CC BY
27
УДК 66.086.4:622.778.3
В. Н. Тыртыгин, А. А. Денисковец, Н. А. Собгайда, И. Г. Шайхиев
ЭМПИРИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ПРОГНОЗА РЕЗУЛЬТАТОВ МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ КАОЛИНОВ
Ключевые слова: эмпирическая функция, прогноз, месторождения каолина, высокоградиентная магнитная сепарация,
обогащение, процесс, параметры, оксиды железа и титана.
Построена эмпирическая функция прогноза результатов мокрого магнитного обогащения каолина белорусского месторождения Дедовка на основе результатов магнитного обогащения каолинов Глуховецкого, Алексеевского, Чалгановского и Кыштымского месторождений.
Keywords: empirical function, forecast, deposits of kaolin, high-gradient magnetic separation, enrichment, the process parameters,
iron and titanium oxides.
Built empirical function of the forecast results of wet magnetic separation of kaolin deposits of the Belarusian Dedovka based on the results of magnetic separation of kaolin Glukhovtsy, Alekseevskogo, Chalganovskogo and Kyshtym deposits.
Введение
Магнитная сепарация является одной из наиболее широко применяемых технологий обработки материалов, чувствительных к неоднородному магнитному полю. Широкое распространение магнитной сепарации обусловлено рядом её преимуществ: возможностью изменения магнитных сил в широком диапазоне, сравнительно простой реализацией комбинированного воздействия на материалы путём использования сил другой физической природы, большим диапазоном гранулометрических и магнитных свойств сепарируемых материалов, экологической чистотой технологии и возможностью её применения в регионах с различными климатическими условиями и т.д.
Наибольшее развитие метода магнитной сепарации приходится на вторую половину прошлого века, когда названная технология прошла этап от сравнительно простой магнитной обработки сильномагнитных крупнозернистых материалов до значительно более сложной технологии сепарации тонкодисперсных слабомагнитных частиц. Реализация этой технологии требовала увеличения на два-три порядка магнитных сил. Повышение плотности тока обмоток за счет их эффективного охлаждения, применение сверхпроводящих магнитных систем, разработка
высокоэнергетических постоянных магнитов частично способствовали прогрессу в данной области, но не обеспечили революционного прорыва. Другим существенным этапом в развитии магнитной сепарации слабомагнитных руд стала технология высокоградиентной магнитной сепарации (ВГМС), когда одновременное локальное усиление поля и его градиента достигалось в так называемых фильтр-матрицах [1-3].
Суть метода ВГМС заключается в следующем. Очищаемое сырье в виде суспензии пропускается через рабочую зону магнитного аппарата, внутри которой, с целью создания высокоградиентного магнитного поля, помещена специальная матрица из
нержавеющего магнитомягкого материала (шары, стружка, металлическая «вата» и т.д.). Под действием электрических катушек магнитного аппарата происходит намагничивание материала матрицы, в результате чего, в рабочей зоне аппарата создается высокоградиентное магнитное поле. Величина градиента магнитного поля зависит от напряженности внешнего магнитного поля, размера и магнитных свойств материала матрицы. Содержащиеся в сырье частицы с адсорбированными или химически связанными вредными примесями (оксиды железа, никеля и др.), обладающие повышенной удельной магнитной восприимчивостью, притягиваются в наиболее неоднородные участки высокоградиентного магнитного поля матрицы [4].
За истекшие несколько десятилетий, техника ВГМС достигла определенного прогресса и развивается в различных отраслях промышленности. В частности, названный процесс применяется при очистке сточных вод и обогащении каолина [5]. Несколько позже метод ВГМС использовался для извлечения радионуклеидов [6], органических неполярных поллютантов [7] и других поллютантов из водных сред [8-10].
Ранее было показано применение названного метода для удаления из суспензий каолина тонкодисперсных примесей [11]. В продолжении работ в данном направлении показана возможность обогащения каолина белорусского месторождения "Дедовка" методом высокоградиентной магнитной сепарации (ВГМС) с перспективой использования его в производстве фарфоро-фаянсовых изделий [12]. Известно [13], что исследования на обогатимость включают в себя несколько стадий: подготовка сырья к обогащению, определение оптимального режима обогащения, возможность получения продуктов заданного качества, отработка схемы обогащения в лабораторных или промышленных условиях, технико-экономические исследования. Исследования применительно к каолиновому сырью магнитным методом включают следующие пять стадий:
1) отбор проб на месторождении;
2) подготовка сырья к обогащению (роспуск, отделение крупных песков, отделение мелких песков);
3) определение оптимального режима магнитной сепарации на лабораторном оборудовании;
4) отработка схемы магнитного обогащения в лабораторных и опытно-промышленных условиях, подразумевающая наличие как технологии, так и лабораторного и промышленного магнитного сепаратора с требуемыми рабочими характеристиками;
5) технико-экономические исследования.
В этой связи, построение математической модели прогноза магнитного обогащения каолина, близкого по химическому, дисперсному и гранулометрическому составу каолину белорусского месторождения «Дедовка», позволила бы спрогнозировать результаты его обогащения, минуя третью и четвертую стадии, требующих больших интеллектуальных и материальных затрат.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать возможность построения эмпирической функции прогноза результатов обогащения каолина белорусского месторождения «Дедовка» мокрым магнитным методом на основе химического анализа результатов магнитного обогащения каолинов Глуховецкого (Украина), Алексеевского (Казахстан), Чалгановского и Кыштымского (Россия) месторождений [14].
Для решения поставленной задачи использовался пакет статистических программ БЮБТЛТ, а также метод наименьших квадратов при построении эмпирической функции (модели) прогноза [13].
Обсуждение результатов
Технология магнитного обогащения каолина методом ВГМС описана в работе [12]. Известно, что эффективность высокоградиентной магнитной сепарации зависит от многих параметров [15]: Н - напряженности магнитного поля,
grad Н - градиента напряженности магнитного поля, к - высоты зоны фильтрации, йш и % -размеров и магнитных свойств рабочих тел, V - скорости движения жидкости через слой шаров, t - время, г] - динамической вязкости среды, йч - диаметра частиц фильтруемого материала, %%
магнитных свойств частицы и др.
Выделим основные параметры, влияющие на процесс магнитной сепарации. Параметры, характеризующие магнитное поле магнитного сепаратора: Н, grad Н, к, йши %, где йш и % определяют grad Н. Параметры, характеризующие физико-химические свойства очищаемого сырья: йч, %ч.. Параметры, характеризующие
технологический процесс очищаемой среды: V, t и ]. Регулировать параметры, относящиеся ко второй категории хотя и возможно, но технически сложно. Поэтому проще регулировать параметры,
относящиеся к первой и третьей категории, то есть Н, grad Н, к, V, t и ]. Именно эти параметры принимаются как основные.
Упрощенно процесс ВГМС для обогащения каолина можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1 [4].
Подача каолина
Блок питания
Пулы управления
Вода на промывку
Очищенный каолин
Рис. 1 - Схема высокоградиентного магнитного сепаратора: 1 - стальной магнитопровод; 2 -медная катушка соленоида; 3 - рабочая зона (камера с «высокоградиентной» матрицей); 4 -стальные заглушки для выравнивания магнитного поля; 5 - перекрывающие клапана
Средние значения М и их средние ошибки т содержания (в %) оксида железа Рв20э и диоксида титана ТЮ2, по данным математической обработки результатов химического анализа необогащенных и обогащенных методом ВГМС каолинов Глуховецкого, Алексеевского, Чалгановского и Кыштымского месторождений [15], приведены в таблице 1. Статистический анализ (например, \ -критерий Стьюдента) показал, что различия между средними значениями по содержанию Рв20э и ТЮ2 в необогащенном продукте (исходном) и обогащенном методом ВГМС (немагнитном) являются существенными с уровнем значимости а- 0,01. Данное обстоятельство еще раз подтверждает, что очистка каолинов методом ВГМС существенно меняет (уменьшает) уровень содержания оксидов в исходном продукте.
Геометрическое представление содержания оксидов в исходном продукте Х^ и немагнитном продукте Уг по эмпирическим данным химического анализа показывает, что точки (, ) по всем исследуемым месторождениям каолинов располагается вдоль некоторых прямых линий, что позволяет выдвинуть гипотезу о существовании между величинами Х и У линейной функциональной зависимости:
У - аХ + Ь.
(1)
С целью выбора наиболее адекватной линейной функции эмпирическим данным химического анализа, параметры а и Ь линейной функции (1) определялись методом наименьших квадратов. Значения этих параметров приведены в таблице 2.
Об адекватности построенных моделей свидетельствуют расчетные значения (см. значения
экспериментальным (лабораторным) данным в скобках табл. 1), вычисленные по формуле (1).
Таблица 1 - Содержание (в %) Ре2О3 и ТЮ2 по результатам анализов продуктов обогащения каолинов (M ± т; в скобках — расчетные значения по линейной модели (1))
Название месторождения Количество обработок Содержание оксидов, в %
Рв20э ТЮ2
Исходное Немагнитное Исходное Немагнитное
Глуховецкое Однократная 1,11 ± 0,077 0,80 ± 0,049 (0,80) 1,01 ± 0,027 0,61 ± 0,016 (0,61)
двукратная 0,87 ± 0,058 0,63 ± 0,043 (0,63) 1,02 ± 0,036 0,62 ± 0,034 (0,62)
Алексеевское двукратная 0,94 ± 0,072 0,70 ± 0,054 (0,69) 0,54 ± 0,026 0,29 ± 0,026 (0,29)
Чалгановское двукратная 0,91 ± 0,015 0,77 ± 0,014 (0,77) 0,48 ± 0,005 0,34 ± 0,006 (0,34)
Кыштымское двукратная 1,48 ± 0,054 1,01 ± 0,058 (1,01) 0,63 ± 0,009 0,34 ± 0,016 (0,34)
Таблица 2 - Параметры линейной зависимости
Y = aX + Ь
Название месторождения Количество обработок Рв20э ТЮ2
а Ь а Ь
Глуховецкое однократная 0,557 0,185 -0,047 0,661
двукратная 0,586 0,125 0,059 0,557
Алексеевское двукратная 0,716 0,020 0,610 -0,034
Чалгановское двукратная 0,869 -0,021 0,208 0,242
Кыштымское двукратная 0,597 0,130 0,389 0,095
Поскольку по химическому и дисперсному составу белорусский каолин месторождения «Дедовка» близок к российскому каолину Кыштымского месторождения, то в качестве моделей прогноза по содержанию оксидов железа и диоксида титана могут быть соответственно эмпирические линейные функции:
У = 0,597Х + 0,130 и У = 0,389Х + 0,095.
Это значит, что по химическому анализу содержания Рв20э и ТЮ2 в исходном продукте мы можем прогнозировать их содержание в обогащенном продукте, не используя ВГМС. Например [12], если в исходном продукте содержится 1,07 % оксида железа, то его содержание в продукте немагнитной очистки составит У = 0,597 • 1,07 + 0,130 = 0,769 %, а для 0,60 % диоксида титана в исходном продукте его
содержание в немагнитном будет примерно равно
У = 0,389 • 0,60 + 0,095 = 0,328 %.
Эмпирическая функция прогноза результатов мокрого магнитного обогащения каолина белорусского месторождения «Дедовка" для процесса очистки каолина методом ВГМС
строилась из условия, что основные параметры, влияющие на процесс магнитной сепарации, постоянны и на вход магнитного аппарата подается каолин с известными физико-химическими свойствами (дисперсный состав, химический состав, содержание красящих оксидов, вязкость каолиновой суспензии и т. д.). Параметры должны удовлетворять следующим граничным условиям: в общей массе каолинового сырья с частицами йч < 60 мкм и
(0,1... 430) • 10-6 м3/кг,
магнитной восприимчивости в диапазоне
количество частиц йч = 1... 45 мкм, лежит в диапазоне 40... 60 %; концентрация частиц (по массе в суспензии) до 14 %; концентрация (массовая доля) парамагнитных примесей (оксидов титана, железа) в очищаемом каолиновом сырье - не более 1,6 % (кг/кг); Н и grad Н по всей длине (высоте) рабочей зоны ВГМС постоянны и, соответственно, равны 2000 ёАЛ и 16 • 108 А/м2; вязкость суспензии составляет ] < 5 ... 6 мПа • с ; скорость уср - в диапазоне 0,006 ... 0,07 м/с [4].
Таким образом, при подаче на магнитный сепаратор каолиновой суспензии, полученной из каолина месторождения «Дедовка» и удовлетворяющим граничным условиям, с примерным суммарным содержанием оксидов железа и титана содержанием 1,67 %, получим каолин с примерным суммарным содержанием оксидов железа и титана 1,0 % , что соответствует по ГОСТ 21286-82 каолину марки КФ-2 [16].
Таким образом, построена эмпирическая функция прогноза результатов обогащения каолина белорусского месторождения «Дедовка» мокрым магнитным методом на основе химического анализа результатов магнитного обогащения каолинов Глуховецкого, Алексеевского, Чалгановского и Кыштымского месторождений. Вышеназванное позволит спрогнозировать результаты магнитного обогащения каолина белорусского месторождения
«Дедовка», минуя стадии исследования, требующих больших интеллектуальных и материальных затрат.
Обозначения
БЮ8ТЛТ - пакет статистических программ; M - среднее арифметическое, %; m - средняя (стандартная) ошибка средней арифметической, %; а - уровень значимости; X - содержание оксида в исходном продукте, % ; 7 - содержание оксида в немагнитном продукте, %; а - тангенс угла наклона прямой к положительной полуоси абсцисс; Ь - ордината точки пересечения прямой с осью ординат; ВГМС - высокоградиентная магнитная сепарация; % - удельная магнитная восприимчивость, м3/кг; %ч. - удельная магнитная восприимчивость частицы, м3/кг;. Н -
напряженность магнитного поля, А/м; grad Н -градиент напряженности магнитного поля, А/м2; к - высота зоны фильтрации, м; г] - динамическая вязкость среды, Па-с; t - время, сек; V - скорость движения жидкости через слой шаров, м/с; йч -диаметр частиц фильтруемого материала, мкм; КФ-2 - каолин фарфоровый для производства художественного фарфора, хозяйственного фарфора и фаянса;
Литература
1. С. Т. Толмачев, С. Л. Бондаревский, Електромехатчт i енергозберiгаючi системи, 17, 1, 31-36 (2012).
2. В.В.Кармазин, В.И. Кармазин, Магнитные и электрические методы обогащения полезных ископаемых, Недра, М., 2005. 659 с.
3. В.Г. Деркач, Специальные методы обогащения полезных ископаемых, Недра, М., 1966. 340 с.
4. В.Н. Тыртыгин, автореф. дисс. канд. техн. наук., Иваново, 2010. 16 с.
5. R. Gerber, R.R. Birss, High Gradient Magnetic Separation, Research Studies Press, London, 1983.
6. B. A. Buchholz, L. Nunez, G.F. Vandegrift, Separation Science and Technology, 31, 1933 (1996).
7. G.D. Moeser, PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge. - 2003.
8. В.Н. Тыртыгин, А.Л. Каплан, Химическая технология, 8, 33-35 (2006).
9. В.Н. Тыртыгин, О.Д. Петрякова, А.Л. Каплан, И.Ю. Аникин, Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), 7, 59-60 (2003)
10. В.Н. Тыртыгин, А.Л. Каплан, Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), 7 58-59 (2003).
11. В. Н. Тыртыгин, Н. А. Собгайда, В. Л. Потеха, И. Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 7, 231-232 (2013).
12. В.Н. Тыртыгин, В.В Иванов, Материалы. Технологии. Инструменты, 19, 7, 35-38 (2014).
13. С.И. Митрофанов, Л.А. Барский, В.Д. Самыгин, Исследование полезных ископаемых на обогатимость, Недра, М., 1974. 352 с.
14. А. П. Нуянзин, Провести исследования по оценке возможности получения высококачественных продуктов для бумажной и других отраслей промышленности из каолинов Глуховецкого, Алексеевского, Кыштымского и Чалгановского месторождений специальными методами обогащения на основе магнитной сепарации с использованием отходов обогащении: отчет о НИР (закл.). 14.НТЗ.14.25 / ВНИИНеруд; рук. А.П. Нуянзин; исполн.: В.Н. Тыртыгин и [др]. - Тольятти, 1986. - 81 с. - № ГР 01.85.0017790. Инв. № 02.86.0035363.
15. В. В. Кармазин, В. И. Кармазин, Магнитные методы обогащения, Недра, М. 1988. 255 с.
16. ГОСТ 21286-82. Каолин обогащенный для керамических изделий. Технические условия. Издательство стандартов. М. - 1988.
© В. Н. Тыртыгин - к.т.н., доцент кафедры технического обеспечения производства и переработки продукции животноводства УО «Гродненский государственный аграрный университет», Республика Беларусь, v-n-tyrtygin@rambler.ru; А. А. Денисковец - к.ф-м. н., доцент кафедры технической механики и материаловедения УО «Гродненский государственный аграрный университет», Республика Беларусь; Н. А. Собгайда - д.т.н., профессор кафедры "Экологии и Дизайн" Энгельсского технологического университета (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., conata07@list.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой Инженерной экологии Казанского национального технологического университета.
© V. N. Tyrtygin - Ph.D., associate professor of technical support livestock production and processing of EE "Grodno State Agrarian University», Republic of Belarus, v-n-tyrtygin@rambler.ru; A. A. Deniskovets - Ph.D., Associate Professor, Department of Technical Mechanics and Materials EE "Grodno State Agrarian University», Republic of Belarus,; N. A. Sobgayda - Professor of the department "Ecology and Design" Engels Technological University (branch) of Saratov State Technical University named Yuri Gagarin, conata07@list.ru; I G. Shaikhiev - PhD, Head of Department of Environmental Engineering of Kazan National ResearchTechnological University.
