поля.
3. Впервые установлен факт зависимости извлечения Fe2O3 от длины его рабочей зоны при обогащении концентрата первой стадии мокрой магнитной сепарации в ленточном противоточном сепараторе, имеющем воздушный зазор между извлеченным материалом и потоком пульпы.
4. Установлена зависимость извлечения Fe2O3 от длины рабочей зоны в ленточном прямоточном сепараторе. Установлено, что извлечение Fe2O3 при длине рабочей зоны от 420 до 630 мм изменяется незначительно в сторону увеличения.
5. Предложен механизм процесса обогащения в сепараторах с воздушным зазором между извлеченным материалом и потоком пульпы, заключающийся в том, что при попадании пульпы в зону действия магнитного поля на ее поверхности образуется тонкий слой магнитного материала, в который попадают частицы магнетита и его сростки. Впоследствии образуются на поверхности пульпы «обратные» капли, и частицы магнетита и его сростки перемещаются на ленту.
Научное значение работы заключается в следующем:
1. Разработанный способ обогащения железистых кварцитов путем магнитной сепарации через воздушный зазор между извлеченным материалом и потоком пульпы позволяет разработать конструкцию ленточного магнитного сепаратора.
2. Разработанные математические модели расчета магнитных полей в ленточных магнитных сепараторах, в которых магнитная система имеет вид линейки постоянных магнитов с различными углами наклона к горизонтальной оси, и траектории движения минералов в рабочей зоне сепараторов позволяют построить картины поля сил и их модулей, горизонтальной и вертикальной составляющей пондеромоторной магнитной силы и траекторий движения ферромагнитных частиц в противоточном и прямоточном ленточных магнитных сепараторах при различных углах наклона сепаратора к горизонтальной оси.
3. Установленные зависимости извлечения Fe2O3 от длины рабочей зоны ленточного противоточного и прямоточного магнитных сепараторов с воздушным зазором между извлеченным материалом и потоком пульпы, позволяют определить оптимальные параметры обогащения железистых кварцитов.
Практическая значимость заключается в следующем:
1. Разработаны конструкции сепараторов на постоянных магнитах с воздушным зазором между извлеченным материалом и потоком пульпы.
2. Разработан пакет программ расчетов на ЭВМ в среде Matchcad 13 параметров магнитных полей, полей сил и траекторий движения минералов в ленточных магнитных сепараторах.
3. Показана возможность получения концентрата с содержанием 55–62 % Fe2O3 после одной стадии обогащения в ленточном противоточном сепараторе.
4. Применение прямоточного ленточного магнитного сепаратора в технологических схемах обогащения железистых кварцитов позволяет получить практически полное извлечение магнитной фракции из потока пульпы и производить стадиальное выделение концентрата.
5. Определено, что в двухзонном ленточном сепараторе возможно осуществлять выделение из потока пульпы двух продуктов, концентрата и промпродукта на любой стадии обогащения.
6. Установлены параметры процесса доводки концентрата с содержанием железа 71,24 % из железистых кварцитов Лебединского и Стойленского месторождений в прямоточном ленточном сепараторе.
Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждаются: использованием фундаментальных законов теории электромагнитного поля и классических методов расчета магнитных полей с использованием векторного магнитного потенциала, теории разделительных процессов, большим объемом экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях, использованием современных методик и измерительной аппаратуры, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, использованием методов математической статистики, использованием результатов исследований, подтвержденных актом промышленных испытаний. Погрешность между опытными и расчетными величинами составляет не более 5 %.
Личный вклад автора заключается в проведении аналитического обзора научно-технической и патентной информации о существующих методах переработки железистых кварцитов, разработке способа магнитной сепарации через воздушный зазор, получении аналитических зависимостей в алгебраической форме записи, выполнении экспериментальных исследований по изучению закономерностей разделения магнитных минералов в магнитном поле магнитных сепараторов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировании выводов.
Реализация рекомендаций и выводов работы. Основные рекомендации по проектированию магнитных систем в виде линейки постоянных магнитов и конструированию магнитных сепараторов; регулированию параметрами режима магнитной сепарации для получения минимального количества Fe2O3 в хвостах; регулированию параметрами режима магнитной сепарации для получения максимального содержания Fe2O3 в концентрате приняты в 2011 г. к использованию ОАО НПП «ГЕОС» при усовершенствовании технологической линии сепарации железистых кварцитов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научных симпозиумах «Неделя горняка-2009», г. Москва, 2009 г., «Неделя горняка-2010», г. Москва, 2010 г.; на ежегодных заседаниях научно-технических конференций СКГМИ (ГТУ), 2007–2011 гг.; на техническом совете ООО Научно-производственное предприятие «ГЕОС», 2009 г.; на расширенном заседании кафедры «Теоретической электротехники и электрических машин» СКГМИ (ГТУ), 2011 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях, из них 2 статьи включены в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, определенных ВАК РФ, а также получено 3 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, а также 6 приложений, изложенных на 110 страницах машинописного текста, и содержит 10 таблиц, 37 рисунков, список использованных источников из 87 наименований.
