CC BY
20
УКД 666.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ И ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОМЫВКИ И ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Т.Я.Дружинина1, В.В.Мельников2,А.Н.Роговой3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул, Лермонтова, 83.
Изучены пути и возможности совершенствования и оптимизации промывки и обогащения полезных ископаемых, при этом: предложены пути регулировки влияния силы Багнольда, методы усиления репульсивного давления и напряжения сдвига для повышения эффективности классификации и обогащения зернистых материалов по крупности и плотности; разработана и усовершенствована конструкция устройств извлечения из потока твёрдой фазы зёрен тяжелых ценных минералов; разработаны устройства по улавливанию минеральных зёрен повышенной плотности на основе эффекта «гидравлического свистка», Ил.З. Библиогр.5 назв.
Ключевые слова: оптимизация промывки и обогащения полезных ископаемых; взвесенесущий поток; гидросмеси.
THE STUDY OF THE WAYS AND POSSIBILITIES TO UPGRADE AND OPTIMIZE THE ABLUTION AND ENRICHMENT OF MINERALS
T.Y.Druzhinina, V.V.Melnikov, A.N.Rogovoy
Irkutsk State Technical University (ISTU) 83 LermontovSt., Irkutsk, 664074
The authors study the ways and possibilities to upgrade and optimize the ablution and enrichment of minerals. They offer the methods to regulate the influence of Bagnold's force, the methods to amplify repulsive pressure and shift stress to enhance the efficiency of classification and enrichment of grained materials according to coarseness and density. The authors develop and perfect the structure of devices for the extraction of grains of heavy important minerals from the flow of the solid phase. They develop the devices to catch mineral grains of increased density based on the effect of "hydraulic whistle". 3 figures. 5 sources.
Keywords: optimization of washing and enrichment of minerals; suspension-carrying flow; hydromixtures.
Теоретические основы безнапорного транспорта базируются на учёте следующих физических процессов, еопровоящающих движение гидросмеси.
1. Поток, двигаясь по наклонной плоскости, увеличивав! итли нипетчеикуги упеутги и ит епилвпии ь
внутреннего турбулентного перемешивания.
2. В зависимости от соотношения факторов, влияющих на твёрдые частицы, последние могут перемещаться как во взвешенном, так и во «влекомом» состоянии в придонной области.
3. В зависимости от уклона дна русла изменяется устойчивость движения частиц во взвесенесущем потоке, так как часть их веса проектируется на направление движения. При больших уклонах частицы передвигать легче, Находясь же в потоке во взвешенном состоянии, частицы утяжеляют поток, что приводит к увеличению движущей силы.
4. Наличие твёрдых частиц, особенно в придонных областях потока, увеличивает силу сопротивления движению.
Изменение пульсационных характеристик приводит к изменению турбулентной вязкости. Твёрдые частицы в зависимости от их характеристик и количества могут «турбулизировать» или «ламинизировать» поток. Перераспределение амплитудно-частотных ха-
рактеристик пульсации означает, что твёрдые частицы принимают участие в процессе диссипации энергии потока, а пульсации потока влияют на механизм и характер движения твёрдых частиц. При наличии неподвижных I вернв!А чашиц па дне руила маОлмдаен;*
изменение характера взаимодействия потока с твёрдыми частицами. В этом случае изменяется шероховатость границы, которую при медленном движении можно рассматривать как подвижную шероховатость, Это приводит к изменению градиента скорости по живому сечению. Результат взаимодействия потока жидкости и твёрдых частиц проявляется в распределении осреднённых продольных скоростей жидкости и твёрдых частиц по живому сечению, которое получается в результате осреднения большого числа всех влияющих факторов; консистенции по живому сечению потока; твёрдых частиц (по крупности, форме и плотности) по живому сечению потока. Для неоднородных жидкостей, которыми являются двухфазные потоки, вязкость изменяется по вертикали в потоке гидросмеси и зависит от средних значений скорости потока, степени его насыщенности твёрдыми частицами, крупности и свойств твёрдого компонента гидросмеси. На характер движения гидросмеси влияет гранулометрический состав твёрдой фазы, Большое значение име-
1 Дружинина Татьяна Яковлевна, доцент, тел,:(3952)40-50-94.
Druzhinina Tatjana Yakovlevna, an associate professor, tel.; (3952)40-50-94.
''Мельников Василий Викторович, аспирант.
Melnikov Vasiliy Viktorovich, a postgraduate.
'Роговой Александр Николаевич, аспирант.
Rogovoy Alexander Nikolaevich, a postgraduate.
ет присутствие тонкодисперсного материала, Сверхтонкие частицы (шламы), введённые в поток в достаточном количестве (более 5% от объема), придают потоку свойства коллоидов, такие смеси создают структуры. Большие скорости движения гидросмесей экономически невыгодны, так как обуславливают большие потери напора, поэтому в практике гидравлического транспортирования и гравитационного обогащения мелкозернистых материалов большие скорости не применяются.
Интенсивность пульсации скоростей в случае безнапорных потоков уменьшается при удалении от дна потока, На свободной поверхности потоков поперечная пульсационная скорость минимальна и только для спокойных потоков близка к нулю, Иногда наблюдается, как на некоторой высоте над дном русла, меньшей глубины потока, пульсационная скорость оказывается равной гидравлической крупности наиболее мелких песчинок, поднявшихся со дна русла. Дальнейший подъём этих частиц будет невозможен. Линию, высотное положение которой определяется координатой подъёма твёрдых частиц, называют потолком насосов. В этом случае наблюдается движение как бы двух потоков; имеет место резко выраженное «слоистое» строение потока - стратификация потока [3-4], В гравитационном обогащении дисперсных горных материалов стремятся обеспечить такое слоистое движение, при котором тяжелые ценные минералы двигались бы обособленно от остального потока гидросмеси, содержащего лёгкие зёрна пустой породы, Аппараты, в которых реализуется этот эффект, обеспечивают максимальную степень обогащения, концентрации и извлечения ценных минералов, например, в гладких шлюзах с непрерывным выводом концентрата [1-5], При этом во всех случаях на обогащение рекомендуется подавать обезиленный, узкоклассифициро-ванный рудный материал.
После того как степень насыщения потока твёрдыми частицами стабилизировалась, в некоторый момент времени в силу тех или иных причин величины поперечных пульсационных скоростей в данном потоке снизились, В этом случае наблюдается картина, обратная той, которая имелась при насыщении потока дисперсной твёрдой фазой: объем твердой фазы, выпадающей из потока на дно русла, будет превышать объем твердой фазы, поднимаемой потоком со дна. В результате поверхность дна потока будет подниматься, произойдет заиливание русла. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в потоке не останется то стабильное количество твёрдых частиц, которое отвечает новому стабилизировавшемуся уровню пульсации скоростей. При перемещении твёрдых частиц турбулентным потоком часть зёрен постоянно выпадает из толщи потока, другая их часть (чаще меньшей плотности) постепенно поднимается потоком со дна, Наблюдается «грунтообмен» между потоком и дном русла. Для крупных зёрен и кусков твёрдой фазы высота подъема их над дном русла приближается к нулю, Этот процесс наблюдается в шлюзах глубокого и мелкого наполнения при промывке металлоносных песков. Одним из показателей влияния твёрдых час-
тиц на степень турбулентности является зависимость критической скорости от консистенции пульпы. Чем больше консистенция, тем должна быть больше критическая скорость. Для поддержания частиц во взвешенном состоянии необходима определённая степень турбулентности. На развитие турбулентности и перемещение твёрдого содержимого пульпы в условиях насыщения потока твёрдой фазой должна быть затрачена дополнительная энергия потока при транспортировании твёрдых частиц,
Все жидкости подразделяются на три вида: однородные (ньютоновские), структурные и неоднородные (неньютоновские), Большинство пульп, гидросмесей, взвесенесущих потоков можно в той или иной степени отнести к структурному виду жидкостей. Структурные жидкости - это разновидность неньютоновских жидкостей, образующих жидкие структуры подобно жидким кристаллам, например, глинистые растворы, тяжелосредние суспензии, осадки сточных вод, угольные гидромассы, болотный ил, строительные растворы и т.д. Течение структурных жидкостей происходит при двух режимах: структурном и турбулентном. Структурное течение в трубе характеризуется наличием центрального ядра. Переход от структурного режима к турбулентному происходит при критерии пластичности Пл=2Ре/Зеп-1000, где -критерий (число Рей-
нольдса); V - средняя скорость движения жидкости; с! -диаметр трубопровода; у=ц/р - кинематическая вязкость жидкости; и ■ динамическая вязкость жидкости; р - плотность жидкости; Зеп=т0с1/цу - критерий Сен-Венана; т0 - начальное напряжение сдвига, после которого жидкость приходит в движение. Критическое число Рейнольдса Кекр=3500 для структурных жидкостей имеет большее значение, чем для ньютоновских. Образование структур в жидкости можно объяснить в какой-то степени действием на зёрна и частицы твёрдой фазы некоторого рассеивающего (дисперсивного) давления [6]. Под действием любых механических вибраций жидкие структуры распадаются.
Сделаем упрощающие допущения;
= рассеивание (раздвижение, отталкивание) происходит при одинаковом по объёму градиенте растягивающего напряжения сШ/с!у, а средняя относительная скорость движения зёрен, вместе с расположенной между зёрнами жидкостью, равна нулю;
- градиент сдвигающего (притягивающего) усилия постоянен во времени при всех внешних приложенных силах вдоль горизонтальной оси X, действующей на все зёрна;
- кинетическая энергия единицы объёма системы поддерживается постоянной благодаря потерям на трение;
движение зёрен характеризуется приращением
скорости в направлении оси X и в форме колебаний во всех трёх направлениях с взаимным сближением и удалением соседних зёрен.
Возможные колебания и колебательный процесс движения возникают при последовательном столкновении зёрен, когда зёрна одного (верхнего) слоя нагоняют зёрна другого (нижнего) слоя, двигающегося ^медленнее^П^сть^ё^^
под зёрнами верхнего слоя А со средней относительной скоростью сШ=квс1-(с1и/с1у) и одновременно отталкиваются, здесь в=€/с!+1=€/Сл+1; ^-расстояние между шарообразными частицами диаметром й; Сл - линейная концентрация частиц; С - объёмная концентрация частиц (С=С0/в ); С0 - максимально возможная концентрация (для шаровидных частиц одного диаметра
С0=0,74); к = Щ-4ги (рис.1).
Допустим, каждое зерно слоя В совершает т=!(Сп)-с1и^ (теоретическая поправка на реальные условия) столкновений с зёрнами слоя А в единицу времени, где ^Сл) - неизвестна. Количество зёрен на единицу площади в плоскости хг в каждом слос равно ¿/(в2-с!2). Двигаясь в направлении оси У, изменение количества движения равно 2тсШСоза, (для упругих зерен), где ^ - угол, величина которого определяется условиями столкновения, включая и вращение зерна. Отсюда следует, что между зёрнами двух слоёв одновременно действует репульсивное давление Ру=(^/в2с12)^(СлНи/^)-2тЬиСоза| и пропорциональное ему Сдвигающее зерно усилие Тку=Ру*д<х1. Сдвигающее напряжение Т как добавка к остаточному напряжению т' возникает от передачи количества движения внутрь жидкости, заключенной между зёрнами. Величина репульсивного (дисперсив-ного, рассеивающего) давления иначе называется силой Багнольда, она действует нормально направлению сдвига. Существуют составляющие и в других направлениях, но их величины неопределенны. Ввиду принятой беспорядочности движения зёрен и постоянства свободного расстояния (зазора) # во всех направлениях продолжительность вихрей о жидкости ие
влияет на напряжение зёрен. Плотность жидкости р не входит в явной форме в приведённые уравнения. Если тело движется внутри жидкости, полная величина переданного импульса определяется значением (рт-р), потому что жидкость обтекает тело, чтобы занять его прежнее место расположения, Движение смещённой жидкости является беспорядочным по отношению к движению твёрдого тела, В этом проявляется преоб-
ладание сил инерции зёрен при их движении,
Рассмотрим случаи, когда преобладают силы вязкости жидкости.
Предположим, что амплитуда 4 колебания скорости сдвига определяется некоторой долей Г(сл) от средней скорости сдвига сШ, так что к=с!11Т(сп). Если полная мгновенная скорость сдвига то значение мгновенного напряжения сдвига Т определится где (л - динамическая вязкость жидкости. И если скорость колебания принять за сингулярную функцию, то
4=сШ+к.8тО=сШ[1 + Г(сл).ЭтО].
Работа, выполненная при смещении одного слоя над другим за период одного колебания, равна
Г2я
А= J ( Т^сЮ), а среднее напряжение сдвига в период этого смещения
^[^/(Зтс^и)^ ^ 42<Ю=(ц€Ш/2т^)|2Я (1+Г(сп)ЗтО)2(Ю,
так как
бт=(ЬЩ.(би16у)=(исп).(6Шу1 то Т=ц(1+сл).[1+0.б Г( с„)]«Ш/<1у).
В случае преобладания сил инерции зёрен напряжение сдвига Т является чисто напряжением зерна, чтобы считать добавкой к некоторому напряжению сдвига жидкости т'; которое может быть постоянным при изменении остаточной турбулентности жидкости и исчезнуть, когда сл=0 и т' превратилось в т. В случае инерции можно написать Т=Т+т', заменяя Т на Т, но в случае преобладания сил вязкости является смешанным напряжением сдвига, обязанным действию вязкости жидкости, измененной присутствием зёрен, и напряжение сдвига не может быть разделено на слагаемые от зерна и жидкости Т и
Вышерассмотренные действия репульсивного давления и колебательные процессы технически можно направленно усилить в целях повышения эффективности классификации зернистого материала гидросмеси с предпочтительным переходом в подрешетный продукт грохочения тяжелых ценных минералов, Для этого следует использовать «эффект свистка», когда в
^Сова
> X
Рис. 1. Схема поперечного сечения расположенных зёрен (зёрна чередующихся слоев сдвинуты) для случая, при котором возможна пропорциональность между Ру и сдвигающим усилием Т в области вязкости
потоке дви>кущегося нормально осям перфораций днища русла (решета) генерируются многочисленные (по числу отверстий перфорации) и направленные колебания, параметры которых есть функция размеров, числа перфораций днища русла (шлюза) и параметров резонатора - поддона грохота. При этом грохот неподвижен, а решето должно иметь сверлёные отверстия определенного диаметра. Плетёная сетка, которая механически менее прочна, чем перфорированная плита, из-за излишне большого живого сечения и близкого расположения отверстий не может обеспечить генерацию колебаний в движущемся взве-сенесущем потоке. Комбинация плоского поддона (некоторого резонатора) и перфорированного днища шлюза обеспечивает в непосредственной близости к решету возникновение достаточно сильных, многочисленных и синхронных колебаний, заставляющих металлоносную часть твёрдой фракции потока с большей вероятностью и скоростью проникать через решето, теперь уже шлюз-грохота, и плоским поддоном через разгрузочные патрубки направлять на дальнейшую переработку, При этом благодаря водяной колеблющейся подушке на решете остаётся достаточно жидкой фазы (воды) для транспортирования крупного надрешетного продукта. Экспериментально определена толщина плоского поддона, величина которой должна находиться в пределах 5*8 диаметров максимальных зерен подрешетного продукта. Так, при
ширине шлюз-грохота 1000 мм, диаметре отверстий перфорации 8 мм, расположенных в шахматном порядке, верхняя крупность подрешетного продукта равна 6 мм, толщина поддона - 30-50 мм, В случае меньшей толщины поддона колебания не возникают или они весьма слабы, В случае большей толщины в под-решетный продукт уходит излишне большое количество жидкой фазы, обезвоживая надрешетный продукт, и процесс подобного грохочения с элементами обогащения нарушается, только для чистого грохочения требуется приложение дополнительных принудительных механических усилий в виде смывных струй воды или применения вибраций, как у вибрационных грохотов, Резонансное усиление пульсационных характеристик взвесенесущего потока с параллельным обеспечением оптимальной степени турбулентности обеспечивает без дополнительных затрат электроэнергии положительный эффект комбинации классификации по крупности (грохочения) и предварительной концентрации тяжелых ценных минералов. В этом случае предотвращается в достаточной степени скачкообразность движения минеральных зёрен и перевод большей их части во взвешенное состояние.
Шлюз-грохот (рис.2 и 3) включает в себя начальный стыковочный пояс 1, борг 2, концевой стыковочный пояс 3, в головной части соединительную плиту 4, основной элемент - перфорированные плиты 5 с конусными отверстиями и плоский поддон с днищем б.
йоо.
Рис. 2. Шлюз-грохот: 1 - стыковочный пояс; 2 -борт; 3 - стыковочный пояс; 4 - соединительная плита; 5 - перфорированная плита; 6 - дно поддона; 7 -опорные уголки; 6 - центральные опорные уголки; 9 - разгрузочные патрубки
Перфорированные плиты 5 шлюз-грохота опираются у бортов 2 на опорные уголки 7 и в центральной части -на центральные опорные уголки 8, которые в то же время делят подрешетный взвесенесущий поток в поддоне 6 на две части и направляют их к разгрузочным патрубкам 9.
Работа шлюз-грохота характеризуется:
- стабилизацией устойчивости движения твёрдых частиц в турбулентном взвесенесущем потоке;
- снижением вязкости гидросмеси вблизи решета и её стабилизацией;
- разрушением даже зародышей возможных структур и обеспечением большей упорядоченности движения твёрдых частиц;
- направленностью пульсаций (колебаний) и многочисленностью (по числу отверстий в перфорированном дне шлюза) элементарных центров генерации колебаний;
обеспечением в некотором отношении эффекта отсадки.
Конструктивные элементы в современных промывочных шлюзах способствуют созданию песчаных волн, при этом обеспечивается интенсивность осаждения и улавливания зёрен тяжелых ценных минералов, а зёрна пустой породы сносятся в отвал.
Длина этих волн в первом приближении может быть рассчитана по формуле 1_=(Ун-\/Ср)11Л/п, где И -работа конструктивных элементов улавливающей
донной поверхности-трафаретов; \/ер-средняя скорость потока при хорошем волнообразовании; VH-средняя скорость потока при исчезновении волн; Vn-средняя скорость потока, при которой придонные пески не передвигаются; V- скорость движения жидкой фазы; иСр-средняя скорость сдвига или возмущающая скорость потока.
Для промывочных шлюзов можно принять: иср=1,67 м/с; V„=0,25 м/с, VH=2,2 м/с; h=50 мм, тогда L=Ö, 106 м. Для подшлюзков при Vcp=Ö,83 м/с, Vn=Ö,25 м/с, VH=1,3 м/с, h=30 мм, тогда L=0,056 м, Если а -угол наклона шлюзов, f - коэффициент трения, V0-гидравлическая крупность, то
K2(JCosa - Sinex) - U%) = - Vf, ß-'osa л/l - Cos'a = [(Vcp - Vf + U%f\v¡, Cosa = fA± 7/2Л2 - Л2 +1 при A = \vcp-Vf+Ulf\lVl
Применяя для золотосодержащих песков dmax=25 мм, Vcp=1,67 м/с, иср=0,1 м/с, V0= 0,6 м/с, f=0,45, имеем А=[1,67+1,1 f+0,12-0,45]/0,б2=0,9,
Cosa = 0,45 ■ 0,9 + ^0,452 0,92 -0,92 +1 = 0,0994
и cx^V или 0,11 м на 1 м длины шлюза, Для оловосодержащих песков угол наклона шлюзов а=5°10/, или
ЬиЭВ
Рис. 3. Элементы шлюз-грохота: 1 - стыковочный пояс; 2 - борт; 3 - стыковочный пояс; 4 - соединительная плита; 5 - перфорированная плита; 6 - дно поддона; 7 - опорные уголки; 8 - центральные
опорные уголки; 9 - разгрузочные патрубки
0,09 м на 1 м длины шлюзов. При угле наклона 6°, наблюдается наиболее эффективная работа шлюз-грохота и поэтому шлюз-грохот следует монтировать при этом угле наклона к горизонту.
Библиографический список
1. Хаппель Д., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. М.: Мир, 1973.
2. Хорольский В.П., Сироджа И.Б., Козин В.З. Применение алгоритма распознавания образов в прогнозирующей
системе управления обогатительной секцией II Изв. вуз, Горн. журн. 1970. №12.
3. Чугаев P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости). Л.: Энергоиздат, 1982.
4. Ястребов К,Л,, Куликов И М,, Леонов С,Б, Гидроаэромеханика процессов обогащения полезных ископаемых, Иркутск: ИГУ/1991.4.1 и II.
5. Hancock R.T. The teeter condition. - "Mining Magaz ", 1936,55, p. 90-94.
УДК 622.765.46
АЭРАТОР ДЛЯ КОЛОННЫХ ФЛОТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
А.В.Никаноров1, П.Р.Ершов2, Л.А.Андреева3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,
Рассмотрены конструкции различных флотационных аппаратов для флотации минерального сырья различного спектра крупности. Представлена конструкция оригинального элемента аэрации для колонных флотационных аппаратов с нисходящим движением пульповоздушного потока, Ил. 6. Табл.1. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: колонный флотационный аппарат; шайбовый аэратор; пневмогидравлический аэратор; коллег тор.
AERATOR FOR COLUMNAR FLOATATION APPARATUSES A.V. Nikanorov, P.R. Ershov, L.A. Andreeva
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors consider the designs of different floatation apparatuses for the floatation of mineral raw material of various range of coarseness, They present the design of the original element of aeration for the floatation apparatuses with a descending pulp air flow. 6 figures. 1 table. 10 sources.
Key words; columnar floatation apparatus; disk aerator; pneumatic hydraulic aerator; collector.
С развитием научно-технического прогресса в обогащении полезных ископаемых осваивается новое высокопроизводительное и более эффективное оборудование, позволяющее вовлекать в переработку ранее считавшиеся нерентабельными бедное и труд-нообогатимое рудное сырье и отходы производства. Учитывая, что основным процессом обогащения подавляющего большинства руд является флотация, в промышленной реализации получил распространение принципиально новый подход, основанный на использовании оборудования большой единичной производительности. Анализ исследований в области создания новых конструкций флотационных машин позволяет отметить, что их конструирование идет по пути повышения удельной производительности, уменьшения энергоемкости, диспергированносги и распреде-
ления пузырьков воздуха по всему сечению камеры. При разработке флотационных машин и аппаратов с камерами большого объема всех типов (механических, пневмомеханических и пневматических) значительное внимание уделяется совершенствованию аэрирующих устройств, эффективности использования воздуха при флотации.
В период с 1915 по 1921 г. появился целый ряд флотационных машин, узел аэрации в которых был выполнен в виде перфорированного металлического днища или натянутой материи [1]. Однако предложенные способы диспергирования газовой фазы, несмотря на высокие аэрационные показатели, имели существенный недостаток — постоянное засорение аэраторов в процессе эксплуатации, что приводило к нарушению процесса аэрации и ухудшению технологи-
1Никаноров Александр Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии цветных металлов, тел.: (3952)33-12-26,
Nikanorov Alexander Vitaljevich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Metallurgy of Non-ferrous Metals, Tel.: (3952)33-12-26.
2Ершов Павел Радионович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: (3952)51-37-86, 89027671506.
Ershov Pavel Radionovich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Automation of Industrial Processes,
Tel.: (3952)51-37-86,89027671506.
'Андреева Людмила Александровна, аспирант.
Andreeva Ludmila Alexandrovna, a postgraduate.
