Выбор оптимальных режимов работы гидротранспорта раздельнозернистых материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.В. Моссйкин, Ю.А. Климашсвский, 2007

УДК 622.648

В.В. Мосейкин, Ю.А. Климашевский

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГИДРОТРАНСПОРТА РАЗДЕЛЬНОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Семинар № 1

Выбор режимов работы гидротранспорта отходов рудо-обогащения - хвостов комбината «КМАРуда» и ОАО «Лебединский ГОК» - важное направление оптимизации гидротранспорта раздельнозернистых материалов. Выбор режима работы гидротранспорта включает решение ряда задач:

• гидравлический расчет магистрального трубопровода;

• уменьшение износа пульповодов, снижение потерь напора и энергозатрат при добавлении в пульпу тонкодисперсного глинисто-мелового материала.

Гидравлический расчет магистрального трубопровода

Расчет произведен для хвостов комбината «КМАРуда» в соответствии с инструкцией И 59-72 ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева [1]. Группа грунта (хвостов) по трудности разработки третья, удельный расход воды на разработку и транспортировку 1 м3 грунта (хвостов) я = 11.

1. Определение параметров грунта.

1.1. Средневзвешенный диаметр частиц грунта, <<0

Е 6.Р.

6 = 1 1 = ио р

1

0.075•28.8+0.175 41.2

100

0.375 • 23.5 + 0.75 • 6.5 ' 100

1.2. Коэффициент разнозернисто-сти, ]

3 <10 = 3 • О-03 = 0.225

] = -

<90 а4

1.3. Средневзвешенный коэффициент транспортабельности, уср

Уср =-Ет1 =

0.02 • 28.8 + 0.2 • 41.2

100

0.4 • 23.5 + 0.8 • 6.5 100

= 0.23

1.4. Объемная консистенция С0 1—п

С = 1 п = 0.056,

0 я+(1-п)

где п - пористость, д - расход воды

1.5. Критическая скорость движения гидросмеси, Vкр

Укр = 8'3 • Уср • С0 ;

= 0.23 мм

V = 8.3 • ^0560.23 х 0.056 = 3.14 кр

м/сек

1.6. Расход гидросмеси транспортирования, Qсм..кр при Vкр

<3 =^Р^ • V ;

^см.кр 4 кр

д = 3.14 • 0.4262 дсм.кр “ 4

м3/сек =1533 м3/час

• 2.99 = 0.426

2. Расчет удельных потерь напора на трение и суммарных потерь при гидравлической транспортировке хвостов по трубопроводу

2.1.Удельные потери напора.

1см = 1в + А1, где 1см - удельные потери напора; 1в - удельные потери напора при движении чистой воды; А1 - дополнительные потери напора при движении твердых частиц.

2.1.1. Удельные потери напора при движении чистой воды.

т =1 V2 1в в 2дЭ ’

где 1в - коэффициент гидравлического трения; д - ускорение силы тяжести 9.81 м/сек2; V - средняя скорость движения воды, м/сек; Б - диаметр трубопровода, м.

Коэффициент 1в для гладких труб

X-

0.31

в (№е - 1Г

где Я = , V = 1 -10-6 - кинематиче-

е V

ский коэффициент вязкости воды при 1 = 20°, м2/сек.

2.1.2. Дополнительные удельные потери напора при движении твердых частиц

ДІ = 8 я - ^Омкр,

^см

где 8 = 100 - ё0/О - коэффициент, зависящий от относительной крупности частиц грунта и диаметра пульпопровода.

2.1.3. Удельные потери напора в плавучем трубопроводе

Удельные суммарные (местные и на трение) потери напора в плавучем пульповоде

Ісм.пл = в- 1см , где в = 2.0 - коэффициент, зависящий от углов поворота в шарнирах пульпопровода.

3. Суммарные потери напора по длине магистрального пульповода

Н = Ьз/сн + Ьмаг + Ьпл + Ьмест + Ьгу

где Ьз/сн - потери напора в пределах земснаряда; Ьмаг- потери в магистральном пульповоде; Ьмест- местные сопротивления в магистральном пульповоде, принимаются 5 % от потерь напора по длине при работе на равнинной местности; Ипл - потери напора в плавучем пульповоде; Ьг

- потери напора на геодезический подъем.

4. Пересчет характеристики землесоса при работе на гидросмеси

Характеристики землесоса в процессе работы изменяются в зависимости от гранулометрического состава материала, консистенции гидросмеси и абразивного износа рабочего колеса [2, 3]. Порядок расчета расходнонапорной характеристики землесоса при работе на гидросмеси следующий:

4.1. Согласно рабочей характеристике 0-Н землесоса по воде определяются соответствующие напоры нового землесоса при работе на гидросмеси.

4.2. Максимальный расход нового землесоса при работе на гидросмеси определяется по формуле:

= ^в.макс (1 1. 65 Со),

.мак

максимальный расход по

Qсм.мак^.

где Qъ

воде, м3/час, С0 - консистенция гидросмеси.

4.3. Напор, развиваемый новым землесосом при работе на гидросмеси:

Не. = Щ.

Г>1.2

1+

где Нв - напор по воде, м. вод.ст.; к0

- коэффициент, принимаемый для землесосов, кроме ГОР-11 и 500-66 равным 1.0.

4.4. При пересчете характеристики землесоса на частичный или полный износ рабочего колеса вначале определяется максимальный расход изношенного колеса по воде по формуле:

Рв.макс.из. = Рв.макс. С1 + &22 ],

где а2 = 0.30 - опытный коэффициент для песков; д = 1.0 - при полном износе землесоса.

4.5. Расход полностью изношенного землесоса по гидросмеси определяется по формуле:

^см.макс.из. = ^в.макс.изн. (1-1.65 Со) ,

4.6. При пересчете напора частично или полностью изношенного колеса вначале определяем максимальный напор изношенного колеса по воде по формуле:

н

5.1. Плотность гидросмеси определяется из выражения

= Н Г1-з. в. Г

-а225

в.из

где а1 = 0.15 - опытный коэффициент для песков; д = 1.0 - при полном износе землесоса.

Напор полностью изношенного землесоса по гидросмеси определяется по формуле:

С

Н = к Н

см.макс.изн._ 0 в.макс.изн.

1 +-

Усм =

Ув - 2 + УГ(1 - п)

Расчеты напоров и расходов новых и максимально изношенных землесосов ГрУТ 2650/75 с рабочими колесами диаметром 850, 900, 950, 1000 мм приведены в работе [4, 5].

5. Расчет мощности грунтового насоса

Мощность грунтового насоса определяется по формуле

Р - Н-у

М = -102^ • КВТ

где Q - расход землесоса, л/сек; Н -напор землесоса, м; усм - плотность смеси; п - к.п.д. насоса.

Я + (1 - п)

Уменьшение износа пульповодов, снижение потерь напора и энергозатрат при добавлении в пульпу тонкодисперсного глинисто-мелового материала

Важность решаемых задач определяется двумя обстоятельствами:

1. При некоторой определенной (для данных условий) степени заиления трубопровода гидравлические потери оказываются наименьшими.

2. Слой заиления в значительной мере предохраняет трубы от интенсивного износа.

Идея транспортирования при частичном заилении трубопровода была предложена проф. Н.Д. Холиным в 1936 г. Экспериментальными работами по изучению гидротранспорта по заиленным трубопроводам [4,6-9] установлено, что оптимальным можно считать заиление, которое составляет 10-15 % диаметра трубы по высоте. Это обстоятельство имеет важное практическое значение, и расчет заиления является достаточным основанием для выполнения ряда исследований.

Образование слоя заиления в трубопроводе может быть случайным и преднамеренным. Случайное заиление труб происходит, когда условия транспортирования отклоняются от критического в сторону уменьшения скоростей, увеличения консистенции и крупности грунта. Преднамеренное частичное заиление труб обычно предусматривается проектом, т.е. при данном гранулометрическом составе грунта, консистенции гидросмеси и других исходных данных подбирается такой диаметр трубопровода, в кото-

ром должно быть частичное заиление^, 4, 9]. Например, в нашем конкретном случае, если произвести замену трубопровода диаметром 630мм на трубопровод диаметром 700мм, то высота заиления для песка составит 0.28Д мела 0.22Ц а для смеси песка и мела 0.25Б.

Рассмотрим некоторые вопросы гидравлического транспортирования хвостов комбината «КМАРуда». На комбинате при практически постоянной дальности гидротранспорта имелась возможность увеличения диаметра трубопровода и, соответственно, организации работ в заиленном режиме. Комбинатом в различные периоды использовались трубы диаметром 600, 700 и 800 мм при неизменном оборудовании и мощности электродвигателей. Применение методики гидравлического расчета магистрального трубопровода с учетом данных промышленного эксперимента дало возможность обосновать эксплуатацию труб диаметром 800 мм при работе в заиленном режиме. Фактическая производительность гидротранспорта при этом увеличилась на 20 -25 % (с 4000 до 5000 м3/час по пульпе), а также снизился износ труб.

При частичном заилении трубопровода, кроме стабилизации работы транспортирующего агрегата наличие на дне трубы слоя грунта предохраняет ее от истирания транспортирующим материалом.

Экспериментальные исследования А.П. Юфина, Т.Д. Калининой, Ф.М. Чернышева, М. А. Дементьева и др., позволили сделать следующие выводы:

При малой степени заиления тру-Н3

бопровода (-^ < 0.4), расчет потерь

напора рекомендуется вычислять по формуле:

г /СрУ 0№ ,

где к0 - коэффициент гидравлического заиления при движении воды со скоростью Vmjn, у - коэффициент транспортабельности, С0 - объемная консистенция, Б - диаметр трубопровода в м.

При большой степени заиления Н3

трубопровода (-^ > 0.4), расчет потерь напора осуществлять по формуле:

и

= 0.7^^

Промышленный эксперимент Губ-кинского СУ «Гидромеханизация» на карьере Лебединского ГОКа выполнялся со следующими материалами: а) пески; б) мел - мергели; в) смесь песка при мощности слоя в забое 25 м и мела при мощности слоя в забое 5 м. Расход гидросмеси - 4000 м3/час, диаметр трубопроводов - 700 мм, режим заиленный Нзаил /О = 0.220.28

Э V О

с

а) песок

Н„

= 0.43Ц:5 _ 1 = 0.28

Э ""V1.11

б) мел (начало)

Нзаиё = 0.43131 _ 1 = 0.22

1.11

Экспериментально установлено, что расчет по формуле Юфина завышает удельные потери в 1.5-2 раза, а расчет по формулам ВНИИГ их занижает.

Целесообразно применять формулы ВНИИГ с использованием в расчете удельных потерь А коэффициента

8 в виде 8 = 100——°— , зависящего от

О/

относительной крупности частиц

°см

Эпр =

тапр • 4

где ®пр' у

пло-

щадь сечения трубы за вычетом заиленной части; VKp. - критическая скорость.

Глины в смеси с водой смазывают стенки трубопровода, что уменьшает шероховатость стенок. Благодаря своим коллоидным свойствам глины создают среду, в которой песчаные частички легче переносятся потоком, а осаждение их происходит при меньших скоростях, чем при движении в водно-песчаной смеси. Глинистые частицы сглаживают турбулентные пульсации в потоке гидросмеси, придают потоку особые характеристики и способствуют снижению критической скорости и гидравлических потерь.

Исследования движения песчаноглинистых гидросмесей по трубам подтверждают наличие неподвижного слоя у стенок трубы. При достаточно высоком содержании глины в смеси и при малых скоростях движения гидросмеси в трубах этот слой не пробивается движущимися в потоке песчинками, так как глинистый раствор вследствие высокой вязкости гасит вертикальные перемещения твердых частиц, т.е. глинистый раствор спрямляет траектории песчинок.

В результате малого касания песчинок о стенки труб износ их уменьшается, поэтому рекомендуется по возможности транспортировать совместно песчаные абразивные хвосты и глинистые грунты. Например, при вскрышных работах, часто встречаются песчаные и глинистые прослойки пород, которые следует разрабатывать и транспортировать совместно

в виде песчано-глинистой гидросмеси. Это объясняется тем, что чем выше средняя консистенция потока, мельче песок и выше средняя скорость потока, тем выше потолок взвешивания и наоборот. Кроме того, при транспортировании песков, содержащих глинистые частицы, последние могут насыщать пространство над потолком взвешивания песчаной фракции, что может свидетельствовать о наличии некоторого, возможно весьма незначительного турбулентного перемешивания в этих верхних слоях потока.

В процессе изучении параметров гидротранспортирования связных пород (глин, суглинков, мела и мергелей) карьера Лебединского ГОКа было установлено, что по мере удаления от землесоса удельные сопротивления в трубопроводе уменьшаются. Однако для решения практических задач выявленная закономерность не использовалась.

Выводы

При гидравлической разработке раздельнозернистых материалов (отходов рудообогащения, вскрышных пород) следует осуществлять выбор оптимального режима гидротранспорта путем маневрирования параметрами рабочего колеса, диаметром пульпопровода а также предусматривать уменьшение износа труб, снижение потерь напора и, соответственно, энергозатрат посредством формирования малоабразивной гидросмеси с добавлением тонкодисперсного

(глинисто-мелового) материала.

На основании исследований гидротранспорта и особенно наблюдений за характером движения частиц гидросмеси установлено, что при гидротранспорте высокообразивных отходов рудообогащения - хвостов добавление в гидросмесь связных пород уменьшает критическую скорость их транспортирования и позволяет за

счет увеличения диаметра пульповода снизить энергозатраты.

Для комбината «КМАРуда» при неизменном оборудовании и мощности электродвигателей, с учетом данных промышленного эксперимента, обоснована эксплуатация труб диаметром

1. Инструкция по гидравлическому

расчету систем напорного гидротранспорта

грунтов. И 59 - 72, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1972.

2. Юфин А. П. Напорный гидротранспорт. - Госэгнергоиздат, 1950.

3. Мосейкин В.В., Горбатов Ю.П., Шультайс В. В. К вопросу оптимизации гидротранспорта отходов рудообогащения.

- М.: МГГУ. ГИАБ, выпуск 4, Гидромеханизация, 2006, с. 371-375.

4. Юфин А. П. Гидромеханизация, Стройиздат, 1974.

5. Горбатов Ю.П., Мосейкин В.В., Хачатрян В.Д. О работе гидротранспорта в режиме частичного заиления труб. - М.:

800 мм при работе в заиленном режиме.

Установлено, чем выше средняя консистенция потока, мельче грунт и выше средняя скорость потока, тем выше потолок взвешивания и наоборот.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

МГГУ. ГИАБ, выпуск 4, Гидромеханизация, 2006, с. 376-381.

6. Кузнецов П. М. Золоудаление на электрических станциях. Госэнергоиздат, М

- Ё., 1947.

7. Успенский В.А. Расчет центрального гидроаппарата смешанной системы гидрозолоудаления. Журнал «Электрические станции» № 8, 1946.

8. Виленский Т. В. Расчет систем золоулавливания и шлакозолоудаления.

«Энергия», 1964.

9. Пищенко И.А., Скочеляс Б.А. Гидравлические исследования движения взве-сенесущих потоков по горизонтальным трубопроводам. «Химическое машиностроение», ч.1, Киев, 1965. ШИЗ

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

Moceйкин B.B. - Mоcковcкий государственный горный университет,

Kлимaшeвcкий Ю.А. - OAO «Лебединский ГОК».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. A.M. raльпєрин.