Повышение качества песка с использованием гидроциклонов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------- © А.Э. Тухель, В.М. Дятлов,

С.С. Кунашев, 2006

А.Э. Тухель, В.М. Дятлов, С.С. Кунашев

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕСКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОЦИКЛОНОВ

Уровень развития производительных сил в Сибири и, прежде всего, топливно-энергетического и транспортного комплексов, в значительной степени определяет современное состояние и перспективы развития экономики Российской Федерации. Большой вклад в это развитие вносят акционерное общество «Компания Трансгидромеханизация» и другие гидромеханизированные организации, расположенные в Тюменской области. Они выполняют в сложных природно-климатических, физико-географических и инженерно-геоло-гических условиях земляные работы по обустройству нефтяных и газовых месторождений, намыву площадей под промышленное и гражданское строительство и других объектов. Для намыва указанных объектов используются обводненные месторождения мелких и среднезернистых песков, которые по своим качественным характеристикам, в соответствии с ГОСТом 873693 не могут использоваться как наполнители для тяжелых бетонов, а в отдельных случаях и как песок для штукатурных растворов.

Пески этих месторождений по модулю крупности Мк в соответствии с ГОСТ 8736-93, относятся ко II классу и определяются группами песков: мелкий, очень мелкий, тонкий и очень тонкий. Максимальный размер частиц песка в месторождениях редко превышает 2,0 мм.

Интенсивно развивающаяся промышленность Западной Сибири, в частности, Тюменская область, включающая в себя Ханты-Мансийский и Ямало-Ненецкий национальные округа, практически полностью лишена месторождений песчано-гравийных пород.

Следовательно, пески, из разрабатываемых гидромеханизированным способом месторождений не могут быть использованы в качестве мелкого наполнителя для производства тяжелых бетонов, которые необходимы для сооружения фундаментов строений,

строительных конструкций, дорожных одежд и обеспечения жилищно-хозяйственного комплекса (ЖКХ).

Кафедрой «Технология, механизация и организация открытых горных работ» МГГУ совместно с сотрудниками «ЗАО «Нижневартовсктрансгидромеханизация» проведены научные исследования и произведены расчеты по использованию гидроциклонов с целью обогащения песка и повышения его модуля крупности для производства мелкого наполнителя бетонов.

Исследования и расчеты проводились по одному из песчаных месторождений Тюменской области и базировались на рекомендациях института ВНИИПИСтромсырье, нашедшие отражение в «Нормах» [1], а также на результатах экспери-ментов, проводившихся в институте «Механобр» [2].

Месторождение разрабатывается земснарядом 180-60. Пески намываются в штабели, откуда самовывозом разбираются для отсыпки дорог и планировки территорий. Грануло-метрический состав песка представлен в табл. 1.

Таблица 1

Гранулометрический состав песка

Остатки на Размер сит, мм

ситах, % 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 >0,16

Частичные 0,3 1,1 4,8 25,5 49,5 18,8

Полные 0,3 1,4 6,2 31,7 81,2

Модуль крупности песка составляет:

0,3 +1,4 + 6,2 + 31,7 + 81,2 М = = 1,21.

100

При остатке на сите 0,63 = 6,2 % (менее 10 %) в соответствии с ГОСТом [4] песок относится к группе «очень мелкий» (Мк =

1,0^ 1,5) и следовательно в соответствии с рекомендациями [3] не может быть использован в качестве наполнителя для бетонов. Кроме того, представленный песок без обогащения не может быть рекомендован и как песок для штукатурных растворов, т.к. содержание класса +1,25 мм составляет 1,4 % при допустимой величине не более 0,5 % по массе.

Для обогащения песка, с целью выделения из общей массы части песка с повышенным модулем крупности (пригодным для

использования его в качестве наполнителя для бетонов) был предложен гидроциклон.

Гидроциклоны нашли широкое применение. В горнорудной промышленности они используются на обогатительных фабриках как классификаторы, работающие в замкнутых циклах с оборудованием измельчения, а в промышленности производства нерудных строительных материалов применяются в качестве сгустителей и обезвоживателей гидросмеси [4, 5, 6, 7, 8].

Однако ни в научно-технической литературе и публикациях, ни в доступных результатах научно-исследовательских работ нет данных об использовании гидроциклонов в качестве обогатительного оборудования для улучшения качества песка и, в частности, сброса мелких фракций с целью повышения модуля крупности - Мк.

Технологические расчеты гидроциклона произведены по методике к.т.н. К.С. Бессмертного, включенную в ныне действующие «Нормы технологического проектирования предприятий промышленности нерудных строительных материалов», утвержденные МПСМ СССР 30.12.75 и согласованные с ГОССТРОЙ ССССР 07.04.75 № АБ-1493-20/12 (далее «Нормы» [1]). Кроме того, с целью корректировки некоторых положений указанной методики использованы теоретические исследования и практические рекомендации доктора технических наук А.И. Поварова, выполненные в институте «Механобр» [2].

В расчетах соблюдена последовательность определения основных параметров [1] и по каждому из них произведена интерпретация полученных результатов.

Расчеты произведены по двум вариантам:

I. Базовый (расчетный - QH - 1800 м3/час.

II. Предполагаемый - QH = 2200 м3/час.

Первый вариант принят ввиду того, что позволяет опираться на результаты промышленных испытаний гидроциклона диаметром 1400 мм, представленные коллективом авторов: А.И. Поваровым, Л.Е. Даниэль, В.А. Кайтмановым, А.А. Геронтьевым [9].

1. Предполагаемый вариант принят для подачи грунтового насоса 16ГрУТ-8М земснаряда 180-60.

Определение диаметра гидроциклона D, м

D = 0,2 +-------^------- , м (1)

505+0,417 • д п

где 0п - подача от земснаряда на гидроциклон, м3/час.

По I варианту - D = 1,63 м;

По II варианту - D = 1,75.

Эмпирическая формула 1 для расчета величины D дает несколько завышенный результат. Это подтверждается и результатами испытаний [9], где дп = 1646 м3/час. Тогда расчетный диаметр был бы - 1,58 м, а действительно составил 1,4 м.

Основываясь на этих заключениях, приведенную выше формулу 1 предлагается представить в следующем виде:

D =-------д-------- , м (2)

505+0,417 • д п

Расчеты по ней дают следующие результаты: вариант I — D = 1,43 м (принимается D = 1,4 м); вариант II - D = 1,55 м (принимается D = 1,6 м).

По результатам испытаний D = 1,38 м « 1,4 м.

2. Определяется диаметр сливного патрубка - ^сл .

По «Нормам» [1] dсл = (0,3 - 0,4)D.

По «Механобру» [2] dсл = (0,2 - 0,4)D.

Принимая dсл = 0,3D: вариант I - dсл = 0,3-140 = 42 см; вариант II - dсл = 0,3-160 = 48 см.

3. Определяется диаметр питающего патрубка - dп.

Как известно dп = (1,0^0,5^сл.

Принимая dп = 0,75dсл следует: вариант I - dп = 0,75 • 42 = 31,5 см; вариант II - dп = 0,75 • 48 = 36,0 см.

Устанавливаются соотношения размеров входного отверстия

— на основании общепринятой практики, в частности по данным

УЗГО [11] - — = І.

h 3

Расчетами, проведенными по зависимости ^ = 1,13уТ—к

вариант I - Ь х h = 16 х 48 см; вариант II - Ь х h = 19,5 х 55,5 см.

4. Стандартный угол конусности а = 20° проверяется по безразмерному параметру

Э2

(число Фруда Fz = —) (3)

gD

где 3 - скорость подачи пульпы в гидроциклон, м/сек;

з = 6

3600 • Ь • И ; (4)

т п 1800 Л С1 ,

вариант I — Э =---------------= 6.51 м/сек;

3600 • 0,16 • 0,48

тт п 2200 , пс ,

вариант II— Э =---------------= 5.95 м/сек.

3600 • 0,185 • 0,555

Число Фруда:

6 512

вариант I — Fr = —------= 3.08 ;

г 9,81 • 1,4

5 952

вариант II — Fr = —-------= 2.26

9,81 • 1,6

По обоим вариантам число Фруда превышает величину 1,5, что соответствует установленным нормам [1].

5. Определяется диаметр песковой насадки - А.

В соответствии с рекомендациями [1, 7, 10]:

А = (0,2^0,7КЛ.

Учитывая очень большой разброс в выборе величины диаметра песковой насадки, можно воспользоваться рекомендациями «Норм» [1] и определить диаметр песковой насадки - А по следующей эмпирической зависимости:

л , 0,12• псл 0,0003у 3 D1’25

А = (-0,524 + . „ с + 0,54у + —----------—-)------, см, (5)

V Dí’25 g • D 2

где dсл - диаметр сливного насадка, см; D - диаметр цилиндрической части гидроциклона, см; у - плотность пульпы, т/м3; 3о -скорости входа пульпы в гидроциклон, определены ранее, см/с.

В результате расчетов по выше представленной зависимости:

I вариант - А = 21,2 см;

II вариант - А = 24,75 см.

Проверяются расчетные величины по вышеприведенным рекомендациям:

т А 21,2 пспс

I вариант-------- —— = 0,505;

den 42 ’ ’

тт А 24,75 ПС1<;

II вариант------= —-— = 0,516.

den 48

Полученные результаты строго вписываются в рекомендации

[7].

Расчетные показатели основных параметров гидроциклонов по I и II вариантам представлены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные показатели основных параметров гидроциклонов (рис.)

№№ им Параметры Обозна- чения Ед. измере- ния Вари I анты II

1 Диаметр гидроциклона D м 1,4 1,6

2 Диаметр сливной насадки dc см 40 45

3 Диаметр питающего патрубка d II см 30 37

4 Размеры входного отверстия b, h см 15х45 20х55

5 Диаметр Песковых насадок А см 15, 20, 25 20, 25, 30

6 Производительность по пульпе Q м3/час 1800 2200

7 Напор на входе в гидроциклон H кг/см2 1,5 1,5

8 Высота цилиндрической части lr см 100 120

9 Высота конической части 1к см 385 440

10 Высота сливного патрубка 1с см 75 80

11 Ориентировочная общая высота 1гидр м ~6 ~7

Принципиальная схема гидроциклона

Полученные расчетные данные, безусловно, требуют некоторых корректировок и округления полученных результатов, руководствуясь следующими допущениями (табл. 2):

• нестабильность подачи питания в гидроциклоне как по общей подаче Qп, так и по производительности по грунту;

• изменение грансостава природного песка, как по отдельным участкам, так и в пределах разрабатываемого участка.

Пользуясь рекомендациями «Норм» [1] произведены расчеты обогащения песка по варианту I в гидроциклоне D = 1,4 м с подачей Q = 1800 м3/час при давлении на входе Н = 1,5 кг/см2 для трех диаметров песковых насадок: 250 мм, 200 мм, 150 мм. Наиболее приемлемые результаты, удовлетворяющие выполнению поставленной задачи, т.е. извлечению из общей массы части песка с модулем крупности более 2,0, получены при А = 150 мм. Результаты этих расчетов представлены в табл. 3.

В соответствии с расчетами выход обогащенного песка составляет 25,6 %. Модуль крупности обогащенного песка - Мк = 2,1. По этому показателю он может быть отнесен к группе «песок средний» (Мк = 2^2,5) и может быть использован в качестве мелкого наполнителя для бетонов марки В15 и выше.

При намыве карты остатком после обогащения песка и со сбросом в хвосты фракции > 0, 16 мм получается песок, относящийся к группе «тонкий» с модулем крупности Мк = 0,91 (предел 0,7^1,0). Однако при отводе с карты намыва части частиц фракции 0,16-0,315 (что технически возможно осуществить при укороченной длине карты намыва) намытый в штабеля песок может превысить модуль крупности 1,0. В результате в намытом штабеле будет представлен песок, относящийся к группе «мелкий», который по всем показателям представляет собой промытый песок для штукатурных растворов.

Представленный выше расчет и выводы, сделанные по их результатам относятся к I (базовому) варианту при Qг = 1800 м3/час и D = 1400 мм. Расчеты произведены в относительных выходах продуктов разделения. Эти значения в полной мере соответствуют и для предполагаемого II варианта

при Q = 2200 м3/час и D = 1600 мм. При этом, хотя геометрические размеры основных параметров гидроциклона ^п, dсл, А) в

соотношении DII.DI не могут быть приняты в отношении прямопропорциональной, их следует учитывать.

Работа гидроциклона с D = 1,6 м при расходе гидросмеси 2200 м3/час приведет к увеличению диаметров как питающего насадка и сливного, так и к увеличению диаметров пескового насадка в отношении 1. (1,15.1,2). В результате, например, при выходе песков 25 % по варианту I (производительность по пескам 200 м3/час) - объем составит 50 м3/час. По варианту II (производительность по пескам - 260 м /час) - объем составит 65 м /час. Годовую производительность нетрудно подсчитать по длительности сезона работы земснаряда (табл. 4).

Таблица 4

Производительность по пескам

Продукты Выход, % Производительность

м3/час м3/год

Вариант I Вариант II Вариант I Вариант II

Песок «средний» 25,0 50 60 В зависимости от количества рабочих дней в году В зависимости от количества рабочих дней в году

Песок «мелкий» 45,0 90 117

Всего 70 140 182

Хвосты 30,0 60 78

Итого 100 200 260

Перевод работы земснаряда на режим обогащения песка потребует провести тщательную работу в области маркетинга. Установить потребителей в области стройиндустрии. бетонные заводы, растворные узлы и пр., а также в отраслях ЖКХ.

Одной из основных составляющих ценообразования предлагаемых решений может быть расстояние «карьер-потре-битель», определяющее стоимость франко-куб от дальности транспортирования.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нормы технологического проектирования предприятий промышленности нерудных строительных материалов. Л., «Стройиздат», 1977.

2. ПоваровА.И. Гидроциклоны. М., ГИТИЛ по горному делу, 1981.

3. ГОСТ 8735-93. Песок для строительных работ. Технические условия.

4. Справочник по обогащению руд. Основные и вспомогательные процессы. Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского. М., Недра, 1984.

5. Олюнин В.В. Переработка нерудных строительных материалов. М., Недра,

1988.

6. Бруякин Ю.В., Тухель А.Э. Переработка пород при гидромеханизированной разработке песчано-гравийных месторождений. М., МГИ, 1990.

7. Поваров А.Н. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. М., Недра,

1978.

8. Липман А.А., Терехов Д.И., Шаненко Ф.Ф. Обезвоживание нерудных строительных материалов. М., Стройиздат, 1975.

9. Промышленные испытания гидроциклона диаметром 1400 мм. «Обогащение руд», № 3, 1973, стр. 26-28

10. Поваров А.И. Гидроциклоны. М., ГНТИЛ по горному делу, 1961.

11. Каталог обогатительного оборудования. Л., ГИПРНЕМЕТРУД, 1961.

— Коротко об авторах ----------------------------------

Тухель А.Э. - Московский государственный горный университет, Дятлов В.М. - ЗАО «Компания «Трансгидромеханизация», Кунашев С.С. - ЗАО «Нижневартовсктрансгидромеханизация».