Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы и постановка задачи исследований .13
1.1 Обзор практики использования магнитных сепараторов для обогащения сильномагнитных материалов 13
1.2 Постановка задачи исследований 15
1.3 Анализ современного состояния и путей развития методов расчета магнитных систем и движения минералов 16
1.4 Выводы 27
Глава 2. Исследование полей магнитных индукций и полей сил сепаратора 29
2.1 Аналитическое определение координат вершин барабанного сепаратора на постоянных магнитах 29
2.2 Разработка методов расчета и исследование магнитных полей с неподвижной магнитной системой 32
2.3 Разработка методов расчета и исследования полей сил 38
2.4 Выводы 44
Глава 3. Исследование процесса магнитной сепарации на основе аналитического описания траекторий движения минералов в сепараторах барабанного типа с постоянными магнитами 45
3.1 Исследование вращательного движения флокул и частиц магнетита, имеющих собственный вектор намагничивания 45
3.2 Динамика разделения минералов в процессе магнитной сепарации 59
3.3 Расчет основных параметров влияющих на эффективность процесса сепарации 77
3.4 Разработка и опытно-промышленное испытание модели магнитного сепаратора барабанного типа. Экспериментальное определение основных конутруктивно-технологических параметров 81
3.5 Результаты опытно-промышленных испытаний разработанного сепаратора 87
3.6 Выводы 95
Глава 4. Разработка конструкции и исследование процесса сепарации с модернизированной магнитной системой 95
4.1 Исследование магнитных полей и полей сил в неподвижном сепараторе 95
4.2. Исследование процесса обогащения на основе аналитического описания траекторий движения минералов 98
4.3 Оценка технологических и технико-экономических перспектив внедрения экспериментального образца магнитного сепаратора ВСПБМ-32,5/20 101
Выводы и рекомендации 105
Литература 107
Приложения 114
- Анализ современного состояния и путей развития методов расчета магнитных систем и движения минералов
- Разработка методов расчета и исследование магнитных полей с неподвижной магнитной системой
- Динамика разделения минералов в процессе магнитной сепарации
- Исследование процесса обогащения на основе аналитического описания траекторий движения минералов
Введение к работе
Актуальность работы:
В XX веке минерально-сырьевая база традиционно определяла экономическую мощь государства, возможности развития его промышленного и оборонного потенциала. Анализ минерально-сырьевой базы действующих предприятий России по добыче большинства видов твёрдых полезных ископаемых показывает, что из-за исчерпания разведанных запасов эксплуатируемых месторождений (по причине отсутствия средств за последние десять лет не открыты новые значительные месторождения, которые, как это было в советские времена, могли бы быть целесообразными для освоения с высокой эффективностью) к 2010 году произойдёт обвальное выбытие из строя действующих сейчас горно-добывающих мощностей [1].
В связи с этим экономия и ресурсосбережение минерально-сырьевой базы сегодня является важнейшим направлением её освоения. Инвестиции следует вкладывать не в расширение производства, а в технологии переработки, потребления и снижения самих потребностей общества в минеральном сырье. Это 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. Важнейшей проблемой магнитного обогащения сильномагнитных минералов является его низкая селективность при малой контрастности магнитных свойств разделяемых частиц из-за явления магнитной флокуляции. В результате при обогащении железных руд используют технологии стадиального выделения пустой породы (в основном кварца) в хвосты, тогда как рудная смесь (чистые рудные зерна, богатые и бедные сростки) магнитный продукт направляются на следующую стадию измельчения переизмельчая уже раскрытый магнетит.
Анализ основных причин низкой селективности современных конструкций магнитных сепараторов показывает что постадиально выделять магнетит на современных серийных сепараторах типа ПБМ практически не возможно по трем причинам:
контрастность магнитных свойств на границе разделения между магнитной рудной смесью и немагнитными породными минералами значительно выше, чем между элементами рудной смеси (магнетитом и сростками), а селективность сепараторов недостаточна [2,3,4];
жесткая магнитная флокуляция частиц магнетита в относительно сильном поле рабочей зоны сепаратора, вызывает захват бедных сростков и частиц пустой породы в концентрат [5,6,7];
- высокая физико-механическая активация материала после измельчения.
Если первая причина связана с природными свойствами руд и частичное
устранение её возможно в процессах самоизмельчения, что можно доказать на примере Михайловского ГОКа, то вторая и третья причины в основном зависят от режима разделения и конструкции магнитного сепаратора. Давно доказано [1,8], что в сухих магнитных центробежных сепараторах с высокой частотой магнитного поля из концентратов ГОКов Кривбасса этим способом можно получать суперконцентраты, содержащие менее 1% кремнезема.
Для стадиального выделения магнетита требуется высокоселективный сепаратор, способный отделить магнетит от сростков прямо в конечный концентрат. Такой сепаратор можно создать на основе управления магнитной флокуляцией с вращающимся магнитным полем, например в конструкциях барабанного типа.
Для выбора принципа действия сепаратора был проведен анализ принципиальной технологической возможности получения продукта высокого качества по общему железу. Это было сделано на полупромышленном сухом магнитном центробежном сепараторе 1IKL - «Лаурилла». Высокая эффективность сухой центробежной сепарации ещё в 60-е годы была подтверждена практикой фабрики Отанмэки (Финляндия), где нашли выгодным применять
сухую перечистку концентратов мокрого магнитного обогащения, причем содержание железа повышалось с 64-65% до 68-69% при высоком извлечении. Там же было показано, что три стадии сухого обогащения вполне заменяют семь стадий мокрого [1].
Сепаратор 11-KL имеет широкие пределы регулировки частоты поля, что имеет большое значение при сепарации тонкоизмельчеиных материалов. По этим причинам для исследований по интенсификации процесса сухой центробежной сепарации, проводившихся в ИГД им. А. А. Скочинского с 1961 г., был выбран сепаратор именно такого типа - 11-KL (рис. 1). Краткая техническая характеристика этого сепаратора приведена ниже:
Средняя напряженность поля Н,э 1000
Число полюсов магнитного шкива, шт 24
Диаметр барабана, мм 400
Число оборотов барабана в минуту 70—400
Число оборотов магнитного шкива в минуту 135—680
Габариты сепаратора, м 1,26x0,6
Производительность, т/час до 3
Установочная мощность, квт 1
Вес, т 0,2
Ширина питания, мм 100
Шаг полюсов, мм 50
Барабан и магнитный шкив имеют отдельные, независимые приводы, позволяющие менять число их оборотов в широких пределах. Питание подается на барабан равномерно и с точной дозировкой при помощи вибрационного питателя с регулируемым числом вибраций.
Для удаления сильномагнитных примесей из слабомагнитных руд перед их сухим обогащением на сепараторах с сильным полем применяются центробежные сепараторы типа ПБСЦ. Отечественные сепараторы такого
типа выпущены Механобром (ПБСЦ-63/200) (шифр 206СЭ) и Механо-брчерметом (шифр 21СБ) и успешно прошли лабораторные и полупромышленные испытания.
Рис. 1 Схема а) и внешний вид б) сепаратора 11-KL 1-индукционная разгрузочная щетка; 2-барабан из немагнитного материала; 3 - магнитная система; 4 — вентилятор с пылеулавливающим устройством.
Это барабанный сепаратор на постоянных магнитах с чередующейся полярностью. Магниты расположены радиально по всей окружности несущего шкива. Наружный барабан и магнитная система имеют отдельные, независимые приводы, позволяющие плавно менять скорость их вращения в любом направлении.
Без специальной настройки, в первом же эксперименте на этом сепараторе был получен концентрат, содержащий 69,47% Fe06„„ при выходе 32%, что доказало реальную возможность решения задачи выделения конечного концентрата на первой стадии, но само ее решение для ММС оказалось очень не простым. В мокрой сепарации вязкость воды не позволяет флокулам быстро вращаться для разрушения центробежными силами, и поэтому понадобились дополнительные исследования.
В настоящее время имеется около десятка различных конструкций аппаратов для сухой центробежной сепарации, но из них можно выделить три принципиально отличных варианта, получивших наибольшее распространение (рис. 2).
Эти конструкции можно разделить на два типа: с подвижной и с неподвижной магнитной системой. Для экспериментального изучения процесса центробежной сепарации первый тип (рис. 2, а) имеет больше возможностей. Эксцентричный (рис 2, в) сепаратор менее удобен, так как значения магнитной силы непостоянны по длине окружности барабана. Несмотря на то, что этот сепаратор позволяет получать несколько различных фракций по качеству, относительная скорость сепарации для отдельных продуктов у него значительно ниже, чем у сепаратора с индукционно-роликовой разгрузкой. Последний (рис. 2, б) является наиболее универсальным, так как его можно превращать в другие типы после небольших переделок. У него широкие пределы регулировки частоты поля, что имеет большое значение при сепарации тонкоизмельченных материалов.
Рис. 2. Барабанные сепараторы с постоянными магнитами чередующейся полярности:
а - с индукционно-роликовой разгрузкой; б - с центробежной разгрузкой;
в - эксцентрический.
Мокрая магнитная сепарация измельченных магнетитовых кварцитов на серийных сепараторах типа ПБМ выделяет, в конечный продукт (хвосты) только немагнитные зерна пустой породы. Вся рудная смесь (зерна магнетита, богатые и бедные сростки) переходит в магнитный продукт (концентрат), который к тому же захватывает и немагнитные зерна пустой породы за счет магнитной флокуляции сильномагнитных зерен и физики-механической адгезии. Из этого следует, что постадийная скорость роста содержания магнетита в магнитных концентратах невелика и растет только за счет раскрытия сростков магнетита при измельчении, а магнетит переизмельчается и механически транспортируется из стадии в стадию (рис.3) [7,9]. На каждом таком этапе концентраты обводняются, а снижение содержания твердого в продуктах разделения уменьшает силы магнитной и физической адгезии, повышая селективность сепарации, которая при этом удается уже только на магнитных дешламаторах. Известно, что на 1% повышения качества концентрата при его доводке традиционными методами в ныне действующем варианте технологии теряется до 3% извлечения металла в концентрат [2,3,10], что и не удивительно, так как при измельчении до 40 мкм магнетит теряет 15-20% своих магнитных свойств [1,3,10].
H,2 +0.56 чО Д8 40,16 +0,074 -КЗ ,056 +0.044 -0,044
1 Свободный магнетит Класс круг|Н0СТИ( мм
| Магнетит в сростках с нерудными минералами Нерудные минералы е сростках с магнетитом
Рис. 3 Вещественный состав магнетитовых концентратов 1,3,5 стадии измельчения. Речь идет не только о путях решения проблемы выведения из циклов измельчения не только отвальных продуктов, но и высококачественных магнетитовых концентратов по мере их раскрытия для повышения извлечения железа и рентабельности производства высококачественного металлургического сырья.
Цель работы: Заключается в улучшении современной технологии обогащения железных руд за счет выведения из циклов обогащения на ранних стадиях богатых магнетитовых продуктов по мере их раскрытия.
Объектом исследования: является концентрат I стадии Магнитной мокрой сепарации (ММС) Михайловского ГОКа (МГОК)
Предметом исследования: являются основные параметры процесса обогащения на магнитном сепараторе для выделения конечного концентрата из магнетитового продукта 1 стадии ММС МГОКа;
Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:
впервые установлен механизм мокрой магнитной сепарации магнети-товых кварцитов во вращающемся магнитном поле при комбинированном гидромеханическом режиме;
разработана аналитическая модель определения параметров магнитной системы с постоянными магнитами, соответствующих оптимальной эпюре извлекающих магнитных сил;
решена система дифференциальных уравнений, что было необходимо для описания движения частиц в рабочей зоне сепаратора;
определена значимость основных факторов влияющих на выбор параметров магнитной сепарации;
разработана методика расчета основных зависимостей между параметрами режима магнитной сепарации и ее технологическими показателями;
впервые экспериментально показано, что применение сепаратора типа ВСПБМ-32,5/20 позволяет повысить качество магнетитового концентрата ММС I стадии на 15%, т.е. до уровня товарного концентрата;
- впервые установлены новые принципы работы высокоселективного магнитного сепаратора и соответствующая им конструкция, позволяющие резко повысить качество получаемого магнетитового концентрата.
Практическая значимость: заключается в разработке и промышленных испытаниях опытно-промышленного сепаратора с высокой эффективностью разделения и управляемой магнитной флокуляцией, позволяющего выделить готовый концентрат после 1 стадии магнитной сепарации.
Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций диссертационной работы: научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими исследованиями с использованием математического анализа аппарата теории магнитного поля и потенциала, теории сепарационных
процессов, методами Гуи и Девиса для определения магнитных и сепараци-онных характеристик минералов, минералогическим, химическим и гранулометрическим анализом, обработкой данных с использованием программ -Elkut, Maxwell и Mathcad 13.
В диссертационной работе решены следующие задачи:
Разработана конструкция высокоселективного сепаратора для стадиального выделения готового концентрата, начиная с первой стадии ММС;
Разработана методика расчета и оптимизации магнитного поля аппарата и поля сил систем постоянных магнитов;
Создана методика расчета движения частиц пульпы в рабочей зоне;
Экспериментально исследовано влияние основных параметров магнитного разделения минералов на показатели обогащения;
Произведен анализ результатов испытаний сепаратора и предложены способы повышения эффективности сепарации;
Проверены полученные результаты обогащения в условиях реального производства.
Программа апробаций выполняемых исследований.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ - 2004, 2005,2006г), "Конгрессе обогатителей стран СНГ" (МИСИС, 2005 г).
Анализ современного состояния и путей развития методов расчета магнитных систем и движения минералов
Для анализа физики процесса сепарации необходимо иметь аналитическое описание динамики разделения минералов, а это можно выполнить при наличии аналитического описания поля сил, действующих на частицу минерального сырья. А это, в свою очередь, возможно лишь в том случае, если известно поле индукций магнитных полей.
Наиболее бурное развитие аналитических методов расчета наблюдается в электротехнике. Созданием электротехнических САПР заняты университетские лаборатории, например: FLUX 2D и FLUX 3D в Электротехнической лаборатории в Гренобле, MAGNET II в Макджиле и Имперском колледже, РЕ 2D в Лаборатории Резерфорда. Занимаются подобными проблемами и лаборатории на фирмах «Филипс», СЕ 2D на фирме «Дженерал Электрик».
Регулярно проводятся международные конференции INTERMAG и COMPYMAG, которые способствуют тому, что всё большее количество университетских и промышленных лабораторий прилагают усилия для создания новых систем автоматизированного проектирования в электротехнике. Ма тематические модели, применяемые в современных электротехнических САПР, основаны на универсальной форме описания различных полевых задач. Используемые в моделях дифференциальные уравнения в частных производных решаются только численными методами. Наиболее широкое применение в электротехнических САПР находит метод конечных элементов.
Однако к сложностям, возникающим при применении таких численных методов можно отнести: отсутствие стандартных алгоритмов выбора плотности расположения конечных элементов сети, что служит причиной высокой погрешности решений; громоздкость используемых алгоритмов, что приводит к необходимости использования мощной компьютерной техники. Все методы решения подразделяются на аналитические и численные. В аналитических методах решением являются алгебраические уравнения с параметрами, определяющими поле. Численные методы имеют вид совокупности численных значений для одной частной совокупности значений параметров. Аналитические методы основаны на математической теории поля с использованием векторной алгебры и дифференциального исчисления. Все электромагнитные явления описываются уравнениями Максвелла в частных производных. Аналитические методы разделяются на методы непосредственного решения и методы преобразований Методы непосредственного решения включают метод зеркальных отображений, позволяющий найти решение некоторых задач в тех случаях, когда границами поля являются плоские или цилиндрические поверхности [13]. Методом зеркальных отображений получают готовые решения, избегая непосредственного решения уравнений Лапласа или Пуассона. Идея метода предложена в трудах прошлого века Кельвином и Максвеллом. Дальнейшее развитие метод получил в работах Сирпа. Метод хорошо разработан и является классическим. Достоинством данного метода, несмотря на отсутствие приемов решений, является то, что все полученные результаты можно проверить по граничным условиям. Во многих случаях при определении полей в областях с несколькими границами, а также при заданном распределении потенциала или его градиента, уравнение Лапласа решают непосредственно методом разделения переменных. В решении ищется потенциальная функция, удовлетворяющая уравнению Лапласа и граничным условиям. Если непосредственное решение возможно, то потенциальную функцию Бухгольца можно представить в виде произведения двух членов, каждый из которых является функцией только одной координаты. Многочисленные примеры расчетов даны М. Штафлем [14]. Область применения метода разделения переменных и метода отображений одинакова, но типы задач различны.
В расчетах путем преобразований основное место занимают методы комфорных преобразований. Они являются наиболее действенными методами аналитического определения лапласовых полей, позволяющих учесть гораздо более сложные конфигурации границ, чем другие аналитические методы. В общем случае решения уравнений дают возможность получить выражения для магнитной индукции и во многих случаях рассчитать картину поля.
Для расчета картины поля необходимо найти уравнение преобразования, связывающее исследуемое поле с более простым, и получить решение для более простого поля. Комфорные преобразования дают возможность решить задачи, в которых границы поля являются эквипотенциальными или линиями потока, а также задачи Дирихле при заданном распределении потенциала вдоль границы. Важное место занимают методы комфорных отображений многоугольной границы в бесконечную прямую или в окружность, но при этом возникают трудности при выполнении интегрирования. Многие конфигурации границ таковы, что появляющиеся интегралы нельзя взять аналитическими методами. Область методов преобразований ограничена для полностью криволинейных или многоугольных границ с величинами углов, в целое число раз кратными л/2. Наиболее полно этот метод решения описан в работах Г. Бухгольца [15] и В.Говоркова [16]. Все вышерассмотренные задачи основаны на законах преломления векторов Я и В при переходе из одной среды в другую и называются краевыми задачами первого рода или задачами Дирихле. Задача, в которой граничные условия определяют нормальные или тангенциальные составляющие градиента потенциала, например, напряженности магнитного поля, является краевой задачей второго рода или задачей Неймана. Краевая задача третьего рода является комбинацией задач первого и второго родов. Часто методы преобразований не подходят для решения задач Неймана.
До сих пор еще большинство электротехнических проблем решают экспериментально [17-18], а для электромагнитных расчетов вместо строгих математических методов используют полуэмпирические приемы, основанные на обобщении накопленного опыта и аналогиях [17]. В этом случае становятся возможными только численные методы.
Первая группа методов использует уравнения полей в частных производных, которые преобразуются в систему алгебраических уравнений. Решение дает аппроксимацию поля в дискретных точках на плоскости и в пространстве. Методы конечных разностей ведут начало от Гаусса, но широкое распространение получили лишь с 1940 г. Особенно они стали развиваться с появлением ЭВМ. Исследованиями в области электротехнических моделей занимаются многие крупные лаборатории [17,19-32]. Во Франции исследованиями и разработкой таких систем совместно занимаются государственная фирма Electriciti de France, Электротехническая лаборатория центральной школы в Лионе и Электротехническая лаборатория в Гренобле [22,26].
Разработка методов расчета и исследование магнитных полей с неподвижной магнитной системой
Целью исследований данного параграфа является построение картины магнитного поля, определение магнитных индукций в относительных единицах в рабочей зоне сепаратора для использования их при расчете процесса сепарации.
Аналитические методы расчета магнитных полей основаны на математической теории поля с использованием векторной алгебры и дифференциального исчисления [1-12]. Все электромагнитные явления описываются уравнениями Максвелла в частных производных. В качестве основных источников аналитических методов расчета использованы работы А. Зоммер-фельда, Г. Бухгольца, Тамма И. Е., Шимони К., Ландау Л. П., Лифшица Е. М. Бинса К., Лоуренса П., В. А. Говоркова, М. Штафля, О. В. Тозони и др.
Для построения математических моделей двухмерных полей применили теорию функций комплексного переменного (ТФКП). Благодаря хорошо разработанному аппарату ТФКП, двумерные полевые задачи поддаются наиболее глубокому анализу [13-17].
Решена задача, когда системы постоянных магнитов являются равноотстоящими, сечения магнитов - равные фигуры, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга; соответствующие точки сечений принадлежат одной прямой. Кроме того, магниты одинаково намагничены. Такая задача решалась в работе [18].
Современные сильные постоянные магниты изготовляются из материалов, обладающих одноосной анизотропией или в процессе их изготовления создается эта анизотропия. В этих ферромагнетиках нет доменных стенок. Происходит необратимое вращение намагниченности. Ось легкой намагниченности совпадает с направлением одноосной анизотропии.
Для определения вертикальных и тангенциальных составляющих магнитной индукции необходимо перейти от декартовой к полярной системе координат. Воспользуемся следующими уравнениями преобразований.
Для вычисления коэффициента соответствия проведены измерения магнитной индукции в точке с координатами /9 = 162,5лш,а = 90на внешней поверхности барабана. Построенные по результатам расчетов графики показывают, что с внешней стороны сепаратора радиальная и тангенциальная составляющие магнитных индукции практически изменяются по синусоидальному закону. Графики изменения радиальной, тангенциальной составляющих и модуля магнитных индукции между магнитной системой и внутренней поверхности барабана Для расчета полей сил в рабочей зоне сепаратора построены графики изменения радиальной и тангенциальной составляющих в зависимости от радиуса р, которые показаны на рис.2.2.6. Полученные аналитические формулы и графики горизонтальной и вертикальной составляющих магнитной индукции позволяют в дальнейшем получить поле пондеромоторных сил в рассматриваемом сепараторе.
При взаимодействии минералов с магнитным полем возникают понде-ромоторные силы. До настоящего времени основной и практически единственной формулой для расчета магнитной силы [1], которая используется в исследовательских работах по магнитному обогащению, является: F„, = XVHVH , (2.3.1) хотя более точная формула для плоскости имеет вид - .. ОН .. дН Гт=Мх7Ґм—, (2.з.2) где Мх,Му - горизонтальная и вертикальная составляющие намагниченности. Разработанный аналитический методы расчета полей систем постоянных магнитов [2] в виде произвольных многоугольников дали возможность поставить задачу определения сил, действующих на частицу в магнитном поле сепаратора в более удобном виде [74]. Картина поля модулей сил Для определения закономерностей движения частиц сепарируемого материала необходимо знать изменение сил в рабочей зоне. Как и для магнитных индукций, так и для пондеромоторных сил необходимо иметь формулы их изменения в полярной системе координат.
Динамика разделения минералов в процессе магнитной сепарации
Целью исследований данного параграфа является аналитический расчет содержания магнетита в концентрате на основе характеристик магнитного поля, содержания в исходном продукте имеющихся классов крупности материала и в каждом классе крупности классы распределение магнетита.
Важнейшей задачей развития любого горно-обогатительного комбината, перерабатывающего магнетитовые кварциты, является решение проблемы выделения из концентрата первой стадии мокрой магнитной сепарации (ММС) продукта, состоящего из магнетита и богатых сростков, т. е. высококачественного концентрата (ВКК) и, как правило, условия раскрытия это позволяют.
Движение минералов определяет процесс их разделения и характеристики процесса обогащения.
Существуют многочисленные исследования по вопросу движения сепарируемого материала в сепараторах, например в работах [85,86], но адекватно рассчитать траектории движения частиц при сепарации не удавалось в результате отсутствия аналитического описания вращающегося магнитного поля сепараторов. Полученные решения для постоянной пондеромоторной силы представляют собой экспоненциальные зависимости, что только качественно отражает процесс разделения минералов разделения минералов.
Выполненные исследования проведены для случаев постоянства сил во всем рабочем пространстве сепаратора или их линейного изменения по высоте [70]. Такие ограничения связаны с тем, что до последнего времени не существовало аналитических методов расчета полей сил в магнитостатических сепараторах. Эти исследования, по сути, являются попыткой определить траектории движения минералов без учета существенной неравномерности магнитного поля и полученные результаты дают только качественную оценку движения. Работы по расчету полей магнитных индукций и полей сил в этих сепараторах [76,77], дали возможность рассчитать траектории движения минералов как в сепараторах с постоянными магнитными.
Для составления уравнения движения флокул в рабочей зоне сепаратора сделано допущение, что форма их сферическая. Для частичек руды, имеющих произвольную форму, это допущение будет единственно возможным, так как позволяет построить усредненную (статистическую) модель всего процесса.
Механизм взаимодействия поля и среды учитывается введением объемной магнитной силы в уравнение движения. При взаимодействии частиц с магнитным полем возникают пондеромоторные силы. Одной из составляющих этих сил является объемная магнитостатическая сила. В классических работах приведены формулы для этих сил, точность которых зависит от способа учета распределения элементарных магнитных моментов и их суммирования в объеме среды. Влияние магнитного взаимодействия минеральных частиц не учитывается. Имеется незначительное изменение собственного поля и это практически не влияет на величину силы.
В уравнении поступательного движения учитываются силы тяжести, Архимедова сила и центробежная сила. Уравнение (3.2.16) связывает магнитные свойства минералов, и в общем случае оно нелинейное. Связь между намагниченностью и магнитной индукцией существенна при обогащении ферромагнитных материалов. При обогащении возможно отделение минералов, которые имеют только парамагнитные, диамагнитные свойства и бедные сростки кварца от ферромагнетиков и богатых сростков с ними. В этом случае магнитные свойства минералов практически не зависят от величины приложенного магнитного поля и уравнение (3.2.16) несущественно, то его можно не учитывать.
Уравнения движения минеральных частиц для магнитожидкостного сепаратора в поперечном сечении представлены в виде: при горизонтальном перемещении частицы (3.2.14) действует только горизонтальная составляющая пондеромоторной сипы Fx(x,y). Движение частиц в вертикальном направлении (3.2.15) происходит под действием силы Архимеда FA9 вертикальной составляющей силы тяжести FTv ,силы Архимеда и вертикальной составляющей пондеромоторной силы Fy(x,y). Если силы Архимеда и вертикальная составляющая силы тяжести являются постоянными величинами, то вертикальная составляющая пондеромоторной силы является переменной и определяющей. Уравнения (3.2.13-3.2.16) представляют собой систему уравнений. Для ее решения необходимо задать геометрические параметры сепаратора, характеристики потока жидкости и постоянных магнитов, параметры минеральных частиц. Начальные условия составляются из начальных положений частицы $o=/( oJWo) и также начальных скоростей передвижения по соответствующим координатам ,=0. Подстановка выражений сил в систему уравнений (3.2.13 3.2.15) приводит ее к тому, что раскрытая таким образом система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения. Численное решение этой системы не вызывает принципиальных трудностей. Предложены формулы, аппроксимирующие зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса. При решении системы дифференциальных уравнений не обходимо учитывать, что при больших числах Рейнольдса (Re 3000) движение частиц характеризуется постоянной вязкостью /7=0,15. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало, что коэффициент сопротивления необходимо рассчитывать по Риттингеру для частиц с диаметром не более 0,1 мм и по Стоксу - для частиц диаметром менее этой величины.
Как будет показано ниже разработанный полупромышленный сепаратор на барабане имеет номинальную скорость вращения двигателя 2750 об/мин с передаточным числом редуктора и пары шестерен равным 45, максимальную частоту барабана приблизительно / ІЛ/, угловую скорость вращения Щ = 6,28 рад/с и линейную скорость 1,02 м/с.
Исследование процесса обогащения на основе аналитического описания траекторий движения минералов
Были проведены испытания нового варианта магнитного сепаратора с оптимизированной магнитной системы и комбинированной ванной, а их результаты показаны на рис. 4.2.2, причем удавалось получить концентраты с содержанием общего железа до 64%. Такие результаты удовлетворили требования ОАО «Михайловский ГОК». 33 42 46 50 54 53 62 tt Рис. 4.2.2 Гистограммы содержаний железа в исходном питании и концентрате сепаратора ВСПБМ - 32.5/20-м. Результаты выполненных исследований использованы при выдаче ЗАО "Рудгормаш" технического задания на проектирование промышленного высокоселективного сепаратора ВПБМ - 90/100. 4.3. Оценка технологических и технико-экономических перспектив внедрения экспериментального образца магнитного сепаратора ВСГТБМ 32,5/20
На рисунке 4.3.1 показан принципиальный график зависимости содержания металла в руде и продуктах её передела от произведенных на этот передел затрат [92]. Основные затраты носят энергетический характер и направлены на разрушение межмолекулярных связей в рудах для механического отделения частиц полезного минерала от минералов пустой породы. В предельном, идеальном случае, когда разрушение происходит по поверхности срастания этих минералов (раскрытие 100%) и энергозатраты минимальны (кривая I). С другой стороны - предельный случай с максимальными затратами был известен ещё древним металлургам (кривая III). Они плавили исходную руду в восстановительной среде - углеродное топливо, разрушая все междумолекуляриые связи в кристаллической решетке, а затем отделяли металл от шлака по плотности силой тяжести, однако руды в те времена были куда более богатыми и объёмы производства незначительными. В качестве такого примера можно назвать кричный процесс, но даже эта технология включает промежуточное удаление пустой породы.
Все эти кривые на рис.1, включая и реальные (II), так или иначе, отражают ход технологического процесса получения полезного минерала холодными методами (обогащение), а затем и металла пирометаллургией, но с различной степенью совершенства, т.е. с различным уровнем затрат. Участки прямых затрат без повышения содержания металла в продукте - это процессы раскрытия минералов (дробление, измельчение или классификация продуктов по крупности).
Участки затрат, на которых содержание металла возрастает - это процессы сепарации или отделения свободных частиц полезного минерала от частиц минералов различными методами обогащения. Все известные процессы сепарации минералов также отличаются друг от друга по стоимости и эффективности разделения минералов, причем последняя зависит от контрастности свойств разделяемых минералов, которые используются при их сепарации. Анализируя вышеизложенное, можно сделать выводы относительно самых важных технологических задач, стоящих в современных условиях перед горной промышленностью и обогащением руд, решение которых возможно на современном уровне науки и техники: - достижение максимальной степени раскрытия минералов при минимальной степени измельчения руды; - обеспечение условий получения высококачественных концентратов при максимально возможном извлечении в них металла и высокой производительности сепарационных процессов; - максимальное снижение удельных затрат энергии и материалов на 1 тонну производимого металла.
Оценка экономической эффективности применения ВСПБМ -32.5/20 проведена по методике определения экономической эффективности использования новой техники, изобретений и рационализаторских предложений.
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности стадиального обогащения железных руд на основе исследования динамики разделения минералов и определения оптимальных параметров, определяющих работу магнитного сепаратора. Выполненные в работе исследования, позволили сделать следующие основные научные и практические выводы и рекомендации: 1. Разработана конструкция сепаратора для стадиального выделения готового концентрата в технологических схемах обогащения магнетитовых руд. 2. Разработаны принципы расчета и оптимизации картины магнитного поля и поля сил систем постоянных магнитов, позволяющие уменьшить тангенциальные составляющие пондеромоторных сил до 10% от радиальной составляющей. 3. Получена математическая модель сепарационного массопереноса частиц пульпы в рабочей зоне сепаратора, которая позволила определить характер движения и траектории частиц. 4. Исследовано влияние основных параметров магнитного разделения минералов на показатели обогащения . 5. На основе анализа результатов промышленных испытаний сепаратора на МГОКе определены рациональные диапазоны регулировки основных параметров сепаратора для максимального повышения эффективности сепарации: - за счет увеличения оборотов магнитной системы, приводящей к увеличению частоты вращения флокул и вероятности их раскрытия; - необходимость применения магнитной системы с магнитами различной высоты для созданий условий разрушения флокул; - необходимость вставки дополнительных полюсов, приводящая к уменьшению истирания барабана. 6. Полученные результаты проверены в реальных условиях промышленного производства при работе на концентрате ММС после первой стадии измельчения. 7. Результаты выполненных исследований были использованы при выдаче ЗАО "Рудгормаш" технического задания на проектирование промышленного высокоселективного сепаратора ВПБМ - 90/100 . 8. Расчетный экономический эффект, выполненный для условий Михайловского ГОКа, при использовании одного сепаратора ВСПБМ 90/100 составит 12,27 млн. руб. в ценах 2006 г.
