CC BY
19
УДК 66.047.75
DOI: 10.21209/2227-9245-2019-25-8-24-31
ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ РУДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ БАРАБАННЫХ СУШИЛОК
FEATURES OF ORE CONCENTRATES PROPERTIES AFFECTING A CHOICE OF DRUM DRIERS DESIGN
M. Ю. Субботин,
ГК «Шелковый путь», г. Чита
m.iu.subbotin@mail.ru M. Subbotin,
Mining Company "Silk Road", Chita
Представлены теоретические и экспериментальные исследования величины угла естественного откоса рудного концентрата, образуемого на перемешивающих устройствах сушильного барабана с целью выявления, какой именно угол естественного откоса следует учитывать: статический, образованный при разрушении слоя частиц после удаления подпорной стенки, или динамический, образованный при падении частиц на плоскость.
Путем замеров на двух приборах для измерения динамического угла естественного откоса, на двух приборах для измерения статического угла естественного откоса, а также на приборе, моделирующем условия образования угла естественного откоса на вращающейся перемешивающей лопатке барабанной сушилки, установлено, что угол естественного откоса, образуемый на поворачивающихся лопатках барабанной сушилки, имеет величину, идентичную статическому.
Описана конструкция установки, позволяющей проводить физическое моделирование распределения сушимого рудного концентрата в сечении сушильного барабана (завесы) при его вращении с определенной скоростью и сменными конструкциями внутренних устройств. Приведены иллюстрации завесы сушимого материала на пробе полевошпатового концентрата при использовании стандартных, сдвоенных и усовершенствованных сдвоенных лопаток с учетом изменения сыпучести полевошпатового концентрата.
На основании анализа экспериментальных данных с использованием приведенной установки выведены зависимости площади завесы падающего полевошпатового концентрата от его влажности, которые позволяют произвести выбор конструкции внутренних устройств в той или иной зоне барабанной сушилки при перемещении концентрата в барабане в зависимости от влажности
Ключевые слова: термическая сушка; барабанные сушилки; конструкции внутренних устройств; конвективный теплообмен; интенсификация; рудные концентраты; физико-механические свойства; угол естественного откоса; влажность
Theoretical and experimental researches of natural slope angle of ore concentrates, formed on the mixing devices of drying drum with the purpose of exposure are presented - which one angle of natural slope it is necessary to take into account: static, form at destruction of layer of particles after moving away of retaining wall, or dynamic, form at falling of particles on a plane.
By measuring of natural slope angles on two devices for measuring of dynamic angle of natural slope and on two devices for measuring of static angle of natural slope, and also on a device, designing the terms of natural slope angle formation it is set on the running around mixing shoulder-blade of dryer, that the angle of natural slope, formed on the turning shoulder-blades of dryer has a size identical to static.
Description over of setting construction allowing to conduct the physical design of distribution of dried ore concentrate in the section of drying drum at his rotation with certain speed and removable constructions of internal devices is given. And also illustrations of curtain of drying material on the test of feldspar concentrate at the
А. Н. Храмов,
Забайкальский государственный университет, г. Чита Khramov.a53@mail.ru
A. Khramov,
Transbaikal State University, Chita
© A. H. Храмов, M. Ю. Субботин, 2019
24
use of standard shoulder-blades, doubled shoulder-blades and improved doubled shoulder-blades taking into account the change of friableness of feldspar concentrate are described.
On the basis of the obtained experimental data analysis with the use of this setting dependence of area, the curtains of falling feldspathic concentrate from its humidity are shown, allowing to produce the choice of internal devices construction in one or another zone of dryer at transferring of concentrate to the drum depending on humidity
Key words: thermal drying; rotary driers; constructions of internal arrangement; convective heat exchange; intensification; ore concentrates; physico-mechanical properties; angle of natural slope; humidity
Термическая сушка материалов, в том числе продуктов обогащения, - это процесс их обезвоживания, основанный на испарении влаги в окружающую газовую среду при нагревании сушимого продукта.
Влажность высушенных продуктов обогащения должна исключать возможность их смерзаемости в зимнее время при перевозках или хранении и отвечать требованиям технологии дальнейшей переработки при использовании этих продуктов.
Процесс сушки зависит от влажности, размеров частиц материала и способа их укладки, гидродинамических условий обтекания и параметров среды (температура, влажность, скорость). Совокупность этих факторов определяет характер протекания процесса и называется режимом сушки [1].
Сам процесс термической сушки можно рассматривать как теплофизический и физико-химический, в нем происходит тепло- и влагообмен между поверхностью сушимого материала и окружающей его газовой (воздушной) средой при перемещении тепла и влаги внутри материала. Данный процесс протекает вследствие разности давлений водяных паров среды и поверхности сушимого материала, а также разности температур у поверхности и внутри материала [2].
При термической сушке продуктов обогащения тепло для испарения влаги передается материалу от сушильного агента путем конвективного (от нагретого горячего воздуха или дымовых газов - продуктов сгорания топлива) и контактного (от нагретой горячей поверхности при ее непосредственном соприкосновении с материалом) обмена. Причем эффективность конвективного теплообмена, в частности при сушке в барабанной сушилке, на два порядка выше, чем контактного.
К настоящему времени в различных отраслях промышленности разработаны и нашли применение радиометрические,
инфракрасные, распылительные, вакуум-но-импульсные, вакуумные и другие сушилки. Сложности в техническом обслуживании и высокая стоимость ограничивают применение подобных сушильных установок для сушки рудных концентратов при обогащении полезных ископаемых. Вихревые сушилки, способные уносить концентрат с отходящими газами, также не получили распространение [3; 4]. Барабанные сушилки наиболее широко применяются для сушки рудных флотационных концентратов.
По мере движения материала в зоне сушки (по длине, вдоль оси барабана) меняются параметры сушильного агента (температура, относительная влажность, скорость движения потока) и сушимого материала (температура, влажность). Соответственно, меняются сыпучие свойства материала, определяющие конструкцию внутренних устройств барабана (насадку), основное назначение которых - максимальное раскрытие материала для конвективного теплообмена.
Изучение теории и практики применения барабанных сушилок показало, что сегодня при растущих ценах на энергоносители актуальной задачей является модернизация и совершенствование конструкции внутренних устройств барабанных сушилок путем повышения эффективности конвективного теплообмена между сушильным агентом и частицами высушиваемого концентрата [5; 6; 7]. Очевидно, что интенсивность конвективного теплообмена в барабанной сушилке зависит от равномерности распределения завесы высушиваемого материала по поперечному сечению барабана [8; 9].
Из указанного следует, что на основе исследования особенностей физико-механических свойств конкретного флотационного концентрата в зависимости от его переменной влажности возможно интенсифицировать процессы теплообмена в барабанной сушилке путем разработки и выбора
геометрических форм и размеров лопастей насадки на определенном участке барабана.
Как известно, наиболее характерным физико-механическим параметром сыпучести дисперсного материала является угол естественного откоса. В зависимости от использования того или иного способа определения угла естественного откоса, он может быть двух видов: статическим, образованным при саморазрушении определенного объема материала после удаления подпорной стенки, или динамическим, образованным при падении исследуемого материала на плоскость.
С целью определения вида угла естественного откоса, образуемого на лопастях перемешивающих устройств сушильного барабана, проведены исследование и анализ факторов, определяющих величину статического и динамического углов естественного откоса [10]. В связи с тем, что зернам флотационного концентрата перед ссы-панием с лопастей сушильного барабана не придается дополнительного ускорения, при исследовании следует учитывать значение статического угла естественного откоса исследуемого концентрата.
Для экспериментального подтверждения изготовлены пять типов приборов. Применение двух из них позволяет определять величину статического угла естественного откоса, двух других - динамического, последний прибор позволяет моделировать условия образования угла естественного откоса, подобные вращению барабанной сушилки. Экспериментальные исследования проводились на пробах следующих флотационных концентратов: слюдяного, полевошпатового, флюоритового. По результатам многократных практических замеров подтверждено, что угол естественного откоса, образуемый на поворачивающихся лопастях барабанной сушилки, равен статическому.
Следующие экспериментальные исследования проводились с целью выявления зависимости изменения величины статического угла естественного откоса флотационных концентратов от их влажности. Сушка влажных концентратов проводилась в лабораторном сушильном шкафу. При этом от пробы исследуемого флотационного концентрата периодически отбиралась представительная навеска материала для замера статического угла естественного откоса и определения влажности.
Данные эксперимента обработаны на ЭВМ с получением следующей математической модели линейной зависимости статического угла естественного откоса флотационного концентрата от его влажности:
Ф = В • W+ф , (1)
"ст.влаж тст.'
где ф и ф - статический угол естествен-
^ т ст.влаж тСт. '
ного откоса соответственно влажного и воздушно-сухого флотационного концентрата, град.;
В - коэффициент, определяемый опытным путем для исследуемого флотационного концентрата и учитывающий изменение угла естественного откоса от его физико-механи-ческихсвойств;
W - влажность флотационного концентрата, %.
Для исследования влияния на сыпучие свойства флотационных концентратов других физико-механических свойств (наряду с влажностью), от которых зависит величина коэффициента В математической модели (1), определены и изучены следующие свойства концентратов: гранулометрический состав (средневзвешенный размер частиц), температура и смачиваемость (угол краевого смачивания).
Математическая обработка полученных данных позволила определять величину коэффициента В в зависимости от названных физико-механических свойств флотационного концентрата. Тогда математическая модель (1) линейной зависимости статического угла естественного откоса флотационного концентрата от его физико-механических свойств приобретает следующее выражение:
■ш+ф^град, (2)
где Т - температура флотационного концентрата, °С;
0 - угол краевого смачивания флотационного концентрата, град.;
D - средневзвешенный размер частиц флотационного концентрата, мм.
Математическая модель (2) проверена при выборе геометрических размеров внутренних устройств барабанной сушилки для сушки полевошпатового концентрата Малышевской обогатительной фабрики. За основу принята конструкция двухлопаст-
ной насадки сушильного барабана, ранее используемая при сушке флотационного флюоритового концентрата [11]. Схема образования завесы концентрата в поперечном сечении барабанной сушилки при применении двухлопастной конструкции внутренних устройств приведена на рис. 1. Особенность данной насадки заключается в том, что ло-
пасти насадки, расположенные ближе к оси, обеспечивают завесу флотационного концентрата в правой части сечения барабана (рис. 1а), а расположенные ближе к корпусу -в левой части сечения барабана (рис. 16). В целом двухлопастная насадка более равномерно распределяет концентрат по всему сечению барабана (рис. 1в).
Рис. 1. Схема образования завесы концентрата поперечного сечения барабанной сушилки при применении двухлопастной конструкции внутренних устройств / Fig. I.The scheme of the curtain formation of the concentrate of the cross-section drum dryer when using the two-blade design of internal devices
Экспериментальные исследования по выбору геометрических размеров внутренних устройств барабанной сушилки для сушки полевошпатового концентрата проводились в лабораториях кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья Забайкальского государственного университета с использованием сконструированной авторами статьи физической модели части поперечного сечения сушилки (установки с приводом переменной частотой вращения 1,5...3 об/мин), позволяющей собрать при необходимости модель барабана любого диаметра, изготовляемого в заводских условиях - 3,5; 3,2; 3,0; 2,8; 2,5; 2,2; 2,0 м в масштабе 1:10, а также диаметров барабана 1,6; 1,25; 1,0 м в масштабах 1:10 и 1:5. Кроме того, 36 радиально проточенных канавок позволяют обеспечить крепление в них 12 или 18 лопаток различного геометрического профиля.
При проведении экспериментальной работы на данной установке образовавшуюся завесу падающего полевошпатового концентрата с влажностью 0,22.10,98 % фиксировали с использованием фото- и видеосъемки. Далее полученные изображения обрабатывались с определением контура образуемой завесы концентрата (рис. 2, 3, 4).
Расчет доли оконтуренной площади завесы концентрата от общей площади поперечного сечения барабана выполнялся с помощью векторной системы автоматизированного проектирования "AutoCAD".
Результаты обработки изображений завес падающего полевошпатового концентрата послужили базой для выявления математических зависимостей изменения площади завесы концентрата от его влажности при использовании различных конструкций внутренних устройств барабанной сушилки (рис. 5).
Сравнительный анализ экспериментально выявленных математических зависимостей площади завесы падающего полевошпатового концентрата Малышевской обогатительной фабрики в сечении сушильного барабана позволяет сделать вывод о существенном превышении площади завесы при использовании усовершенствованных с учетом физико-механических свойств концентрата сдвоенных лопаток по сравнению с результатами работы стандартных лопаток. Это положительно отразится на интенсивности конвективного теплообмена в барабанной сушилке и, как следствие, позволит значительно повысить эффективность сушки данного концентрата.
Рис. 2. Моделирование завесы сушимого рудного концентрата на пробе полевошпатового концентрата Малышевской обогатительной фабрики при использовании стандартных лопаток / Fig. 2. Simulation of a dried ore concentrate curtain on a sample of feldspar concentrate of the Malyshevsk concentrating plant using standard blades
при
влажности 10,71 %
при
влажности 8.78 %
при
влаж1К1сти4,17 %
при
влажности 2,32 %
при
%
при
%
Рис. 3. Моделирование завесы сушимого рудного концентрата на пробе полевошпатового концентрата Малышевской обогатительной фабрики при использовании сдвоенных лопаток/ Fig. 3. Simulation of a dried ore concentrate curtain on a sample of feldspar concentrate of the Malyshevsk concentrating plant using double blades
при
влажности 10,3 %
при
влажности 7,97 %
mi при
, |( влажности 3,95 %
при
влажности 2,09 %
при
влажности 1,07 %
при
влажности 0,22 %
Рис. 4. Моделирование завесы сушимого рудного концентрата на пробе полевошпатового концентрата Малышевской обогатительной фабрики при использовании усовершенствованных сдвоенных лопаток/ Fig. 4. Modeling a dried ore concentrate curtain on a sample of feldspar concentrate of the Malyshevsk concentrating
plant using advanced twin blades
Влажность концентрата, "о
Рис. 5. Изменение площади завесы падающего полевошпатового концентрата в зависимости от его влажности при использовании различных конструкций внутренних устройств барабанной сушилки: 1 - сдвоенные лопатки, усовершенствованные с учетом физико-механических свойств полевошпатового концентрата; 2 - двухлопастная насадка; 3 - стандартные заводские лопасти / Fig. 5. Changes in the area of the curtain of a falling feldspar concentrate depending on its humidity, when using various designs of internal devices of a rotary drier: 1 - double blades, improved by taking into account the physic-mechanical properties of feldspar concentrate; 2 - two-blade nozzle;
3 - standard factory blades
Таким образом, проведение модернизации конструкции внутренних устройств барабанных сушилок для сушки флотационных концентратов на обогатительных фабриках, а также при проектировании и производстве сушильного оборудования
на заводах-изготовителях методом выбора определенной формы и размеров лопастей с учетом особенностей сыпучих свойств конкретных рудных концентратов обеспечит повышение технико-экономических показателей горно-обогатительных предприятий.
Список литературы _
1. Бобриков В. В., Черников В. Н. Современное состояние техники и технологии процессов глубокого термического обезвоживания угольной продукции и технические предложения по интенсификации, повышению уровня промышленной и экологической безопасности // Горные машины и автоматика. 2000. № 5. С. 5-12.
2. Долматова М. О. Исследование процесса сушки асбестовых руд и сульфидных концентратов в трубах-сушилках с интенсифицирующими вставками: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.13. Екатеринбург, 2004. 23 с.
3. Лобанов А. В., Иванова Е. В. Энергосбережение на сушильных установках // Уголь Украины. 1997. № 2/3. С. 36-38.
4. Рудобашта С. П. Использование теоретических положений академика А. В. Лыкова в современных моделях тепломассообмена при сушке // Первые Международные Лыковские научные чтения: сб. ст. Курск: Университетская кн., 2015. С. 21-29.
5. Сажин Б. С., Сажин В. Б. Научные основы техники сушки. М.: Наука, 1997. 447 с.
6. Субботин М. Ю. Апробация методик оценки физико-механических свойств рудных концентратов с целью интенсификации их термической сушки // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: материалы международной молодежной научной школы. М.: ИПКОН РАН, 2012. Т. 2. С. 374-377.
7. Пат. №92007211 РФ, F26B11/04. Барабанная сушилка инфракрасного излучения / В. Н. Малиновский, В. Е. Болиштейн, М. Л. Каталхерман, О. М. Карлик, А. Н. Чернов; заявитель Научно-производственное объединение «ИРЕА»; № 92007211/06, заявл. 20.11.1992; опубл. 20.01.1995.
8. Патент № 2444686 РФ, МКП F26B 11/06. Барабанная сушилка / А. Н. Храмов. № 2010128841/06; заявл. 12.07.2010; опубл. 10.03.2012. Бюл. № 7.
9. Jie M. Structure design and analysisw of tube-type helix dryer // Journal of Beijing University of Technology. 2009. Vol. 35, No. 9. P. 1153-1157.
10. Massy-Delhotel E. Сушильная установка Promega для карьера Iribarren. URL: http://www. encyclopedie_universelle.fracademic.com/13696/MINES (дата обращения: 12.01.2019). Текст: электронный.
References _
1. Bobrikov V. V., Chernikov V. N. Gornye mashinyiavtomatika (Mining machines and automation), 2000, no. 5, pp. 5-12.
2. Dolmatova M. O. Investigation of the drying process of asbestos ores and sulfide concentrates in pipe driers with intensifying inserts: abstract. dis. ... cand. tech. sciences: 25.00.13 (Investigation of the drying process of asbestos ores and sulfide concentrates in pipe driers with intensifying inserts: abstract. dis. ... cand. tech. sciences: 25.00.13). Ekaterinburg, 2004. 23 p.
3. Lobanov A. V., Ivanova E. V. Ugol Ukrainy (Coal of Ukraine), 1997, no. 2/3, pp. 36-38.
4. Rudobashta S. P. Pervye Mezhdunarodnye Lykovskie nauchnye chteniya: sborniknauchnyh statey (First International Lykov Scientific Readings: collected scientific articles). Kursk: University Book, 2015, pp. 21-29.
5. Sazhin B. S., Sazhin V. B. Nauchnye osnovy tehniki sushki (Scientific principles of drying technology). Moscow: Nauka, 1997. 447 p.
6. Subbotin M. Yu. Problemy osvoeniya nedr v XXI veke glazami molodyh: materialy mezhdunarodnoy molodezhnoy nauchoy shkoly (Problems of mineral resources development in the XXI century through the eyes of young people: materials of the International Youth School of Science). Moscow: IPKON RAS, 2012, vol. 2, pp. 374-377.
7. Pat. №92007211 RF, F26B11/04. Barabannaya sushilka infrakrasnogo izlucheniya (Pat. No. 92007211 Russian Federation, F26B11 / 04. Drum dryer of infrared radiation); V. N. Malinovsky, V. E. Bolishtein, M. L. Katalkherman, O. M. Karlik, A. N. Chernov; Scientific Production Association "IREA". No. 9, 2007211 / 06, claimed 20.11.1992; publ. 20.01.1995.
8. Patent № 2444686 RF, MKP F26B 11/06. Barabannaya sushilka (Patent No. 2444686 of the Russian Federation, MKP F26B 11/06. Drum dryer); A. N. Khramov. No. 2010128841/06, declared 12.07.2010; publ. 10.03.2012. Bull. no. 7.
9. Jie M. Journal of Beijing University of Technology (Journal of Beijing University of Technology), 2009, vol. 35, no. 9, pp. 1153-1157.
10. Massy-Delhotel E. Sushil'naya ustanovka Promega dlya kar'era Iribarren (Promega Dryer for Iribarren Quarry). URL: http://www.encyclopedie_universelle.fracademic.com/13696/MINES (Date of access: 12.01.2019). Text: electronic.
Коротко об авторах_
Храмов Анатолий Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия. Область научных интересов: инновационные процессы рудоподготовки и сушки концентратов при переработке минерального сырья khramov.a53@mail.ru
Субботин Михаил Юрьевич, канд. техн. наук, главный инженер, ГК «Шелковый Путь», г. Чита, Россия. Область научных интересов: инновационные процессы сушки концентратов при переработке минерального сырья m.iu.subbotin@mail.ru
Briefly about the authors _
Anatoly Khramov, candidate of engineering sciences, assistant professor, Processing Minerals and Secondary Raw Materials department, Transbaikal State University, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: innovation processes of ore preparation and drying concentrations in mineral ores processing
Michael Subbotin, candidate of engineering sciences, GC Mining Company "Silk Way", Chita, Russia. Sphere of scientific interests: innovation processes drying concentrations in mineral ores processing
Образец цитирования_
Храмов A. H., Субботин М. Ю. Особенности свойств рудных концентратов, влияющие на выбор конструкции барабанных сушилок // Вестник Забайкальского государственного университета. 2019. Т. 25, № 8. С. 24-31. DOI: 10.21209/2227-9245-2019-25-8-24-31.
Hramov A., Subbotin M. Features of ore concentrates properties affecting a choice of drum driers design // Transbaikal State University Journal, 2019, vol. 25, no. 8, pp. 24-31. DOI: 10.21209/2227-9245-2019-25-8-24-31.
Статья поступила в редакцию: 05.04.2019 г. Статья принята к публикации: 23.04.2019 г.
