Трибогравітаційна сепарація кам'яного вугілля методом "розгін – гальмування"

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.764: 622.779

Трибогравітаційна сепарація кам'яного вугілля методом "розгін - гальмування"

Спеціальність 05.15.08 "Збагачення корисних копалин"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тюря Юлія Іванівна

Дніпропетровськ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі збагачення корисних копалин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться " 5 " липня 2006 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ 05, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ 05, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий " 2 " червня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02, к.т.н., доцентВ.В. Панченко

АНОТАЦІЯ

Тюря Ю.І. Трибогравітаційна сепарація кам'яного вугілля методом "розгін - гальмування". - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.08 "Збагачення корисних копалин". Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена розвитку теорії процесів сухого збагачення кам'яного вугілля та удосконаленню на її основі даної технології.

Застосування даних методів для технології попереднього збагачення в межах шахти дозволить за умови зменшення обсягу гірничої маси скоротити витрати на транспортування та переробку сировини на збагачувальній фабриці та вирішити ряд екологічних питань зі складування породи. Найбільш перспективними та технічно впровадженими з цієї групи способів є збагачення тертям.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження відомого методу розділення тертям як "розгін - політ". Розроблений новий метод збагачення тертям "розгін - гальмування" забезпечує необхідну селективність руху частинок, яка є основою ефективної сепарації. Встановлено, що основний параметр, який характеризує процес розділення, є уявний коефіцієнт тертя ковзання, при цьому він залежить від швидкості руху частинок матеріалу по похилій площині. На підставі результатів дослідження механізму взаємодії частинок із площиною за допомогою вимірів сигналів акустичної емісії визначений оптимальний інтервал швидкостей руху вугільних і породних частинок (0…2 м/с).

Впровадження технології трибогравітаційної сепарації для вилучення вугільних фракцій із прохідницької породи на шахті ім. М.І. Сташкова дозволило одержати річний економічний ефект 130792,63 грн. у цінах 2002 року.

Ключові слова: кам'яне вугілля, сухе збагачення, трибогравітаційна сепарація, уявний коефіцієнт тертя ковзання, технологія.

сепаратор вугілля трибогравітаційний збагачення

АННОТАЦИЯ

Тюря Ю.И. трибогравитационная сепарация каменных углей методом "разгон - торможение". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 "Обогащение полезных ископаемых". Национальный горный университет. Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена развитию теории процессов сухого обогащения каменных углей и усовершенствованию на ее основе данной технологии.

Применение сухих методов обогащения углей позволяет значительно упростить технологию их переработки, снизить себестоимость продуктов разделения и решить ряд вопросов складирования проходческой породы, при этом не требуется использование воды, что, в свою очередь, позволяет извлечь затраты на создание дорогостоящего водно-шламового хозяйства. Наиболее перспективными и технически реализуемыми из этой группы являются методы обогащения по трению. Процесс разделения по трению обусловлен различием между коэффициентами трения, которые зависят от параметров и свойств сепарируемых частиц материала и механизма взаимодействия движущихся частиц с плоскостью.

Для анализа механизма формирования траектории минеральных частиц при их движении по плоскости проведены теоретические и экспериментальные исследования известного метода "разгон - полет". Установлено, что максимальная разность абсцисс точек встречи частиц с горизонтальной плоскостью с учетом вариации коэффициентов трения снижается до значений, соизмеримых с размером частиц материала, в особенности для крупных частиц, в результате чего сепарация проходит при существенном взаимозасорении продуктов разделения.

Разработан новый метод обогащения по трению "разгон - торможение", суть которого заключается в последовательном разгоне и торможении частиц материала с различными коэффициентами трения покоя на плоскостях, при этом угол наклона плоскости торможения меньше угла наклона плоскости разгона и угла трения покоя минеральных частиц.

Определена особенность формирования траектории частиц материла при их скольжении по наклонной плоскости и экспериментально установлено, что основным параметром, характеризующим процесс разделения, является кажущийся коэффициент трения скольжения, который зависит от скорости движения минеральных частиц по наклонной плоскости.

Разработаны аналитические зависимости скорости движения от пройденного пути, необходимые для установления взаимосвязи между кажущимся коэффициентом трения скольжения и скоростью движения угольных и породных частиц. Полученные зависимости позволили установить закономерность изменения кажущегося коэффициента трения скольжения fск = f(v).

Установлено, что при увеличении скорости наблюдается уменьшение кажущегося коэффициента трения скольжения, однако при дальнейшем движении частиц по плоскости коэффициент начинает повышаться. Колебания значений коэффициента способствуют снижению расхождения в траекториях движения минеральных частиц. На основании результатов исследования механизма взаимодействия частиц угля и породы с плоскостью с помощью измерения сигналов акустической эмиссии определен оптимальный интервал скоростей (0…2 м/с), при котором сохраняется достаточное различие в траекториях движения частиц материала.

Реализация разработанной технологической схемы обогащения каменного угля с использованием трибогравитационной сепарации, осуществляемой на сепараторе предложенной конструкции позволила в лабораторных условиях из рядового угля зольностью 35,62 % получить кондиционные концентрат и отходы зольностью 6,95 и 79,16 % соответственно.

Внедрение технологии трибогравитационной сепарации для извлечения угольных фракций из проходческой породы на шахте им. Н.И. Сташкова позволило получить годовой экономический эффект 130792,63 грн. в ценах 2002 года.

Ключевые слова: каменный уголь, сухое обогащение, трибогравитационная сепарация, кажущийся коэффициент трения скольжения, технология.

ABSTRACT

Tyurya Y.I. separation of extraction on friction of coal by method "run - braking". Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.15.08 "Minerals processing". National Mining University. Dnipropetrovsk, 2006.

The dissertation is devoted to development of the theory of processes of dry enrichment coal and improvement of the given technology.

Usage of dry methods of coal preparation helps to simplify technology of its processing, to reduce products' of division cost price and to solve a number of questions of storehousing of rock. Methods of extraction on friction are the most perspective and technically-realizable methods in this group of methods.

Theoretical and experimental investigations of such a wellknown method as "run - flight" were carried out. A new method of extraction on friction "run - braking", which provides a sufficient selectivity of particles' movement, which is the basis of high efficiency of separation was elaborated. It was established that seeming coefficient of friction of sliding, which depends on velocity of movement of particles of material along inclined plane is the main parameter that characterizes process of division. Optimum interval of velocities (0…2 m/s) was determined in virtue of results of investigation of mechanism of interaction of particles and plane with a help of acoustic issue.

Application of given technology for extraction of coal fractions from rock on N.I. Stashkov's mine allowed to get an annual economical effect of 130792,63 HR in prices of year of 2002.

Key words: coal, dry preparation, separation of extraction on friction, seeming coefficient of friction of sliding, technology.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологія ведення гірничих робіт, яка в даний час використовується, обумовлена засміченням вугілля пустими породами. Крім того, разом з породою, що відправляється у відвали, втрачається значна кількість вугілля, вміст якого може досягати 20 30 %. Сьогоденні потреби вимагають зменшення витрат на транспортування та подальшу переробку вугілля на збагачувальній фабриці, а також зменшення площ для складування та підвищення вимог до захисту навколишнього середовища, оскільки породні відвали характеризуються як об'єкти підвищеної екологічної небезпеки (забруднення поверхневих вод, виділення токсичних газів при самозайманні та інш.). у зв'язку з цим розробка економічно прийнятних і технічно здійснюваних рішень щодо вилучення вугілля з видобутої гірничої маси та відвальної породи, які не передбачають зміну технології гірничих робіт і переробку на збагачувальній фабриці, обумовлює актуальність теми дисертації.

Одним з перспективних напрямків рішення вказаних проблем є застосування сухих методів збагачення, зокрема збагачення тертям. Дані методи не потребують використання води, що дозволяє вилучити витрати на створення водно-шламового господарства. Використання таких методів як операцій попереднього збагачення в умовах шахти дозволить значно скоротити витрати на транспортування і переробку сировини на збагачувальній фабриці за умови зменшення обсягу гірничої маси та вирішити ряд екологічних питань зі складування породи. Однак відомі роботи в галузі збагачення тертям недостатньо освітлюють закономірності процесу розділення і носять переважно практичний характер.

Таким чином, оскільки в практиці збагачення корисних копалин край необхідним є потреба подальшого розвитку та удосконалення технології збагачення тертям, в дисертаційній роботі виконано теоретичне обґрунтування і запропоновано нове вирішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановлені закономірності процесу формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях, на основі якої були обґрунтована конструкція сепаратора та розроблена технологія трибогравітаційної сепарації кам'яного вугілля.

Дисертаційна робота виконана відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Національного гірничого університету згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки й техніки "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" (номер держреєстрації теми 0100U001808, де автор був виконавцем).

Мета роботи - підвищення якості рядового вугілля та зниження втрат вугільних фракцій з відвальною породою.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі були визначені та вирішені наступні задачі досліджень:

Виконати аналіз відомих технологій сухого збагачення кам'яного вугілля та конструкцій сепараторів і обґрунтувати перспективні методи збагачення.

Провести експериментальні дослідження тертя спокою та визначити залежність коефіцієнту тертя спокою від крупності вугільних і породних частинок при їх взаємодії з твердими поверхнями.

Виконати теоретичні дослідження методів розділення тертям та визначити особливість процесу формування траєкторії руху частинок матеріалу по робочих поверхнях сепараторів.

Визначити залежність уявного коефіцієнта тертя ковзання від параметрів руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора та властивостей частинок матеріалу і робочих поверхонь, що впливають на процес формування траєкторії руху.

провести апробацію технології трибогравітаційної сепарації на сепараторі запропонованої конструкції та розробити рекомендації з підвищення якості продуктів розділення в лабораторних та промислових умовах.

Ідея роботи - підвищення ефективності сухої трибогравітаційної сепарації шляхом збільшення розбіжності в траєкторіях руху частинок матеріалу на площинах сепаратора.

Об'єкт дослідження - суха трибогравітаційна сепарація кам'яного вугілля.

Предмет дослідження - процес формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора.

Методи досліджень. При виконанні дисертаційної роботи використовувались: аналітичні й експериментальні методи - для дослідження механізму взаємодії частинок матеріалу з твердою поверхнею, раціональних технологічних параметрів процесу трибогравітаційної сепарації кам'яного вугілля; метод фізичного моделювання - для проведення вимірів швидкості ковзання частинок матеріалу і сигналів акустичної емісії при русі частинок по похилій площині; метод математичного моделювання - для дослідження процесу трибогравітаційної сепарації на сепараторі запропонованої конструкції; методи математичної статистики - для апроксимації експериментальних результатів; лабораторна і дослідно-промислова апробація - для перевірки розроблених технологічних рішень.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше визначені умови підвищення селективності руху частинок вугілля і породи при їх послідовному розгоні та гальмуванні по робочих поверхнях, що дозволило розробити новий спосіб трибогравітаційної сепарації методом "розгін - гальмування".

Уперше встановлено, що ковзання частинок вугілля та породи по похилих площинах підпорядковується закону нерівномірного руху, що дозволило визначити залежність швидкості руху частинок матеріалу від конструктивних параметрів сепаратора.

Уперше визначений влив уявного коефіцієнта тертя ковзання на процес формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора, що дало можливість оптимізувати процес розділення.

Уперше визначені умови виникнення акустичної емісії при русі частинок вугілля і породи по площині, що дозволили теоретично обґрунтувати зміну уявного коефіцієнта тертя ковзання.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

Ефективність трибогравітаційної сепарації підвищується за рахунок збільшення розбіжності у траєкторіях руху частинок вугілля і породи з різними коефіцієнтами тертя спокою по площинах розгону та гальмування, якщо кут нахилу площини гальмування менший від кута нахилу площини розгону і кута тертя спокою мінеральних частинок.

Достатня селективність руху частинок вугілля і породи досягається при їхньому ковзанні по сталевих похилих площинах при швидкості до 1,5...2 м/с.

Практичне значення результатів роботи полягає у розробці технології сухої трибогравітаційної сепарації для розділення вугільних і породних частинок за допомогою методу "розгін - гальмування" з метою одержання продуктів розділення належної якості; у визначенні оптимальної крупності матеріалу, при якій трибогравітаційна сепарація відбувається з високою ефективністю; в розробці на основі результатів лабораторних досліджень технологічної схеми збагачення кам'яного вугілля, яка дозволяє отримувати кондиційні концентрат та відходи.

Впровадження результатів роботи. Впровадження технології трибогравітаційної сепарації в умовах шахти ім. М.І. Сташкова ДХК "Павлоградвугілля" для вилучення вугільних фракцій з відвальної породи дозволило одержати річний економічний ефект 130792,63 грн. у цінах 2002 року.

Достовірність отриманих наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується достатнім об'ємом і задовільною збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень (середньовідносне відхилення не перевищує 5,0 %), високим значенням кореляційного відношення розроблених регресійних математичних моделей (0,99…1); позитивними результатами промислового використання технології трибогравітаційної сепарації кам'яного вугілля в умовах шахти.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні наукової задачі, мети і наукових положень досліджень; проведенні теоретичних і експериментальних досліджень; розробці методики виміру миттєвих швидкостей руху частинок по похилій площині; розробці математичних залежностей швидкості руху і величини уявного коефіцієнта тертя ковзання частинок вугілля і породи; розробці методу розрахунку траєкторії ковзання частинок матеріалу по робочих поверхнях трибогравітаційного сепаратора в залежності від його режиму роботи; розробці технологічних рішень щодо реалізації трибогравітаційної сепарації.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації були повідомлені й одержали позитивне схвалення на міжнародній науково-практичній конференції "Современное состояние и стратегия высокоэффективных технологий переработки минерального сырья" (м. Мелекіно, 2001), на міжнародних наукових симпозіумах "Неделя горняка" (Москва, 2003 - 2005), на наукових семінарах та засіданнях кафедри збагачення корисних копалин Національного гірничого університету (Дніпропетровськ, 2001 - 2005).

Публікації. Основні положення виконаних досліджень опубліковані в 7 друкованих працях, в тому числі 5 статей у фахових виданнях, 1 патент на винахід та 1 доповідь у матеріалах конференції.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 120 найменувань, і 2 додатків. Робота викладена на 138 сторінках тексту, містить 42 рисунка, 35 таблиць і додатків на 18 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані наукова задача, мета і задачі досліджень, об'єкт, предмет та ідея роботи, відображена наукова новизна і основні результати, наведені положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації й публікації досліджень.

У першому розділі дається аналіз сучасного стану технологій та устаткування для сухого збагачення кам'яного вугілля, нових напрямків його розвитку.

Серед відомих сухих методів розділення найбільш перспективними та технічно впровадженими є збагачення тертям. При застосуванні таких методів процес розділення відбувається шляхом ковзання частинок матеріалу по похилих площинах сепаратора. Ці пристрої відрізняються простотою конструкції і експлуатації, невеликими габаритами та низькою енергоємністю. Застосування даних методів для технології попереднього збагачення в межах шахти дозволить за умови зменшення обсягу гірничої маси скоротити витрати на транспортування та переробку сировини на збагачувальній фабриці.

Однак недостатнє дослідження взаємодії частинок матеріалу, що рухаються, з робочою поверхнею сепаратора перешкоджає широкому використанню методів збагачення тертям. Подальший розвиток та перспективи розглянутої групи засобів сепарації зв'язують з удосконалюванням теорії процесу розділення за умови керування механізмом формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора.

На підставі цього зроблено висновок про доцільність встановлення закономірності процесу формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях для обґрунтування конструкції сепаратора та розробки технології трибогравітаційної сепарації кам'яного вугілля.

За результатами аналізу сформульовано задачі досліджень, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі відповідно другій та третій поставленим задачам наведені результати експериментальних досліджень тертя спокою та визначена залежність коефіцієнта тертя спокою від крупності вугільних і породних частинок при їх взаємодії з твердими поверхнями.

Згідно з отриманими результатами одержані залежності коефіцієнта тертя спокою від крупності частинок матеріалу та матеріалу поверхні, з якою взаємодіють вугільні та породні частинки. Встановлено, що розбіжність у коефіцієнтах тертя спокою частинок матеріалу спостерігається на кожній з досліджуваних поверхонь у всьому діапазоні розглянутої крупності. Це створює передумови для сепарації вугільних і породних частинок при розділенні вихідної суміші на вузькі класи крупності, розмір яких буде визначатися типом пристрою для сепарації і необхідною точністю процесу розділення.

Теоретичні дослідження процесу розділення тертям, зокрема розгляд процесу формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора для відомого методу "розгін - політ", дозволили визначити особливість керування даним процесом. На основі цих досліджень як основні регулюючі параметри роботи сепараторів за тертям прийняті величини кутів нахилу робочих поверхонь.

Ефективність розділення вугільних і породних частинок даного методу характеризується таким показником, як різниця абсцис точок зустрічі частинок з горизонтальною площиною . Результати проведених досліджень свідчать, що максимальна різниця ?Х, в залежності від варіації коефіцієнтів тертя спокою, знижується до значень, рівноцінних розміру частинок матеріалу, тому крупні породні частинки потрапляють в зону перебування на горизонтальній площині вугільних частинок. В цьому випадку сепарація відбувається при істотному взаємозасміченні продуктів розділення. Отже, на нашу думку, з метою підвищення ефективності сепарації даним методом необхідно створювати умови, які посилять селективність руху мінеральних частинок, тобто забезпечать збільшення різниці ?Х.

Відомо, що під час вільного польоту мінеральних частинок їхня швидкість не залежить від розміру, до того ж виключається тертя. Таким чином, розділення частинок матеріалу обумовлено лише при їхньому русі по похилій поверхні. Якщо збільшити тривалість руху шляхом гальмування на поверхні з такими ж властивостями, як і розгінна площина, та кутом нахилу, меншим від кута тертя спокою мінеральних частинок, то підсилюється вплив сил тертя на рух. На основі встановлення цього наукового факту сформульовано перше наукове положення дисертаційної роботи. Також це послужило вихідними передумовами для розробки нового методу збагачення тертям "розгін - гальмування", який надалі запропоновано визначати як трибогравітаційна сепарація. Схему руху частинки по площинах розгону і гальмування наведено на рис. 1.

Ефективність розділення мінеральних частинок запропонованого методу оцінювали таким показником, як відстань між точками зупинки вугільних і породних частинок на гальмуючій площині .

Порівняльним аналізом методів "розгін - політ" та "розгін - гальмування" встановлено, що значення ?s перевершують значення ?Х при аналогічних умовах у 1,25 - 3,7 раза, завдяки чому знижується можливість потрапляння окремих частинок породи в зону зупинки вугільних частинок на гальмуючій площині. Таким чином, метод сепарації "розгін - гальмування" забезпечує більш високу селективність руху частинок матеріалу по робочих поверхнях.

За результатами аналізу механізму взаємодії частинки з твердою поверхнею встановлено, що, за умови взаємного тертя між поверхнями мінеральної частинки та площини при ковзанні частинок матеріалу по робочих поверхнях сепаратора, процес формування траєкторії руху вугільних та породних частинок залежить від коефіцієнта тертя. Оскільки на всьому шляху ковзання властивості взаємодіючих поверхонь змінюються, відповідно змінюється і коефіцієнт тертя, тому він не рівнозначний коефіцієнту тертя спокою. На підставі викладеного, запропоновано даний показник визначати як уявний коефіцієнт тертя ковзання.

Процес розділення тертям визначається розбіжними траєкторіями руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора, що, виходячи з установленого факту, залежать від уявного коефіцієнта тертя ковзання. Таким чином, за умови керування даним показником можливо інтенсифікувати процес розділення та поліпшити показники розділення. Тому наступним кроком досліджень було визначення параметрів керування уявним коефіцієнтом тертя ковзання, за рахунок яких можливо збільшити розбіжність в траєкторіях руху частинок матеріалу.

Третій розділ присвячений вирішенню четвертої задачі дисертаційної роботи, а саме: визначенню залежності уявного коефіцієнта тертя ковзання від параметрів руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора та властивостей частинок матеріалу й робочих поверхонь, що впливають на процес формування траєкторії руху.

Згідно з законами фізики тертя, у випадку ковзання частинок матеріалу по твердих поверхнях уявний коефіцієнт тертя ковзання є функцією швидкості. Зважаючи на цей факт, за допомогою запропонованої методики виміру миттєвих швидкостей ковзання вугільних і породних частинок по твердих поверхнях, була визначена швидкість руху частинок матеріалу по похилій розгінній площині. За умови прийнятого значення довірчої імовірності (0,95), відповідно якій визначався довірчий інтервал і необхідна кількість експериментів, отримані експериментальні дані, наведені на рис. 2.

У випадку, коли зростає розбіжність в траєкторіях руху частинок матеріалу по площині розгону Дl, відповідно збільшується відстань між кінцевими точками зупинки мінеральних частинок на площини гальмування, що потрібна для забезпечення ефективної роботи сепараторів за тертям. Так, згідно з отриманими результатами (рис. 2), при куті нахилу 35є різниця Дl максимальна, а при подальшому збільшенні кута нахилу площини з 35 до 45є різниця Дl зменшується.

При обробці експериментальних даних встановлено, що залежність швидкості ковзання v частинок матеріалу від пройденого шляху l найбільш точно апроксимується поліномом третього ступеня v = f(l) (табл. 1), що підтверджується високим значенням кореляційного відношення R. Наведені залежності свідчать, що ковзання мінеральних частинок по похилій площині підпорядковується закону нерівномірного руху. Тому в подальших розрахунках враховувався цей факт.

Для визначення залежності уявного коефіцієнта тертя ковзання fков від швидкості v дана функція (fков = f(v)) була представлена виразом fков=a+bv+cv2, де a, b, c - емпіричні коефіцієнти рівняння.

За допомогою розробленої програми, згідно вищенаведеному виразу, на ЕОМ з урахуванням отриманих залежностей v = f(l) установлений взаємозв'язок між уявним коефіцієнтом тертя ковзання та швидкістю руху fков = f(v) (рис. 3).

При цьому середньовідносне відхилення розрахункових даних шляху ковзання, визначеного на основі отриманих залежностей fков = f(v), від експериментальних не перевищує 5 %.

Таблиця 1 Залежність швидкості руху від пройденого шляху по похилій площині для вугільних та породних частинок

Матеріал зразка	Залежність v = f(l)	Кореляційне відношення R
Кут нахилу площини 35є
вугілля		0,9992
порода		0,9981
Кут нахилу площини 40є
вугілля		0,9998
порода		0,9989
Кут нахилу площини 45є
вугілля		0,9997
порода		0,9995

Результати досліджень (рис. 3) свідчать, що при збільшенні швидкості спостерігається зменшення уявного коефіцієнта тертя ковзання, однак при подальшому русі частинок по площині коефіцієнт починає підвищуватися. Коли швидкість ковзання не перевищує 2 м/с, ще зберігається достатнє розходження між уявними коефіцієнтами тертя частинок матеріалу. Подальше збільшення швидкості приводить до зменшення розходження в коефіцієнтах. Це дозволило зробити висновок, що оптимальний діапазон значень швидкості ковзання частинок по площині знаходиться в межах від 0 до 1,5…2 м/с, при якому достатнє розходження між уявними коефіцієнтами тертя ковзання обумовлює можливість ефективного розділення матеріалу тертям. На цьому факті ґрунтується друге наукове положення дисертаційної роботи.

При подальшому збільшенні швидкості руху мінеральних частинок спостерігається перехід від зовнішнього тертя до внутрішнього згідно з молекулярно-механічною теорією тертя. Тобто тертя та процеси, що відбуваються при цьому, підпорядковуються не законам сил, а законам енергій і їх перетворенням. Таким чином, при русі частинки матеріалу по твердій поверхні відбувається безупинне стрибкоподібне перетворення енергії поступального руху мінеральної частинки в енергію хвильових і коливальних рухів структурних частинок взаємодіючих поверхонь, у результаті чого виникають термоелектронні, термічні й акустичні явища. Отже, крім втрат кінетичної енергії на механічний опір руху, велика частка енергії витрачається на передачу коливань поверхневому шару площини. Надалі це приводить до випромінювання енергії у вигляді акустичних хвиль. Завдяки втратам енергії, що зумовлені дисипативними властивостями та структурними змінами взаємодіючих поверхонь, при ковзанні мінеральних частинок по твердій площині спостерігається постійна зміна уявного коефіцієнта тертя ковзання. Виконані дослідження за допомогою виміру сигналів акустичної емісії дозволили підтвердити даний науковий факт.

В останній частині третього розділу дисертаційної роботи розглянутий процес формування траєкторії руху мінеральних частинок в трибогравітаційному сепараторі. Для реалізації безперервного процесу трибогравітаційної сепарації необхідно забезпечити схід частинок ще до їхньої повної зупинки на гальмуючій площині. Забезпечити це можливо за рахунок додання гальмуючої площини, крім подовжнього, ще і поперечного кута нахилу. Швидкість бічного зсуву спричиняє поперечне зрушення частинок на гальмуючій площині, що надалі приводить до їх сходу з цієї площини при досягненні краю.

В момент сходу частинки матеріалу з розгінної площини на гальмуючу відбувається її зіткненням із площиною, що супроводжується втратою швидкості частинкою. Зменшення швидкості враховано за допомогою коефіцієнта втрати швидкості kv як відношення початкової швидкості частинки на гальмуючій площині до швидкості сходу мінеральної частинки з розгінної площини.

Для визначення параметрів траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях трибогравітаційного сепаратора запропонований метод розрахунку координати точки сходу вугільних і породних частинок із площини гальмування , ; для оцінки ефективності процесу розділення - визначення різниці між цими координатами Дs.

При розрахунку координат кінцевої точки сходу частинок з гальмуючої площини процес руху частинок був розглянутий у системі координат XOY (рис. 4). У зв'язку зі складністю математичного опису залежності vt = f(t) у цілому, швидкість руху частинки розкладена на дві складові , у системі координат XOY з урахуванням отриманих раніше залежностей v = f(l), fков = f(v) та коефіцієнта kv.

Для розрахунку складових швидкості ковзання частинок на площині гальмування отримані у явному вигляді функціональні залежності швидкості від часу руху:

,

,

,

,

,

,

,

.

Шлях, пройдений частинками вугілля і породи по площині гальмування, визначений за допомогою наступної системи рівнянь:

.

Враховуючи подовжні б1, б2 та поперечний б3 кути нахилу площин розгону і гальмування, за допомогою рішення системи рівнянь (1) одержане значення координати точки сходу частинок вугілля і породи з площини гальмування , та розрахована різниця (табл. 2).

Таблиця 2 Різниця між точками сходу вугільних і породних частинок із площини гальмування

Подовжній кут нахилу площини розгону б1, град	Поперечний кут нахилу площини гальмування б3, град	Значення Дs, м
		Подовжній кут нахилу площини гальмування б2, град
		22	25	28	30	33	35
35	25	-0,4	-0,18	0,02	0,14	0,3	0,4
	27	-0,12	0,04	0,063	0,095	0,146	0,17
	30	0,086	0,103	0,122	0,128	0,134	0,14
	33	0,052	0,07	0,095	0,105	0,102	0,102
40	25	-0,29	0,163	0,29	0,401	0,57	0,708
	27	0,194	0,25	0,24	0,33	0,375	0,415
	30	0,297	0,31	0,279	0,32	0,33	0,32
	33	0,235	0,242	0,26	0,267	0,28	0,28
45	25	0,4	0,61	0,809	0,915	1,096	1,259
	27	0,56	0,61	0,678	0,7	0,738	0,775
	30	0,575	0,592	0,603	0,608	0,621	0,62
	33	0,48	0,5	0,514	0,521	0,529	0,542

На основі аналізу значень табл. 2 можна зробити висновок, що, підбираючи кути нахилу робочих поверхонь трибогравітаційного сепаратора, отримані такі сполучення цих кутів, які забезпечують максимальну різницю між точками сходу мінеральних частинок з гальмуючої площини. За умови достатньої різниці Дs, обумовленої розбіжністю в траєкторіях руху частинок матеріалу, необхідно установити розділову перегородку на гальмуючій площині, яка буде направляти продукти розділення у відповідні приймачі. Одержані результати були використані при підготовці й проведенні лабораторних випробувань технології трибогравітаційної сепарації.

Таким чином, за допомогою проведених експериментальних та теоретичних досліджень вирішена четверта задача досліджень дисертаційної роботи.

Четвертий розділ присвячений апробації технології трибогравітаційної сепарації на сепараторі запропонованої конструкції та розробці рекомендацій з підвищення якості продуктів розділення в лабораторних та промислових умовах.

на основі теоретичних та експериментальних досліджень була розроблена технологічна схема збагачення кам'яного вугілля із застосуванням трибогравітаційної сепарації (рис. 5) та впроваджена в лабораторних умовах за допомогою сепаратора, конструкція якого була розроблена на основі встановленої закономірності процесу формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях.

Згідно з запропонованою технологічною схемою можливо із вихідного вугілля зольністю 35,62 % отримати кондиційні концентрат та відходи зольністю 6,95 та 79,16 % відповідно. Отже, результати лабораторних випробувань вихідної суміші вугілля, представленої вузькими класами крупності (табл. 3), підтвердили можливість ефективного використання технології трибогравітаційної сепарації для збагачення кам'яного вугілля.

Таблиця 3 Результати сухої сепарації вузьких класів крупності

Клас крупності, мм	Вихідний продукт	Концентрат	Відходи	Ступінь вилучення вугільних фракцій до класу, %	ефективність сепарації, %
	Вихід г, %	Зольність Ad, %	Вихід г, %	Зольність Ad, %	Вихід г, %	Зольність Ad, %
+ 100	57,13	30,52	37,65	4,83	19,48	80,15	100,0	100,0
+ 40 - 100	25,52	33,84	16,35	7,94	9,17	80,01	97,85	94,02
+ 20 - 40	11,78	54,39	5,92	33,00	5,86	76,00	87,73	61,01
0 - 20	5,57	56,85	2,81	48,61	2,76	65,25	65,43	23,28
Разом	100,00	35,62	62,72	10,26	37,28	78,34	96,08	89,61

Відповідно отриманим результатам експериментальних досліджень (табл. 3) розраховано ступінь вилучення вугільних фракцій до концентрату і відходів та ефективність сепарації вузьких класів крупності (рис. 6).

На основі отриманих результатів (рис. 6) встановлено, що при розділенні мінеральних частинок крупністю більш 50 мм ефективність сепарації можливо збільшити до 100 % без взаємозасмічення продуктів розділення.

Впровадження технології трибогравітаційної сепарації для вилучення вугільних фракцій із відвальної породи на шахті ім. М.І. Сташкова дозволило одержати річний економічний ефект 130792,63 грн. у цінах 2002 року.

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і вирішена актуальна наукова задача, що полягає у встановлені закономірності процесу формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях, на основі якої були обґрунтована конструкція сепаратора та розроблена технологія трибогравітаційної сепарації кам'яного вугілля.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

при видобутку вугілля разом з породою, яка відправляється у відвали, втрачається значна кількість вугілля, вміст якого може досягати 20 30 %. Найбільш економічними технологіями вилучення цього вугілля є сухі методи збагачення. Однак їхня ефективність незадовільна, тому що сепарація проходить при істотному взаємозасміченні продуктів розділення. Тому актуальним є подальший розвиток теорії процесу розділення та удосконалення на її основі технології сухого збагачення.

Розроблений метод збагачення тертям "розгін - гальмування" істотно підвищує селективність руху частинок вугілля і породи при їх послідовному розгоні та гальмуванні по робочих поверхнях. розділення відбувається шляхом формування траєкторії руху за рахунок селективного гальмування на площині, подовжній кут нахилу якої менший від кута тертя спокою вугільних і породних частинок.

Процес формування траєкторії руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора за тертям залежить від уявного коефіцієнта тертя ковзання, який внаслідок зміни властивостей взаємодіючих поверхонь за умови ковзання частинки матеріалу по твердій площині не рівнозначний коефіцієнту тертя спокою.

Необхідна розбіжність в траєкторіях руху мінеральних частинок по робочих поверхнях сепаратора зберігається при швидкості руху частинок матеріалу, що не перевищує 1,5...2,0 м/с, завдяки достатній відмінності між уявними коефіцієнтами тертя ковзання мінеральних частинок. Останній залежить від швидкості руху частинок матеріалу. При цьому зміна уявного коефіцієнта тертя ковзання відбувається за рахунок дисипації енергії у вигляді акустичної емісії.

Раціональне сполучення подовжніх та поперечного кутів нахилу робочих поверхонь трибогравітаційного сепаратора забезпечує достатню селективність руху вугільних і породних частинок, обумовлену максимальним розходженням в траєкторіях руху частинок матеріалу по площинах.

Розділення мінеральних частинок крупністю більш 50 мм надає можливість збільшити ефективність трибогравітаційної сепарації до 100 %.

Розроблена технологічна схема збагачення кам'яного вугілля із застосуванням трибогравітаційної сепарації дозволила із вихідного вугілля зольністю 35,62 % отримати кондиційні концентрат та відходи зольністю 6,95 та 79,16 % відповідно.

Впровадження технології трибогравітаційної сепарації для вилучення вугільних фракцій із прохідницької породи на шахті ім. М.І. Сташкова дозволило одержати річний економічний ефект 130792,63 грн. у цінах 2002 року.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Пилов П.И., Тюря Ю.И. О повышении эффективности сухой сепарации угля и породы по трению // збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2001. № 13 (54). - С. 83 90.

2. Тюря Ю.И. разработка устройства для сепарации по трению // збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2002. - №14 (55). - С. 135 - 138.

3. Тюря Ю.И. Закономерности распределения угольных и породных частиц при трибогравитационной сепарации // збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2003. - № 18 (59). - С. 148 - 152.

4. Тюря Ю.И. Исследование влияния скорости скольжения на коэффициент трения при сухом обогащении полезных ископаемых // збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2004. - № 21 (62). - С. 76 - 81.

5. Тюря Ю.И. Обоснование параметров процесса скольжения частиц материала при сухом обогащении полезных ископаемых // збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2005. - № 24 (65). - С. 55 - 60.

6. Пат. 43557А Україна, МПК В07В7/00. Спосіб сепарації твердих матеріалів за тертям / П.І. Пілов, В.І. Бондаренко, А.Г. Разводов, М.М. Дравіца, Ю.І. Тюря. Заявл. 16.02.01; Опубл. 17.12.01.

7. Тюря Ю.И. Исследование коэффициентов трения скольжения для угля и породы по стали / Материалы 4 - ой международной научно-практической конференции "Современное состояние и стратегия высокоэффективных технологий переработки минерального сырья". Днепропетровск: НГАУ, 2001. - С. 130 135.

Размещено на Allbest.ru

...