Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ по изысканию методов повышения точности разделения, как главного пути, обеспечивающего прогресс техники и технологии гравитационного обогащения руд, с целью определения направлений исследований 14
1.1. Скорость свободного установившегося падения частицы в неограниченной среде - базовый параметр для оценки точности гравитационного разделения 15
1.2. Движение частиц в стесненных условиях 24
1.3. Методы оценки точности процесса гравитационного разделения частиц 34
1.4. Некоторые методы повышения точности разделения при разработке и совершенствовании аппаратов и технологий гравитационного обогащения 42
1.4.1. Подготовительные процессы 42
1.4.2. Обогащение в объеме пульпы 47
1.4.3. Обогащение в потоках пульпы малой толщины 62
1.4.4. Обогащение пульп в центробежных полях 73
1.5. Выводы 79
1.6. Определение направлений исследований 82
2. Некоторые методические особенности проведения исследований разделения частиц в поле тяжести Земли и при наложении центростремительных ускорений 84
3. Теоретический анализ закономерностей процесса разделения частиц в гравитационном и центробежном полях 89
3.1. Разделение частиц при обогащении по физическому признаку 90
3.2. Повышение точности определения скоростей падения частиц в жидкой среде и анализ поведения падающих зерен различных минералов 99
3.3. Некоторые теоретические аспекты процесса разделения частиц в центробежных полях 121
4. Экспериментальные исследования влияния различных факторов на эффективность гравитационного разделения в статических условиях ив центробежных полях 135
4.1. Гидравлические крупности, размеры и форма частиц... 135
4.2. Результаты сравнительных испытаний центробежных концентраторов различного типа 144
4.3. Исследование реологических свойства тяжелых суспензий и особенностей тяжелосредного разделения зернистых материалов в статических условиях и в центробежных полях 191
4.4. Изучение влияния перемешивания на эффективность тяжелосредного разделения частиц в центробежных полях... 220
5. Исследования по повышению точности гравитационного разделения руд в промышленных условиях 242
5.1. Сравнительные испытания и определение точностей разделения при обогащении полиметаллической руды на конусном и винтовом сепараторах 243
5.2. Организация контроля и регулирования качества суспензии в промышленных условиях по величине полного удельного сопротивления движению эталонного тела 249
5.3. Исследование особенностей процесса разделения руды в тяжелосредном конусном сепараторе и разработка способов повышения эффективности его работы 253
5.4. Результаты испытаний в промышленных условиях тяжелосредных турбоциклонов с противоточной и прямоточной разгрузкой фракций 267
5.5. Особенности попутного извлечения золота из руд черных и цветных металлов 277
5.6. Выводы 291
- Обогащение в объеме пульпы
- Повышение точности определения скоростей падения частиц в жидкой среде и анализ поведения падающих зерен различных минералов
- Результаты сравнительных испытаний центробежных концентраторов различного типа
- Исследование особенностей процесса разделения руды в тяжелосредном конусном сепараторе и разработка способов повышения эффективности его работы
Введение к работе
Теория гравитационных процессов обогащения начала разрабатываться в конце XIX — начале XX века, что нашло отражение в трудах П.Риттингера и Р.Ричардса, которые считаются классическими. Большое значение для ее развития имели проведенные в предвоенные годы исследования П.В.Лященко, положивших начало изучению гравитационных процессов как массовых. Во второй половине XX века существенный вклад в разработку теории гравитациоонного обогащения внесли Б.В.Кизевальтер, И.МЛЗерховский, Н.Н.Виноградов,
Е.А.Непомнящий, А.И.Поваров, В.А.Олевский, И.И.Блехман, Ю.С.Бадеев, В.Н.Шохин, О.Н.Тихонов, В.И.Ревнивцев,
М.Ф.Аникин, А.Г. Лопатин, А.М.Базилевский, В.Д.Иванов, В.А.Бочаров, И.Д.Райвич и др. Из зарубежных исследователей в этой области следует отметить А.Таггарта, А.Годэна, Д.Фюрстенау, Х.Кирхберга, Т.Нессе и др.
Актуальность темы диссертации предопределяется ростом интереса к проблемам гравитационного обогащения, который наблюдается в настоящее время. Это связано с необходимостью освоения экологически чистых технологий и уменьшения энергоемкости обогатительных производств. Из-за снижения содержания в рудах полезных компонентов возрастает роль предварительных методов концентрации, в частности тяжелосредного, масштабы использования которого в России значительно меньшие, чем за рубежом. Повышение точности гравитационного разделения позволяет повысить извлечение мелкого и тонкого свободного золота из руд и россыпей, а также при попутном его извлечении из руд других металлов. Одной из важнейших проблем является вовлечение в переработку техногенных отвалов горно-обогатительного производства, в том
числе и золотосодержащих. При их обогащении особо остро стоят вопросы реализации простых и экономичных технологических схем без использования токсичных реагентов на базе гравитационных методов с повышенной точностью разделения.
Целью настоящей работы является повышение эффективности гравитационного обогащения руд на основе теоретических исследований и разработок методов увеличения точности разделения в статических и инерционных полях.
Основная идея работы заключается в изучении и учете влияния на показатели процесса гравитационного обогащения физических характеристик исходного сырья и среды разделения, а также взаимодействия их друг с другом.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Определение точности разделения при обогащении руд физическими методами, в том числе гравитационными, через сумму взаимных засорений разделяемых фракций с известными уровнями аналитических параметров.
2. Способ вычисления коэффициента формы минеральных частиц, выражаемого отношением экспериментально измеренной гидравлической крупности к гидравлической крупности эквивалентного шара, а также количественная оценка эффекта псевдоукрупнения частиц в центробежных полях с использованием зависимостей, предложенных автором.
3. Метод комплексной оценки реологических свойств тяжелых суспензий, применяемых при тяжелосредном обогащении, через полное удельное сопротивление движению шара в суспензии.
4. Обоснование целесообразности использования центробежных аппаратов с псевдостатическим режимом разделения, обеспечивающим минимизацию перемешивания среды, для
достижения высокой эффективности тяжелосредного обогащения мелких классов руд.
5. Впервые показано, что в центробежных концентраторах реализуются преимущественно классифицирующий или сегрегационный режимы разделения, при которых соответственно происходит либо вымывание тонких частиц из концентрата, либо увеличение их доли в концентрате. Это обеспечивает в последнем случае более высокий уровень извлечения тонких тяжелых частиц.
6. Установлено что в процессе дезинтеграции руд происходит изменение формы частиц золота, снижающее его извлечение и обусловливающее необходимость его выделения на ранних стадиях измельчения по мере раскрытия. Морфология природного самородного золота и её трансформация на различных стадиях обогатительного передела определяет структуру технологической схемы и выбор основного обогатительного оборудования.
Научная новизна работы :
- обоснован новый метод определения точности разделения по сумме взаимных засорений разделяемых фракций;
- предложена новая формула для определения скорости свободного падения частиц в среде, которая позволяет проанализировать особенности псевдоукрупнения частиц в центробежных полях, приводящее к повышению скорости падения и точности их разделения;
- разработан метод экспериментального измерения гидравлической крупности частиц на сконструированном гидростатическом анализаторе, что дает возможность определять коэффициент формы частиц, как отношение фактической гидравлической крупности частиц к гидравлической крупности эквивалентного шара, вычисленной по формуле автора, а также вариации коэффициента формы у частиц минерала одной гидравлической крупности;
разработан метод контроля реологических свойств тяжелой суспензии по полному удельному сопротивлению движению в ней эталонного шарового пробного тела, позволивший исследовать особенности движения тел различной крупности и формы при тяжелосреднои сепарации в гравитационном и центробежных полях;
- сформулирован и обоснован принцип псевдостатического режима центробежного разделения, при котором уменьшается перемешивание в рабочей зоне сепаратора и повышается точность разделения; определены режимы центробежной псевдостатической тяжелосреднои сепарации мелких классов руд, позволяющие снизить ошибки разделения по сравнению с вихревыми аппаратами, гидроциклонами, Dynawerpool, Try Flo и др., в два - три раза;
- впервые с использованием математических методов планирования экспериментов выполнено объективное сравнение точности разделения на центробежных концентраторах различных видов и показано, что аппараты сегрегационного типа лучше извлекают частицы тяжелых компонентов крупностью менее 40 мкм, чем
Ш аппараты классифицирующего типа;
- установлено, что зависимости извлечения на центробежных концентраторах тяжелых частиц от их гидравлической крупности с достаточно высокой точностью подчиняются логарифмически- нормальному закону распределения;
- подробно изучено влияние формы частиц золота на их извлечение на гравитационных аппаратах, показано, что при дезинтеграции руд происходит изменение морфологии золотин, обусловливающее ухудшение их извлечения в концентрат, доказана целесообразность
Ш) . извлечения золота поэтапно по мере его раскрытия в циклах
измельчения-классификации.
Практическая ценность работы.
Предложенный метод оценки точности разделения по сумме взаимных засорений разделяемых фракций позволяет оптимизировать режимы работы гравитационных аппаратов и повышать эффективность гравитационного обогащения на обогатительных фабриках. Разработанный "метод определения гидравлической крупности частиц и их коэффициентов формы дает возможность прогнозировать результаты гравитационного разделения руд расчетным путем без проведения технологических экспериментов, ускорить и удешевить выполнение исследований руд на обогатимость на первых этапах.
Оценка реологических свойств суспензий по полному удельному сопротивлению движению в них эталонного шарового тела позволяет контролировать и регулировать качество суспензий в промышленных условиях, что способствует повышению показателей тяжелосредного обогащения. На основе этого метода оценки реологических свойств суспензий впервые обоснована возможность тяжелосредного разделения в суспензии плотностью до 3,8 г/см с
0 использованием отечественного гранулированного ферросилиция,
что нашло место в технологии разделения хромитовых руд Сопчеозерского месторождения, принятой к проектированию. Поскольку на точность тяжелосредного разделения существенно влияет концентрация продуктов разделения в верхнем слое суспензии и в объеме ванны сепаратора, предложены методы снижения концентрации продуктов, использованные для повышения выхода легкой фракции и для разработки автоматической системы управления технологией разделения. По результатам исследований
,jk) точности центробежного тяжелосредного разделения в аппаратах с
вихревым и псевдостатическим режимами движения пульпы разработана конструкция высокопроизводительного тяжелосредного
псевдо статического турбоциклона с повышенной точностью разделения мелких классов руд.
(Щ Предложенный метод определения содержания свободного
самородного золота в руде путем сопоставления циркуляционных нагрузок в измельчительном переделе по руде, основным его носителям и по самому золоту дает возможность оперативно выполнять в промышленных условиях оценку доли золота, извлекаемого гравитационными методами, и целесообразности проведения работ по его попутному извлечению. Выполненное сравнение центробежных концентраторов различных типов и
г изучение влияния основных факторов на показатели их работы в
сочетании с исследованиями влияния формы частиц золота позволило разрабатывать оптимальные схемы попутного его извлечения из руд черных и цветных металлов. Реализация результатов работы.
Полученные результаты использованы при проектировании новых обогатительных установок, проверены и внедрены на ряде предприятий. В цехе тяжелых суспензий Зыряновской
Ш обогатительной фабрики:
- внедрен метод контроля за качеством суспензий, позволивший повысить выход легкой фракции из руды на 1,5-2%;
- на конусных сепараторах всех секций снижена концентрация всплывшего продукта в верхних слоях суспензии, что увеличило выход легкой фракции на 1,8-2,2%;
- полностью исключены аварийные завалы конусных сепараторов рудой; разработанный метод контроля за общей концентрацией продуктов разделения положен в основу автоматической системы
/Щ) управления технологией обогащения в цехе;
- внедрено тяжелосредное обогащение крупнокусковых руд по двум классам крупности, повысивший выход легкой фракции на 3%.
На Белогорском горно-обогатительном комбинате использован метод контроля за качеством суспензий при освоении тяжелосреднои установки, что позволило успешно реализовать разделение руд с разницей плотностей полевого шпата и кварца менее 0.1 г/см и обеспечить получение значительного экономического эффекта.
Результаты исследований в области попутного извлечения золота, принятые для проектирования гравитационных переделов, реализованы на Зыряновской и Гайской обогатительных фабриках, обеспечив повышение извлечения золота на них на 3-5% от руды. V} На Александрийской обогатительной фабрике разработанная
схема попутного извлечения золота принята к внедрению.
Техническая новизна конструкторских и технологических работ защищена 14 авторскими свидетельствами и двумя патентами Российской Федерации.
Методы исследований.
\Т При проведении исследований использовались современные методы минералогического, гранулометрического, фазового, пробирного, спектрального, химико-аналитического анализов.
С целью сокращения количества опытов и одновременного повышения точности информации при выполнении исследований применялись математические методы планирования экспериментов, в частности, ортогональное центральное рототабельное униформпланирование второго порядка с оценкой значимости коэффициентов при факторах по критерию Стьюдента.
Гранулометрический анализ тонких продуктов выполнялся с помощью полуавтоматического анализатора микроизображений ф МОП-Videoplan (ФРГ) в иммерсионной жидкости и на шлифах.
Оценка влияния различных факторов на точность гравитационного разделения осуществлялась на пробных телах,
искусственных смесях и на рудах различных месторождений с использованием статистических методов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на ХП (1977г.9 Сан-Пауло, Бразилия), XVII (1991г., Дрезден, ФРГ) и XXI (2000 г., Рим, Италия) Международных конгрессах по обогащению полезных ископаемых (ГМРС), а также на международных и внутрироссийских совещаниях, в том числе на совещаниях «Плаксинские чтения» (2002, 2001, 1998 и др.), Юбилейной научной сессии к 275-летию Российской академии наук (1999 г.), 1-ой (1997 г.) и 2-ой (2001 г.) Международных конференциях «Драгоценные металлы и камни» в г.Иркутске, Международной конференции «Восток-Запад» (Санкт-Петербург, 2002 г.) и других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных трудов, основные результаты исследований изложены в 48 печатных работах, в том числе в двух брошюрах и трёх докладах Международных конгрессов по обогащению полезных ископаемых (IMPC).
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 324 страницы основного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников из 213 наименований и приложений, включает 83 рисунка и 36 таблиц.
Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе дается обзор работ, посвященных изучению путей повышения точности гравитационного обогащения материалов. Вторая глава посвящена изложению методических особенностей проведения работ, которые предопределяются прежде всего необходимостью сочетания детерминистских и статистических подходов, что в свою очередь потребовало во многих случаях использования математических методов планирования экспериментов. В третьей главе приведены результаты теоретического анализа закономерностей разделения частиц в гравитационном и центробежном полях. В четвертой главе
изложены результаты экспериментальных исследований влияния основных факторов при гравитационном обогащении на точность разделения, рассмотрены особенности работы центробежных концентраторов различных фирм, приведены данные исследований реологических свойств суспензий и их влияние на показатели тяжело средного обогащения в статических условиях и в центробежных полях, а также влияние интенсивности перемешивания на точность разделения при центробежном разделении в аппаратах вихревого и псев до статического типов.
Пятая глава посвящена работам , по повышению точности гравитационного разделения, выполненных в промышленных условиях, позволившие обеспечить рост технологических показателей работы гравитационных переделов, а также предложить ряд решений, использованных при проектировании, строительстве новых и реконструкции действующих обогатительных установок.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам института «Механобр» д.ф.-м.н. И.И.Блехману и к.т.н. А.М.Базилевскому, обсуждение с которыми проблем гравитационного обогащения дало возможность автору сконцентрировать внимание на вопросах, легших в основу настоящей диссертации, а также к.г.-мн.н. Г.Я.Аксеновой, В.И.Заворотынскому, к.г.-мн.н.С.В.Петрову, ВА.Пузыреву,
к.т.н.В.И.Самусенко, Т.И.Тасиной и к.т.н.Е.Н.Шумской за сотрудничество при проведении экспериментальных и конструкторских работ.
Обогащение в объеме пульпы
К гравитационным процессам, осуществляемых в объеме пульпы, относятся отсадка и обогащение в тяжелых средах. Точность разделения при отсадке различных материалов, как уже отмечалось, обычно выражается величиной вероятного отклонения Ерт (формула 1.33), при этом для угля и руд различной крупности Ерщ может принимать значения от 0,12 до 0,30 г/см [3]. Большие значения вероятного отклонения относятся к отсадке мелких классов. Точность разделения угля несколько лучше, чем руды [69]. Есть сведения об успешном извлечении отсадкой касситерита крупностью вплоть до 50 мкм при тщательном обесшламливании [60]. Литература, посвященная отсадке, весьма обширна и разнообразна. Несмотря на это общепризнанной полной теории отсадки не разработано до сих пор. Основными факторами, определяющими работу отсадочных машин, являются: длина хода и число колебаний поршня, диафрагмы или решета (у машин с подвижным решетом); характеристика цикла движения воды; количество подаваемой подрешетной воды; удельная производительность отсадочной машины на квадратный метр решета; характеристики постели (искусственная, естественная, крупность, высота). Не останавливаясь подробно на влиянии каждого из этих факторов на процесс разделения, следует отметить, что мнения различных исследователей по этому вопросу весьма противоречивы. Значительное количество работ было посвящено изучению влияния различных циклов вертикального движения воды: гармонический и обратный циклы, циклы Майера, Берда, Томаса. Опыт практической работы и анализ большого количества литературных источников заставляют согласится с выводами, к которым пришли А.М.Базилевский и Б.В.Кизевальтер [70], о том, что для выбора параметров колебаний при отсадке определяющее значение имеет разрыхление постели, и что, изменив число колебаний и цикл отсадки, можно получить результаты обогащения, близкие к оптимальным, полученным на другом цикле. Большинство исследователей, несмотря на то, что отсадка позволяет работать с рудой в довольно широком диапазоне крупностей, все же рекомендуют крупные и мелкие классы перерабатывать раздельно. В то же время И.Д.Райвичем [59] /4ы получена весьма высокая эффективность разделения на поршневых отсадочных машинах при обогащении руды крупностью -50+2 мм с достижением Ерт=0,1-0,12 г/см . Последнее, видимо, объясняется спецификой крупнокусковой отсадки как предварительного обогатительного процесса, когда целью разделения является получение легкой фракции с минимальными потерями ценных компонентов, а не концентрата.
В целом считается, что наиболее высокую точность разделения можно достичь на отсадочных машинах воздушно-пульсационного Щ типа, отличающихся высокой гибкостью в управлении и позволяющих тонко настраивать процесс отсадки (Epm = 0,1 — 0,15 г/см ). С другой стороны диафрагмовые отсадочные машины проще дешевле и требуют меньше места, хотя и менее точны (Ерт=0,15 -0,30 г/см3 ). Во многом точность разделения на отсадочных машинах зависит от тщательности их настройки и от правильной подготовки материала к разделению. Обогащение тонкоизмельченного материала всегда было трудной проблемой при гравитационном разделении, в том числе и при отсадке. Попытки использовать разность ускорений мелких частиц разной плотности в начальный момент падения в воде привели к созданию высокочастотных отсадочных машин (И.М.Нестерова, В.А.Шмелева и др.). Однако большое количество работ по испытанию различных образцов высокочастотных отсадочных машин показало, что эффективность их работы низка и сильно зависит от крупности обогащаемого материала, удельной нагрузке на решето, от сложности руды. При этом ожидаемого повышения эффективности обогащения мелких и тонких частиц по сравнению с обычными машинами достигнуто не было [15]. В 70-х годах в институте «Механобр» велись работы по созданию центробежной отсадочной машины. В то время создать такой аппарат не удалось - из-за трудностей разгрузки тяжелой фракции, хотя результаты лабораторных испытаний были обнадеживающими. В настоящее время известна австралийская центробежная отсадочная машина фирмы Kelsey, которая по рекламным материалам фирмы при значительных производительностях позволяет эффективно извлекать тяжелые частицы крупностью 20-30 мкм и менее. Однако промышленные испытания такой машины на Ковдорской обогатительной фабрике, где она должна была извлекать бадделеит крупностью 30-50 мкм. окончились неудачно. В АОЗТ НТЦ ГОМ (г.Новосибирск) разработана центробежная отсадочная машина ЦОМ-1 на базе серийно выпускаемой отсадочной машины типа МОД [71]. Ее испытания на доводочной фабрике Новосибирского оловозавода (ОАО НОК) показали, что она может быть использована вместо концентрационных столов для доизвлечения олова. Данных о величинах Epm , либо других показателей точности разделения, кроме технологических, ни для машины Kelsey, ни для ЦОМ-1 в технической литературе нами не найдено.
Особый интерес представляет применение отсадочных машин в циклах измельчения-классификации для попутного извлечения благородных металлов из руд черных, цветных, редких металлов и нерудного сырья. Отсадка при этом работает при очень больших удельных нагрузках (до 50 - 70 т/м решета), причем извлекаются вместе с крупными достаточно тонкие частицы высокой плотности [14]. Этот вариант использования отсадки изучен недостаточно. В частности было бы интересно сравнить отсадку с другими методами улавливания благородных металлов в циклах измельчения-классификации, с такими как короткоконусные гидроциклоны, винтовые и конусные сепараторы, центробежные концентраторы. Для такого объективного сравнения необходимо разработать метод оценки точности разделения частиц различной плотности и крупности. Мы не будем останавливаться на процессах разделения руд в тяжелых жидкостях, не нашедших распространения в производстве из-за дороговизны, ядовитости и проблем экологического характера, хотя при их использовании возможно достижение очень высокой точности разделения, Ерт 0,01 г/см [35].
В области обогащения руд и материалов в тяжелых суспензиях в мировой практике во второй половине XX века был достигнут значительный прогресс. Во многом это было связано с разработкой объективных статистических методов оценки точности разделения, что позволило высокими темпами вести совершенствование конструкций сепараторов и технологических схем. В настоящее время это единственный в обогащении процесс, в котором возможно достоверное прогнозирование результатов тяжелосредного разделения руд в промышленных условиях на основе данных гравитационного и гранулометрического анализов. В то же время в интерпретации результатов определения точности разделения при обогащении руд в тяжелых суспензиях имеет место ряд неточностей, связанных прежде всего с тем, что исследователи нечетко проводят грань между средним квадратичным отклонением, определяемым качеством суспензии, особенностями конструкции аппарата, и средним квадратичным отклонением кривой Терра-Тромпа, последнее кроме погрешностей самого тяжелосредного процесса включает гравитационную характеристику обогащаемого материала. Ведь если какая-либо руда имеет неблагоприятную гравитационную характеристику, то она не может быть эффективно разделена на самом совершенном обогатительном аппарате. Особенно внимательно это нужно учитывать при оценке работы промышленных тяжелосредных установок в условиях непрерывно изменяющихся свойств подаваемого исходного питания.
Повышение точности определения скоростей падения частиц в жидкой среде и анализ поведения падающих зерен различных минералов
В гравитационных процессах обогащения скорость падения частиц в среде является важнейшим параметром, определяющим производительность обогатительных аппаратов и точность разделения в них. Обогащение в потоках пульпы происходит в стесненных условиях, однако скорости падения частиц при этом, как признает большинство исследователей, являются функцией конечных скоростей их свободного падения (гидравлических крупностей). Как было показано в 1 главе, определение скоростей свободного падения частиц по ранее предложенным формулам, охватывающим весь рабочий диапазон чисел Рейнольдса, производится со значительными ошибками или связаны с необходимостью итерационных счетов, с использованием таблиц. Попытки автора оптимизировать коэффициенты в формулах Р.Б.Розенбаум и О.М.Тодеса (.1.14 и 1.15) [148] к принципиальному повышению точности определений не привели, хотя и не поколебали убеждения, что формула должна иметь вид, подобный (1.14). Задачу удалось решить путем введения дополнительно критерия Аг в степени 1/3 в знаменатель формул (1.14 и 1.15) с последующей оптимизацией коэффициентов. В результате получились следующие зависимости для расчета числа Рейнольдса Re и конечной скорости и свободного падения частицы в среде [149]. В табл. 3.2 приведены результаты сравнения формул (1.14) и (3.5). Расчеты выполнены : следующим образом. За основу принята табл. 1.1, в которой приводятся экспериментальные значения коэффициента сопротивления Ч движению шарового тела при его свободном падении в жидкой среде при различных числах Рейнольдса Re (данные кривой Релея). Большая часть проверок, различных аналогичных формул многими исследователями велась именно на базе этих данных [2, 4, 5, 7]. По табличному значению Re и экспериментальному значению Ч по формулам (1.-12) и (1.13), связывающим Re с критерием Архимеда вычислялось значение Аг. Затем по формулам (1.14) и (3.5) вновь рассчитывалось значение R-Єрасч , которое сравнивалось с табличным Re с определением относительных ошибок при каждом табличном значении Re, а также средних квадратичных ошибок по всему диапазону значений. Из таблицы 3.2 видно, что максимальная относительная ошибка определения Re по формуле Розенбаум-Тодеса достигает 12,6%, что совпадает с результатами проверки Б.В.Кизевальтером [3, 7], а средняя относительная квадратичная ошибка по всему диапазону чисел Рейнольдса от 0,001 до 10000 равна 6,6%. Максимальная относительная ошибка по формуле (3.5) равна 4,6%, средняя квадратичная 2,5%. Так как скорость свободного падения частиц по определению (формула 1.1) прямо пропорциональна числу Re, а остальные переменные (диаметр частицы и кинематическая вязкость среды) задаются, то и точность определения скорости будет одинакова с точностью определения Re.
Таким образом, предлагаемая формула для вычисления конечной скорости свободного падения частиц (3.6) в широком диапазоне чисел Рейнольдса, полностью охватывающего условия гравитационного обогащения, является самой точной из всех известных. Кроме этого, она сохраняет главное достоинство формулы Розенбаум-Тодеса — для выполнения вычислений достаточно задать размер частицы, ее плотность, плотность и кинематическую вязкость среды ( при температуре 20С плотность воды 1 г/см3, кинематическая вязкость 0,01 см2/с). Большой интерес представляет возможность сравнить точность определения коэффициента сопротивления движению шарового тела в среде, в частности, в воде по различным формулам, известным из научной литературы и по, формуле (3.5). Ограниченности применения формул Стокса, Аллена и Риттингера общеизвестны, поэтому нет смысла еще раз это доказывать. Произведем такое сравнение для формул Антонычева-Нагирняка и Олевского (1.9), Розенбаум-Тодес (1.14) и предложенной автором (3.5). Для того чтобы привести последние две формулы к зависимости 4J - f(Re), используем критерий Лященко Li и его связь с критерием Архимеда Аг (формулы 1.12 и 1.13): Раскрывая скобки, получим: Ч =(158,44/Аг+12,75/Аі?/3)+(9 11/Аг1/2 +0,26/Агш +0,37/Аг1/3 ) + 0,131 При проведении сравнений задается табличное значение Re, вычисляется Аг (из 3.7) и затем Ч7 по сопоставляемым формулам, которое сравнивается с его табличным значением. На рис.3.3 приведены относительные отклонения расчетных значений коэффициентов сопротивления от экспериментальных по формулвм (1.9) Антонова-Нагирняка, Розенбаум-Тодеса (3.10) и автора (3.11). Из рис.3.3 следует, что наименьшие погрешности имеет формула автора. На рис.3.4 видно, что составляющие уравнения Розенбаум-Тодеса (3.10) в логарифмических координатах нелинейны. Они и не могут быть линейными, поскольку критерии Аг и Re, согласно (3.7), связаны сложной зависимостью. После возведения в квадрат скобок в числителе (3.11) и приведения подобных получается сложное выражение, в котором можно выделить постоянный член а = 0,131, соответствующий турбулентному режиму обтекания и формуле Риттингера, а также, член, который состоит из суммы (158,44/Ar + 12,75/Аг2/3), соответствующий формуле Стокса и ламинарному режиму обтекания, что доказывается практически линейной зависимостью этого выражения от числа Рейнольдса (рис.3.5). Эта составляющая в логарифмических координатах направлена под углом 45 к осям и отсекает на оси у при Re=l отрезок, практически равный Зтг=9,42, то есть эта зависимость может быть представлена, как Зтг/Re, что соответствует формуле Стокса. За вычетом указанных составляющих в раскрытом уравнении (3.11) остается многочлен с дробными степенями при критерии Аг. Всё это выражение соответствует составляющей коэффициента сопротивления, связанной с пограничным слоем Прандтля.
Результаты сравнительных испытаний центробежных концентраторов различного типа
В области гравитационного обогащения одной из важнейших проблем является создание высокопроизводительных аппаратов для эффективного извлечения из руд тонких тяжелых минеральных зерен и, в частности, свободных частиц благородных металлов. В последние годы наблюдается существенный прогресс в этом направлении, связанный с появлением большого количества центробежных сепараторов различных типов, из которых . наибольшее распространение получили концентраторы Knelson. В то же время в рекламных материалах мы повсеместно встречаем утверждения о возможности успешного извлечения тяжелых минеральных частиц крупностью до единиц микрометра, например, на концентраторе Knelson, однако некоторые источники, базируясь на опыте промышленной эксплуатации, утверждают, что граница эффективного использования концентраторов Knelson и Falcon не опускается ниже 30 мкм [151]. Безусловно большой интерес представляют данные об испытаниях MGS сепаратора Mozley, на Щ) котором удается успешно извлекать очень мелкие тяжелые частицы (10 мкм и менее), однако в этом сепараторе разделение идет в тонком слое, что предопределяет его малые производительности. Кроме этого, он весьма чувствителен к присутствию зерен крупнее 50 мкм, которые на нем обогащаются неудовлетворительно [144]. Поэтому применение MGS сепаратора ограничено. Как уже отмечалось ранее, множество конструкций чашевых центробежных концентраторов с нарифлениями можно разделить на два типа: концентраторы, в которых разрыхление осевшего продукта
Щ производится тонкими струями воды (Knelson, Falcon, "Итомак" ), и концентраторы в которых разрыхление постели осуществляется механическим путем за счет наложения высокоинтенсивных планетарных колебаний (например, ЦБК ОАО «Грант») или за счет деформации мягкой чаши (ЦКПП МНПО «Полиметалл»). Проведение сравнительных испытаний различных обогатительных машин всегда связано с необходимостью поддержания оптимальных условий работы каждого аппарата, а также с достаточно высокой точностью определения результатов разделения. Для сопоставления нами выбраны три аппарата близкого размера и производительности с различными принципами разрыхления осевшего продукта - Knelson-3", Falcon SB-40 и ЦВК- 100 конструкции ОАО «Грант». На рис.4.4, 4.5 и 4.6 показаны принципиальные схемы этих концентраторов. Концентратор Knelson-З" (рис.4.4) состоит из основного рабочего органа — чаши 1, ватержакета 2, крышки 3, полого вала 4, шкива 5, который приводится во вращение электродвигателем, сальника . 6 и неподвижного патрубка с пробковым краном 7. Исходная пульпа подается в нижнюю центральную часть чаши 1 раскручивается и под действием центробежных сил выбрасывается через верх чаши. Тяжелые частицы оседают в каналы между нарифлениями. На W донной части каналов имеется большое количество отверстий, сквозь которые под давлением из ватержакета 2 подается С ожижающая вода, разрыхляющая осевшие тяжелые частицы, что совершенно необходимо для успешного разделения. Отверстия направлены почти по касательной по ходу вращения, что разработчиками аппарата объясняется необходимостью обеспечения движения осевшей постели вдоль по каналам, хотя по нашему мнению это скорее всего сделано, чтобы уменьшить попадание тяжелых частиц в ватержакет, о чем мы еще будем говорить позже. Щ Контроль за количеством ожижающей воды в лабораторном и в промышленном концентраторах осуществляется по давлению воды, подаваемой через сальник. Точность определения на стрелочном В области гравитационного обогащения одной из важнейших проблем является создание высокопроизводительных аппаратов для эффективного извлечения из руд тонких тяжелых минеральных зерен и, в частности, свободных частиц благородных металлов. В последние годы наблюдается существенный прогресс в этом направлении, связанный с появлением большого количества центробежных сепараторов различных типов, из которых . наибольшее распространение получили концентраторы Knelson. В то же время в рекламных материалах мы повсеместно встречаем утверждения о возможности успешного извлечения тяжелых минеральных частиц крупностью до единиц микрометра, например, на концентраторе Knelson, однако некоторые источники, базируясь на опыте промышленной эксплуатации, утверждают, что граница эффективного использования концентраторов Knelson и Falcon не опускается ниже 30 мкм [151]. Безусловно большой интерес представляют данные об испытаниях MGS сепаратора Mozley, на) котором удается успешно извлекать очень мелкие тяжелые частицы (10 мкм и менее), однако в этом сепараторе разделение идет в тонком слое, что предопределяет его малые производительности. Кроме этого, он весьма чувствителен к присутствию зерен крупнее 50 мкм, которые на нем обогащаются неудовлетворительно [144]. Поэтому применение MGS сепаратора ограничено.
Как уже отмечалось ранее, множество конструкций чашевых центробежных концентраторов с нарифлениями можно разделить на два типа: концентраторы, в которых разрыхление осевшего продукта Щ производится тонкими струями воды (Knelson, Falcon, "Итомак" ), и концентраторы в которых разрыхление постели осуществляется механическим путем за счет наложения высокоинтенсивных планетарных колебаний (например, ЦБК ОАО «Грант») или за счет деформации мягкой чаши (ЦКПП МНПО «Полиметалл»). Проведение сравнительных испытаний различных обогатительных машин всегда связано с необходимостью поддержания оптимальных условий работы каждого аппарата, а также с достаточно высокой точностью определения результатов разделения. Для сопоставления нами выбраны три аппарата близкого размера и производительности с различными принципами разрыхления осевшего продукта - Knelson-3", Falcon SB-40 и ЦВК- 100 конструкции ОАО «Грант». На рис.4.4, 4.5 и 4.6 показаны принципиальные схемы этих концентраторов. Концентратор Knelson-З" (рис.4.4) состоит из основного рабочего органа — чаши 1, ватержакета 2, крышки 3, полого вала 4, шкива 5, который приводится во вращение электродвигателем, сальника . 6 и неподвижного патрубка с пробковым краном 7. Исходная пульпа подается в нижнюю центральную часть чаши 1 раскручивается и под действием центробежных сил выбрасывается через верх чаши. Тяжелые частицы оседают в каналы между нарифлениями. На донной части каналов имеется большое количество отверстий, сквозь которые под давлением из ватержакета 2 подается С ожижающая вода, разрыхляющая осевшие тяжелые частицы, что совершенно необходимо для успешного разделения. Отверстия направлены почти по касательной по ходу вращения, что разработчиками аппарата объясняется необходимостью обеспечения движения осевшей постели вдоль по каналам, хотя по нашему мнению это скорее всего сделано, чтобы уменьшить попадание тяжелых частиц в ватержакет, о чем мы еще будем говорить позже. Щ Контроль за количеством ожижающей воды в лабораторном и в промышленном концентраторах осуществляется по давлению воды, подаваемой через сальник. Точность определения на стрелочном
Исследование особенностей процесса разделения руды в тяжелосредном конусном сепараторе и разработка способов повышения эффективности его работы
Гравитационный анализ легких и тяжелых фракций, полученных в конусном сепараторе диаметром 6 м Зыряновской обогатительной фабрики, показывает, что, несмотря на высокую культуру производства, автоматическое поддержание плотности суспензии с точностью 0,01-0,02 г/см , контроль за качеством суспензии и т.д., взаимные засорения фракций сравнительно велики. Для примера приведем данные гравитационного анализа фракций, полученных из смешанной руды зыряновской фабрики (табл.5.2). Из таблицы видно, что в легкой фракции присутствует 12% кусков руды плотностью более 2,69 г/см , а в тяжелой фракции 24,5% кусков руды плотностью менее 2,67 г/см . Так как выходы тяжелой и легкой фракций от руды близки (30 и 33%), содержание кусков с плотностью 2,67-2,69 г/см в обеих фракциях практически одинаково (13 и 13,2%), граница разделения соответствует плотности 2,68 г/см . В рудах зыряновской фабрики минимальная плотность кусков равна 2,64-2.65 г/см3. Принимая по гравитационному анализу плотность самого легкого продукта в тяжелой фракции, равной 2,66 г/см , и подсчитав его выход от суммы выходов легкой и тяжелой фракций от всей руды (63%), получим : 24,5 0.30/0,63=22,9%. Это по таблице нормальной функции распределения [54] будет соответствовать -0,74а. Таким образом средняя квадратичная ошибка тяжелосредного разделения в конусном сепараторе будет равна (2.68 - 2,66) / 0.74 = 0,027 г/см , а Ерт=0,019. И все же, несмотря на столь высокую точность разделения, исследования в промышленных условиях показали, что определенные резервы дальнейшего повышения точности разделения имеются.
Прежде всего обращала на себя внимание высокая концентрация твердого в верхнем слое суспензии. Разгрузочное лопастное устройство недостаточно эффективно разгружало легкую фракцию, и некоторая ее доля увлекалась круговым поверхностным потоком суспензии в зону загрузки исходной рудой, где, видимо, мощным циркуляционным потоком суспензии, поступающим вместе с рудой, частично увлекалось на большую глубину, откуда попасть.в верхние слои ей уже было затруднительно, поскольку в структурированной суспензии разница плотности легкой фракции и плотности разделения слишком мала (не более 0,02-0,04 г/см ). Для проверки этого предположения были поставлены опыты по определению вероятности попадания в тяжелую фракцию пробных шаровых тел различной плотности. Шары, закрепленные на прочной леске с метками, бросались в зону загрузки в поток руды и суспензии, а затем через 5 секунд вынимались из-под слоя легкой фракции. Было установлено, что пробные тела, погрузившиеся на глубину более 300 мм до самого разгрузочного порога не всплывали в легкую фракцию, а нисходящими потоками увлекались в центральный эрлифт, разгружающий тяжелую фракцию. В табл.5.3. приведены результаты опытов с шаровыми телами различной плотности. Для набора статистики шар каждой плотности забрасывался в зону загрузки сепаратора по 40 раз. Оценка скоростей погружения шаровых тел различной плотности за 5 секунд показало, что разделение кусков руды идет в соответствие со значениями полного удельного сопротивления суспензии, кроме зоны загрузки, где обнаружен сильный нисходящий поток суспензии.
Опробование верхнего слоя суспензии ведром с сетчатым дном позволило снять картину распределения кусков руды в различных точках поверхностного слоя суспензии конусного сепаратора. Объемная концентрация кусков руды в рабочей зоне разделения составляет 25-45%, а в зонах загрузки и разгрузки повышается до 55%. Столь высокие объемные концентрации в поверхностном слое суспензии, безусловно снижают эффективность разделения. Концентрация кусков за зоной разгрузки не ниже, чем в рабочей зоне разделения, несмотря на принудительную разгрузку легкой фракции лопастным съемником. Для уменьшения концентрации кусков руды в верхнем слое суспензии нами было предложено установить за зоной разгрузки (если смотреть по ходу движения потока суспензии) регулируемую вертикальную решетчатую перегородку, нижний край которой может быть опущен вплоть до верхнего плеча мешалки. Перегородка, названная решетчатым заградителем, была изготовлена из плетеной сетки со стороной квадрата 16 мм. Испытания показали, что наиболее эффективно решетчатый заградитель работает при максимальной глубине погружения под слой суспензии (около 300 мм). На рис.5.5-6 показано место установки решетчатого заградителя. Решетчатый заградитель способствовал резкому снижению концентрации продуктов обогащения, в верхнем слое суспензии. Из рис.5.5-6 видно, что объемные концентрации продуктов обогащения в рабочей зоне снизились более, чем в полтора раза, а в слое суспензии за зоной разгрузки более, чем в два раза. Это благоприятно отразилось и на показателях тяжелосредного разделения. Сравнительные испытания в течение трех месяцев решетчатого заградителя убедительно показали его высокую эффективность. Применение решетчатого заградителя позволило на 1,5-2% повысить выход отвальной легкой фракции. В табл.5.4 приведены результаты посменных опробований работы конусного сепаратора с решетчатым заградителем и без него. Решетчатый заградитель в этой серии опытов опускался в начале смены, затем отрабатывалась смена (8 часов), после этого заградитель поднимался и отрабатывалась смена без него и т.д. Из таблицы 5.4 видно, что решетчатый заградитель обеспечил в среднем повышение выхода отвальной легкой фракции на 1,8%. Аналогичные долговременные испытания проводились при посуточной смене режимов работы. Они подтвердили полученные результаты. Решетчатые заградители были установлены на конусных сепараторах всех секций цеха тяжелых суспензий. На конструкцию решетчатого заградителя получено авторское свидетельство [153].
