Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы и постановка задачи исследований 13
1.1. Обзор практики обогащения железных руд за рубежом 13
1.2. Обзор практики обогащения железных руд в России и странах . СНГ 17
1.3. Исследование технологии обогащения железистых кварцитов КМА 23
1.4. Постановка задачи исследований 37
Выводы 41
Глава 2. Исследование минералогической характеристики исходного сырья и технологических возможностей эффективного магнитного обогащения магнетитовых кварцитов 43
2.1. Характеристика вещественного состава исходного сырья 43
2.2. Обзор практики обогащения сильномагнитных руд в частотных магнитных полях 48
2.3. Исследование потенциальных направлений повышения селективности мокрой магнитной сепарацирт сильномагнитных материалов 54
Выводы 62
Глава 3. Исследование принципов гидромеханики магнетитовых суспензий в магнитных полях магнитных сепараторов 63
3.1. Исследование принципов магнитной флокуляции дисперсных сильномагнитных материалов и ее влияние на процессы магнитного обогащения 63
3.2. Исследование кинетики магнитной флокуляции в неоднородных полях 70
3.3. Исследование кинетики магнитной флокуляции во вращающемся магнитном поле 73
3.4. Исследование механизма разрушения флокул вращающимся магнитным полем 76
3.5. Исследование влияния амплитудно-частотной модуляции на степень чистоты флокул 79
Выводы 89
Глава 4. Экспериментальное определение оптимальных технологических показателей магнитной сепарации 90
4.1 .Экспериментальный высокоселективный сепараторВСПБМ-32,5/20 90
4.2. Определение процентного содержания магнетита в концентрате на базе сепаратора ВСПБМ -32.5/20 методом планируемого эксперимента 93
4.3. Зависимость содержания железа общего в концентрате от частоты вращения барабана и магнитной системы сепаратора 97
4.4. Зависимость содержания железа общего в концентрате от плотности исходного питания 101
4.5. Определение зависимости эффективности сепарации от совокупности различных факторов 102
Выводы 105
Глава 5. Разработка усовершенствованной технологической схемы обогащения железных руд и оценка технико-экономической эффективности применения высокоселективной магнитной сепарации в технологической схеме ЛГОКа 107
5.1 Технологическая схема обогащения железных руд с применением стадиального выделения конечного концентрата 107
5.2. Оценка технико-экономической эффективности применения новой технологической схемы 112
Заключение 118
Список использованных источников 120
Приложения 125
- Обзор практики обогащения железных руд в России и странах . СНГ
- Обзор практики обогащения сильномагнитных руд в частотных магнитных полях
- Исследование кинетики магнитной флокуляции в неоднородных полях
- Определение процентного содержания магнетита в концентрате на базе сепаратора ВСПБМ -32.5/20 методом планируемого эксперимента
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время Россия является пятым по величине производителем железорудного сырья (ЖРС) в мире, и наряду с Бразилией, лидером по количеству железа в разведанных запасах руды. Государственным балансом в России учтено 172 месторождения железных руд, 53 из которых находятся в стадии разработки. Прогнозные ресурсы оцениваются в 150,3 млрд. т. Таким образом, ресурсная база Российской Федерации позволяет не только обеспечить потребности страны, но и активно участвовать в экспорте железорудного сырья, а также продуктов его переработки на длительную перспективу.
В целом российская руда средняя по качеству (35-40% Fe), хотя на разрабатываемых месторождениях Курской магнитной аномалии (КМА) содержание железа колеблется в пределах 40-60%.
Качество концентратов для различных месторождений регламентируется соответствующими стандартами и техническими условиями. Так, для месторождений КМА технические условия на магнетитовый концентрат предусматривают: крупность - 0,1-0 мм; влажность - 10,5%; содержание железа - не менее 64%. В ряде концентратов регламентируется содержание вредных примесей: фосфора - не более 0,08%; серы - не более 0,06%; кремнезема — не более 2%. На самом деле рынок диктует свои условия и качество концентратов на ГОКах, как правило, выше этих условий.
Конкурентоспособность металлопродукции на внутреннем и внешнем рынках во многом определяется показателями работы горнорудных предприятий. Их мощности постоянно выбывают по
мере отработки запасов руды. Взамен выбывающих необходим ввод новых мощностей, но из-за недостатка средств, систематически сдерживаются вскрытие запасов руд и проведение горноподготовительных работ. Затраты на добычу и подготовку металлургического сырья на отечественных месторождениях, в силу природных условий, в 1,5 - 2 раза больше по сравнению с ведущими рудодобывающими странами, формирующими цены мирового рынка - Австралией, Бразилией, США и Канадой, где коэффициент вскрыши ниже в 4 раза, а содержание железа в 1,7 раза выше, чем в России.
По мере истощения запасов, ухудшения горно-геологических условий добычи резко снижается эффективность эксплуатации месторождений, что приводит к постоянному росту затрат на производство металлопродукции.
Рассматривая современные тенденции в развитии технологий
добычи и переработки полезных ископаемых, можно говорить о
многоуровневом подходе к проектированию и реализации
технических нововведений. Одними из основных требований к
этому является как высокая производительность аппаратов, так и
высокое качество получаемых концентратов, сравнительно низкая
стоимость производства, энергоемкость, надежность. Это означает,
что инвестиции следует вкладывать не в расширение производства,
а в новые технологии переработки, потребления и снижения самих
потребностей общества в минеральном сырье. Такое направление,
помимо прямой прибыли (эффективное использование сырья при его
рациональной переработке, комплексное использование
месторождений, использование замкнутого цикла), дает экологический эффект, позволяя более разумно распорядиться ограниченными природными ресурсами. Кроме того, цены на товарные руды и концентраты стали на порядки выше цены сырой руды (особенно при высоких затратах на транспорт), а цены на готовую продукцию стали для многих видов сырья, например — для алмазного, на порядки выше стоимости концентратов или «сырых» минералов. Основой для цены на руды и концентраты стала их металлургическая ценность, зависящая от содержания полезного компонента и примесей.
Кроме того, превышение объемов производимого железорудного сырья в России по сравнению с действующими мощностями доменного передела и высокая доля затрат на транспортировку (35%-70%) при поставке железорудного сырья на экспорт, требует от горнорудных предприятий развития производства продукции более высокого передела, имеющего большую металлургическую ценность и, соответственно, большую стоимость единицы продукции.
Традиционные пути повышения качества магнетитовых концентратов - это применение более развитых схем магнитной сепарации в каждой стадии для лучшего выведения пустой породы из магнитного продукта, что неизбежно приводит к увеличению числа аппаратов, задействованных в процессе обогащения. Все это, в конечном счете, приводит к увеличению затрат на переработку руды и повышению себестоимости 1т концентрата.
Применение высокоселективной магнитной сепарации с
технологической точки зрения является более прогрессивным
методом, позволяющим кардинально решить проблему производства
высококачественных железных концентратов, позволив
одновременно значительно снизить ргх себестоимость. Поэтому исследования в этой области являются весьма актуальными.
Цель работы. Создание новой технологии магнитного обогащения с полным стадиальным выделением конечных продуктов на основе использования магнитных сепараторов с разделением минералов в бегущем магнитном поле.
Идея работы. Поиск новых силовых режимов разделения минералов во вращающемся магнитном поле с модуляцией его напряженности по частоте и амплитуде для повышения селективности мокрой магнитной сепарации, что позволит создать и внедрить на железорудных ГОКах новую технику и технологию магнитного обогащения с полным стадиальным выделением конечных продуктов.
Задачи исследований:
1.Выполнить теоретический анализ возможностей повышения
эффективности процесса мокрой сепарации в магнитных полях с
комбинированной амплитудно-частотной модуляцией
напряженности магнитного поля.
2.Проверить экспериментально влияние основных
конструктивно- технологических параметров высокоселективного магнитного сепаратора с комбинированной амплитудно-частотной модуляцией напряженности магнитного поля в рабочей зоне на
эффективность процесса разделения минералов и на технологические показатели обогащения для совершенствования конструкции сепаратора.
3.Произвести промышленные испытания экспериментального образца нового сепаратора и средств автоматического управления его режимом для поддержания максимальной эффективности сепарации.
4.Разработать технологию обогащения железистых кварцитов со стадиальным выделением конечных продуктов.
5.Проверить полученные технико-экономические показатели обогащения в условиях реального производства.
Объектами исследования являлись: исходная руда — магнетитовые кварциты ОФ ОАО «Лебединский ГОК», параметры их раскрытия и магнитной сепарации, высокоселективный сепаратор, конструктивно-технологические параметры которого соответствуют требованиям стадиального выделения концентрата в технологической схеме ОФ ЛГОКа, и новая технология стадиального выделения конечных продуктов.
Методы исследований: магнитно-радиометрические,
химические методы анализа исходных материалов и продуктов
разделения, моделирование процесса высокоселективной мокрой
магнитной сепарации в лабораторных и промышленных условиях,
получение и исследование математических моделей
высокоселективной мокрой магнитной сепарации, аналитические и экспериментальные методы для исследования силовых характеристик магнитного поля и разделяющих сил в рабочей зоне
сепаратора, статистический анализ результатов, полученных в ходе полупромышленных испытаний.
Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна: установлены принципы гидромеханики магнетитовых суспензий и кинетики флокуляции в магнитных сепараторах центробежного типа;
установлены закономерности влияния комбинированной амплитудно-частотной модуляции магнитного поля сепаратора на эффективность разделения минералов за счет управления процессом магнитной флокуляции;
установлено влияние структурно-агрегатного состояния исходного питания па эффективность сепарации и предложены способы его нейтрализации путем механического разрушения флокул;
впервые разработана математическая модель процесса
высокоселективной магнитной сепарации, учитывающая
закономерности влияния его основных параметров на эффективность сепарации и качество получаемого концентрата, которая применена для автоматического управления работой сепаратора;
- предложена новая технология обогащения магнетитовых
кварцитов с выделением раскрытых зерен магнетита в конечный
концентрат после первой и второй стадий мокрой магнитной
сепарации. Она позволит существенно снизить капитальные и
эксплуатационные затраты на тонну магнетитовых концентратов,
окатышей, брикетов и любого сырья для бездоменной металлургии.
Достоверность научных положений и выводов. Научные
положения, выводы и рекомендации подтверждаются
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными опытным путем, соответствием результатов лабораторных и полупромышленных испытаний. Оценка адекватности модели выполнена с доверительной вероятностью 0,85.
Научное значение работы заключается в установлении механизма магнитной флокуляции и разрушения флокул в бегущих магнитных полях с комбинированной амплитудно-частотной модуляцией напряженности; в создании математической модели процесса высокоселективной магнитной сепарации, связывающей показатели обогащения с конструктивно-технологическими параметрами высокоселективного центробежного магнитного сепаратора, в доказательстве принципиальной возможности полного стадиального обогащения магнетитовых кварцитов с выделением конечных продуктов по всей технологической схеме обогащения и в промышленной проверке этой возможности на основе применения высокоселективного сепаратора ВСПБМ 32,5/20-М.
Практическое значение работы заключается в создании новой технологии полного стадиального обогащения, позволяющей выделить готовый концентрат' после первой и второй стадий измельчения и магнитной сепарации, что было проверено экспериментально в промышленных условиях и подтверждено актами промышленных испытаний.
Реализация результатов работы. По результатам
испытаний высокоселективного мокрого магнитного сепаратора ВСПБМ-32,5/20 выдано техническое задание ОАО «Рудгормаш» (г. Воронеж) на изготовление полупромышленного сепаратора ВСПБМ-90/100. Экономический эффект, рассчитанный для условий ОФ-3 Лебединского ГОКа, при использовании новой технологии полного стадиального выделения конечных продуктов разделения с применением высокоселективного мокрого магнитного сепаратора ВСПБМ-32,5/20 составит 139,5 млн. руб. /год.
Апробация работы. Основные выводы и результаты работы докладывались и получили одобрение на симпозиумах «Неделя горняка» Московского государственного горного университета (г. Москва, январь 2006-2008гг.), на V Конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, МИСиС, март 2007г.), на V Международном симпозиуме «Качество 2008» (п.г.т. Партенит, Крым, Украина, сентябрь 2008г.), на научных семинарах и заседаниях кафедры обогащения полезных ископаемых Московского государственного горного университета (г. Москва, 2006-2007гг.) и др.
Публикации. Основные положения проведенных исследований опытно-промышленных и проектно-конструкторских работ опубликованы в 4 печатных трудах, 2 заявках на патент, в сборнике докладов конгресса обогатителей стран СНГ (г. Москва, МИСиС, март, 2007г.), в трудах V Международного симпозиума «Качество 2008» (п.г.т. Партенит, Крым, Украина, сентябрь, 2008г), научного симпозиума «Неделя горняка-2006, 2008гг.», г. Москва и др.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 121 наименований и 9 приложений, содержит 41 иллюстрацию и 12 таблиц.
Обзор практики обогащения железных руд в России и странах . СНГ
На крупнейших железорудных предприятиях России и стран СНГ исходная руда, в зависимости от вещественного состава и крупности дробления, перерабатывается традиционно по технологии стадиального измельчения, со стадиальным выводом хвостов по мере раскрытия минеральных компонентов. Число стадий обогащения колеблется от одной до пяти. Стадиальность схем определяется их обогатимостью [68,80]. Со снижением вкрапленности руд стадиальность схем увеличивается. Это увеличение прослеживается в зависимости от разновидностей магнетитовых руд в следующей последовательности: магнетитовые руды скарнового типа -магномагнетитовые и титаномагнетитовые руды - магнетитовые кварциты.
Магнетитовые кварциты обогащаются на барабанных магнитных сепараторах различных типоразмеров. Наибольшее распространение получили барабанные сепараторы типа ПБМ с противоточными и полупротивоточными ваннами. Напряженность магнитного поля во всех стадиях одинакова и на поверхности барабана находится в пределах 90-110кА/м.
Железистые кварциты в России и странах СНГ перерабатываются на обогатительных фабриках Костомукшского, КМАруды, Лебединского, Михайловского, Оленегорского и Стойленского комбинатов (Россия), а также на ИнГОКе, НКГОКе, Полтавском, СевГОКе, ЦГОКе, ЮГОКе (Украина), Соколово-Сарбайском ГОКе (Казахстан). Скарновые магнетитовые руды обогащаются в России на Коршуновском, Ковдорском, Высокогорском ГОКах, на обогатительных фабриках ОАО «Евразруда» (г. Новокузнецк) и на ОАО «ССГПО» (Казахстан). На Среднем Урале на обогатительной фабрике ОАО «Качканарский ГОК» «Ванадий» перерабатываются бедные по массовой доле железа титаномагнетиты Гусевогорского месторождения. В России и странах СНГ с 70-х годов схема самоизмельчения магнетитовых кварцитов работает только на Лебединском ГОКе [52], СевГОКе и ИнГОКе (Украина)[55]. Сухая магнитная сепарация в основном применяется на предприятиях Урала, Сибири и Казахстана (ССГПО). Она находит широкое применение на предприятиях, перерабатывающих магнетитовые кварциты, - Михайловском, Стойленском комбинате (Россия)[6,7] и Ингулецком ГОК (Украина). Магнетитовые кварциты перерабатываются по технологии трехстадиального измельчения с четырьмя-пятью стадиями мокрой магнитной сепарации, операциями дешламации и обезвоживания. Технология двухстадиального измельчения применяется при обогащении скарновых руд Коршуновского, Ковдорского, Высокогорского комбинатов и на Абагурской обогатительной фабрике [80].
Первая стадия измельчения осуществляется в стержневой мельнице (Костомукшский, Качканарский, Оленегорский, Ковдорский, Коршуновский комбинаты и ССГПО (Казахстан)). Шаровое измельчение исходной руды применяется на обогатительных фабриках Михайловского, Стойленского, Высокогорского ГОКов, ОАО «Евразруда» г. Новокузнецк.
Сухая магнитная сепарация в основном применяется на предприятиях Урала, Сибири и Казахстана, но в последнее время находит широкое применение на предприятиях, перерабатывающих магнетитовые кварциты [13,14,55]: Михайловском, Стойленском и Ингулецком ГОКах.
Первая стадия измельчения осуществляется в стержневой мельнице (Костомукшский, Качканарский, Оленегорский, Ковдорский, Коршуновский комбинаты и ССГПО (Казахстан). Шаровое измельчение исходной руды применяется на обогатительных фабриках Михайловского, Стойленского, Высокогорского ГОКов, ОАО «Евразруда» ( г. Новокузнецк).
Исходная руда в I стадии измельчается в стержневых мельницах объемом от 32 м (Коршуновский ГОК) до 49 м (Костомукшский ГОК) и шаровых мельницах объемом от 22,4 м (Абагурская фабрика) до 140 м (Стойленский ГОК). Шаровые мельницы в I стадии измельчения работают в замкнутом цикле со спиральными классификаторами, а во II и III стадиях - в замкнутом цикле с гидроциклонами диаметром от 250 до 710 мм. Удельная производительность мельниц I стадии по исходной руде колеблется от 6,5 т/м -час (ССГПО) до 3,15 т/м -час (ОАО «Евразруда»).
Во второй стадии измельчения удельная производительность мельниц по готовому классу изменяется от 1,1 т/м -час (Стойленский ГОК) до 0,64 т/м-час (Качканарский ГОК), а в III стадии измельчения от 0,21 т/м"-час (Лебединский ГОК) до 0,913 т/м -час (Стойленский ГОК). Удельная производительность по готовому классу зависит от вещественного состава перерабатываемого сырья, состава шаровой загрузки, объема мельницы и требуемой крупности измельчения по готовому классу. Исследованиями установлено, что производительность шаровых мельниц в большей степени зависит от количества шаровой загрузки и ее качества. Недостаток шаров и неправильно подобранная их крупность снижают удельную производительность мельниц.
В первой стадии измельчения, в зависимости от крупности дробленой руды, используются шары диаметром от 80 до 125 мм. Для измельчения руды крупностью 25-0 мм применяются шары диаметром 100-125 мм. Шары диаметром 80-90 мм используются при измельчении руды менее 12мм.
Большое влияние на эффективность работы узла измельчения оказывает операция классификации в гидроциклонах. На действующих горно-обогатительных комбинатах эффекгивность классификации по готовому классу колеблется в широких пределах от 23,0% (Костомукшский ГОК) до 57,7% по классу минус 0,045 мм (Стойленский ГОК). Низкая эффективность работы узла классификации объясняется неравномерностью работы Песковых насосов, отсутствием автоматизированных систем управления «насос-гидроциклон» и особенностями классификации магнетитовых пульп в гидроциклонах. Анализ продуктов классификации с распределением железа по классам крупности показал, что тонкие фракции песков обогащены магнетитом, а сливы разубожены сростками магнетита с пустой породой.
Анализ результатов исследований показывает, что в классе минус 0,071 плюс 0,044 мм и минус 0,044 мм песков гидроциклонов массовая доля железа на 1,7-14,2%) выше по сравнению со сливом гидроциклонов, а кремнезема — ниже соответственного классам крупности на 1,1-17,3%.
Такое распределение железа и кремнезема по классам крупности объясняется особенностями классификации магнетитовых пульп в гидроциклонах. В поле центробежных сил разделение материала происходит в большей степени по плотности и в меньшей - по крупности. Это приводит к тому, что в слив гидроциклонов поступают крупные сростки магнетита с пустой породой, а в тонкие классы - раскрытый магнетит. Таким образом, происходит засорение концентрата кремнеземом, создаются условия для переизмельчения магнетита, снижается эффективность работы узла измельчения, что приводит к нерациональному использованию производственных мощностей, перерасходу электроэнергии и мелющих тел.
Обзор практики обогащения сильномагнитных руд в частотных магнитных полях
Основным препятствием, с которым приходится сталкиваться при отделении магнитных частиц от немагнитных при ММС сильномагнитных материалов, является магнитная флокуляция материала, вызванная его наведенной или остаточной намагниченностью.
Одним из наиболее эффективных методов борьбы с отрицательным влиянием флокуляции на процесс разделения при ММС тонкоизмельченных материалов является применение вместо стационарных частотных магнитных полей. Начиная с 60-х годов прошлого столетия, этому направлению уделяется огромное влияние. За прошедший период было предложено множество различных конструкций магнитных сепараторов с частотными магнитными полями.
Известны конструкции сепараторов с бегущим магнитным полем роторного [54] и статорного [70] типов.
Сепаратор конструкции ВНИИЦветмета внешне напоминает обычный барабанный сепаратор и состоит из футерованного резиной ротора, набранного из штампованных листов стали с пазами, в которые заложена трехфазная обмотка. Движение потока пульпы в ванне совпадает с направлением вращения ротора и магнитного поля. При переменном токе 50А и напряжении 35В напряженность поля на поверхности ротора составляет 1280Э, а на расстоянии 10мм от поверхности 950Э. Двухроторный электромагнитный сепаратор аналогичной конструкции (рис. 2.1) также разработан ВНИИЦветметом. Конструкции сепараторов роторного типа, несмотря на высокую эффективность не нашли широкого применения из-за большой энерго- и металлоемкости, невысокой производительности и малой надежности.
Для повышения производительности Т.Е. Владимировым была предложена конструкция электромагнитного сепаратора с вертикально расположенной плоской магнитной системой, создающей бегущее магнитное поле, и вынесенным из зоны сепарации индукционным барабаном (рис. 2.2.6) На Абагурской фабрике, а затем в Кривбассе были изготовлены и испытывались барабанные сепараторы типоразмера 167А-СЭ с бегущим магнитным полем и электромагнитными и комбинированными магнитными системами. Определенными преимуществами перед электромагнитными сепараторами обладают сепараторы с вращающимися постоянными магнитами.
Известен магнитный сепаратор (рис. 2.3.а), рабочая ванна которого выполнена в виде системы наклонных каналов, расположенных по периметру вертикальной вращающейся магнитной системы. В этой конструкции активно противодействуют друг другу управляемые магнитные и центробежные силы. Исходный материал равномерно распределяется по каналам. Опускаясь вниз, пульпа попадает в зону действия вращающегося магнитного поля. Под действием магнитных сил магнитные частицы выделяются из потока и притягиваются к стенке рабочего канала. Так как магнитный барабан вращается, и рабочие каналы наклонены в сторону вращения, то перемещение магнитных флокул осуществляется только под действием магнитного поля.
В Уралмеханобре разработан центробежный сепаратор, отличительной конструктивной особенностью которого является то, что рабочий канал его выполнен в виде спирального желоба, охватывающего вращающуюся многополюсную магнитную систему (рис. 2.5.а). Струйная подача питания позволяет избежать значительной турбулентности и создает возможность для наиболее эффективного центробежного режима. Пульпа под напором подается в спиральный желоб, где частицы попадают в зону действия высокочастотного бегущего магнитного поля. Под действием центробежных и магнитных сил частицы пульпы расслаиваются: немагнитные отбрасываются к периферийной стенке желоба, магнитные притягиваются к внутренней стенке, под действием напора воды частицы продвигаются к разгрузочному концу желоба, где поток рассекается делительной перегородкой на магнитный и немагнитный продукты.
Изучение достоинств и недостатков известных конструкций мокрых магнитных сепараторов с частотными и бегущими магнитными полями позволяет сформулировать следующее: -электромагнитные сепараторы имеют относительно невысокую удельную производительность, высокий удельный расход электроэнергии и низкую надежность работы основных узлов, -для повышения надежности работы, снижения энергоемкости процесса и массы сепаратора в качестве индуктора магнитного поля целесообразно применять магнитные системы с постоянными магнитами, -для увеличения удельной производительности сепаратора магнитная система должна обеспечивать достаточную глубину и длину распространения градиентного магнитного поля, а разгрузочные устройства -обеспечивать быстрый вывод из процесса продуктов разделения, -для повышения эффективности разрушения флокул и селективности извлечения частиц необходимо обеспечить достаточно высокую ( 20Гц) частоту магнитного поля и создать такие условия, при которых основным критерием разделения была бы магнитная восприимчивость частиц.
Исследование кинетики магнитной флокуляции в неоднородных полях
В практике магнитной сепарации применяют экспоненциальные магнитные поля. Например, для открытой магнитной системы с чередующейся полярностью в случае барабанного сепаратора радиальная составляющая напряженности поля описана формулой Сочнева [12]: Нх-Н0е сх (3.15) где с - коэффициент неоднородности поля, х - радиальное расстояние от поверхности барабана. Выражение для силы осевого сжатия во флокуле при N=f(a) можно записать таким образом: Анализируя данное выражение, можно видеть, что длина флокулы в этом случае будет значительно короче, чем в однородном поле, так как с увеличением длины сила осевого сжатия уменьшается гораздо быстрее.
Рассмотрим движение частиц в рабочем зазоре сепаратора под действием магнитного поля и других сил. В рабочей зоне сепаратора двигаются большие плотные массопотоки частиц, взаимодействующих так, что в каждый данный момент движение отдельной частицы вызвано случайными причинами (столкновениями, турбулентными пульсациями и т.д.), но усредненная траектория движения частицы к полюсу имеет характер вполне определенной закономерности [32,83], которая выражает соответствующий физический закон движения частиц в силовых полях. Такая закономерность может быть рассчитана с учетом диффузионных и турбулентных эффектов. Этот подход используют в своих работах О.Н. Тихонов, Н.Н. Виноградов, П.И. Пилов и др., хотя и пользуются при этом различными методами. В связи с тем, что в процессе сепарации концентрация частиц у полюсов растет, а диффузионные силы, зависящие от градиента концентраций, направлены против магнитных сил притяжения, возникает процесс сепарации.
Процесс магнитной сепарации, как показано О.Н. Тихоновым, можно рассматривать как макродиффузию частиц в силовом поле. Согласно этому подходу, на единичный объем (понятие близкое понятию «материальная точка») рабочего пространства действуют силы: G + A + Fxr+Fc+Fr+Fn O (3.17) где: G - сила тяжести, А - сила Архимеда, FM - магнитная сила, Fc - сила сопротивления, возникающая при движении частиц в среде, турбулентных пульсациях, а также соударении самих частиц, Fr - градиентная сила, возникающая за счет градиента концентраций частиц, Fu - сила инерции. По условиям раскрытия перед сепарацией материал измельчают, как правило, до крупности -74мкм, поэтому силами инерции частиц можно пренебречь.
Если предположить, что магнитная сила и сила Архимеда не зависят от. времени и координат для любой точки рабочего пространства, то все механические силы можно свести к одной равнодействующей RMex и считать рабочее пространство полем действия этой силы, вынуждающей диффундирующие частицы совершать направленный дрейф к полюсу сепаратора. Тогда уравнение (2.17) примет вид: RMex-Fc-Fr=0 (3.18) Сила сопротивления состоит из силы сопротивления движению частицы Fci = axV и силы трения частицы о среду Fc2 = a2V, тогда сила сопротивления будет равна: Fc=(ax+a2)V = aV (3.19) где: aj и а2 - коэффициенты сопротивления, V— скорость частицы. Градиентная сила, действующая на единицу объема, равна: Fr= gradCM (3.20) где: Кт - коэффициент подвижности частиц, См - концентрация частиц. Тогда из (2.18) получаем: RMex aV- -gradCM=Q (3.21) откуда легко найти скорость направленного дрейфа частиц: Г = -&-gradC ч (3.22) а аСм Подставляя найденное значение скорости в выражение закона сохранения вещества, получим уравнение диффузии в силовом поле или уравнение Эйнштейна-Фоккера-Планка: = -div[CMV) = іKmdivgradC„ --div[RvexCJ (3.23) at a a Пользуясь оператором Гамильтона V, можно записать это уравнение короче: = »V2CV, - R VC- (3.24) dt a где: D-KJa - коэффициент макродиффузии частиц. По своей математической структуре уравнение (3.23) аналогично первому уравнению Колмогорова, сравнивая его со вторым законом Фика для диффузии [30], можно привести к тривиальному решению: См{0 = СМ1 ехр(-Кс(/а) (3.25) где: Kc=divR4ex, а для извлечения (по определению): e = (CMo-CM)/CM=\-exp(-Kct/a) (3.26) є = \- exp( kt), где k = Кс I а (3.27) 3.3. Исследование кинетики магнитной флокуляции во вращающемся магнитном поле
При вращении магнитной системы вектор напряженности поля в любой точке над поверхностью барабана совершает вращательное движение навстречу магнитной системе. Частота этого вращения равна частоте магнитного поля, то есть, пропорциональна относительной скорости вращения барабана против магнитной системы и числу пар полюсов: у = ! т= м = с кол/сек 60 2 60 2 4 (3.28) где П] — число оборотов барабана в минуту; щ — число оборотов магнитного шкива в минуту; т — число полюсов магнитной системы; соотн — относительная частота вращения барабана против магнитного шкива. Таким образом, угловая частота вращения вектора напряженности магнитного поля составляет: О) = 2ТГУ= = - соопшт, сек (3.29)
В процессе вращения поля вектор его напряженности составит с продольной осью флокулы угол а, который будет увеличиваться со временем. В этих условиях со стороны поля возникает пара сил, которая стремится выровнять флокулу продольной осью по направлению вектора поля, т.е. вращает флокулу в направлении вращения поля (рис. 3.2). Эта пара сил даже при небольшом отклонении имеет значительную величину, поэтому флокула начинает вращаться синхронно с вектором напряженности поля, отставая от него на угол а, что вызвано наличием некоторой пары сил за счет сопротивления среды.
В процессе вращения флокула прижата к поверхности барабана избыточной магнитной силой и за счет трения между материалами барабана и флокулы она начинает катиться по поверхности барабана навстречу вращения магнитной системы, причем скорость ее поступательного движения прямо пропорциональна частоте ее вращения. Уравнение движения центра тяжести флокулы в примененной выше системе координат можно записать параметрически: х = a cos cot\ у = asincDt ; (3.30) Где а - длина большой полуоси флокулы. Сила динамического сопротивления среды имеет большое значение при движении флокул в потоке жидкости. Она определяется по формуле: г, 3 AV2 где: V— скорость флокулы; d- ее размер; д - ее плотность; Д - плотность среды, и отрицательно влияет на эффективность сепарации. Когда эта сила превышает сумму сил, двигающих флокулу вместе с барабаном, флокула начинает отставать от точки на поверхности барабана, при этом угол отставания продольной оси флокулы от вектора поля а увеличивается. Когда угол составит 180, флокула, имеющая определенную остаточную намагниченность, вытолкнется магнитным полем за зону удерживания и будем унесена центробежной силой в хвосты [24].
Определение процентного содержания магнетита в концентрате на базе сепаратора ВСПБМ -32.5/20 методом планируемого эксперимента
На основании теоретических исследований и анализа ориентирующих экспериментов процесс высокоселективной магнитной сепарации в сепараторе ВСПБМ-32,5/20 был определен нами как многофакторный. Поэтому предусматривалось поэтапное планирование экспериментов, заключающееся в первоначальном определении содержания железа в концентрате от ряда конструктивных и режимных параметров, оптимизации этих параметров из условия получения максимального значения содержания железа в концентрате.
Для определения зависимости процентного содержания магнетита от различных факторов использовался метод планирования экспериментов [1,61]. При проведении ориентирующих опытов оказалось, что зависимость содержания железа в концентрате от частоты вращения барабана - (сої), частоты вращения магнитной системы — (со2), плотности исходной пульпы -(р) и качества исходного питания - (J3U) носит экстремальный характер, к тому же имеется несколько оптимумов. Для их нахождения за центры эксперимента были приняты различные точки факторного пространства, составлены полиномы первой степени, получены математические модели. Описание наиболее адекватной модели приводится ниже. По результатам аналитического исследования было выявлено, что из факторов, легко варьируемых в производственных условиях, наибольшее влияние на параметр оптимизации (у) оказывают частота вращения барабана - (а і), частота вращения магнитной системы - (coj), плотность исходной пульпы -(р) и качества исходного питания - (ftu). Интервал варьирования факторов принимался, исходя из результатов ориентирующих опытов.
Табличное значение критерия Фишера при 5 % уровне значимости: F" =3,8 Следовательно, полученная математическая модель адекватна при 5%-ном уровне значимости. Приводим полученную модель к каноническому виду. Осуществляем параллельный перенос начала координат в новый центр S. Определяем координаты нового центра, для чего дифференцируем уравнение по независимым переменным и приравниваем частные производные нулю.
Согласно математической модели, построенной с помощью метода планирования экспериментов Бокса-Уилсона подтвердилось предположение о значимости таких переменных как частота вращения барабана и магнитной системы, плотность питания и качество исходного питания. В подтверждение полученных зависимостей были проведены серии экспериментов, результаты которых представлены в Приложении 5,6,7.
Во-первых выяснялась зависимость содержания железа общего в концентрате, выхода концентрата и извлечения железа общего в концентрат от частоты вращения барабана при постоянных частоте вращения магнитной системы и плотности исходного питания. Некоторые серии опытов представлены на рис. 4.4 и 4.5. Из графиков видно, что с увеличением частоты вращения барабана растет содержание железа общего в концентрате, при одновременном снижении выхода и извлечения. Такая зависимость имеет место при частоте вращения магнитной системы более 30Гц. Хотя при частоте вращения магнитной системы в 20Гц и плотности питания в 1250г/л наблюдается обратная картина. Снижение выхода и извлечения с ростом частоты вращения барабана объясняется тем, что возрастает величина центробежной силы, которая стремится оторвать магнитные частицы от барабана. При этом чем меньше магнетита содержится в сростке, тем скорее Во-вторых выяснялась зависимость содержания железа общего в концентрате, выхода концентрата и извлечения железа общего в концентрат от частоты вращения магнитной системы при постоянных частоте вращения барабана и плотности исходного питания. Некоторые серии опытов представлены на рис. 4.6 и 4.7. Из представленных графиков видно,что при увеличении частоты вращения магнитной системы содержание железа общего в концентрате увеличивается, а выход и извлечение падают при частоте вращения барабана 15Гц и плотности питания 1100г/л. В тоже время при других фиксированных значениях частоты вращения барабана и плотности исходного питания происходит обратное.
Если рассматривать зависимость эффективности сепарации от каждого фактора в отдельности (разделы 4.3 и 4.4) получаются довольно противоречивые результаты. Это следствие того, что все факторы взаимосвязаны между собой, и оценить эффективность сепарации однозначно можно только рассматривая совокупность факторов. Это такие параметры сепарации как частота вращения магнитной системы и барабана, плотность исходного питания и производительность сепаратора.
Обработка результатов проводилась с помощью компьютерной программы «Surfer», которая позволяет строить ЗО-зависимости. Частично результаты представлены на рис. 4.10 (Полностью результаты представлены в Приложении 6,7. Из полученных зависимостей видна четкая зависимость содержания железа общего в концентрате, выхода и извлечения от частоты вращения барабана и магнитной системы, от плотности исходного питания и производительности. Есть ряд опытов, в которых превышение содержания железа общего в концентрате над содержанием железа общего в исходном питании превышает 15%.
Наибольшее превышение (на 15,3%) было получено: 1- при частоте вращения барабана - 20 Гц, частоте вращения магнитной системы - 25 Гц, плотности исходного питания 1100 г/л. Производительность сепаратора по твердому составила 37 кг/ч, выход концентрата - 62,65%, содержание железа общего в концентрате- 67,3%, извлечение - 81,87%). Содержание железа общего в исходном продукте - 51,5%, 2- при частоте вращения барабана -7,5Гц, частоте вращения магнитной системы - 50 Гц, плотности исходного питания 1260 г/л. Производительность сепаратора по твердому составила 79,9 кг/ч, выход концентрата — 66,67%, содержание железа общего в концентрате— 67,5%, извлечение — 86,21%). Содержание железа общего в исходном продукте - 52,2%о. Эффективность сепарации в этих опытах составила 38,8%). Результаты подтверждены актом промышленных испытаний
