Обґрунтування параметрів розгалужених магнітних систем для удосконалення процесу гідросепарації залізних руд

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

УДК 622.778:622.34

Обґрунтування параметрів розгалужених магнітних систем для удосконалення процесу гідросепарації залізних руд

05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Зенін Віктор Олексійович

Дніпропетровськ 1999

Диссертація є рукописом

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки НАН України

Захист відбудеться " 18 " червня 1999 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.188.01 Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 320005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 320095, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий " 17 " травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук М.С. Четверик

АНОТАЦІЯ

Зенін В.О. Обгрунтування параметрів розгалужених магнітних систем для удосконалення процесу гідросепарації залізних руд.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандідата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”. Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 1999.

В дисертаційній роботі розглянуті питання гідросепарації магнетитових залізних руд у низьконапружених (до 100 кА/м) магнітних полях. Запропоновані магнитні системи, виконані на основі ферітобарієвих плиток постійних магнітів (25-35 кА/м) у вигляді просторово-поширених конструкцій занурених у тіло гідросепараторів. Розроблені моделі елементарних магнітних комірок систем, на базі яких виконані розрахунки об`ємних структур магнітних полів для магнітних систем з різноманітною геометрією та магнітною орієнтацією конструктивних елементів. Запропоновані алгоритм і програма розрахунків. Встановлені залежності технологічних показників гідросепарації від характеристик магнитних систем для гідросепараторів двох типів: з переважно горизонтальними та переважно вертикальними течіями. Запропонована однополюсова магнітна орієнтація пластин систем в робочих щілинах.

На базі магнітних гідросепараторів разроблена нова технологія з виключенням з традиційних схем збагачення магнетитових залізних руд операції магнитної сепарації після першого ступеня подріблення. Нову технологію впроваджено на обох збагачувальних фабриках (14 секцій) ВАТ “Полтавський ГЗК”. Починаючи з 1996 року, це дозволяє одержувати реальний економічний ефект, зокрема за рахунок підвищення якості концентратів та зменшення вилучення металу у відходи збагачення.

Ключові слова: гідросепараційні процеси, постійні магніти, просторово-рознесені магнітні системи, математичне моделювання, залізорудний концентрат.

АННОТАЦИЯ

Зенин В. А. Обоснование параметров разветвленных магнитных систем для совершенствования процесса гидросепарации железных руд.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”. Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 1999.

Представлены результаты исследований процесса гидросепарации магнетитовых железорудных пульп с наложением магнитных полей ферритобариевых постоянных магнитов. Целью работы является повышение технологических показателей обогащения за счет совершенствования процесса гидросепарации на основе применения низконапряженных магнитных полей путем выбора и обоснования параметров магнитных систем для интенсификации сепарационных процессов. Идея работы - использование погруженных магнитных поверхностей в гидросепараторах для формирования массопотоков и интенсификации разделения.

Научная новизна полученных результатов заключается в дальнейшем развитии представлений о механизме процесса разделения тонких железорудных пульп вблизи намагниченных поверхностей; в разработке адекватных математических модели для расчета объемных структур распределения напряженности и магнитных сил в магнитных системах сложной компановки и геометрии на базе постоянных магнитов с учетом полярности единичных магнитных элементов; в установлении магнитных характеристик магнитных систем из двухсторонне-намагниченных поверхностей, что позволило сформулировать научно обоснованные требования к их геометрии и компоновке полярности для осуществления сепарационных процессов в горизонтальных и вертикальных стационарных потоках железорудных пульп; в определении зависимостей технологических показателей гидросепарации магнетитовых железных руд от параметров и характеристик погруженных магнитных систем для технологий магнитной классификации и магнитной гидросепарации и разработке на их основе новой технологии обогащения.

Практическое значение заключается в том, что на уровне открытия и изобретений разработаны способы обогащения тонковкрапленных магнетитовых руд, а также магнитные системы технологического оборудования для реализации способов; разработаны алгоритм и программы инженерных расчетов полевых и силовых характеристик пространственно-разветвленных магнитных систем на основе постоянных магнитов с учетом их магнитной ориентации; разработан технологический регламент новой схемы обогащения руды, исключающий первую стадию мокрой магнитной сепарации и использующий процесс гидросепарации железорудных пульп в поле пространственно-разветвленных магнитных систем. Новая технология с 1996 г. используется на обогатительных фабриках № 1 и № 2 (всего 14 секций) ОАО “Полтавский ГОК”. Фактический экономический эффект за 1997 г. составил 4,2 млн.грн. (2,1 млн.у.е.). Технология и оборудование магнитной гидросепарации внедряются на АО “Центральный ГОК” (Украина) и АО “Михайловский ГОК” (Россия).

По теме диссертационной работы имеется 13 публикаций, в том числе 1 научное открытие и 4 патента. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений и включает 109 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 10 таблиц, 4 приложения и список литературных источников из 102 наименований.

Ключевые слова: гидросепарационные процессы, постоянные магниты, пространственно-разветвленные магнитные системы, железорудный концентрат.

ANNOTATION

Zenin V.A. Basis of extended magnetic systems parameters for improvement of the iron ore hydro-separation process.

This Dissertation shows research results of the iron ore hydro-separation process with low-level magnetic fields utilisation (up to 100 kA/m). Offered magnetic systems are based on ferro-barite cells of constant magnets (25-35 kA/m), and look like extended constructions inculcated into hydro-separator's body. Models of elementary magnetic system's cells were made, and calculations of volume magnetic field structures, having various geometry and magnetic orientation of cells, were made based on these models. Algorithm and program of the calculations are offered Dependence of hydro-separation technological characteristics on magnetic systems characteristics was examined for two types of hydro-separator: horizontal and vertical. Single-polar magnetic orientation of the cells was offered. New technology, based on magnetic separators, using magnetic separation after 1st separation stage was created. This technology was tested at both Factories № 1 and № 2 (total 14 sections) OAO “Poltavsky GOK” starting from 1996. The real economical effect was proved.

Key words: hydro-separation processes, constant magnets, extended magnetic systems, mathematical model, iron-ore concentrate.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність та ступінь вивченості тематики. Видобуток і переробка магнетитових залізних руд - одна з основних галузей промисловості в Україні. Зменшення обсягу виробництва залізорудної продукції в останні роки робить актуальним зростання її якісного рівня шляхом впровадження нових наукоємних технологій для випуску товарної продукції - такої, яка б давала можливість компенсувати втрати валового виробництва старих технологій. Необхідність підвищення конкурентоспроможностї залізорудних концентратів та окотишів викликана звуженням ринку України: зовнішнього - через поставки до Європи багатших і дешевших руд Бразілії, Індії, Австралії та внутрішнього - у зв'язку із зменшенням обсягів виробництва металу.

Досвід останніх років свідчить, що традиційні магнітні схеми збагачення гірничо-збагачувальних комбінатів, в основі яких лежить процес магнітної сепарації, для суттєвого підвищення якості концентратів достатнього ресурсу не мають. У товарних концентратах вміст заліза здебільшого 63-65 %, що нижче світових стандартів. Впровадження флотаційних та комбінованих методів переробки руди, зокрема в Кривбасі, проблематично й вимагає високих капітальних вкладень. Тому питання вдосконалення традіційних схем збагачення в напрямку глибокого збагачення тонкоподрібнених продуктів для збільшення якості концентратів відповідають потребам сучасності. Серед основних вимог до втілення нових технологій істотне значення мають мінімум енерговитрат і можливість піднести якість продукції без зниження вилучення цінних компонентів руди.

Широкомасштабні дослідження у даному напрямку здійснюються в інституті “Механобрчормет”, Національній гірничій академії України, Інституті геотехнічної механіки НАН України, Криворізькому технічному університеті, АТ “Механобр”, АТ “Бєлгородськ-Механобр”, гірничому інституті Кольського філіалу АН РФ та ін. Завдяки роботам В.О. Арсентьєва, М.Д. Барського, М.Г. Бедраня, Г.В. Губіна, В.І. Кармазіна, В.В. Кармазіна, Б.М. Малого, В.М. Потураєва, П.І. Пілова, О.М. Тихонова, О.М. Туркеніча, П.О. Усачова, В.А. Чумакова та багатьох інших створені надійні технології і розроблені наукові основи фізичних процесів магнітних методів збагачення.

Історично склалося так, що проблема вдосконалення методів магнітного збагачення переважно розвивалася шляхом збільшення магнітних силових впливів і впровадженням все більш потужних магнітних полів. Широко використовувані у збагаченні магнетитових залізних руд барабанні магнітні сепаратори мають певний оптимум магнітних впливів (від 80 до 200 кА/м для сепараторів типу ПБМ) і застосовуються за 3-5 прийомів (стадій) у міру розкриття мінералів руди. Однак, при цьому ефективність збагачення суттєво зменшується від однієї стадії магнітної сепарації до другої. Крім того, проблема доведення концентратів методом магнітної сепарації ускладнюється зношеністю наявного устаткування та відсутністю в Україні налагодженого виробництва магнітних сепараторів.

При збагаченні залізних руд широко використовується процес гідросепарації, який функціонально підготовує пульпу до сепарації шляхом її знешламлювання. Відходи в операції гідросепарації (дешламації) переважно чистіші, ніж при магнітній сепарації, а енергооснащеність одиничних апаратів, наприклад, МД-5 та ПБМ 250/90, приблизно однакова. Це спонукало спрямувати дослiдження в русло посилення сепарацiйних процесiв у гiдросепараторах додатковим накладенням магнiтних полiв.

Розмiщення магнiтних систем у виглядi намагнiчених поверхонь в обємi гiдросепаратора створює умови для розвантаження магнiтної системи вiд функції виведення концентрату з потоку пульпи у повiтряний простір, що дозволяє застосувати магнiтнi сили, порiвнянi по порядку величин з гравiтацiйними. До того ж, достатні розмiри робочої зони у гідросепараторах дають можливiсть знизити швидкiсть потоку пульпи i тим збiльшити час її магнiтної обробки та зменшити сили гiдродинамiчного опору. У цiлому це дозволяє вести процес розподiлу пульпи при напруженостi магнiтного поля в гiдросепараторах, яка на 1-2 порядки нижче, нiж у традiцiйних магнiтних сепараторах.

Створення технологiї магнiтної гiдросепарацiї як альтернативи традiцiйнiй магнiтнiй сепарацiї стримується недостатньою розробкою фiзичних основ механiзму гiдросепарацiї в магнітних полях, необхiднiстю опрацювання обємних структур магнiтних полiв для забезпечення iнтенсифiкацiї роздiльних процесiв, а також методiв розрахункiв промислових магнiтних гiдросепараторiв з урахуванням полярностi та геометричного розташування елементiв магнiтних систем, що становить на сьогоднi актуальне наукове завдання.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертацiйна робота виконана в межах державної програми щодо розробки ресурсо- та енергозберiгаючих технологiй видобутку та переробки корисних копалин (прiоритетний напрямок 04 за рубрикацiєю Мiннауки) як складова частина держбюджетних тем № 31, ДР-0198v002674 та ДП-235, ДР-0198v005296 i повязана з планами Мiнiстерства промисловостi України, спрямованими на пiдвищення ефективностi збагачення залiзних руд.

Мета роботи - пiднесення технологiчних показникiв збагачення магнетитових залiзних руд за рахунок удосконалення процесу гiдросепарацiї на основi застосування низьконапружених магнiтних полiв шляхом вибору та обгрунтування параметрiв магнiтних систем для iнтенсифiкацiї сепарацiйних процесiв.

Iдея роботи - використання магнiтних поверхонь у гiдросепараторах для формування масопотокiв та iнтенсифiкацiї роздiльних процесiв.

Проблема розробки фiзичних процесiв магнiтної гiдросепарацiї - комплексна, у цiй роботi дослiджуються, зокрема, її магнiтнi аспекти.

Для реалiзацiї поставленої мети вирiшенi такi завдання:

1. Встановлені особливостi процесу гiдросепарацiї в низьконапружених магнiтних полях, виконане фiзичне та математичне моделювання джерел поля для створення обємних магнiтних структур, розроблені алгоритм i програми розрахунку характеристик магнітних полiв у гiдросепараторах з урахуванням особливостей конструкцiї магнiтних систем.

2. Виконане компютерне моделювання та встановлені просторовий розподiл, величини, симетрiя полiв напруженостей i пондеромоторних магнiтних сил, дiючих на магнетитовi частинки при гiдросепарацiї в магнiтних системах на постiйних магнiтах зануреного типу залежно вiд геометричних параметрiв та магнiтної орiєнтацiї магнiтних поверхонь.

3. Виконані експериментальнi дослiдження та визначені характеристики i параметри магнiтних систем для пiдвищення ефективностi сепарацiйних процесiв при роздiленнi магнетитових залiзорудних пульп у горизонтальних та вертикальних потоках.

4. Здiйснені промисловi випробування роботи магнiтних систем гiдросепраторiв на зливi гiдроциклонiв першого та другого прийомiв подрiбнення руди та вiдпрацьована нова технологiя збагачення магнетитових залiзних руд на основi процесу магнiтної гiдросепарацї.

Наукова новизна

Науковi положення роботи полягають в наступному:

1. Тришаровi комiрки магнiтної системи, виконанi з феритобарiєвих магнiтних плиток плоскої прямокутної форми у складі структури плитка-металева пiдбивка-плитка, як джерело поля з розподiленими параметрами, задовiльно описуються суперпозицiєю двох однакових прямокутних виткiв, охоплюючих периметри центральних перерiзiв плиток, при цьому не тільки напрямок, але й величина струмів визначаються магнітною орієнтацією плиток у комірках і не залежать вiд заростання поверхнi плиток частинками магнетиту як у повiтряному середовищi, так i в тонких залiзорудних пульпах iз вмiстом твердого 10-40 %.

2. Для прямокутних плоских магнiтних поверхонь характер та симетрiя полів напруженостi й магнiтних сил визначаються магнiтною орiєнтацiєю сумiжних граней сусiднiх пластин i меншою мiрою залежать вiд полярностi двох сторiн однiєї пластини, а компоненти напруженостi поля та магнiтних сил, нормальні до поверхні, згасають швидше, ніж тангенціальні при збільшенні зазору мiж пластинами, хоча і ті, і інші компоненти зростають при зближенні намагнічених поверхонь.

3. Технологiчнi показники процесу гiдросепарацiї магнетитових залiзорудних пульп у магнiтних системах, утворених симетрично розташованими двосторонніми намагнiченими поверхнями (пластинами), iстотно залежать вiд магнiтної орiєнтацiї поверхонь пластин та щiльностi їх розмiщення у системi, а залежності якості продуктів розділення та вмісту тонких класів у зливі гідросепаратора від щільності розташування пластин у системі мають екстремальний характер, тому для типових (промислово-придатних) магнетитових залізних руд необхідно використовувати магнітну орієнтацію пластин N-N полюсами назустріч одна одній.

Наукова новизна одержаних результатiв:

- вперше встановленi польовi та силовi магнiтнi характеристики магнiтних систем, утворених двобiчно-намагнiченими поверхнями в обємі гідросепараторів, що дозволило сформулювати науково обгрунтованi вимоги до їх геометрiї та компоновки полярностi для здiйснення сепарацiйних процесiв у горизонтальних i вертикальних стацiонарних потоках залiзорудних пульп;

- вперше визначенi залежностi технологiчних показникiв процесу гiдросепарацiї магнетитових залiзних руд вiд параметрiв та характеристик занурених магнiтних систем для здiйснення технологiй магнiтної класифiкацiї i магнiтної гiдросепарацiї й розробки на їх основi нової технологiї збагачення.

- розробленi адекватнi математичнi моделi для визначення обємного розподiлу магнiтних характеристик (напруженості поля і магнітних сил) для магнiтних систем складної компоновки i геометрiї на базi постiйних магнiтiв, де врахована полярнiсть елементарних джерел поляя що загалом розширює коло вiдомих рiшень польових задач магнiтостатики;

- отримали подальший розвиток уявлення про механiзм процесу розділення тонких залiзорудних пульп поблизу намагнiчених поверхонь, а саме для комбінацій одно- та двобічно-намагнічених пластин, конфігурація, геометричне розташування і магнітна орієнтація яких дозволяють змінювати величину та розподіл локальних екстремумів напруженості поля і магнітних сил, що забезпечують динамічний рух магнетитових частинок у робочій зоні гідросепаратра.

Практичне значення роботи.

Автор роботи перебував у складi творчого колективу, зусиллями якого з 1996 р. у промислових умовах ВАТ “Полтавський ГЗК” освоєна нова енерго-ресурсозберiгаюча технологiя магнiтної гiдросепарацiї (МГ-сепарацiя), яка довела свою конкурентоспроможнiсть у порiвняннi з традіційними методами мокрої магнiтної сепарацiї. Дисертацiйна робота у даному аспектi порушує вузьке коло питань у сферi обгрунтування та вибору параметрiв магнiтних систем обладнання i розробки технологiї. У результатi дослiджень:

- на рiвнi наукового вiдкриття та винаходiв розробленi способи збагачення тонковкраплених магнетитових руд, а також магнiтнi системи технологiчного устаткування для реалiзацiї способiв;

- розробленi алгоритм та програми iнженерних розрахункiв польових i силових характеристик просторово-розгалужених магнітних систем на основi постiйних магнiтiв з урахуванням їх магнiтної орiєнтацiї;

- розроблений технологiчний регламент нової схеми збагачення руди, що виключає першу стадiю мокрої магнiтної сепарацiї i використовує процес гiдро-сепарацiї залiзорудних пульп у полi просторово-розгалужених магнiтних систем.

Нова технологiчна схема збагачення залiзних руд, в основу якої закладений процес магнiтної гiдросепарацiї, з 1996 р. використовується на збагачувальних фабриках № 1 и № 2 (усього 16 секцiй) ВАТ “Полтавський ГЗК”. Фактичний економiчний ефект за 1997 р. склав 4,2 млн.грн. (2,1 млн. у.о.). Реальний економiчний ефект отриманий на пiдприємствi за рахунок: змiни витрат за собiвартiстю вiд зупинки I стадiї магнiтної сепарацiї та її замiни на МГ-сепарацiю; приплачувань за пiдвищений вмiст залiза в окотишах; додаткового випуску “безвитратного” концентрату, отриманого завдяки зниженню вилучення металу у вiдходи збагачення;

На сьогоднi технологiя та обладнання МГ-сепарацiї, за безпосередньою участю автора дисертацiйної роботи, впроваджуються на АТ “Центральний ГЗК” (Україна) та АТ “Михайлiвський ГЗК” (Росiя).

Особистий внесок:

Автором самостiйно визначенi мета та iдея роботи, поставленi й вирiшенi завдання дослiдження, проаналiзованi й узагальненi результати теоретичних дослiджень i технологiчних випробувань, сформульованi науковi положення, висновки та рекомендацiї.

У співавторстві з творчим колективом сформульоване наукове вiдкриття, де особистий внесок автора полягає в практичнiй аргументацiї встановленої закономiрностi, i розробленi 4 патенти, де особистий внесок автора зводиться до формулювання умов магнiтних силових впливiв для реалiзацiї процесiв..

Апробацiя результатiв дисертацiї. Результати дисертацiйної роботи доповiдалися на мiжнароднiй конференцiї “Сучаснi шлахи розвитку гiрничого обладнання i технологiї переробки” (м. Днiпропетровськ, 1996), на республiканському симпозiумi “Ресурсозберiгаючi технологiї збагачення” (м. Комсомольськ, Полтавської обл., 1997), на 1-й мiжнароднiй конференцiї “Геотехнiчна механiка освоєння надр” (м. Днiпропетровськ, 1998), на мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї "XXI сторiччя - проблеми та перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (м. Днiпропетровськ, 1998), на виробничих нарадах фахiвцiв ГЗКiв Кривбасу та Росiї i наукових семiнарах IГТМ НАН України.

Публикацiї. За темою дисертацiйної роботи опублiковано 13 наукових праць, у тiм числi наукове вiдкриття та патенти: 1- України i 3 - Росiйської Федерацiї.

Обсяг та структура роботи. Дисертацiя складається з вступу, пяти роздiлiв, висновкiв та додаткiв. Машинописного тексту - 109с., рисункiв - 45с., таблиць -10с., 4 додатки на 28с., список використаних джерел з 102 назв. на 9с.

гiдросепарацiя магнітний низьконапружений

2. ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У РОЗДIЛI 1 зроблений аналiз лiтературних джерел за темою дисертацiї, вибранi напрямки дослiджень, сформульованi мета та завдання.

Технологiї збагачення тонковкраплених магнетитових руд (аналогiчних рудам України), якi переробляють в Австралiї, Канадi, США, Норвегiї, дозволяють отримувати концентрати з вмiстом залiза до 69%. Аналіз технологій свідчить про перспективність використання досвіду гравітаційних методів, що робить актуальним розробку фізичних процесів комбінованих магнітно-гравітаційних впливів, зокрема, процесів гідросепарації магнетитових пульп в магнітних полях.

На відміну від традiцiйної магнiтної сепарацiї при магнітно-гідродинамічному (МГД) та магнiтно-гiдростатичному (МГС), або феро-гiдростатичному (ФГС) методах сепарацiї виключено процес виведення готового продукту з пульпи поверхнею магнітоносія, що дає змогу зменшити напруженість магнітного поля. Однак, ця можливість не була реалiзована переважно через те, що необхiднiсть створення високопродуктивних апаратiв має на увазi великі швидкостi потокiв, а це потребує високої щiльностi магнiтних сил в обмеженiй робочiй зонi сепарацiї. Для відомих низьконапружених (2-12кА/м, до 16 кА/м) електромагнiтних сепараторiв (П.I. Зеленов, П.О. Усачов, Н.О. Алейников), що базуються на використаннi механiзму структурування феромагнiтних суспензiй у слабких полях, проблему становить вибір робочих режимів, враховуючи, що джерело магнітного поля - зовнішнє.

Підвищити щільність низьконапружених магнітних полів можливо завдяки використанню магнітних систем нового типу - виконаних з постiйних магнiтiв у виглядi просторово-рознесених намагнiчених поверхонь, якi занурені у робочий обєм гiдросепаратора. Напевне, сукупний фактор роздiлення визначається при цьому цілим комплексом взаємодiй - магнiтних, гiдродинамiчних та гравiтацiйних. Ця дисертацiйна робота присвячена вивченню саме магнiтних полiв, сил та взаємодiй при гiдросепарацiї в полі занурених магнітних систем.

Вiдомi задачi розрахунку магнiтних полiв при сепарацiйних процесах у переважнiй бiльшостi випадкiв обмежуються розвязуванням плоскої задачi для дальньої зони на основi усереднених магнiтних характеристик, що виправдане колінеарністю робочих сил в апараті і для магнітних полів з відносно високою напруженiстю (60 кА/м i бiльше) дає достатнi для практики результати.

Обємнi польовi задачi, звичайно, (О.В. Тозонi, Л.Р. Нейман, I.I. Пеккер, К.С. Демiрчян, С.Т.Толмачов) характеризує громiздкий математичний опис, а кiнцевi рiшення складнi для фiзичної iнтерпретацiї та аналiзу. Серйозну проблему становить вибiр функцiї джерел поля, щоб вiдобразити реальний розподiл поля на поверхнi елементів, виконаних з постійних магнiтів.

У РОЗДIЛI 2 наведенi результати розробки феноменологiчних моделей поодиноких елементiв конструкцiї магнiтних систем з ферітобарієвих плиток постійних магнітів. За основу взято вiдомий метод фiзичного моделювання магнiту як соленоїда iз струмом, що створює поле, тотожне полю магнiта H=0IeHe. Компоненти еквівалентної напруженостi магнiтного поля плитки He визначені суперпозицiєю полiв кусково-безперервних струмiв, що протiкають її периметром, і в декартовій системі координат мають вигляд:

де

ax, bz, hy при розмірах плитки (ab) та товщині h.

Прямими порiвняннями розрахункових даних з результатами вимiрювання компонентiв напруженостi поля на поверхнi та над нею для феритобарiєвої магнiтної плитки iз залишковою намагнiченiстю 25-35 кА/м встановлена допустима точнiсть її моделювання у виглядi одного витка з струмом, який намотано на контур периметра плитки у центральному перетинi. Аналогічно розроблені моделі та визначено еквівалентний струм для елементів конструкції у вигляді двійчастих плиток та комірок типу плитка-металева підбивка-плитка з урахуванням магнітної орієнтації плиток в елементах та впливу зовнішнього середовища (пульпи). В роботі наведені значення Ie з похибкою моделей при визначенні напруженості поля від 3,4 % до 8,4 %. Феноменологічність моделей дозволила виконати розрахунки для полів систем з таких елементів методом суперпозиції елементарних рішень.

В РОЗДІЛІ 3 наведені результати компютерного моделювання і визначені величини та характер розподілу напруженості і поля магнітних сил для магнітних систем гідросепараторів, виконаних у вигляді геометричної конструкції з двобічно-намагнічених плоских поверхонь.

Для розвязуваної задачі при залишковій намагніченості частинок магнетиту пульпи 6,5-7 кА/м їх намагніченість насичення складає 30-34 кА/м, це приблизно дорівнює залишковій намагніченості феритобарієвих плиток, що дає змогу скористатися типовим для практики збагачення руд визначенням магнітної сили як mHgradH, де m - маса частинки; - її магнітна сприйнятливість. Магнітні сили оцінювалися відносно щодо гравітаційної сили, що діє на магнетитові частинки з розміром 50 мк. В оцінці за стандартними методами теорії ймовірностей та математичної статистики похибка розрахунків силових характеристик магнітних систем гідросепараторів не перевищувала 17 %.

Задача по визначенню магнітних характеристик та параметрів розвязана для двох видів магнітних систем: 1) - коли вони складені з вертикальних паралельних двобічно-намагнічених пластин (плоскопаралельна магнітна система у будові магнітного класифікатора, призначеного для організації сепараційних процесів переважно в горизонтальних потоках) і 2) - коли системи виконані з аналогічних пластин, розміщених радіально вздовж твірних зрізаного конуса (конічна радіально-розхідна система), яка відпрацьована для поділу залізорудних пульп переважно у вертикальних потоках. З використанням фукціональних можливостей компютерної програми MathCAD виконане моделювання магнітних полів та сил у тілі таких систем за різних варіантів полярності магнітних пластин системи.

Рисунок 1 ілюструє розрахунки магнітних характеристик магнітних класифікаторів, для яких вертикальна Z-компонента поля - робоча, що забезпечує процеси розшарування частинок пульпи у вертикальній площині між пластинами, а горизонтальна (нормальна до пластин) Y-компонента функціонально створює умови для формування “магнетитової сітки” між пластинами та заростання їх поверхні частинками магнетиту. За однакових умов для системи магнітного класифікатора з NS магнітною орієнтацією пластин у зазорі в порівнянні з NN орієнтацією робоча вертикальна компонента магнітних сил затухає відносно швидше, ніж нормальна, що дає можливість рекомендувати однойменну полярність пластин у робочих зазорах завширшки (10-25)h для здійснення сепараційних процесів. Поряд з цим встановлено нелінійний характер зростання всіх компонент магнітних сил із зменшенням ширини робочого зазору.

Для магнітної системи магнітного гідросепаратора розрахунок магнітних характеристик, виконаний у циліндричній системі коордінат, засвідчив істотну неоднорідність компонент напруженості поля в площинах перерізу гідросепаратора при підсиленні всіх компонент в області збігання пластин. Ця особливість більшою мірою притаманна кутовій компоненті, а найменшою -радіальній, вертикальна ж посідає проміжне положення. Вертикальна компонента поля функціонально забезпечує процеси зміщення частинок у вертикальній площині гідросепаратора, радіальна - рух уздовж поверхні пластин до центру або від центру гідросепаратора, а кутова стимулює процеси заростання зазора магнетитом пульпи. Встановлені розподіли та характер симетрії компонент напруженості поля і магнітних сил для різних варіантів полярності пластин системи.

Наприклад, розподіл кутової компоненти поля напруженостей, симетричний для розмішення полярності пластин NS-NS, переходить в антисиметричний при NN-NN орієнтації. Останнє свідчить про нестійкий рівноважний стан частинок магнетиту в центрі між пластинами.

Аналіз силових компонент виявив, що в магнітній системі гідросепаратора робоча компонента поля пондеромоторних магнітних сил - радіальна, завдяки якій відбуваються процеси зміщення магнетитових частинок до центру апарата.

Комплексна оцінка магнітних сил, величини яких мають порядок до 100 F грав, у магнітній системі гідросепаратора дала змогу рекомендувати однойменну магнітну орієнтацію пластин у робочих зазорах та встановити розподіл магнітних сил залежно від параметрів пластин.

РОЗДІЛ 4 присвячений експериментальним дослідженням впливу маг-нітних полів просторово-розгалужених систем на показники гідросепарації при заданих фіксованих гідродинамічних режимах. Параметри магнітних полів збагачувальних апаратів оцінювалися за результатами компютерного моделювання, отриманими у розділі 3, що цілком виправдане відсутністю прямих методів вимірювання магнітних сил та необхідністю значної кількості вимірів напруженості для побудови обємної картини магнітного поля, враховуючи, що одиничний вимір виявляє значення лише однієї з компонент напруженості поля.

Як виявило розділення залізорудних пульп у жолобах з магнітними стін-ками (прямих, похилих, що звужуються чи розширюються), ефективність роз-ділення в прямому та похилому розширному жолобах з накладенням магніт-ного поля і без нього може сягати 6,4 % та 12,5 % відповідно. Встановлені залежності технологічних показників розділення від швидкості потоку пульпи.

Магнітна система плоско-паралельного типу випробувана в устаткуванні магнітного класифікатора. Встановлено, що механізм розділення базується на витисненні з поля відносно багатого грубозернового продукту у піски, а тонкого, відносно бідного продукту, - у злив. Сепараційний процес єфективний для роботи на щільних пульпах, його характеристики нелінійно повязані з швидкістю потоку пульпи, застосування магнітних систем забезпечує виділення до 20-25 % зливу, поданого переважно зростками мінералів, при відмінності у вмісті заліза в пісках та в зливі до 2,5 %. Цей апарат рекомендовано використовувати у технологічній схемі як допоміжний.

За однакових гідродинамічних режимів проведене порівняння технологічних показників процесів гідросепарації в апаратах типу МД (дешламаторах) та в магнітних гідросепараторах МГС, яке виявило, що в середньому зміна вмісту заліза у зливі складає до =-3,1 %, а в пісках - до =+2,3 % при такому ж виході промпродукту. Встановлений характер зміни технологічних показників процесу магнітної гідросепарації від магнітної орієнтації та щільності розміщення пластин системи. При цьому виявлений екстремальний характер у залежностях якості продуктів гідросепарації та вмісту тонких класів у зливі гідросепаратора від щільності розміщення пластин у магнітній системі. Виявлено, що для ефективної магнітної гідросепарації магнетитових суспензій щільністю до 1200 кг/м3 з крупністю частинок не нижче 45 % класу -50 мк рекомендована зустрічна однойменна N-N полярність пластин магнітної системи з кількістю пластин для апаратів МГС-5 192 (рис. 2). При цьому кут розкриття між ними 183, сумарна площа намагніченої поверхні - (2329) м2, для апаратів МГС-9 кількість пластин магнітної системи - 382, кут розкриття 9-10, сумарна площа намагніченої поверхні -(90100) м2.

У РОЗДІЛІ 5 наведені основні результати розробки нової технологічної схеми збагачення магнетитових залізних руд з використанням процесу магнітної гідросепарації. Досліджена технологія магнітної класифікації для насичення схеми магнетитом пульпи з подаванням зливу магнітного класифікатора в голову процесу збагачення. Зроблена оцінка технологічних показників роботи секції при усуненні першої стадії магнітної сепарації та застосувані МГ-сепарації послідовно, а потім одночасно на зливі гідроциклонів першого та другого прийомів подрібнення. Наприклад, для магнітних гідросепараторів першого прийому порівняно з магнітними сепараторами (ММС I стадії) якісні показники продуктів поліпшуються відповідно: = 1,8 %, а =+1,5 %. Встановлена можливість збагачення без використання магнітної сепарації у першому прийомі та МГ-сепарації в обох прийомах подрібнення руди при підвищенні технологічних показників роботи секції порівняно з традиційною схемою, що забезпечує економічний ефект. Наприклад, по руді горизонту K32 зміна вмісту заліза у концентраті й відходах складала на +0,6 % та -1,3 % відповідно, а вихід концентрату та вилучення в нього заліза зросли на 1,4 % і 3,6 % відповідно у порівнянні з традіційною технологією. За 1997 рік реальний єкономічний ефект від впровадження технології збагачення з використанням процесу магнітної гідросепарації - 4,2 млн. грн. (2,1 млн. у.о.).

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій визначаються застосуванням фундаментальних положень та методів теорії електромагнітного поля; коректністю постановок задач магнітостатики; задовільним ступенем збіжності результатів моделювання й експериментальних досліджень з похибкою визначення польових характеристик не більше за 8,4 %, силових характеристик не вище за 17 %; застосуванням відомих методів теорії та практики збагачення, ГОСТованих методік оцінки технологічних показників і якості продукції, прийнятих на ВАТ “ПГЗК”, позитивними результатами лабораторних експериментів та досвіду промислового використання апаратів з просторово-розгалуженими магнітними системами, а також способів збагачення магнетитових залізних руд із застосуванням процесу магнітної гідросепарації.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове вирішення актуального наукового завдання, що полягає у розробці способів та засобів гідросепарації магнетитових залізорудних пульп шляхом використання просторово-розгалужених структур магнітних полів у робочому обємі гідросепараторів для організації процесів розділення та визначення закономірностей їх протікання. Одержані результати дозволяють обгрунтовано вибрати раціональні параметри магнітних систем гідросепараторів та розробити технологію здійснення магнітної гідросепарації.

Основні результати досліджень:

1. Вперше визначено вплив низьконапружених магнітних полів на ефективність розділення залізорудних пульп, а також встановлені польові та силові магнітні характеристики магнітних систем, утворених двобічно-намагніченими поверхнями в обємі гідросепараторів, крім того вперше визначені залежності технологічних параметрів процесу гідросепарації магнетитових залізних руд від параметрів та характеристик занурених магнітних систем для здійснення технології магнітної класифікації і магнітної гідросепарації й розробки на їх основі нової технології збагачення.

2. Розроблені адекватні математичні моделі для визначення обємного розподілу магнітних характеристик (напруженості поля і магнітних сил) для магнітних систем складної компановки і геометрії на базі постійних магнітів, де врахована полярність елементарних джерел поля, що загалом розширює коло відомих рішень польових задач магнітостатики. Розроблені феноменологічні моделі магнітних комірок дали можливість використати принцип суперпозиції елементарних рішень для визначення магнітних характеристик систем у таких елементів. На цій основі визначена розрахункова схема процесу магнітної гідросепарації.

3. Вперше визначено, що характер та симетрія полів напруженостей і відповідних магнітних сил різні, а їх величини переважно визначаються зустрічною магнітною орієнтацією пластин у робочому зазорі між пластинами. Для системи з вертикальних паралельних магнітних пластин вертикальні компоненти полів та сил затухають повільніше горизонтальних, стимулюючих заростання зазору магнетитом. Для магнітних систем з радіально-розбіжних уздовж твірних зрізаного конуса пластин з однополярною орієнтацією у робочому зазорі робоча компонента радіальна, яка забезпечує зміщення магнетиту до центральної осі гідросепаратора. При однополярній магнітній орієнтації величина кутової компоненти, стимулюючої процеси заростання робочого зазору магнетитом, мінімальна.

4. Отримали подальший розвиток уявлення про механізм процесу розділення тонких залізорудних пульп поблизу намагнічених поверхонь, а саме для комбінацій одно- та двобічно-намагнічених пластин, конфігурація, геометрія розташування і магнітна орієнтація яких дозволяють змінювати величину та розподіл локальних екстремумів напруженості поля і магнітних сил, що забезпечують динамічний рух манетитових частинок у робочій зоні гідросепаратора. Цей механізм процесу полягає в основу нової технологічної схеми та технології гідросепарації. Внаслідок чого знижено вміст заліза у зливі гідросепаратора на 3,1 %. Нова технологія передбачає заміну процесу традіційної гідросепарації в усіх стадіях на магнітну гідросепарацію, використання магнітної класифікації для насичення схеми магнетитом й виведення з процесу збагачення руди першої стадії магнітної сепарації. Ця технологія застосовується з 1996 року на ВАТ “Полтавський ГЗК” з одержанням реального економічного ефекту, а з 1998 року на ВАТ “Центральний ГЗК“ (Україна) та ВАТ “Михайлівський ГЗК“ (Росія).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ЯКІ ВІДОБРАЖАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Потураев В.Н., Зенин В.А. Перспективы повышения качества обогащения железных руд с применением магнитно-гидравлической сепарации //Геотехническая механика.-Сб.науч.тр. ИГТМ НАН Украины.-1998.-Вып. 4.-C.80-85.

2. Зенин В.А. Построение математической модели к расчету магнитного поля разнесенных пластин и решеток на постоянных магнитах //Геотехническая механика.- Сб.науч.тр. ИГТМ НАН Украины.-1998.- Вып. 7.-C. 45-49.

3. О влиянии знака полюсов магнитных систем гидросепараторов на эффективность обогащения исходной железной руды и промпродукта / В.Ф. Бадагов, В.А. Зенин, А.С. Красуля, В.П. Мартыненко, С.М. Таран // Вибрации в технике и технологиях.-Сб.науч.тр.НГА Украины.-1998, № 4(8).-C. 41 - 42.

4. Открытие № 72 "Закономерность разделения частиц измельченной железной руды в токопроводящих жидкостях" / В.А. Чумаков, В.П. Мартыненко, В.Ф. Бадагов, В.Г. Кузнецов, С.М. Таран, В.А. Зенин, А.С. Красуля, А.К. Шидловский (Украина); Академия естественных наук России, Международная Ассоциация авторов научных открытий, Ассоциация авторов научных открытий Украины; М. - Днепропетровск - Комсомольск; Зарег. 20.05.98; Приоритет 05.04.89. - 56 с.

5. А.с. 1666181 СССР, МКИ В 03 с 1/00. Способ обогащения тонковкрапленных магнетитовых железных руд / В.А. Чумаков, А.С. Красуля, С.М. Таран, В.А. Зенин, М.М. Загубибатько, А.А. Харитонова (СССР). - № 4701053; Заявлено 18.04.89; Опубл. 30.07.91, Бюл. № 28.

Размещено на Allbest.ru