Обґрунтування параметрів класифікації тонкодисперсних магнетитових кварцитів у нестаціонарному полі швидкості пульпи гідросепаратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.15.08 - збагачення корисних копалин

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КЛАСИФІКАЦІЇ ТОНКОДИСПЕРСНИХ МАГНЕТИТОВИХ КВАРЦИТІВ У НЕСТАЦІОНАРНОМУ ПОЛІ ШВИДКОСТІ ПУЛЬПИ ГІДРОСЕПАРАТОРА

Саітгареєв Леван Наільєвич

Кривий Ріг - 2010

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

тонкодисперсний магнетитовий кварцит гідросепаратор

Актуальність теми. Важливим показником конкурентоспроможності підприємств гірничо-металургійного комплексу України є якість кінцевих продуктів, яка зумовлена сировиною, технологією її переробки та ефективністю технологічних операцій. У зв'язку з тонкою вкрапленістю корисних компонентів бідних магнетитових руд, для розкриття яких кінцева крупність подрібнення досягає 95 % класу -0,044 мм, ефективність усіх збагачувальних операцій і зокрема знешламлювання (гідросепарації) знижується. Важливою причиною цього є невідповідність технологічних параметрів процесу гідродинамічним умовам, які необхідні для розділення всього вузького класу тонкодисперсних компонентів за заданим граничним зерном.

Останнім часом для підвищення ефективності операції знешламлювання магнетитових кварцитів використовується намагнічування та попередня обробка пульпи в різних силових полях. Застосування цих способів без належних знань про поле швидкості руху пульпи в знешламлювачі (гідросепараторі) знижує їх результативність, оскільки для розділення тонкодисперсних компонентів параметри течії відіграють найважливішу роль. Незважаючи на визнання цього факту усіма дослідниками проектні режимні параметри гідросепараторів та інших седиментаційних класифікаторів, як і раніше, визначаються за результатами осадження твердої фази суспензії в лабораторних циліндрах без необхідного урахування поля швидкості пульпи в апараті, що не дозволяє отримувати належні гідродинамічні умови розділення тонкодисперсних компонентів.

Отже, визначення технологічних параметрів класифікації тонкодисперсних магнетитових кварцитів у гідросепараторі є актуальним напрямком досліджень, а ця робота, у якій на підставі вивчення закономірностей розділення в нестаціонарному полі швидкості пульпи обґрунтовується можливість підвищення ефективності сепарації, є важливою для подальшого розвитку наукових основ гідравлічної класифікації та доопрацювання відомих методів інтенсифікації цього процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки й техніки КПКВ 2601130 «Державна програма розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2011 року» та тематичного плану науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету, зокрема науково-дослідної роботи Д3/178-2005 7.05.4 «Розробка технології збагачення окислених кварцитів».

Метою роботи є обґрунтування параметрів класифікації тонкодисперсних магнетитових кварцитів, що забезпечують найбільшу ефективність знешламлювання.

Ідея роботи полягає у визначенні поля швидкості руху пульпи в гідросепараторі, яке забезпечує розділення вузьких фракцій тонкодисперсних компонентів магнетитових кварцитів за заданим граничним зерном.

Для досягнення поставленої мети та реалізації ідеї необхідно вирішити такі основні завдання:

- розробити математичну модель для розрахунку розподілу компонентів твердої фази пульпи в нестаціонарному полі швидкості з урахуванням стохастичних складових їх швидкостей і неоднорідної концентрації твердого;

- дослідити поле швидкості пульпи в знешламлювачі й визначити поєднання технологічних і конструкційних параметрів, яке забезпечує розділення вузьких фракцій за заданим граничним зерном;

- визначити на лабораторній установці ефективність класифікації та якість продуктів розділення при технологічних параметрах, обґрунтованих за математичною моделлю.

Об'єкт дослідження - процес гідравлічної класифікації тонкодисперсних компонентів магнетитових кварцитів.

Предмет дослідження - параметри розділення компонентів твердої фази в нестаціонарному полі швидкості пульпи.

Методи дослідження. Методами аналізу та синтезу досліджено способи підвищення ефективності гідравлічної класифікації. Закономірності руху пульпи досліджено методами математичного та комп'ютерного моделювання. Визначення складу пульпи виконано методами мінералогічного, фракційного та седиментаційного аналізу. Методами регресійного аналізу отримано аналітичні залежності для визначення граничних значень режимних параметрів роботи гідросепаратора. Вплив технологічних параметрів процесу на показники розділення тонкодисперсних компонентів пульпи визначено експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Ефективність розділення тонкодисперсних компонентів пульпи в седиментаційному класифікаторі зумовлена наявністю у полі швидкості руху двофазного потоку зон розділення за заданим граничним зерном, їх розміром, місцеположенням в об'ємі апарата та часткою вузького гідравлічного класу, яка потрапляє до цих зон.

2. Обґрунтування технологічних параметрів класифікації, при яких підвищується раціонально використовуваний об'єм гідросепаратора та якість продуктів розділення, забезпечується розрахунком розподілу частинок крупністю -0,03 +0,01 мм в об'ємі апарата з урахуванням нестаціонарності поля швидкості суспензії та стохастичних складових руху її компонентів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано показник раціонального використання об'єму седиментаційного класифікатора, який, на відміну від існуючих, обчислюється за даними про розраховане за математичною моделлю поле швидкості, що дозволило кількісно оцінити та обрати поєднання технологічних і конструкційних параметрів гідросепаратора, яке при розділенні магнетитових кварцитів за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с забезпечує підвищення раціонально використовуваного об'єму радіального магнітного знешламлювача МЗ-5 на 48,9 %.

2. Розроблено математичну модель руху двофазного потоку, яка, на відміну від існуючих, дозволяє розраховувати розподіл дисперсних частинок в об'ємі гідросепаратора з урахуванням стохастичного масоперенесення, нестаціонарності поля швидкості та його залежності від змінної концентрації твердої фази й забезпечує отримання науково обґрунтованих технологічних параметрів класифікації тонкодисперсних компонентів суспензії за заданим граничним зерном, при яких ефективність розділення магнетитових кварцитів у радіальному знешламлювачі підвищується на 18 %.

3. Уперше встановлено екстремальні залежності ефективності гідравлічної класифікації магнетитових кварцитів у радіальному знешламлювачі МЗ-5, обладнаному блоками нахилених пластин, від технологічних параметрів його роботи, що дозволило визначити оптимальні значення продуктивності Q = 210±15 м³/год та частки твердого в живленні C = 15±1 %, при яких завдяки більшій ефективності розділення вміст заліза в кінцевому концентраті підвищується на 0,8 %.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджено коректністю застосування при комп'ютерному моделюванні фундаментальних законів збереження маси та імпульсу, погодженістю результатів числових і лабораторних експериментів.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії та практики гідросепарації тонкодисперсних компонентів твердої фази суспензії в седиментаційних класифікаторах при нестаціонарному полі швидкості несучого середовища та стохастичному масоперенесенні частинок, а також у доопрацюванні відомих методів інтенсифікації гідравлічної класифікації.

Практичне значення одержаних результатів полягає в підвищенні надійності параметрів гідросепарації тонкодисперсних компонентів суспензії в седиментаційному гідросепараторі, у можливості кількісного оцінювання ефективності різних технологічних заходів з удосконалення процесу розділення, а також у поліпшенні показників знешламлювання. Поєднання технологічних параметрів і конструкційних рішень з перерозподілу потоків в об'ємі гідросепаратора, визначене за розробленою методикою, забезпечує в умовах РЗФ-2 ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» підвищення ефективності класифікації магнетитових кварцитів на 18 % і вмісту заліза в кінцевому концентраті на 0,8 %.

Результати досліджень прийнято до використання ДП «Державний інститут по проектуванню підприємств гірничорудної промисловості «Кривбаспроект» і застосовано в Криворізькому технічному університеті при викладанні лекцій та складанні методичних вказівок до виконання лабораторних і практичних робіт з дисциплін «Зневоднення та очистка стічних вод», «Теорія сепараційних процесів» для студентів спеціальності 6.090300 «Збагачення корисних копалин».

Отримані результати можуть бути застосовані для поліпшення показників гідросепарації та згущення полідисперсних суспензій у різноманітних седиментаційних апаратах на підприємствах різних галузей промисловості.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно поставлено мету дисертації, сформульовано ідею роботи та завдання досліджень, проведено числові експерименти на ЕОМ і лабораторні дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів, сформульовано наукові положення та основні висновки дисертації. У наукових працях здобувача, опублікованих у співавторстві, викладено ідеї, положення та результати, отримані ним особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідалися на наукових семінарах кафедр збагачення корисних копалин Криворізького технічного університету та Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ), на міжнародних конференціях «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (Кривий Ріг, 2006-2008 рр.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 5 статтях (3 - одноосібні) у науково-технічних фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел зі 125 найменувань, 3 додатків, містить 14 таблиць, 39 рисунків, викладена на 139 сторінках. Обсяг основного змісту - 114 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційного дослідження, сформульовано його мету та завдання, викладено наукові положення, які виносяться на захист, та основні наукові й практичні результати, наведено відомості про особистий внесок здобувача, зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами й темами.

У першому розділі виконано аналіз теорії та практики гідрокласифікації мінеральних суспензій, на основі якого поставлено мету та завдання дослідження.

Зазначено, що велика кількість шламів, які утворюються при збагаченні магнетитових кварцитів Кривбасу, зумовлена тонкою вкрапленістю руд і способами їх переробки. Наведено результати багатьох досліджень, спрямованих на вдосконалення обладнання для подрібнювання, пошук оптимальної технологічної схеми, модернізацію гідросепараторів. Проаналізовано основні причини низької ефективності знешламлювання, до яких належать налипання шламів на поверхнях більш крупних зерен, захоплення тонкодисперсних частинок кварцу та бідних зростків у магнітні флокули, невідповідність технологічних параметрів гідродинамічним умовам, необхідним для розділення за заданим граничним зерном. Наведено результати досліджень з підвищення ефективності знешламлювання на підставі різних методів збільшення контрастності властивостей розділюваних частинок. Зазначено, що для підвищення результативності розглянутих методів необхідно створити відповідні гідродинамічні умови розділення компонентів пульпи.

Розглянуто схеми руху пульпи в седиментаційних класифікаторах різної конструкції. Проаналізовано результати досліджень з впливу на показники гідросепарації таких конструкційних елементів апарата, як розподільні пристрої завантаження пульпи, пристрої розвантаження продуктів розділення, системи подачі висхідних потоків води, перегородки для заспокоєння течії та перерозподілу потоку. Показано, що встановлення в робочому об'ємі радіального гідросепаратора нахилених пластин забезпечує створення необхідних гідродинамічних умов розділення тонкодисперсних компонентів пульпи.

На підставі аналізу існуючих результатів експериментальних досліджень гідрокласифікації та згущення в седиментаційних апаратах установлено, що обґрунтування технологічних параметрів розділення пульпи та конструкційних змін класифікатора, спрямованих на створення необхідних гідродинамічних умов сепарації, забезпечується розрахунком розподілу дисперсних частинок у робочому об'ємі апарата з урахуванням нестаціонарності поля швидкості суспензії та стохастичних складових руху її компонентів.

Проаналізовано відомі математичні моделі механіки суспензії та відзначено, що більшість з них не враховують стохастичні параметри руху несучого середовища та дисперсної фази, а також взаємозалежність між полем швидкості рідини та розподілом твердих компонентів. Інші моделі, позбавлені вказаних недоліків, корисні лише з точки зору методології описання процесів та явищ, що відбуваються при русі суспензії, оскільки їх практична реалізація унеможливлюється через відсутність достовірних значень багатьох емпіричних коефіцієнтів. Наведені обставини повинні бути враховані при розробці нових математичних моделей, які б мали практичну цінність для вивчення руху суспензії в промислових апаратах.

У другому розділі наведено описання методів проведення досліджень.

Для досягнення поставленої в роботі мети застосовано метод числового моделювання, результати якого перевірялись експериментально у лабораторній установці.

Аналітичні залежності ефективності розділення від технологічних параметрів процесу визначалися методом регресійного аналізу результатів числових і лабораторних досліджень.

Визначення технологічних параметрів розділення компонентів пульпи й результативності конструкційних рішень з удосконалення умов класифікації в седиментаційному гідросепараторі для кожної з трьох стадій магнітного збагачення магнетитових кварцитів РЗФ-2 ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» виконано згідно з розробленою методикою, яка складається з таких етапів.

1. Аналіз гранулометричного, фракційного та мінералогічного складу продуктів розділення та матеріалу, що подається на класифікацію.

2. Визначення граничного зерна, за яким доцільно здійснювати розділення компонентів пульпи, і швидкості його падіння.

3. Уведення даних про геометрію робочого об'єму гідросепаратора та початкові й граничні значення швидкості несучого середовища та дисперсної фази пульпи в обчислювальну модель, яку створено на основі математичної моделі турбулентного руху полідисперсного двофазного потоку й реалізовано в спеціалізованих програмних комплексах.

4. Розрахунок поля швидкості пульпи, об'єму та місцеположення зони розділення за заданим граничним зерном, показника раціонального використання об'єму гідросепаратора. Визначення продуктивності апарата та частки твердого в живленні, при яких значення показника раціонального використання об'єму гідросепаратора максимальне, здійснюється шляхом перебирання різних варіантів досліджуваних параметрів і конструкційних змін гідрокласифікатора.

5. Розрахунок основних технологічних показників: виходу продуктів розділення, вмісту в них цінного компонента, вилучення, ефективності операції за формулою Ханкока та ефективності розділення тонкодисперсних компонентів магнетитових кварцитів за заданим граничним зерном, яка обчислюється за формулою

,

де г - вихід пісків, %; в, б - частка класу, більшого, ніж граничне зерно, у пісках та живленні відповідно; b, a - частка класу, меншого, ніж граничне зерно, у пісках та живленні відповідно.

Ухвалення рішення про необхідність зміни початкових даних для розрахунку (повернення до третього етапу) або переходу до наступного етапу.

6. Уточнення отриманих за математичною моделлю значень технологічних параметрів шляхом проведення лабораторних випробувань.

Дослідження складу продуктів гідросепарації усіх трьох стадій збагачення показали, що в зливних продуктах знаходиться значна кількість розкритих зерен магнетиту та зерен багатих зростків крупністю -0,03 +0,01 мм, а в пісках - розкритих зерен кварцу й зерен бідних зростків тієї ж крупності. Установлено, що для підвищення якості продуктів знешламлювання необхідно здійснювати розділення компонентів пульпи за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с.

У третьому розділі наведено математичне описання руху двофазного потоку та результати числових експериментів з визначення технологічних параметрів розділення, що забезпечують підвищення ефективності класифікації тонкодисперсних компонентів пульпи.

Турбулентний рух суспензії запропоновано описувати системою модифікованих рівнянь Рейнольдса

,(1)

де - густина; - субстанціональна (повна) похідна деякої величини, наприклад, для швидкості

,

де u_x, u_y, u_z - складові вектора швидкості відповідно на осі системи координат x, y, z; t - час; u - вектор швидкості; - градієнт; p - тиск; м - динамічний коефіцієнт в'язкості; g - вектор об'ємних сил; Ku - член рівняння, що враховує втрати напору при русі потоку рідкої фази в областях з високою концентрацією твердих компонентів.

Для замикання системи (1) використано рівняння нерозривності

.(2)

При турбулентному русі поля усіх величин хаотично змінюються в просторі й часі. Статистично осереднені значення розраховуються через запропоновані Рейнольдсом вирази, які описують миттєві значення швидкості u та тиску р таким чином:

, ,(3)

де - локальні осереднені величини; - пульсаційні величини.

Підстановка (3) у рівняння (1), (2) та осереднення отриманої системи дають рівняння, до яких, окрім в'язких напружень, входять турбулентні напруження Рейнольдса. Після введення тензора сумарних напружень рівняння Рейнольдса для осередненої швидкості мають вигляд рівнянь Нав'є-Стокса, у яких, замість в'язких напружень, записуються сумарні. Для визначення напружень Рейнольдса, що збільшили кількість невідомих змінних, і замикання системи використано гіпотезу Бусінеска про напівемпіричний опис турбулентності. За цією гіпотезою, напруження записуються аналогічно в'язким, однак як коефіцієнт пропорційності між напруженням і швидкістю деформації замість молекулярної в'язкості береться так звана турбулентна в'язкість . Серед існуючих моделей турбулентності обрано двопараметричну (k-е) модель, за якою знаходилася через записані в тензорній формі локальні значення турбулентної кінетичної енергії k

(4)

та швидкості дисипації турбулентної енергії е

(5)

за формулою

,(6)

де , , , , - емпіричні константи.

Відмінною рисою моделі є різний опис зміни параметрів суспензії в залежності від локальної концентрації твердого. У випадку, коли локальна концентрація дисперсних компонентів C менша за деяке значення C_пор, при якому тверда фаза суспензії може бути описана як пориста перешкода руху рідкої фази, розглядається переміщення окремих твердих частинок у несучому середовищі з опором, що враховується через змінну в'язкість м рідкої фази. При вмісті твердого в елементарному об'ємі, більшому за C_пор, але меншому за певну критичну концентрацію C_кр, при якій сукупність частинок являє собою так звану твердотільну масу, рух пульпи розглядається як переміщення несучого середовища зі сталою в'язкістю крізь пористе середовище твердих частинок з коефіцієнтом втрат напору K, що, як і в'язкість, залежить від концентрації твердого. При локальній концентрації, більшій за C_кр, рух рідкої фази відсутній, оскільки опір дорівнює нескінченності.

У кожному з виділених діапазонів зміни локальної концентрації дисперсних компонентів розрахунок густини, в'язкості та коефіцієнта втрат напору запропоновано здійснювати таким чином:

,(7)

(8)

(9)

де - об'ємна середньозважена густина рідкої та твердої фаз; C_i - концентрація i-го компонента твердої фази; _чi - густина твердої частинки i-го компонента твердої фази; l - кількість компонентів твердої фази; _н - густина несучого середовища; м_н - коефіцієнт динамічної в'язкості несучого середовища; C - сумарна концентрація компонентів дисперсної фази; C_пор та C_кр прийнято такими, що дорівнюють 0,1 та 0,7 відповідно.

Концентрація в кожному елементарному об'ємі визначалась шляхом підсумовування кількості твердих частинок кожного компоненту (фракції). Рух частинки залежить від найбільш істотних складових сил, сума яких дорівнює нулю:

F_G + F_A+F_I + F_S+ F_D = 0,(10)

де - сила тяжіння твердої частинки; - виштовхувальна сила Архімеда; - сила інерції твердої частинки;  - сила приєднаних мас, що виникає внаслідок інерційних ефектів; - сила опору тертя, що виникає через в'язкість несучого середовища, де d_ч - еквівалентний діаметр сфери, рівновеликої за об'ємом до твердої частинки; U_ч - вектор швидкості твердої частинки з урахуванням швидкості дифузійного перенесення.

Сила гідродинамічного опору F_D виражає складну взаємодію твердої та рідкої фаз і врахована в моделі через емпіричний коефіцієнт опору . Коефіцієнт опору С_м відповідає обтіканню одиночної частинки безмежним потоком. Для розрахунку застосовувалася залежність , яка є вдалим наближенням у діапазоні чисел Рейнольдса від 0 до 10⁵. Коефіцієнт враховує зміну опору при стисненому русі частинок. Для його розрахунку в моделі використано емпіричне співвідношення , яке дає вдале наближення при стоксовій схемі течії навколо хаотично розташованих частинок.

Дифузійне перенесення частинок моделювалося параметром U_д, який має розмірність швидкості й обчислюється за допомогою статистичного методу Монте-Карло. Отримані значення стохастичних складових дифузійного потоку U_д додавалися до відповідної складової вектора детермінованої швидкості частинки U_ч. Значення та знак складових U_д у кожному координатному напрямку визначалися за формулою

,(11)

де D^m - коефіцієнт дифузії, який визначає дифузійний потік за наявності тільки градієнта концентрації ; /Sc - коефіцієнт турбулентної дифузії; Sc - турбулентне число Шмідта; a - випадкове число від 0 до 1; n - випадкове ціле число; дt - крок часу в розрахунковій схемі; erf^--1(a) - обернена функція помилки.

Після підстановки в (10) відповідних виразів для всіх сил рівняння руху твердої частинки в рухомому потоці зі змінними властивостями набуває вигляду

.(12)

Розраховані за (12) значення , , з поправками U_д дозволяють визначити траєкторії руху частинок, тобто розподіл дисперсних компонентів в об'ємі апарата.

Граничні умови задачі руху суцільного середовища ставилися таким чином: на твердих поверхнях - умови налипання (нормальна й дотична складові швидкості дорівнюють нулю, турбулентна енергія та швидкість її дисипації дорівнюють нулю); на вільній поверхні - тиск дорівнює атмосферному, нормальна складова швидкості дорівнює нулю; на вхідній ділянці задавалися відповідні значення складових вектора швидкості рідини. У задачі руху дисперсних частинок граничні умови на твердих перешкодах забезпечують їх відштовхування з поступовою втратою кінетичної енергії, на вільній поверхні, як і в початковий момент часу, значення складових вектора швидкості дорівнюють відповідним значенням складових вектора швидкості несучого середовища.

Отже, на відміну від існуючих, розроблена в рамках феноменологічного методу математична модель руху двофазного потоку (1)-(12) дозволяє розраховувати розподіл дисперсних частинок в об'ємі гідросепаратора з урахуванням турбулентності течії несучого середовища, стохастичного масоперенесення й неоднорідності концентрації твердої фази, що забезпечує отримання науково обґрунтованих технологічних параметрів класифікації тонкодисперсних компонентів суспензії за заданим граничним зерном.

Через відсутність загального розв'язку отриманих модифікованих рівнянь Рейнольдса й рівняння нерозривності для знаходження частинних рішень поставленої задачі з початковими та граничними умовами обрано сіткові методи прямого числового інтегрування. Унаслідок турбулентності потоку, великих градієнтів швидкості та наявності дисперсних частинок значення кроків дискретизації простору й часу є досить малими, тому утворюється дуже густа розрахункова сітка, і система алгебраїчних рівнянь для значного об'єму області інтегрування має великий порядок. Ітераційна процедура розрахунку розподілу твердої фази в об'ємі гідросепаратора потребує значних обсягів машинної пам'яті та часу обчислень, тому, через обмежені ресурси використовуваного для реалізації розробленої математичної моделі персонального комп'ютера, числові експерименти здійснювалися у два етапи.

На першому етапі в середовищі спеціалізованих програмних комплексів розраховувалось поле швидкості турбулентного руху пульпи в гідросепараторі. Пульпа представлялася псевдогомогенним несучим середовищем з густиною 1,2 г/см³ та в'язкістю 0,016 г/(смс), що відповідає об'ємній частці твердого 15...17 %. Рівняння тривимірної математичної моделі записувалися та розв'язувались у циліндричних координатах, що забезпечувало економію пам'яті комп'ютера та часу розрахунків. Застосування на цьому етапі методу скінченних елементів зумовлене наявністю розробленої для нього процедури побудови розрахункової сітки, яка адаптивна до похибок і згущується залежно від градієнта швидкості. Результати розрахунків першого етапу використовувались як початкові дані для другого етапу, на якому розраховувалося поле швидкості рідкої фази та розподіл твердих компонентів у каналах, утворених установленими в гідросепаратор пластинами. Для обчислень обрано метод контрольного об'єму, який забезпечує точне інтегральне збереження маси, кількості руху та енергії, що забезпечує можливість урахування зміни густини та в'язкості суспензії.

Аналіз поля швидкості пульпи в радіальному гідросепараторі показав, що робочий об'єм апарата V_а являє собою сукупність таких областей:

- зон циркуляції об'ємом V_ц, з яких унеможливлюється потрапляння дисперсних частинок у зливний продукт унаслідок циркулюючого потоку пульпи;

- застійних зон об'ємом V_з, у яких унаслідок відносно малих значень складових вектора швидкості пульпу можна вважати нерухомою;

- області об'ємом V_гз, у якій швидкість потоку пульпи поступово зменшується до значення швидкості падіння заданого граничного зерна;

- зон розділення об'ємом V_р, у яких значення вертикальної складової вектора швидкості пульпи дорівнює швидкості падіння заданого граничного зерна та з яких забезпечується відведення легких фракцій у зливний продукт.

Запропоновано показник L раціонального використання об'єму гідросепаратора, який, на відміну від існуючих, обчислюється за даними про поле швидкості та відображає частку об'єму, що забезпечує створення зон розділення за заданим граничним зерном:

.

Установлено, що ефективність розділення тонкодисперсних компонентів пульпи зумовлена наявністю зон розділення за заданим граничним зерном, їх розміром, місцеположенням в об'ємі апарата та часткою вузького гідравлічного класу, яка до них потрапляє.

За результатами числових експериментів з визначення впливу продуктивності гідросепаратора на місцеположення та розмір зон розділення за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с й на показник раціонально використовуваного об'єму апарата встановлено:

- при існуючій продуктивності зона розділення вузького гідравлічного класу магнетитових кварцитів крупністю -0,03 +0,01 мм (на рис. 1 показана ліворуч) займає лише 2,3 % робочого об'єму (показник L = 48 %), а її місцеположення свідчить про те, що значна кількість розкритих зерен магнетиту та зерен багатих зростків зазначеної крупності не потрапляє до неї й виноситься потоком несучого середовища в зливний продукт, тобто гідрокласифікація здійснюється з недостатньо високою ефективністю;

- при вдвічі зменшеній продуктивності об'єм зони розділення та корисно використовуваний об'єм апарата збільшуються відповідно у 2,1 та 1,3 разу, але в зону розділення потрапляють не всі частинки крупністю -0,03 +0,01 мм.

Сповзання матеріалу по пластині проти потоку пульпи забезпечується кутом нахилу пластин 60 до горизонталі.

Визначення довжини каналу, необхідної для розділення дисперсних компонентів, за швидкістю пульпи у його вхідному перерізі та крупністю граничного зерна здійснюється за результатами числових експериментів (рис. 3). Установлено, що при визначеній за моделлю швидкості пульпи на вході у канал довжина пластин для розділення компонентів магнетитових кварцитів за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с має складати 1200 мм.

За результатами числових експериментів другого етапу розрахунку, на якому досліджувався рух полідисперсної суспензії в утвореному пластинами каналі при протитечійній схемі руху пульпи й осаду, установлено:

- на початковій ділянці каналу циркуляція, утворена внаслідок різкої зміни напрямку руху суспензії, поступово зменшується, і профілі швидкості набувають форми парабол;

- швидкість руху пульпи та розподіл твердої фази в каналі взаємозалежні й постійно змінюються як у просторі, так і в часі, причому максимум швидкості спочатку зміщується до верхньої пластини внаслідок великого опору руху поблизу нижньої пластини, де концентрація частинок значно вища, а потім зміщується до вісі каналу.

У результаті статистичної обробки даних серії числових експериментів з розділення полідисперсної пульпи магнетитових кварцитів за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с отримано регресійну залежність ефективності класифікації від продуктивності оснащеного пластинами гідросепаратора

E = -0,003Q² + 1,326Q - 73,06,

максимальне значення якої досягається при Q = 210±15 м³/год (рис. 6, а).

Рис. 6. Залежність ефективності розділення тонкодисперсних магнетитових кварцитів від продуктивності (а) та частки твердого (б)

За отриманою залежністю ефективності розділення від вмісту твердого в живленні гідросепаратора

Е = -0,794С² + 25,545С - 124,88

установлено, що при оптимальній продуктивності найбільша ефективність досягається при С = 16±1 % (рис. 6, б).

Зміна частки твердого має значно менший вплив на ефективність розділення, ніж зміна швидкості руху потоку пульпи на вході в канал. У межах діапазону концентрації твердого від 15 до 17 % процес розділення при обчисленій швидкості потоку можна вважати автомодельним відносно частки дисперсних компонентів.

У четвертому розділі викладено результати лабораторних експериментів з визначення показників розділення компонентів розмагніченої пульпи при обґрунтованих за моделлю технологічних параметрах гідросепаратора та його конструкційних удосконаленнях.

Лабораторні експерименти проводилися на установці, схему якої подано на рис. 7. Аналіз отриманих результатів підтвердив можливість підвищення ефективності розділення компонентів пульпи за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с на 17…20 % при продуктивності гідросепаратора 195...225 м³/год (швидкість пульпи на вході в канал ? 2,75…3,25 мм/с) й частці твердого 15…17 % (рис. 8). Максимальне відносне відхилення значень показників розділення, обчислених за математичною моделлю, від значень показників, одержаних у лабораторних експериментах, не перевищує 10 %, що підтверджує адекватність розробленої математичної моделі руху двофазного потоку та методу визначення на її основі раціональних режимних параметрів розділення пульпи відомого гранулометричного й фракційного складу.

Аналіз результатів дослідів процесу розділення тонкодисперсних компонентів пульпи в кожній з трьох стадій збагачення показав, що основним чинником, який впливає на усі технологічні показники процесу, є швидкість потоку.

Отримані науково обґрунтовані технологічні параметри розділення дозволяють збільшити ефективність гідрокласифікації першої стадії на 14,5 %, другої стадії - на 11 %, третьої стадії - на 18 %, причому вміст заліза в пісковому продукті за стадіями збагачення змінюється таким чином: перша - знижується на 2,9 % унаслідок потрапляння в піски значної кількості зерен кварцу та бідних зростків, друга та третя стадія - збільшується на 0,2 і 0,8 % відповідно. За результатами розрахунків очікуваного економічного ефекту встановлено доцільність обладнання знешламлювачів блоками нахилених пластин лише на третій стадії збагачення перед фільтрацією концентрату.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій вирішено актуальне науково-практичне завдання, яке сприяє розвитку наукових основ гравітаційного збагачення у потоках розділового середовища й полягає в обґрунтуванні на підставі математичної моделі руху двофазного потоку параметрів гідросепарації в седиментаційному апараті, які забезпечують підвищення ефективності розділення тонкодисперсних компонентів суспензії та якості кінцевих продуктів збагачення.

Найбільш важливими науковими й практичними результатами роботи є такі.

1. Аналіз сучасного стану теорії та практики гідрокласифікації показав, що основною причиною недостатньо високої ефективності розділення тонкодисперсних магнетитових кварцитів у радіальному гідросепараторі є невідповідність технологічних параметрів, визначення яких здійснюється без належного урахування поля швидкості пульпи в апараті, гідродинамічним умовам, необхідним для сепарації за заданим граничним зерном.

2. На підставі аналізу мінералогічного, гранулометричного та фракційного складу живлення гідросепараторів типу МЗ на РЗФ-2 ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» визначено доцільність розділення дисперсних компонентів за граничним зерном зі швидкістю падіння 0,25 мм/с.

3. За результатами численного моделювання руху полідисперсної суспензії в гідросепараторі МЗ-5, проведеними за розробленою математичною моделлю, яка, на відміну від існуючих, дозволяє розраховувати розподіл дисперсних частинок в об'ємі апарата з урахуванням стохастичного масоперенесення, нестаціонарності поля швидкості та його залежності від змінної концентрації твердої фази, установлено:

- робочий простір гідросепаратора являє собою сукупність таких областей: зон з циркуляцією потоків; застійних зон; об'єму, що забезпечує створення зон розділення за заданим граничним зерном, якими запропоновано вважати області, де значення вертикальної складової швидкості потоку несучого середовища дорівнюють кінцевій швидкості падіння заданого граничного зерна і з якої забезпечується відведення у зливний продукт фракцій, що спливають;

- існуючі параметри роботи гідросепаратора створюють зону розділення відносно невеликого об'єму біля зливного порога, але не забезпечують отримання високої ефективності класифікації, оскільки значна кількість розкритих зерен магнетиту та зерен багатих зростків крупністю -0,03 +0,01 мм виноситься у зливний продукт потоком, що проходить вище відповідної зони розділення;

- запропонований показник раціонального використання об'єму гідросепаратора, який, на відміну від існуючих, відображає частку робочого об'єму, що забезпечує створення зони розділення за заданим граничним зерном, і обчислюється за даними про поле швидкості суспензії, дозволяє кількісно оцінити поєднання технологічних та конструкційних рішень, що варіюються, для створення необхідних гідродинамічних умов розділення;

- зміна поля швидкості пульпи шляхом перерозподілу потоку нахиленими пластинами забезпечує спрямування усього класу крупності -0,03 +0,01 мм, який містить задане граничне зерно, до відповідної йому зони розділення, та збільшення показника раціонального використання об'єму апарата на 48,9 %;

- отримані функціональні залежності ефективності класифікації пульпи заданого складу від вмісту твердого та швидкості суспензії на вході в канал дозволяють визначити продуктивність гідросепаратора 195...225 м³/год і концентрацію дисперсної фази у вихідному продукті 15…17 %, при яких ефективність розділення підвищується на 17…20 %.

4. Аналіз показників гідросепарації тонкодисперсних компонентів магнетитових кварцитів у лабораторній установці при обґрунтованих за математичною моделлю параметрах і результатів знешламлювання другої та третьої стадій збагачення РЗФ-2 показав можливість підвищення ефективності класифікації на 11 і 18 % та вмісту заліза в пісках на 0,2 і 0,8 % відповідно. Максимальне відносне відхилення результатів числових та лабораторних експериментів не перевищує 10 %, що свідчить про адекватність розробленої математичної моделі руху двофазного потоку.

5. Розроблена методика визначення технологічних параметрів класифікації тонкодисперсних компонентів залізорудної пульпи в радіальному гідросепараторі дозволяє отримати найбільшу ефективність розділення й може бути застосована для наукового обґрунтування проектних рішень з сепарації та згущення полідисперсних суспензій у різноманітних седиментаційних апаратах на підприємствах різних галузей промисловості.

6. Результати досліджень прийнято до використання ДП «Державний інститут по проектуванню підприємств гірничорудної промисловості «Кривбаспроект» та Криворізьким технічним університетом. Розрахунковий річний економічний ефект від упровадження рекомендацій з підвищення ефективності розділення тонкодисперсних магнетитових кварцитів на РЗФ-2 ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» становить 218,9 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Саитгареев Л. Н. Математическая модель движения пульпы в разделительных обогатительных аппаратах / Л. Н. Саитгареев // Вісник Криворізького технічного університету: зб. наук. праць. - Вип. 15. - Кривий Ріг: КТУ, 2006. - С. 63-67.

2. Саитгареев Л. Н. Численное моделирование движения суспензии при гидроклассификации / Л. Н. Саитгареев // Вісник Криворізького технічного університету: зб. наук. праць. - Вип. 17. - Кривий Ріг: КТУ, 2007. - С. 84-89.

3. Саитгареев Л. Н. Численное моделирование кинетики гидроклассификации дисперсных частиц в разделительном элементе полочного сепаратора / Л. Н. Саитгареев // Разработка рудных месторождений: сб. научн. тр. - Вып. 91. - Кривой Рог: КТУ, 2007. - С. 124-126.

4. Губін Г. В. Обґрунтування параметрів класифікації з урахуванням нестаціонарних і стохастичних характеристик потоку пульпи / Г. В. Губін, В. В. Ткач, Л. Н. Саітгареєв // Вісник Криворізького технічного університету: зб. наук. праць. - Вип. 21. - Кривий Ріг: КТУ, 2008. - С. 92-96.

5. Саитгареев Л. Н. Повышение эффективности гидроклассификации магнетитовых кварцитов / Л. Н. Саитгареев, В. В. Ткач, Г. Г. Губин, И. А. Гамалинский // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008. - № 7. - С. 86-89.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає: [4] - у розробці математичної моделі руху двофазного потоку, виконанні числових експериментів, обробці та аналізі результатів досліджень; [5] - у виконанні експериментальних досліджень, обробці та аналізі результатів.

Размещено на Allbest.ru

...