Влияние геометрии потока гидровзвеси на процесс выделения тяжелой фракции ценного компонента при промывке металлоносных песков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622. 75

Черкасов Валерий Георгиевич Valéry Cherkasov

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ПОТОКА ГИДРОВЗВЕСИ НА ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛОЙ ФРАКЦИИ ЦЕННОГО КОМПОНЕНТА ПРИ ПРОМЫВКЕ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ПЕСКОВ

INFLUENCE OF GEOMETRY OF STREAM OF HYDRODREDGE ON THE PROCESS OF HEAVY FACTION OF VALUABLE COMPONENT SELECTION AT WASHING OF METALLIFEROUS SANDS

Рассмотрены возможности рационального деления потока гидровзвеси с геометрической точки зрения с целью повышения эффективности обогатительного процесса при промышке металлоносных песков. Приводятся технические решения по реализации аппаратурного оформления идеи и результаты исследования, проведенные на физической модели по разделению полиминерального двухфазного потока. Предложенная геометрическая схема деления потока гидровзвеси на тонкие слои гасит гидродинамические возмущения двухфазной среды и создает ламинарный режим в каналах с образованием двойного тонкослойного эффекта, управление которым формирует устойчивое стратифицированное течение. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что такой подход создает локальную зону по транспортированию сгущенного продукта твердой фазы гидровзвеси с возможностью усиления механизма сегрегации тяжелых частиц по их плотности. Оценка стабильности процесса расслоения проведена изучением комплексного критерия на основе плотностных чисел Рейнольдса и Фруда, значения которого на несколько порядков ниже, чем в потоках при обогащении тонкодисперсного минерального сыгрья в аппаратах проточного типа. Приведены значения граничных условий перехода процесса с ламинарного на турбулентный режим.

Установлено, что локализация осадочного слоя при стратифицированном течении усиливает се-

The possibility of a rational division of hydro-dredge flow from a geometric point of view in order to increase the processing efficiency during the washing process of metalliferous sands is observed. The technical solutions to implement the hardware design ideas and results of studies on the physical model of the separation polymineral two-phase flow are given. The proposed geometric scheme of dividing the flow of hydro-dredge into thin layers absorbs hydrodynamic perturbations of a two-phase medium and creates a laminar mode in channels with formation of a double thin-layer EF-reaction, which forms a stable stratified flow. It has been shown theoretically and confirmed experimentally that this approach creates a local transportation area of condensed product of a solid phase of hydro-dredge with the opportunity to strengthen the mechanism of heavy particles' segregation by their density. Evaluation of the stratification process stability is carried out by the study of complex criteria based on the density of Reynolds number and Frode, whose values are several orders of magnitude lower than in streams with the beneficiation of fine minerals in flow-type apparatus. The values of the boundary conditions of the transition process from laminar to turbulent regime are given.

It was found that the localization of the sedimentary layer in a stratified flow increases the segregation of heavy fraction, with an estimated efficiency of enrichment process up to 80% on small and thin classes. Technical solutions for hardware design of thin-layer

грегацию тяжелой фракции с расчетной эффективностью процесса обогащения до 80 % по мелким и тонким классам. Технические решения по аппаратурному оформлению тонкослойного процесса разделения гидровзвеси, возникающей при промывке металлоносных песков с выпделением тяжелой тонкодисперсной фракции, защищены патентами РФ: 1692028, 2248848, 2385771

separation process hydro-dredge arising when washing metalliferous sands' washing, emitting heavy fine fraction are protected by the patents of the RF: 1692028, 2248848,2385771

Ключевые слова: обогащение, промывка песков, гидродинамический режим, геометрия потока, тонкий слой, стратификация, осадок, сегрегация

Key words: enrichment, sands' washing, hydrody-namic regime, flow of geometry, thin layer stratification, sediment segregation

При обогащении металлоносных песков

на россыпных месторождениях традиционными методами с использованием аппаратов проточного типа основные потери определяются мелким (-0,1 мм) и тонким (-0,01 мм) классами, которые могут достигать, например, при золотодобыче 50 %. Учитывая, что в последние время добыча металла гидромеханизированным способом из россыпей из-за простоты технологии и малых капитальных затрат преобладает [1; 2], то для решения этой проблемы, с сохранением при этом всех достоинств подобныгх устройств и технологии, просматривается два принципиальных подхода:

— снижение гидродинамических режимов массопотоков, при которых возрастает роль гравитационной составляющей в разделительном процессе;

— изменение геометрии поперечного сечения потока гидровзвеси, усиливающее эффект прямой механической стратификации (расслоения).

В наиболее распространенных промы-вочныгх аппаратах (ПГШ, ПГБ, ТОК, «Ромашка» и др.) скорость потока над улавливающим покрыггием составляет 2...4 м/с, а его высота достигает 60.80 мм, что соответствует гидродинамическому режиму с числом Рейнольдса Де=(15...30)104 и числом Фруда Вг= (3.5). Такие параметры несовместимы с процессом выделения мелких и тонких классов ценного компонента в осадок, что приводит к их сносу и безвозвратной потере. Требуются кардинальные конструк-

тивные изменения аппаратов подобного типа, в которых гравитационная составляющая твердой фазы гидровзвеси быша бы сопоставима с параметрами массопотока.

Появление новых аппаратов на базе тонкослойных (канальных) разделителей двухфазной среды, снижающих влияние турбулентности потока на снос мелких и тонких фракций, дает предпосылки для реализации этого принципа в обогатитель-ныгх устройствах. Анализ конструкций и эксплуатационных показателей [3; 4; 5] отечественных и зарубежных аналогов показывает:

— по гидродинамическим показателям в тонкослойных аппаратах (ТА) гидропа-ток соответствует ламинарному режиму с числом Рейнольдса Де=(5...10)102 и числом Фруда ^г=(1...2)10-2, что на два-три порядка ниже, чем на шлюзах и совместим с гравитационным процессом осаждения твердой фазы гидровзвеси в осадок;

— по принципу действия ТА отвечают тем требованиям, которыми должны обладать устройства, работающие в экстре-мальныгх условиях приисков, а именно: отсутствие энергоемких и подвижных узлов, высокая износостойкость деталей (по сравнению с центрифугами, гидроциклонами, спиральными классификаторами), низкая себестоимость в эксплуатации;

— по технологическим параметрам, включающим объемы переработки гидровзвеси, гранулометрический состав твердой фазы, концентрацию твердого в

потоках на входе и выходах, разделяющую способность по крупности и плотности, требования к технологической воде, тонкослойный принцип разделения вполне приемлем при разработке россыпных месторождений для создания мобильныгх систем обогатительного производства;

— по эксплуатационной характеристике ТА имеют высокую надежность в работе, относительно просты в изготовлении, обслуживании и регулировке, обладают высокой чувствительностью к интенсифицирующим добавкам, менее чувствительны к перепадам нагрузки и отклонениям плоскости их базирования по месту.

Общий принцип действия этих аппаратов приемлем для создания на их базе

мобильных систем водоподготовки при промывке металл оносныгх песков. Однако применительно к гидровзвесям эфельных хвостов известные технические решения не позволяют их использовать для попутного извлечения тонкодисперстного ценного компонента.

В результате изучения процесса формирования осадка в ламинарных потоках по прямоточно-поперечной схеме с последующей локализацией осадка в донной части продольно вытянутой оболочки (рис. 1) автор выявил потенциальные резервы тонкослойного пространства путем перераспределения потоков и создания двойного тонкослойного эффекта [6].

Рис. 1. Схема тонкослойного аппарата (а) и график изменения плотности локализованного слоя осадка по его глубине (б)

Первый эффект возникает между пластинами тонкослойного пространства. В этом случае в качестве разделительной области выступает система каналов с переводом минеральныгх частиц на их стенки. Второй эффект обеспечивает продольно вытянутая оболочка аппарата, когда в ее нижней зоне

аккумулируется подвижный слой осадка, т. е. возникает прямая механическая стратификация (двухслойное течение).

Второй эффект, в отличие от традиционной схемы сбора осевшего продукта, обеспечивает дополнительную степень свободы твердой фазе гидровзвеси по форми-

рованию и трансформации осадочного продукта в пространстве и во времени. Вторая схема формирует и транспортирует сгущенный поток, выделенный на первом этапе, вдоль днища оболочки и поток жидкой фазы вдоль верхней части оболочки. Такое перераспределение двухфазной среды дает возможность расширить функциональные возможности ТА и наложить на него дополнительные обогатительные функции.

Учитывая, что между подвижными слоями сгущенного продукта и осветленной жидкости протекает гидродинамический массообмен, требуется локализовать один из потоков и свести границу раздела к минимуму. Так, сравнительная характеристика осадочных слоев плоского и гофрированного каналов (рис. 2) показывает, что при равныгх В и Н свободная поверхность осадка во втором варианте для Р=90о сокращается в 32 раза и в тех же пропорциях возрастает его высота. Следовательно, концентрация продуктов гравитационного распада двухфазной среды, транспортируемых в продольном направлении с сокращением границы раздела слоев потоков путем их локализации, существенно снижает массообмен между ними, повышая в тех же пропорциях высоту осадка, что важно для

процесса сегрегации частиц тяжелых фракций в процессе транспортирования вдоль оболочки аппарата.

Рис. 2. Влияние формы поверхности канала на геометрические параметры поперечного сечения осадка, где а -плоская поверхность; б - гофрированная поверхность

Практическая реализация геометрического деления массопотока гидровзвеси на тонкослойные элементы и локализация осадочного слоя допускает различные конструктивные решения [7; 8; 9] в зависимости от базовой конфигурации оболочки (рис. 3), формы поверхности и используемого материала (см. таблицу).

Рис. 3. Разновидности рациональных поперечных сечений оболочки тонкослойных

аппаратов и варианты их деления на слои

Оценка устойчивости стратифицированного течения сгущенного продукта в локальной зоне проведена исследованием значений комплексного показателя В на основе плотностныгх чисел Рейнольдса и Фру-да Fг , который достаточно точно отража-

ет прямую стратификацию и учитывает неоднородность среды по вязкости. Кроме того, этот показатель охватывает диапазон изменяющихся чисел Рейнольдса и Фруда, значения которых преобладают в данном процессе.

Приведенные геометрические параметры каналов с различной конфигурацией формы поперечного сечения

Примечание:

*) п — количество шагов t по ширине В;

**) для симметричныгх сечений по двум осям за базовый вариант принят квадрат

В зоне проявления максимальных градиентов плотности условие роста возмущений твердой фазы оценивалось соотношением

Л1-7Я,

(ДГ)2

р\и\

Р\+Ръ

кр1>

р

где Fkpi — критическое значение показателя стойчивости для ьго состояния;

и Frд — числа Рейнольдса и Фруда

соответственно в локальной зоне 5 л

д'

АУ=(иер-Уер) — сдвиг скорости между слоями;

8д— толщина динамического пограничного слоя раздела;

Р0, Р1, ^о, VI — соответственно плотность рассматриваемых слоев и их кинематические коэффициенты вязкости;

Ар — разность плотностей (р0 - рх);

р — осредненная плотность динамического слоя раздела.

Экспериментально на прозрачной модели установлено, что при FкрJ<120 потоки находятся в ламинарном режиме, причем разность средних скоростей исходного питания и слоя осадка составляет AV=U -V <0,04 м/с; при 120^ 9<500

ср ср ' ' ' 1 кр.2

и 0,04<А^0,06 наблюдается устойчивое возмущение осадочного слоя; при 500^^1200 и 0,06<А^0,08 происходит распад двухслойного течения, а при Fкр 4>1200 и АУ>0,08 м/с наступает турбулентное перемешивание осадочного слоя с потоком исходного питания. На основании этого исследования установлено, что для достижения высокой эффективности разделительного процесса вывод осадка из тонкослойного пространства в локальную зону должен производиться по кратчайшему пути, в результате чего h ® hmin и достигается минимальная разность скоростей стратифицированных потоков, для которых F<100. В сравнении со шлюзами этот

показатель составляет ^=(2...5)^106, что на четыре порядка выше предлагаемого решения, и формирует высокую турбулентность потока двухфазной среды, исключая гравитационный процесс выделения в осадок тонкодисперсного ценного компонента.

Оценка технологических возможностей ТА по выделению тяжелого по плотности компонента проведена физическим моделированием процесса на искусственно приготовленных смесях. Отбор исследуемых проб осуществлялся по длине ТА и высоте локализованного слоя осадка в гофрированном канале днища. Управление его скоростным режимом транспортирования проводилось путем изменения угла наклона оболочки - а , при этом скорость осадочного слоя находилась в интервале 0,01...0,08 м/с. Исходным питанием являлась песча-но-глинистая гидровзвесь (класс - 71 мкм) с

а)

добавлением тяжелой фракции — магнетита (класс -71 мкм), массовая доля которого составляла 9,1 % от твердой фазы.

Деформация плотности подвижного осадочного слоя полиминеральной гидровзвеси в относительных координатах по длине и высоте представлены на рис. 1, б и 4. Такое перераспределение вызвано тремя причинами:

1) существенным снижением гидродинамического режима потока гидровзвеси (по числам Re и Fr на несколько порядков);

2) селективностью перемещения твердой фазы еще на стадии формирования осадка (первичный эффект тонкослойного пространства);

3) сегрегацией частиц в стесненном состоянии при транспортировке вдоль канала (вторичный эффект).

б)

PfC

ф о

S О

lg. С 8|

5Р в§(

н Q-0-8-

' \l 2 3

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0

Относительная длина канала, Lj /Lmax

Рис. 4. Изменение содержания тяжелой фракции (магнетитрм=4950 кг/м3, исходная концентрация см=10 г/дм3):

а) по глубине локализованного песчано-глинистого осадка (р=2600 кг/м3, исходная концентрация с=100 г/дм3), где 1 - в конце канала на выходе из ТА; 2 - в средней

части; 3 - в наЧале канала, что соответствует сечениям А-А, B-B, С-С на рис. 1;

б) по длине канала, где 1 - нижний слой осадка, h/h=0; 2 - средний слой, h/h=0,5;

3 - верхний слой осадка, h/h=1

Если на входе питание содержало тяжелую, легкую фракции и жидкую фазу соответственно в пропорциях по массе 1:10:100, то, отсекая на выходе из ТА по высоте нижнюю половину осадочного слоя с последующим его выводом из рабочего пространства, достигалось соотношение 1:2:10. При этом усиливалась степень концентрации тяжелых по плотности частиц в отводимой твердой фазе в 3,7 раз, а доля отводимого потока составляла не более 11,7 % от исходного питания. Расчетная технологическая эффективность процесса обогащения по формуле Луйкена — Хенкока составила 79,1 %.

Таким образом, применительно к эфельным хвостам промывки металлоносных песков геометрическое послойное деление массопотока гидровзвеси не нарушает энергосберегающий принцип работы обогатительных аппаратов проточного типа и существенно снижает его гидродинамический режим. Рассмотренный процесс формирования и движения осадка при разделении двухфазного потока в локализованных каналах как стратифицированное течение позволяет вскрыть потенциальные возможности тонкослойного пространства и реализовать новые технические решения по повышению улавливания тонкодисперсных тяжелых частиц ценного компонента.

Литература-

1. Чантурия В.А., Сидельникова Г.В. Развитие золотодобычи и технологии обогащения золотосодержащих руд и россытей // Горный журнал. 1998. № 5. С. 4-9.

2. Замятин О.В, Маньков В.М. Современные технологии обогащения золотосодержащих песков россышных месторождений // Горный журнал. 2001. № 5. С. 45-48.

3. Пряничников Е.В. Применение канальных сгустителей в схемах сгущения и обесшламлиания / / Цветные металлы. 1980. № 9. С 37-39.

4. О.К. Щербаков, А.С. Горелых, И.Н. Диомидов [и др.]. Промышленные испытания канального сгустителя на разжиженных пульпах // Горный журнал. 1984. № 7. С 42-43.

5. Е.Б. Кремер, Р.Ф. Нагаев, Е.В. Пряничников [и др.]. Гидродинамика тонкослойных сгустителей и принципы их конструирования // Обогащение руд. 1985. № 3. С. 27-31

6. Черкасов В.Г. Конструктивные решения по формированию двойного разделительного эффекта в тонкослойных (канальных) аппаратах // Горный информационно- налитический бюллетень. 2006. № 2. С. 379-384.

7. Пат. 2248848 Российская федерация МПК В 03 В 5/68. Тонкослойный разделитель минеральных частиц / В.Г. Черкасов, О.А. Баландин, В.П. Мязин; заявитель и патентообладатель Читинский гос. техн. ун-т. № 200313549/03; заявл. 27.10.2003; опубл. 27.03.2005, Бюл. № 9.

8. Пат. 1692028 Российская федерация МПК В 01 Д 21/02. Тонкослойный разделитель минеральных частиц в потоке / В.Г. Черкасов, В.П. Мязин, Е.П. Маккавеев, Ю.С. Шевченко; заявитель и патентооб-

_References

1. Chanturiya V.A., Sidelnikova G.V. Gorny zhurnal (Mining journal), 1998, no. 5, pp. 4-9.

2. Zamyatin O.V., Mankov V.M. Gorny zhurnal (Mining journal), 2001, no. 5, pp. 45-48.

3. Pryanichnikov E.V. Tsvetnye metally (Non-ferrous metals). 1980. no. 9. pp. 37-39.

4. Shcherbakov O.K., Gorelyh A.S., Diomidov I.N. [et al.] Gorny zhurnal. (Mining journal). 1984. no. 7. pp. 42-43.

5. Kremer E.B., Nagaev R.F., Pryanichnikov E.V. [and others] Obogashhenie rud. (Ores' enrichment). 1985. no. 3. pp. 27-31.

6. Cherkasov, V.G. Gorn. inform.-analit. byul. (Mining inform.-analytical bull.), 2006, no. 2, pp. 379-384.

7. Pat. 2248848 Rossiyskaya federatsiya MPK V 03 V 5/68. Tonkosloyny razdelitel mineralnyh chas-tits (Pat. 2248848 of the Russian Federation IPC In 03 In 5/68. Thin-layer separator of mineral particles); V.G. Cherkasov, O.A. Balandin, V.P. Myazin; applicant and patentee of the Chita State technical. University, no. 200313549/03; Appl. 27.10.2003; publ. 27.03.2005, bull. No. 9.

8. Pat. 1692028 Rossiyskaya federatsiya MPK V 01 D 21/02. Tonkosloyny razdelitel mineralnyh chas-tits v potoke (Pat. 1692028 of the Russian Federation IPC 01 D 21/02. Thin-layer separator of mineral par-

ладатель Читинский политехи ин-т. № 4809502/26; заявл.26.02.90; опубл. 30.10.91, Бюл. № 40.

9. Пат. 2385771 Российская федерация МПК В03В 5/62. Тонкослойный сепаратор полиминеральной гидровзвеси / В.Г. Черкасов, B.C. Силинский, O.C. Цыпдапова, A.B. Веретельников; заявитель и патентообладатель Читинский гос. унт. № 2009113181/03; заявл. 08.04. 2009; опубл. 10.04.2010, Бюл. № 10.

Коротко об авторе _

Черкасов В.Г., д-р техн. наук, профессор, Забайкальский государственныйуниверситет, г. Чита, Россия

8-924-376-14-82

Научные интересы: обогатительное оборудование, аппаратурное оформление и теория процессов разделение двухфазных потоков

ticles in a flow); V.G. Cherkasov, V.P. Myazin, E.P. Makkaveev, Yu.S. Shevchenko; applicant and patentee Chita Polytechnical Institute, no. 4809502/26; Appl. 26.02.90; publ. 30.10.91, bull. No. 40.

9. Pat. 2385771 Rossiyskaya federatsiya MPK V03V 5/62. Tonkosloyny separator polimineralnoy gidrovzvesi (Pat. 2385771 of the Russian Federation IPC WV 5/62. Thin-layer separator polymineral get-rowsize); V.G. Cherkasov, V.S. Silinsky, O.S. Zida-rova, A.V. Veretennikov; applicant and patentee Chita State University, no. 2009113181/03; Appl. 08.04. 2009; publ. 10.04.2010, bull. No. 10.

_ Briefly about the author

V. Cherkasov, doctor of technical sciences, professor, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: mineral processing equipment, instrumentation processes and theory of two-phase flows separation