Повышение селективности обогащения магнетитовых кварцитов на основе применения высокоградиентного сепаратора с низкоинтенсивным переменным магнитным полем

(4.15),

где: - напряжение турбулентного трения, с/;

- плотность пульпы, /с;

- расстояние от стенки шара по нормали к поверхности, м;

Аналогичным образом, но в обратной пропорциональности меняется извлекающая магнитная сила. Таким образом, центр канала практически всегда проходим для пульпы, что объясняет протекание пульпы через шаровую матрицу при напряженностях магнитного поля выше уровня флокуляции. Скорость протекания жидкости необходимо поддерживать не выше 5 см/с, т.к. при больших скоростях наблюдается распад струи жидкости в межшаровом канале на вихревые потоки, что отрицательно сказывается на результатах сепарации.

4.3 Определение режимных параметров сепарации

4.3.1 Определение оптимальной напряженности магнитного поля в рабочем зазоре

Как было показано в главе 3, основной извлекающей силой в проектируемом сепараторе является градиентная магнитная сила. При извлечении сильномагнитных минералов магнитное поле может развивать ускорение 50g и более, что очень важно для сильно измельченных частиц, у которых диссипативные силы очень велики. В зоне осаждения напряженность магнитного поля и его градиент должны достигать значений, необходимых для обеспечения перевеса магнитной силы над диссипативными силами.

Напряженность магнитного поля должна обеспечивать требуемый градиент магнитного поля, но она не должна превышать порога сплошной флокуляции пульпы, чтобы не лишать подвижности её составляющие.

Известно, что флокуляция суспензии приобретает лавинообразный характер при напряженности выше 20кА/м [29]. Следовательно, в зонах транспортировки и в поровых каналах полиградиентной матрицы напряженность магнитного поля не должна превышать 20кА/м.

В полиградиентной среде линии магнитного поля концентрируются в местах контакта шаров и напряженность поля и его градиент в этих областях выше, а в точках равноудаленных от центров шаров практически равна нулю. Изменение напряженности внешнего магнитного поля приводит к перераспределению областей транспортировки и областей захвата материала: чем больше напряженность внешнего поля, тем шире зона захвата и уже каналы транспортировки. Условия для эффективной сепарации (Н<20 кА/м и HgradH>) сохраняются в центрах межшаровых каналов матрицы и при напряженностях внешнего магнитного поля, значительно превышающих порог сплошной магнитной флокуляции.

Для того чтобы определить градиент магнитного поля в системе шаров, рассмотрим элементарную ячейку, образованную 3-мя контактирующими шарами. Как было показано В.В. Кармазиным [44], напряженность поля в точке контакта постоянна и не превышает напряженность насыщения Н_н=160 кА/м. В этой зоне градиент напряженности и, следовательно, магнитная сила равны нулю. Из-за малого размера этой зоны она практически не сказывается отрицательно на результатах сепарации. В остальной части межшарового пространства действует магнитная сила:

, (4.16)

где: r - расстояние от границы точки насыщения до интересующей нас точки, м;

V - объём частицы, м³;

м_{0 -} магнитная постоянная, м₀ = 4р 10^-7 Гн/м;

k = (2,5 - 3) и n=(1,1-1,6) коэффициенты, учитывающие влияние соседних шаров.

R_ш - радиус шара, м; R_ш = 0,008 м;

V - скорость фильтрации, м/с; V = 0,02 м/с;

В_sмет - магнитная индукция, Тл; B_sмет = м₀(1+?)H= м₀мH= м_абсH.

? - объемная магнитная восприимчивость магнетита, б/р;

м_абс - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; м_абс = B/H.

R_впис = R_ш/(2*3^1/3) = 0,289 R_ш = 0,289*0,008 = 2,3*10^-3 м.

Средний объем частицы V = 4р (22*10^-6)³/3 = 4,46*10^-14м³

Для эффективного протекания процесса сепарации необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

(4.17)

На рисунках 4.7 и 4.8 представленные эпюры и , полученные расчетным путем в зависимости от соотношения , позволяющего определить положение частицы в межшаровом канале (х- расстояние от частицы до стенки шара). Видно, что в центре канала гидромеханические силы всегда превалируют над магнитной извлекающей силой.

Рисунок 4.7 - Эпюра в межшаровом канале.

Рисунок 4.8 - Эпюра магнитной силы в межшаровом канале

Из приведенных расчетных зависимостей видно, что в зоне сепарации, находящейся в пределах от 0 до 0,5 напряженность поля 15 кА/м позволяет достичь необходимого соотношения магнитной и гидромеханической сил.

4.3.2 Определение оптимального содержания твердого в питании

Содержание твердого в питании сепаратора определяет вязкость пульпы и, соответственно, скорость прохождения пульпы через осадительную матрицу сепаратора.

Гидромеханические силы, оказывающие сопротивление движению пульпы, при крупности частиц <50 мкм, подчиняются закону Стокса:

,

где: - вязкость пульпы, Па с, (Н с/м²);

d - диаметр частицы, м;

- линейная скорость пульпы, м/с.

В реальных условиях скорость движения жидкости достаточно высокая (0,02-0,20 м/с), что приводит к развитию вихревых ускорений из-за сложной конфигурации поверхности, поэтому для расчета скорости можно применить формулу Краснопольского для турбулентной фильтрации:

(4.18)

где: - коэффициент Краснопольского,

- напор жидкости, Па (Н/м²).

Выразив из предыдущих двух формул, получим:

= (4.19)

Опытным путем установлено, что с повышением относительной скорости движения пульпы через слой шаров извлечение магнитной фракции ухудшается. График зависимости извлечения магнитной фракции от скорости движения пульпы через слой шаров показан на рисунке 4.9.

Оптимальной является скорость пульпы менее 4см/с.

Рисунок 4.9 - Влияние относительной скорости движения пульпы через слой шаров на извлечение магнитной фракции.

Для успешного протекания процесса сепарации необходимо, чтобы извлекающая сила превалировала над силой сопротивления, следовательно, мы можем оценить величину исходя из того, что для успешного протекания процесса должно выполняться неравенство:

(4.20)

,

Мы можем вычислить предельную вязкость пульпы, принимая скорость течения равной 2 см/с:

(Па*с)

Содержание твердого в питании вычислим используя формулу Эйнштейна

м = м_ж (1+2,5 Ф), (4.21)

где м_ж - вязкость жидкости (воды);

Ф - объемное содержание твердого, д.е.

Подставив полученное значение м в выражение (4.25) получим:

Ф = 0,2/2,5 = 0,08

Приняв плотность магнетита д = 5000 кг/м³, получим содержание твердого Т=0,287.

Следовательно, содержание твердого в питании не должно превышать 28,7%.

Уменьшение содержания твердого улучшает результаты сепарации, но пропорционально снижает производительность.

4.3.3 Расчет шаровой загрузки сепаратора

Экспериментальный сепаратор имеет карусельную конструкцию. Магнитная система состоит из двух п-образных катушек, полюса которых расположены встречно. В зазоре между катушками вращается кольцевой ротор, заполненный металлическими шарами. Зная удельную производительность шаровой матрицы, нетрудно рассчитать производительность сепаратора. Требуемая производительность не менее 10 кг/час. Выход концентрата в процессе ВГСНПМП в оптимальном режиме равняется 30%. Следовательно, матрица сепаратора должна обеспечивать перенос не менее 3 кг концентрата. Удельная производительность шаровой матрицы равна 1,2% от массы шаровой загрузки за один рабочий цикл. Предположим, что ротор сепаратора делает 2 оборота в минуту. Тогда масса шаровой загрузки будет равна:

(4.22),

где: - масса шаров;

- масса концентрата;

- удельная производительность шаровой матрицы;

- количество оборотов барабана в час.

Подставив значения переменных в формулу, получим: 3/(0,012х60х2)=2,08 кг.

4.4 Конструкция экспериментального сепаратора ВГСНПМП

Для обеспечения непрерывности процесса сепарации в основу сепаратора ВГСНПМП положена конструкция карусельного типа. Эскиз экспериментального сепаратора ВГСНПМП непрерывного действия показан на рис 4.10.

На основании результатов выше приведенных исследований в экспериментальном сепараторе карусельного типа в качестве полиградиентной среды применены шары из стали ШХ15 диаметром 8мм.

Рис.4.10. Экспериментальный сепаратор ВГСНПМП. 1 - привод барабана; 2, 5- смывная вода; 3 - шаровая матрица; 4 - сборник концентрата; 6 - загрузочное устройство; 7 - электромагниты; 8 - сборник промпродукта.

Магнитное поле создаётся встречно расположенными электромагнитами, питающимися через автотрансформатор от сети 220В 50Гц.

Вертикально расположенный барабан сепаратора имеет двойные стенки, между которыми располагаются металлические шары. Внутри барабана неподвижно закреплен один из электромагнитов. В движение барабан приводится электродвигателем, снабженным редуктором, частота оборотов регулируется в пределах от 1 до 5 об/мин. Магнитная система питается переменным током 50Гц с напряжением от 20 до 220В через автотрансформатор.

Производительность сепаратора по твердому до 12 кг/час. Кроме шаров в качестве полиградиентной среды могут быть использованы стальная вата, металлические стержни и др.

Внешний вид экспериментального сепаратора представлен на рис. 4.11.

Процесс разделения в экспериментальном сепараторе протекает следующим образом:

- в рабочий зазор сепаратора с находящейся в нем под переменным напряжением высокоградиентной матрицей подаётся питание (до 20% твердого). Количество подаваемого материала определяется удельной ёмкостью матрицы по твердому. Режим течения смешанный.

- после заполнения находящейся под переменным напряжением матрицы подаётся вода для промывки накопившегося слоя магнетита. Режим течения турбулентный.

- затем отключается напряжение от электромагнитов и подается в турбулентном режиме смывная вода для снятия концентрата.

- после завершения процесса разделения производится отмывка полиградиентной среды от капиллярно-стыковой воды и захваченных ею частиц, которая производится большим количеством высоконапорной воды. Эффективную отмывку шаровой полиградиентной среды возможно произвести только при разрушении ее структуры в водной среде.

Рис. 4.11. Экспериментальный сепаратор ВГСНПМП. Обозначения: 1- устройство для подачи питания, 2,3- устройство для подачи воды, 4 -привод барабана, 5 - магнитная система, 6 - вращающийся барабан со стальными шарам, 7 - приёмник промпродукта, 8 - приёмник концентрата.



4.5 Испытания экспериментального образца сепаратора ВГСНПМП

4.5.1 Результаты обогащения концентрата МГОКа на сепараторе ВГСНПМП

Результаты испытаний экспериментального сепаратора ВГСНПМП на концентрате ОК-2 МГОКа приведены в табл.4.4.

Таблица 4.4 - Результаты сепарации концентрата ОК-2.

Напряженность	Концентрат	Хвосты
кА/м	?, %	вк, %	е, %	?, %	вх, %	е, %
3	3,24	71,12	3,54	96,76	64,97	96,46
6	4,80	70,63	5,20	95,20	64,89	94,80
9	14,12	69,76	15,11	85,88	64,42	84,89
12	23,25	69,55	24,81	76,75	63,84	75,19
15	33,92	68,94	35,88	66,08	63,23	64,12
20	53,36	68,21	55,85	46,64	61,69	44,15
25	65,68	66,85	67,37	34,32	61,95	32,63
30	77,70	66,78	79,62	22,30	59,56	20,38
35	95,75	65,51	96,25	4,25	57,51	3,75
40	98,58	65,29	98,76	1,42	56,84	1,24

Зависимости показателей обогащения концентрата Михайловского ГОКа от напряженности переменного магнитного поля показаны на рис. 4.12.Из диаграммы следует, что оптимальные результаты сепарации (?=33,92 и в_к=68,94) получены при напряженности переменного магнитного поля 15 кА/м.

Рисунок 4.12-Результаты высокоградиентной сепарации концентрата Михайловского ГОКа на экспериментальном сепараторе ВГСНПМП. ?_к= выход концентрата, %; в = содержание Fe_общ в концентрате, %; и = содержание Fe_общ в хвостах.

Полученные результаты подтверждают теоретические выводы о возможности повышения селективности обогащения магнетитовых кварцитов МГОКА на основе применения сепаратора ВГСНПМП.

Для использования процесса ВГСНПМП в условиях МГОКА предлагается конструкция промышленного сепаратора барабанного типа производительностью 10 т/ч (рисунок 4.13).

Сепаратор имеет горизонтально расположенный барабан, выполненный из немагнитной нержавеющей стали 9Х18НТ. Электромагнитная система расположена внутри барабана и выполнена из трансформаторной стали.

Рисунок 4.13. Барабанный сепаратор ВГСНПМП. 1- барабан сепаратора, 2 - слой шариков; 3- катушки возбуждения; 4 - магнитная система; 5 -реборды; 6-электромагнитный съёмник; 7 - шпальтовый грохот.

Краткая техническая характеристика сепаратора:

1. Тип противоточный. Назначение - сепарация сильномагнитных материалов крупностью 1,0 - 0мм.

2. Размеры барабана 1350х600мм.

3. Магнитная система осевая, электромагнитная, питающаяся переменным током. Потребление магнитной системы от сети 220В составляет 3,8А.

4. Размеры регенерационного шпальтового грохота 1000х1400мм, ширина щели 3мм.

5. Число оборотов барабана - 3-5об/мин.

6. Шаровая загрузка 400 кг шаров d=8мм.

7. Мощность привода 4,5кВт

8. Производительность по твердому 10 т/ч.

9. Габариты: 2200х1700х2100мм.

Пульпа подаётся в верхнюю часть сепаратора. Обедненный промпродукт поступает в ванну сепаратора, откуда разгружается в аккумулирующую емкость. Шары с накопленным концентратом попадают из верхней части сепаратора в зону действия съёмника, который сбрасывает их на шпальтовый грохот, выполняющий функцию отделения концентрата и регенерации шаров. Концентрат собирается в ванну под грохотом. Очищенные шары возвращаются к барабану для повторения цикла.

4.5.2 Определение сепарационных характеристик и ожидаемых показателей обогащения сепаратора ВГСНПМП

Представленная в главе 3 модель технологического процесса ВГСНПМП разработана для определения оптимальных значений параметров обогащения.

Для моделирования сепарационных характеристик сепаратора ВГСНПМП на основе формулы (3.77), были получены эмпирические зависимости содержания железа в точке разделения в_р и коэффициента k от напряженности магнитного поля Н в рабочей зоне (рисунки4.14 и 4.15).

Рисунок 4.14 - Зависимость содержания общего железа в_р в точке разделения от напряженности магнитного поля Н. в_р = 100exp(-0,28-0,048 lnH), %;

Рисунок 4.15 - Зависимость коэффициента k от напряженности магнитного поля Н. k = (0,029H+0,054)^0,5, ед.,

Расчетные сепарационные характеристики и параметры концентратов для фиксированных значений Н приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Расчет сепарационных характеристик сепаратора ВГСНПМП

	гисх(ч)	вp=71,7%	гкон	вкон	вp = 70,2%	гкон	вкон	вp=69,1%	гкон	вкон
висх		k =0,375			k = 0,477			k=0,561
%	%	H=3 кА/м, вк=71,7%	%	%	H=6 кА/м, вк=70,9%	%	%	H=9 кА/м, вк=70,1%	%	%
60,5	19,5	6,970E-183	1,359E-181	8,223E-180	8,676E-093	1,691E-091	1,023E-089	5,152E-054	1,004E-052	6,079E-051
61,5	5,9	4,698E-151	2,771E-150	1,704E-148	3,850E-075	2,271E-074	1,397E-072	1,035E-042	6,109E-042	3,757E-040
62,5	5,1	2,660E-122	1,356E-121	8,480E-120	2,155E-059	1,095E-058	6,869E-057	8,845E-033	4,511E-032	2,819E-030
63,5	6,8	1,269E-096	8,629E-096	5,479E-094	1,526E-045	1,038E-044	6,593E-043	3,229E-024	2,196E-023	1,394E-021
64,5	7,9	5,116E-074	4,041E-073	2,606E-071	1,376E-033	1,087E-032	7,012E-031	5,079E-017	4,012E-016	2,588E-014
65,5	9	1,752E-054	1,576E-053	1,032E-051	1,590E-023	1,431E-022	9,378E-021	3,487E-011	3,139E-010	2,056E-008
66,5	10,4	5,137E-038	5,343E-037	3,553E-035	2,390E-015	2,485E-014	1,652E-012	1,071E-006	1,114E-005	0,0007
67,5	11,1	1,307E-024	1,450E-023	9,793E-022	4,781E-009	5,307E-008	3,582E-006	0,001	0,017	1,161
68,5	10,1	2,956E-014	2,986E-013	2,045E-011	0,0001	0,001	0,092	0,119	1,210	82,888
69,5	7,8	6,271E-007	4,891E-006	0,0003	0,060	0,472	32,851	0,727	5,675	394,471
70,5	3,9	0,014	0,056	3,984	0,706	2,757	194,377	0,991	3,866	272,618
71,5	1,7	0,684	1,163	83,1595485647	0,995	1,692	121,044	0,999	1,699	121,548
72	0,8	0,964	0,771	55,5795884939	0,995	0,799	57,593	0,999	0,799	57,599
65,21	100	2,188	1,99	71,665	6,225	5,723	70,922	14,265	13,27	70,104
вp=67,0%	гкон	вкон	вp=63,4%	гкон	вкон	вp = 61,6%	гкон	вкон	вp = 59,8%	гкон	вкон
k=0,699			k=0,882			k=0,961			k=1,034		.
H=15 кА/м, вк=68,8%	%	%	H=25 кА/м, вк=67,2%	%	%	H=30 кА/м, вк=66,4%	%	%	H=35 кА/м, вк=65,5%	%	%
7,346E-021	1,432E-019	8,666E-018	0,0005	0,009	0,600	0,126	2,461	148,932	0,751	14,640	885,764
1,842E-015	1,087E-014	6,687E-013	0,015	0,092	5,686	0,458	2,705	166,392	0,949	5,604	344,683
6,167E-011	3,145E-010	1,966E-008	0,153	0,785	49,066	0,825	4,209	263,107	0,995	5,077	317,312
2,791E-007	1,898E-006	0,0001	0,545	3,706	235,375	0,975	6,636	421,417	0,9998	6,798	431,725
0,0001	0,001	0,089	0,893	7,060	455,371	0,998	7,889	508,899	0,9999	7,899	509,548
0,015	0,143	9,416	0,991	8,921	584,387	0,999	8,999	589,485	0,9999	8,999	589,499
0,237	2,467	164,116	0,999	10,397	691,446	0,999	10,399	691,599	1	10,3999	691,599
0,762	8,465	571,453	0,999	11,099	749,248	0,999	11,099	749,249	1	11,1	749,25
0,984	9,938	680,798	0,999	10,099	691,849	1	10,1	691,849	1	10,1	691,85
0,999	7,798	542,005	1	7,8	542,099	1	7,8	542,1	1	7,8	542,1
0,999	3,899	274,949	1	3,9	274,95	1	3,9	274,95	1	3,9	274,95
0,999	1,699	121,549	1	1,7	121,55	1	1,7	121,55	1	1,7	121,55
1	0,8	57,6	1	0,8	57,6	1	0,8	57,6	1	0,8	57,6
37,140	35,21	68,77	68,38	66,37	67,18	80,16	78,70	66,41	95,19	94,82	65,46

Графики зависимостей расчетных сепарационных характеристик показаны на рисунке 4.16.

Рисунок 4.16 - Сепарационные характеристики сепаратора ВГСНПМП при различных значениях напряженности Н

На рисунке видно как меняется характер кривых от близких к идеальному (Н < 12 кА/м) до слабо выраженных (Н > 20), что объясняется появлением флокуляции.

Для получения суперконцентратов с содержанием в = 69 - 70 % железа - оптимальный диапазон Н=10 - 15 кА/м.

Для определения доверительного интервала качества концентрата при обогащении на сепараторе ВГСНПМП были проделаны параллельные опыты при напряженности Н = 10 кА/м. Результаты приведены в таблице 4.6.

Доверительный интервал определяется по формуле [7]

X_ср ± ts_x/N^0,5,

где t-критерий Стьюдента,

s_x - средняя квадратическая погрешность среднего арифметического, %;

N - число данных.

Таблица 4.6 - Результаты опытов и расчетов для определения доверительного интервала выхода и качества концентрата

№ опыта	Содержание железа в к-те вi, %	(вср -- вi)2, Sв %%	Выход концентрата ?, %	(?ср -- ?i)2, S? %%
1	69,05	0,0025	34,8	0,0676
2	69,15	0,0225	34,4	0,4356
3	68,78	0,0484	35,8	0,5476
4	68,91	0,0081	35,3	0,0576
5	69,11	0,0121	35	0,0036
Ср.	69	0,0234	35,06	0,278
у		0,153		0,527
Д		0,189		0,654

Задавшись доверительной вероятностью 95% и числом степеней свободы f = N - 1 =4, определяем t = 2,776 и находим доверительный интервал для выхода концентрата:

?±Д = 35,1 ± 2,776*0,527/5^0,5 = 35,1 ± 0,654%

и содержания железа в концентрате:

в±Д = 69,0 ± 2,776*0,153/5^0,5 = 69,0 ± 0,19%

4.5.3 Проверка адекватности математической модели процесса ВГСНПМП

Установление адекватности математической модели реальному объекту осуществляется путем непосредственного сравнения выходных величин этого объекта с выходными величинами модели [7].

В общем случае математическая модель считается адекватной, если она позволяет с приемлемой точностью получить интересующие исследователя результаты.

Для проверки адекватности математической модели необходимо выполнить проверку качественного и количественного соответствия получаемых при ее использовании результатов результатам, полученным другими методами.

Если моделирование осуществляется посредством зависимостей, в этом случае проверка адекватности основана на анализе остатков модели, т.е. разностей между расчетными значениями и имеющимися экспериментальными данными. Эти разности должны быть некоррелированными случайными величинами, подчиняющимися нормальному закону распределения с нулевым средним значением. Кроме того, дисперсия остатков должна быть близка к дисперсии погрешности экспериментальных данных.

Такая проверка осуществляется по критерию Фишера

F_ад = s²_ост/s²_вос<= F_табл,

где s²_ост - остаточная дисперсия, %;

s²_вос - дисперсия воспроизводимости.

Значения дисперсий воспроизводимости при числе степеней свободы

n = 4 берем из табл. 4.6.

Дисперсия воспроизводимости содержания Feв концентрате

s_в²_вос = 0,0234%%

Дисперсия воспроизводимости выхода концентрата

s_?²_вос= 0,0234%%

Расчет остаточных дисперсий (таблица 4.7) производим на основании сравнения опытных данных (таблица 4.4) и результатов моделирования (таблица4.5). Число степеней свободы при расчете остаточных дисперсий

n = 10 - 3 = 7.



Таблица 4.7 - Расчет остаточных дисперсий содержания железа в концентрате (а) и выхода концентрата (б).

Н, кА/м	вм	воп	sв2ост	гм	гоп	s?2ост
3	71,67	71,12	0,3025	2	3,24	1,5376
6	70,92	70,63	0,0841	5,72	4,8	0,8538
9	70,1	69,76	0,1156	13,27	14,12	0,7225
12	69,4	69,55	0,0225	23,70	23,25	0,2060
15	68,77	68,94	0,0289	35,22	33,92	1,6805
20	67,91	68,21	0,09	52,68	53,36	0,4649
25	67,18	66,85	0,1089	66,37	65,68	0,4813
30	66,42	66,78	0,1296	78,70	77,70	1,0064
35	65,46	65,51	0,0025	94,82	95,75	0,8649
40	65,22	65,29	0,0049	99,77	98,58	1,4161
ср. знач.	68,305	68,264	0,1271	47,226	47,04	1,3191
Fад			5,4304			4,7451

Определяем F_табл при числе степеней свободы n₁ =7 и n₂= 4:

F_табл = 6,1.

Проверяем по критерию Фишера точность совпадения ожидаемых значений содержания железа в концентрате и выхода концентрата, вычисленных на основании разработанной модели, с показателями, полученными опытным путем:

F_{ад в} = 0,1271/0,0234 = 5,43 < 6,1;

F_{ад ?} = 1,3191/0,278 = 4,75<6,1.

Расчетные значения критерия Фишера меньше табличного, следовательно, расхождение расчетных и экспериментальных данных находятся в допустимых пределах, и результаты моделирования процесса ВГСНПМП можно рассматривать как достоверные.

4.5.4 Выводы

На основании проведенных исследований создана конструкция непрерывно действующего экспериментального сепаратора ВГСНПМП включающая электромагнитную систему, кольцевую высокоградиентную матрицу с большой осадительной поверхностью, необходимой для удержания частиц с наиболее высокой магнитной проницаемостью, а так же привод и устройства загрузки и выгрузки продуктов обогащения. Испытания сепаратора подтвердили теоретически предполагаемые результаты обогащения и позволяют сделать вывод о возможности эффективного применения процесса ВГСНПМП для дообогащения концентрата Михайловского ГОКа.



5. Рекомендуемая технология обогащения магнетитовых кварцитов МГОКа на основе применения сепаратора ВГСНПМП

Анализ практики обогащения магнетитовых кварцитов[14, 36, 45 -47,64, 74, 107] показывает, что результаты магнитного разделения измельченных руд на существующем оборудовании не всегда могут быть признаны удовлетворительными. Особенно низкая селективность разделения на сепараторах типа ПБМ имеет место в первых стадиях обогащения. В магнитных продуктах этих стадий содержится до 50% раскрытых зерен магнетита и до 17-25% раскрытой пустой породы. В последующих стадиях содержание последней в таких продуктах снижается, однако даже в конечном концентрате доля вскрытой пустой породы составляет 2-6%.

Профессор П. Е. Остапенко рассчитал [65], что количество ошламованного необогащаемого сросткового класса, который распределяется равномерно между концентратом и хвостами, определяется произведением площади срастания минералов на средний размер зерна в последней стадии измельчения. Его количество составляет 15-18%, что ставит предел качеству концентрата при шаровом помоле на уровне 65-66% Fe_общ. При разделении в последних стадиях, которое характеризуется высоким содержанием магнетитового железа, как в концентрате, так и в хвостах, это явление фиксируется флокуляцией.

Традиционные пути повышения качества магнетитовых концентратов - это применение более развитых схем магнитной сепарации в каждой стадии для лучшего выведения пустой породы из магнитного продукта, что неизбежно приводит к увеличению числа аппаратов, задействованных в процессе обогащения. В конечном счете, это приводит к увеличению затрат на переработку руды и повышению себестоимости 1т концентрата.

На основе результатов, полученных в ходе выполненных исследований, нами разработана более совершенная технология обогащения магнетитовых руд Михайловского ГОКа с использованием сепараторов ВГСНПМП для получения высококачественных концентратов без снижения нагрузки на секцию.

При разработке схемы за основу была принята технологическая схема обогащения железистых кварцитов ОФ Михайловского ГОКа.

Михайловский ГОК работает на труднообогатимых тонковкрапленных магнетитовых кварцитах [24,60]. Обогащение производится по схеме с шаровым измельчением и стадиальным выделением хвостов.

Обогатительная фабрика включает I и II очереди, каждая из которых состоит из 8 технологических секций.

Куски исходной руды крупностью 25-0 мм подаются в приёмные бункеры обогатительной фабрики, откуда по конвейерным питателям они попадают в шаровые мельницы МШР-40Ч50, установленные на первой стадии измельчения, работающие в паре с односпиральными классификаторами I KCH-30. В каждой секции установлено по четыре бункера. Слив классификаторов первой стадии поступает на I стадию магнитной сепарации, где установлены сепараторы ПБМ-П-120/300. На сливе каждого классификатора установлено по 2 сепаратора.

Продукт магнитной сепарации самотёком поступает в технологический зумпф и насосами 12 ГРК-8 подаётся на вторую стадию классификации, которая протекает в гидроциклонах, хвосты обоих приёмов сепарации удаляются в общефабричный хвостовой поток. Пески гидроциклонов II стадии классификации поступают в мельницу МШРГУ-45Ч60 II стадии измельчения, работающую в шаровом режиме, слив гидроциклонов направляется на I стадию дешламации, осуществляемую в четырёх дешламаторах МД-5А-03. Измельчённый продукт мельницы II стадии, самотеком поступает на II стадию магнитной сепарации, где задействовано 3 сепаратора ПБМ-П-120/300 с противоточными ваннами. Магнитный продукт II стадии поступает в I технологический зумпф и насосами 12ГРК-8 возвращается в гидроциклоны, хвосты попадают в хвостовой поток. Сгущенный продукт I стадии дешламации насосами 8ГРК-8 подаётся на III стадию сепарации, слив дешламаторов удаляется в хвостовой поток. На III стадии сепарации установлено пять спаренных сепараторов ПБМ-ПП-90/250 с полупротивоточными ваннами. Магнитный продукт сепараторов III стадии поступает во II технологический зумпф и насосами 12 ГРК-8 подаётся на III стадию классификации в гидроциклоны, промежуточный продукт III стадии сепарации направляется в I технологический зумпф, хвосты - в хвостовую канаву.

Пески гидроциклонов III стадии классификации поступают в мельницу МШРГУ-45Ч60 III стадии измельчения, работающую в шаровом режиме, слив гидроциклонов - на II стадию дешламации, где установлено четыре дешламатора МД-5А-03. Измельченный продукт мельницы III стадии поступает в IV стадии сепарации, магнитный продукт IV стадии сепарации направляется во II технологический зумпф и далее на гидроциклоны.

Сгущенный продукт II стадии дешламации насосами 8ГРК-8 подаётся на V стадию сепарации, где установлено семь сепараторов ПБМ-ПП-90/250. Магнитный продукт V стадии обогащения поступает на III стадию дешламации в два дешламатора МД-5А-03, промпродукт - во II технологический зумпф. Хвосты поступают в хвостовую канаву. Сгущенный продукт III стадии дешламации насосами 5ГРК-8 перекачивается на IV стадию сепарации, сливы дешламаторов поступают в хвостовую канаву. Концентрат VI стадии сепарации обезвоживается на пяти дисковых вакуумных фильтрах ДШ-68-2,5У и системой конвейеров подаётся на склад концентрата и далее на фабрику окомкования или отгружается в железнодорожные вагоны.

По имеющимся открытым данным, ОФ МГОКа производит в среднем 15600тыс.т. железорудного концентрата в год с содержанием Fe 65,2%.

Потребителями магнитного концентрата МГОКа являются металлургические предприятия, осуществляющие доменный передел. Повысить качество концентрата до требований бездоменной металлургии не удается по следующим причинам.

Шаровый помол до крупности - 44 мкм приводит к образованию значительного количества фракций крупностью -30 мкм. Снижение размеров зерен до 30 мкм и ниже отрицательно сказывается на процессе магнитной сепарации не только потому, что может вызывать потери тонких фракций магнитных минералов вследствие уменьшения магнитной восприимчивости, но и по причине резкого увеличения удельной поверхности и, как следствие, коэрцитивной силы и остаточной индукции соответственно с 0,4ч0,8 кА/м и 85 Вб/м2 до 10ч15 кА/м и 150 Вб/м2. Рост остаточной индукции нежелателен, так как вызывает большое загрязнение флокул случайными частицами и увеличение активной силы сцепления - , действующей на сростки магнетита с кварцем. Другими словами, до тех пор, пока снижение крупности происходит в основном за счет разрушения сростков, а не измельчения мономинеральных зерен, удельная остаточная индукция уменьшается. Лишь при переизмельчении мономинеральных частиц остаточная индукция начинает снова резко возрастать, причем тем больше, чем труднее обогатима руда.

Результаты, полученные при испытании экспериментальной модели сепаратора ВГСНПМП (глава 4, таблица 4.2), показали возможность выделения из конечного концентрата МГОКа высококачественного концентрата для бездоменного передела и промпродукта, пригодного для доменного производства.

Это позволяет предложить усовершенствованную технологию обогащения руд МГОКа (рисунок 5.1), согласно которой пески дешламатора III стадии поступают на сепараторы ВГСНПМП (4 шт. на секцию, в т.ч. 1резервный).

В результате ВГСНПМП - сепарации получаются суперконцентрат в_Fe = 69,0% и промпродукт в_Fe = 64%, который дообогащается в V стадии магнитной сепарации до в_Fe = 65,2%.

Таким образом, внедрение предлагаемой технологии позволит выделить до одной трети конечного концентрата, пригодного для ГБЖ (10% от исходного), и концентрат (23% от исходного), направляемый в доменное производство, что позволит сделать продукцию комбината более конкурентоспособной.

МГОК производит, по собственным данным [60], 15600 тыс.т. концентрата в год со средним содержанием Fe 65,2%. Рыночная стоимость концентрата, содержащего 61-65% Fe составляет 59,5 $/т, что по текущему курсу составляет 3900р/т. Стоимость концентрата, содержащего 69-70% Fe составляет 6500р/т. Колебания цены связаны с текущими колебаниями спроса и предложения. Экономический эффект применения технологии ВГСНПМП приближенно можно оценить по формуле [81]:

(5.1)

где: Э - экономический эффект, руб.;

,

- цена суперконцентрата, руб.;

- масса доменного концентрата, т;

Рисунок 5.1 - Усовершенствованная схема Михайловского ГОКа. - цена доменного концентрата, руб; М - масса производимого фабрикой концентрата, т; - сумма затрат на изготовление и установку оборудования, р; Н - норма отчислений на амортизацию основных средств; - сумма затрат на текущее обслуживание.

Сумма затрат в свою очередь складывается из затрат на изготовление сепараторов ВГСНПМП, капитальных затрат на подготовку площадки и установку сепараторов, подвод коммуникаций, Так как в час фабрика производит 130 т. концентрата, а производительность одного сепаратора 10 т/ч, то для бесперебойной работы фабрики необходимо установить 16 сепараторов (3 запасных). Стоимость одного сепаратора составляет ориентировочно 25 млн.р. Капитальные затраты на установку оборудования составят 400 млн.р. Затраты на заработную плату составят 540 тыс.р./мес. (дополнительно 2 человека в 3 смены), затраты на электроэнергию - 70МВт-ч/мес., другие затраты - 12 млн.р./год. Подставив значения в формулу (5.1), получим ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения сепараторов ВГСНПМП на 1 фабрику Михайловского ГОКа:

Э=5212*6500+10423*3900-15635*3900-0,15*0,8-18,8=13501,08 млн.р.



Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения технико-экономической эффективности обогащения магнетитовых кварцитов путем разработки усовершенствованной конструкции высокоселективного сепаратора для обогащения сильномагнитных руд.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Выполненный анализ мировых достижений науки и техники в области получения высококачественных магнетитовых концентратов, соответствующих требованиям бездоменной металлургии стали, позволил обосновать перспективность нового метода магнитного обогащения ВГСНПМП для тонкоизмельченных сильномагнитных руд при получении суперконцентратов для бездоменной металлургии стали.

2. Получено положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности о выдаче патента по заявке №2014114166/03(022119) на авторские права по процессу ВГСНПМП.

3. Установлен механизм процесса удаления богатых сростков из слоя магнетитового концентрата, образующегося на осадительных матрицах сепаратора ВГСНПМП. Сущность процесса заключается в том, что в результате наличия гистерезиса перемагничивания у частиц магнетита, циклические изменения полярности переменного поля приводят к диаметрально противоположному изменению направления извлекающей магнитной силы, которая сообщает им вращательное и поступательное движение в области высокого градиента магнитного поля.

Рекомендовано при реализации процесса ВГСНПМП для ослабления флокуляции с целью повышения качества магнетитового концентрата применять переменное магнитное поле частотой 50 Гц и напряженностью не выше 20 кА/м. Оптимальная напряженность 9 - 15 кА/м.

4. Разработана математическая модель нового процесса ВГСНПМП, объективно отражающая закономерности разделения магнитных частиц при его использовании, которая использовалась для разработки конструкции непрерывно действующего экспериментального сепаратора ВГСНПМП и технологической схемы получения высококачественных магнетитовых концентратов основанной на его применении.

5. Создана конструкция экспериментального сепаратора ВГСНПМП с электромагнитной системой, создающей высокоградиентное переменное магнитное поле с низкой напряженностью в ферромагнитных матрицах с большой поверхностью зоны захвата для улавливания частиц с наиболее высокой магнитной восприимчивостью. Установлены рабочие диапазоны основных конструктивно-технологических параметров сепаратора ВГСНПМП.

6. Предложена конструкция промышленного противоточного сепаратора ВГСНПМП с электромагнитной системой переменного тока и автономной системой регенерации высокоградиентной среды в бесконтактном режиме производительностью по исходному питанию 10 т/ч.

7. Обоснована технология дообогащения магнетитовых концентратов, основанная на применении процесса ВГСНПМП, позволяющая повышать качество магнетитовых концентратов до содержания Fe_общ = 69% и выше без использования флотации.

8. Предложена технологическая схема получения высококачественных магнетитовых концентратов, соответствующих требованиям к сырью для бездоменной металлургии, включающая операцию ВГСНПМП-сепарации, которая может быть рекомендована для внедрения на Михайловском ГОКе.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии равен 13501,08 млн.р.



Список литературы

1. Авдохин, В.М. Современное состояние и основные направления развития процессов глубокого обогащения железных руд [Текст] / В.М. Авдохин, С.Л. Губин // Горный журнал.- 2007.- №2. - С.58 - 64.

2. Алейников, Н.А. Структурирование ферромагнитных суспензий[Текст] / Н.А. Алейников, П.А. Усачев, П.И. Зеленов. -Л.: Наука, 1974. - 119 с.

3. Андреев, В.Г. Новые технологии как успех применения усовершенствованной конструкции сепараторов ВСПБМ [Текст] /В.Г. Андреев, В.В. Кармазин // ГИАБ. - 2012. - №9. - С. 223 - 227.

4. Андреев, В.Г. Результаты промышленных испытаний сепаратора ВСПБМ 90/100 на ОФ Михайловского ГОКа [Текст] / В.Г. Андреев, В.В. Кармазин // ГИАБ. - 2012. - №9. - С. 214 - 222.

5. А.с. 831182 СССР, МПК В 03 С 1/00. Способ разделения магнетитовых материалов[Текст]/Зеленова И.М., Сентемова В.А., Зеленов П.И., Ляхов В.П.(СССР). - 2600794/22-03; заявлено 03.04.78;опубл.23.05.81,Бюл. 19. - С.10.

6.А.с. 1385373 А1 СССР, МПК 4В 03 С 1/10. Электромагнитный сепаратор [Текст] / Ю.В. Нарижняк, З.П.Армашова, В.Н. Малый (СССР).- 4062438/22-03;заявл. 19.07.1983; опубл. 21.02.1986. Бюл.№ 21.

7. Барский, Л.А. Системный анализ в обогащении полезных ископаемых [Текст] /Л.А. Барский, В.З. Козин. - М.: Недра, 1978. - 486 с.

8.Бочаров, В.А. Технология обогащения полезных ископаемых: В 2 т. Т. 2: Обогащение золотосодержащих руд и россыпей, обогащение руд черных металлов, обогащение горно-химического и неметаллического сырья [Текст] /В.А Бочаров, В.А. Игнаткина. - М: "Руда и Металлы", 2007. - 408 с.

9.Варичев, А.В. Крупномасштабное производство железорудной продукции в Российской Федерации [Текст] / А.В Варичев, С.И.Кретов, В.Ф.Кузин. - М.: Горная книга.- 2010. - 395 с.

10.Винтайкин, Б.Е. Физика твердого тела [Текст] / Б.Е. Винтайкин. - М.: МГТУ, 2008. - 347 с.

11.Влияние степени обогащения железорудного концентрата на параметры его металлизации [Текст]/ А.Л. Разницина, и др // Известия вузов. Черная металлургия. - 2012. - № 12. - С. 8-10.

12. Выделение высококачественного концентрата методом высокоградиентной сепарации в слабых магнитных полях при обогащении магнетитовых руд [Текст] / А.М. Туркенич [и др.] //Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб.-2005. - Вип.24(65). - С.32-36.

13.Высокоградиентная магнитная сепарация магнетитовых руд[Текст]/ А.М. Туркенич[и др.] // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб.-2012. - Вип.48(89). - С.89-92.

14.Гзогян, Т.Н. Технологическая оценка рудного сырья на Михайловском ГОКе[Текст]/Т.Н.Гзогян, Л.П. Макуха // Горный журнал.-2002. -№7. -С.73-

15.Горное дело и строительство: Магнитные сепараторы непрерывного действия HGMS. [Электронный ресурс]./Каталог Metso (Sala). - Режим доступа: www.metso.ru/ru/miningandconstruction/Mining_Construction_Russia.nsf/, свободный.

16.ГОСТ 26475-85. Продукция железорудная и марганцеворудная. Термины и определения (с Изменением N 1.) [Текст]. Введ. 25.03.1985. - М.: Издательство стандартов, 1985. - 15 с.

17. Губин, C.JI. Повышение качества магнетитовых концентратов Михайловского ГОКа с применением колонных флотомашин [Текст] /С.Л. Губин// ГИАБ. -2006.- № 7. - С. 355-362.

18. Губин, С.Л. Флотационная доводка магнетитовых концентратов ОАО «Михайловский ГОК» с использованием колонной флотации [Текст] / С.Л. Губин, В.П. Бруев, В.А. Сентемова. //Обогащение руд. -2004. - №5. - С. 10-15.

19. Губин, С.Л. Флотация магнетитовых концентратов катионными собирателями [Текст] /С.Л. Губин, В.М. Авдохин// Горный журнал 2006. - № 7. - С. 80 - 84.

20.Деркач, В.Г. Специальные методы обогащения полезных ископаемых [Текст] / В.Г. Деркач. - М.: Недра, 1966. - 385 с.

21.Дунаев, В.А. Минерально-сырьевые ресурсы бассейна КМА [Текст] /В.А. Дунаев// Горный журнал. - 2004.-№1. -С.9-12.

22. Дюбченко, В.А. Перспективы повышения качества железорудного концентрата ОАО «Карельский окатыш» [Текст] /В.А. Дюбченко, Н.А. Патковская, Т.И. Тасина//Обогащение руд. - 2012. - № 6. - С. 7-12.

23.Епутаев, Г.А. Основы аналитической теории взаимодействия минералов с полем сепараторов на постоянных магнитах [Текст]/Г.А. Епутаев. - Владикавказ: Изд-во РИА, 1999. - 320 с.

24. Железорудная база России [Текст] /под ред. Орлова В.П., Веригина М.И., Голивкина Н.И. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1998. - 842 с.

25.Замыцкий В.С. Эксплуатация и ремонт магнитных сепараторов [Текст] /В.С. замыцкий, М.Н. Великий. - М.: Недра, 1977. - 367 с.

26. Каменева, Е. Е. Пути повышения качества магнетитового концентрата ОАО «Ковдорский ГОК» [Текст] /Е. Е. Каменева, Е. Д. Рухленко // Обогащение руд. - 2002. - № 1. - С. 27-31.

27. Кармазин, В.В. Анализ результатов промышленных испытаний экпериментального промышленного сепаратора ВСПБМ-32,5/20 и выдача рекомендаций на проектирование опытно-промышленного сепаратора ВСПБМ-90/100[Текст] / В.В. Кармазин, Н.Г. Синельникова, И.В. Палин //ГИАБ. - 2009. - № 12. - С. 9 - 14.

28. Кармазин, В.В. Закономерности вращательного движения частиц железосодержащих руд во вращающемся поле барабанного сепаратора на постоянных магнитах [Текст] / В.В. Кармазин, Р.В. Ковалев, Г.А. Епутаев // ГИАБ. - 2007. - №1. - С. 5 - 13.

29. Кармазин, В.В. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых. Том I[Текст] /В.В. Кармазин, В.И. Кармазин. - М.: Издательство МГГУ, 2005. - 669 с.

30.Кармазин, В.В. Перспективы развития технологии обогащения железорудного сырья [Текст] / В. В. Кармазин // Горный журнал. - 2008. - № 12. - С. 70-73.

31. Кармазин, В.В. Повышение качества магнетитовых концентратов [Текст] / В.В. Кармазин, П.А. Сыса //ГИАБ. - 2013. - №12. - С. 136-146.

32. Кармазин, В.В. Повышение качества магнетитовых концентратов за счет высокоградиентной сепарации в переменных магнитных полях с низкой напряженностью [Текст] / В.В. Кармазин, П.А. Сыса// ГИАБ. - 2014. - №2. - С. 123-128.

33. Кармазин, В.В. Получение магнетитовых концентратов для бездоменной металлургии путем высокоградиентной сепарации [Текст] / В.В. Кармазин, П.А. Сыса// ГИАБ. - 2013. - №12. - С. 14-20.

34. Кармазин, В.В. Применение высокоградиентной сепарации для повышения качества железорудных концентратов [Текст] / В.В. Кармазин, П.А. Сыса. - Сборник материалов "Неделя горняка 2014". - Москва. - 27-31 января 2014. - М.: Изд. ООО «Роликс», 2014. - С. 151.

35. Кармазин, В.В. Принципы сепарационного массопереноса в турбулентных потоках пульп, содержащих полидисперсные и гетерогенную твердую фазу [Текст] / В.В. Кармазин, П.И. Пилов// ГИАБ. - 2001. -- №4. - С. 148-160.

36. Кармазин, В.В. Разработка технологии стадиального выделения магнетитовых концентратов на основе применения высокоселективных магнитных сепараторов [Текст] / В.В. Кармазин, Н.Г. Синельникова // ГИАБ. - 2006. - №5. - С. 85 -91.

37. Кармазин, В. В. Результаты промышленных испытаний сепаратора ВСПБМ-90/100 на ОФ Михайловского ГОКа [Текст] / В. В. Кармазин, В. Г. Андреев // ГИАБ. - 2012. - № 9. - С. 214-222.

38. Кармазин, В.В. Сепарация в высокоградиентных переменных магнитных полях с низкой напряженностью [Текст] / В.В. Кармазин П.А. Сыса //ГИАБ. - 2014. - №2. - С. 63-66.

39. Кармазин, В.В. Совершенствование технологии обогащения магнетитовых кварцитов на основе сепараторов с бегущим магнитным полем [Текст] / В.В. Кармазин. // Горный журнал. - 2006. - № 6. - С 108-112.

40.Кармазин, В.В. Современные тенденции в использовании минерального сырья [Текст] /В.В. Кармазин.- Сб. «Устойчивое развитие горнодобывающей промышленности».- Кривой Рог: КГТУ, 2004. -С. 37 - 41.

41. Кармазин, В.В. Создание техники для технологии полностадиального обогащения магнетитовых кварцитов [Текст] / В.В. Кармазин, и др. //Горный журнал. - 2010. - № 12. - С 85-89.

42. Кармазин, В.И. Магнитные методы обогащения [Текст] / В.И. Кармазин, В.В. Кармазин. - М.: Недра, 1978. - 255 с.

43. Кармазин, В.И. Магнитные методы обогащения [Текст] / В.И. Кармазин, В.В. Кармазин. - М.: Недра, 1984. - 490 с.

44. Кармазин, В.И. Обогащение руд черных металлов [Текст] / В.И. Кармазин. - М.: Недра, 1982. - 215 с.

45. Кармазин, В.И. Современные методы магнитного обогащения руд черных металлов [Текст] /В.И. Кармазин. - М.: Госгортехиздат, 1962. - С. 151-174.

46.Красуля, Т.С. Повышение эффективности технологии обогащения железистых кварцитов [Текст] / Т.С. Красуля// Горный журнал. -2005. - №1. - с. 7 - 8.

47. Кретов, С.И. Совершенствование технологии переработки руд Михайловского месторождения [Текст] / С.И. Кретов, С.Л. Губин, С.Л. Потапов// Горный журнал. - 2006.-№7.-С. 71-75.

48. Клюшин, В.А. Совершенствование технологии обогащения [Текст] / В.А. Клюшин, А.В. Остапенко//Горный журнал. - 1996. - № 3. - С.27-32.

49. Ландау, Я. П. Теоретическая физика, Т. 2. Теория поля [Текст]/Я.П. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Наука, 1988. - 512 с.

50.Леонов, С. Б. Исследование полезных ископаемых на обогатимость[Текст] /С.Б. Леонов, О.Н. Белькова. - М.:Интермет Инжиниринг, 2001. - 632 с.

51.Липная, Е.Н. Анализ влияния электостатического взаимодействия частиц на процесс флокуляции магнетитового концентрата [Текст] / Е.Н. Липная // ГИАБ. - 2009. - №7. -С. 345-349.

52.Ломовцев, Л.А. Магнитное обогащение сильномагнитных руд [Текст] / Л.А. Ломовцев, Н.А. Нестерова, Л.А. Дробченко. - М.: Недра, 1979. -267 с.

53. Магнитная восприимчивость малых частиц ферромагнетиков [Электронный ресурс] / В.М. Юров // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - № 4. - с. 152-155.. - Реж...