НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

СОКІЛ Олександр Михайлович

УДК [622.75/.77:532.542](043.3)

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЙ

ПЕРЕРОБКИ ТИТАН-ЦИРКОНОВИХ РОЗСИПІВ

05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ –2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України (ІГТМ НАН України)

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор,

академік НАН України

Булат Анатолій Федорович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Туркенич Олександр Михайлович,

Національний гірничий університет,

кафедра збагачення корисних копалин,

професор

доктор технічних наук, професор

Мец Юрій Семенович,

Кременчуцький інститут економіки та нових

технологій, кафедра металознавства, професор

доктор технічних наук, професор

Аверін Геннадій Вікторович,

Донецький національний технічний університет,

кафедра природоохоронної діяльності, професор

Ведуча організація: Донбаський гірничо-металургійний інститут

Міністерства освіти та науки України, м. Алчевськ

Захист відбудеться 26.06.2002 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий 24.05.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Гірничодобувна галузь провідних країн світу останніми роками працює в умовах неухильного погіршення якості мінеральної сировини при тому, що потреба в ній постійно зростає.

У більшості випадків збільшення обсягу переробки корисних копалин досягається за рахунок застосування гравітаційних методів збагачення на основі впровадження у виробництво нових високотехнологічних машин й апаратів. До 90% вугілля та марганцевих руд збагачується гравітаційними методами; частка гравітаційних методів постійно підвищується при переробці залізних, поліметалевих і золотовмісних руд.

У зв'язку з цим удосконалюванню технологій гравітаційного збагачення приділяється все більша увага, що викликає необхідність як вивчення на високому науковому рівні гідродинамічних процесів, що протікають при розділянні мінеральних зерен в апаратах, так і обґрунтування параметрів технологічного устаткування.

У численних дослідженнях вітчизняних і закордонних учених знайшли відображення результати досліджень впливу параметрів технологічних схем і апаратів на ефективність гравітаційних технологій збагачення корисних копалин.

Але, незважаючи на великий обсяг і високий рівень теоретичних досліджень, слід указати на невідповідність між досягненнями гідромеханіки неоднорідних середовищ та їх використанням у промисловості. З одного боку, деякі теоретичні розробки не доведені до практичної реалізації. З іншого боку, ряд гідродинамічних ефектів, що виявляються під час експлуатації технологічного устаткування, не знаходить пояснення, що не дозволяє керувати ними й добиватися більш високих показників збагачення мінеральної сировини.

Розвиток багатьох галузей народного господарства залежить від можливості використання матеріалів зі спеціальними властивостями. Серед цих матеріалів слід виділити сплави на основі титану й цирконію, які вживають в умовах, що вимагають високої температурної міцності. Для України, де традиційно розвиваються галузі ракетобудування, моторобудування й атомної енергетики, проблема одержання необхідної кількості металевого титану й цирконію все ще не розв'язана, що призводить до придбання прокату за рубежем.

Видобуток і збагачення розсипів, що містять титановмісні мінерали рутил та ільменіт, а також циркон, здійснюються на Вільногірському державному гірничо-металургійному комбінаті (ВДГМК) із застосуванням гравітаційних методів збагачення. При цьому в зв'язку з неминуче великими коливаннями параметрів титан-цирконових пісків, що добуваються, і відповідно пульпи, що подається на збагачення, потрібно мобільне й гнучке регулювання параметрів технологічного устаткування, що неможливо без наукових досліджень гідродинамічних процесів, які протікають при розділянні мінеральних зерен у технологічних апаратах.

Таким чином, розробка фізико-технічних основ технологій переробки титан-цирконових розсипів на основі моделювання гідродинамічних процесів у гравітаційних технологіях збагачення корисних копалин є актуальною науково-практичною проблемою, що має важливе народно-господарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана відповідно до схваленої постановою Кабінету Міністрів України № 1918 від 18.10.99 комплексної програми розвитку кольорової металургії України на період до 2010 року; державної програми "Створити й освоїти технології та технічні засоби, які забезпечують екологічно чисті процеси видобутку й переробки корисних копалин за рахунок використання безвідхідних технологій та утилізації відходів промислових виробництв" і в рамках державної бюджетної теми НАН України 1.3.5.4 "Наукові основи забезпечення надійності технологій збагачення мінеральної сировини", що виконується по проблемі 3.2.2 "Розробка й удосконалення теорії та методів збагачення корисних копалин" і в якій автор є виконавцем.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей динамічних залежностей показників процесів згущення, розділяння пульпи й зневоднення концентратів від конструктивних і технологічних параметрів устаткування для забезпечення стійких режимів переробки титан-цирконових розсипів.

Метою роботи є розробка фізико-технічних основ технологій переробки розсипів, що дозволяє обґрунтувати параметри динамічно узгоджених технологій і запропонувати нові технологічні рішення для ефективного розділяння рудних пульп.

Для досягнення поставленої мети роботи сформульовані й розв'язані такі задачі:

1. Дослідити особливості процесу нестаціонарного плину й згущення в зумпфах і згущуючих лійках при підготовці пульпи до розділяння на конусних сепараторах і зневодненню на стрічкових вакуум-фільтрах.

2. Розробити гідродинамічні моделі плину та розшарування пульпи під час її руху вздовж поверхні конусного сепаратора й виконати їх теоретичний аналіз.

3. Розробити динамічну модель зневоднення продуктів збагачення титан-цирконових розсипів на стрічкових вакуум-фільтрах і обґрунтувати параметри вакуум-фільтрів.

4. Провести експериментальні дослідження підготовчих та основних процесів на збагачувальній фабриці ВДГМК, одержати регресійні залежності технологічних показників процесу переробки пісків й оцінити адекватність динамічних моделей згущення і розділяння пульпи, а також зневоднення концентратів. Обґрунтувати технологічні, технічні рішення і параметри технологічного устаткування, що забезпечують динамічну узгодженість процесу переробки розсипів.

5. Розробити підсистему енергозбереження для технологій видобутку й переробки розсипів на основі аналізу режимів експлуатації розподільних мереж і компенсації реактивної потужності.

6. Розробити підсистему забезпечення надійності гірничих технологій на основі статистичного аналізу режимів роботи технологічного устаткування.

Об'єкт дослідження – технології переробки розсипів і руд на основі гравітаційних методів збагачення мінеральної сировини.

Предмет досліджень – нестаціонарні гідромеханічні процеси згущення, розділяння рудних пульп і зневоднення концентратів.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач використовувалися сучасні методи наукових досліджень: методи гідродинаміки багатофазних середовищ для аналізу нестаціонарних процесів згущення, розділяння рудних пульп і зневоднення концентратів; чисельне моделювання нестаціонарних гідродинамічних процесів у рудних пульпах із застосуванням комп'ютерних технологій; лабораторні та промислові дослідження з використанням стендів і промислових зразків технологічного устаткування.

На захист виносяться такі наукові положення:

1. У стаціонарному режимі згущення концентрація твердого в згущуючій лійці змінюється, якщо швидкість ковзання часток дорівнює або більше швидкості руху рідини. У протилежному випадку гідросуміш рухається як гомогенне середовище.

2. Швидкість осідання часток в лійці монотонно зменшується зі збільшенням концентрації гідросуміші і тим більшою мірою, чим менше діаметр часток. Зі збільшенням температури рідкої фази від t = 0°C до t = 30°C швидкість осідання збільшується майже вдвічі, а параметри шару переливу перебувають у такому відношенні: при зміненні товщини шару від 5 мм до 100 мм швидкість руху рідини на вільній поверхні змінюється від 0,313 м/с до 1,401 м/с і, відповідно, витрата від 0,491Ч10-2 м3/с до 44,0Ч10-2 м3/с.

3. Для нестаціонарного одношарового плину рідини по поверхні конусного сепаратора встановлено, що на вихідний переріз початкове збурення швидкості плину зменшується, а початкове збурення товщини шару підсилюється. При цьому збільшення початкової товщини шару приводить до зростання швидкості у вихідному перерізі й, відповідно, збільшення швидкості на вході приводить до зростання товщини шару на виході.

4. Двошаровому плину по поверхні конусного сепаратора з урахуванням осадження твердих часток притаманні такі закономірності: для верхнього шару – товщина шару на виході з конусного сепаратора лінійно зростає зі збільшенням початкової швидкості та товщини потоку; швидкість плину й концентрація твердого вздовж твірної конусного сепаратора відповідно монотонно зростає й меншає; уздовж твірної конусного сепаратора товщина шару досягає мінімального значення, яке зменшується при мінімізації початкової швидкості, а потім починає збільшуватися і поблизу вихідного перерізу зростає експоненціально; для нижнього шару – товщина шару на виході із сепаратора зростає зі збільшенням початкової швидкості верхнього шару за параболічною залежністю; товщина шару вздовж твірної збільшується монотонно, а поблизу вихідного перерізу – за експонентою.

5. При зневодненні на стрічковому вакуум-фільтрі гідросумішей, коефіцієнт поруватості яких змінюється в межах 0,26-0,47, величина коефіцієнта фільтрації змінюється від 0,21 см/с до 1,06 см/с, що обумовлено параметрами щільної упаковки твердих часток та зміною коефіцієнта віддачі.

Наукова новизна отриманих результатів:

· Уперше встановлені динамічні закономірності процесу згущення рудних пульп з урахуванням параметрів зливу, які дозволяють розрахувати швидкості ковзання часток у залежності від їхнього діаметра, густини гідросуміші й температури. Показано, що в стаціонарному режимі концентрація твердого в згущуючій лійці змінюється тільки в тому випадку, якщо швидкість ковзання часток більше швидкості руху рідини.

· На основі розробленої двошарової моделі отримана лінеаризована система рівнянь, яка описує режим малих нестаціонарних збурень у плині на конусному сепараторі при зміні з часом витрати пульпи і початкової товщини потоку.

· Уперше вивчені нестаціонарні режими фільтрації рудних пульп на стрічкових вакуум-фільтрах і побудована універсальна залежність висоти лінії депресії в ущільненому шарі від часу.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблений і впроваджений у практику наукових досліджень і проектно-конструкторських робіт комплект методик розрахунку технологічних і конструктивних параметрів згущуючих лійок, конусних сепараторів і стрічкових вакуум-фільтрів.

2. Розроблені динамічні моделі дозволяють узгодити роботу різних апаратів у послідовному технологічному ланцюзі й тим самим підвищити стабільність показників збагачення.

3. Розроблені й реалізовані на ВДГМК нові перспективні технологічні режими рудопідготовки, довилучення цінних компонентів зі зливів струминних зумпфів і одержання колективного концентрату.

Розроблений на основі гідродинамічних моделей комплект методик розрахунку параметрів технологічних процесів при збагаченні розсипів і руд переданий у ІГТМ НАН України, Донецький національний технічний університет і Вищу металургійну школу України для використання в наукових дослідженнях при моделюванні процесів переробки мінеральної сировини; в інститути "УкрНДІВуглезбагачення", "Механобрчормет" і "Кривбаспроект" для проведення проектно-

конструкторських робіт при модернізації існуючих і створенні нових гірничо-збагачувальних підприємств; на ВДГМК та Іршанський ГЗК для впровадження в практику передпроектних робіт.

На ВДГМК впроваджені нова схема рудопідготовки, на основі якої здійснюється переробка пісків в обсязі 1000-2000 т/год; технологія довилучення зернистої фракції зі зливів струминних зумпфів D15, яка дозволила знизити утрати важкої фракції в 2,5 рази; технологічна схема одержання колективного концентрату, яка складається з основного та промпродуктового циклів, що дозволяє підвищити обсяг переробки в 1,6 рази і вилучення на 1-2 %. Фактичний економічний ефект від упровадження результатів дисертаційної роботи складає 267797 грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета, ідея роботи і задачі дослідження, основні наукові положення, висновки і рекомендації з їхньої практичної реалізації. Ним розроблений комплект методик розрахунку гідродинамічних параметрів плину й розділяння пульпи в гравітаційних технологіях збагачення корисних копалин. Автор брав безпосередню участь у розробці нових технологічних рішень щодо удосконалення окремих операцій на збагачувальній фабриці ВДГМК, зокрема, рудопідготовки, довилучення цінних компонентів зі зливів струминних зумпфів, технології одержання колективного концентрату. Текст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних семінарах в Інституті геотехнічної механіки НАН України, Донецькому національному технічному університеті, на науково-технічних нарадах на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті, на науково-практичній конференції “Екологічні проблеми й перспективи розвитку магістральних трубопроводів” (Ужгород, 1997), 13th Industrial Minerals International Congress (Kuala Lumpur, 1998), міжнародній науково-практичній конференції “Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (Ялта, 1999), міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми природокористування, постійного розвитку і техногенної безпеки” (Дніпропетровськ, 2001), Szkola Eksploatacij Podziemnej (Krakow, Poland, 2002).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 38 виданих роботах, з яких 28 робіт в наукових фахових виданнях, у тому числі 15 самостійних, 4 монографії та 5 тез доповідей.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновку, списку використаних джерел з 228 найменувань, містить 399 сторінок машинописного тексту, у тому числі 64 рисунки, 31 таблицю, 57 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз технологічних і технічних рішень, а також моделей гідродинамічних процесів при підготовці та збагаченні руд і розсипів дозволив виділити основні елементи технологічних схем переробки титан-цирконових пісків.

До числа апаратів, використання яких підтвердило можливість одержання високих показників збагачення мінеральної сировини за допомогою гравітаційних методів, відносяться гвинтові й конусні сепаратори.

Теорія та практика мокрої гвинтової сепарації титан-цирконових розсипів показала значну технологічну ефективність і сталість роботи гвинтових сепараторів за умови якісної підготовки живлення. У той же час гвинтові сепаратори – це малофункціональні та малопродуктивні апарати.

Необхідність підвищення продуктивності збагачувальних фабрик, зниження водо- та енерговитрат при збільшенні рівня ефективності розділяння в умовах переробки розсипних руд поставила вимогу застосування конусних сепараторів, які працюють за принципом жолоба, що звужується. Однак, при високій продуктивності й інших перевагах конусні сепаратори характеризуються низькою ефективністю одиничної сепарації, внаслідок чого необхідне багаторазове перечищення, якого можна досягти на багатоярусних конусних сепараторах з циркулюючими потоками.

Оскільки конусні сепаратори мають незмінну конфігурацію робочої поверхні, то для виділення концентрату заданої якості швидкість потоку вихідної пульпи і вміст твердого в ній повинні бути стабільними. Ефективне регулювання цих параметрів є посутнім для успішного керування сепараторами, тому що значні коливання швидкості потоку гідросуміші супроводжуються зменшенням ступеня вилучення цінних компонентів у концентрат. Для оптимізації технологічних характеристик конусних установок регулювання витрати вихідної пульпи припустимо в дуже вузькому діапазоні.

Таким чином, конусні сепаратори забезпечують ефективне первинне збагачення руд у вузькому діапазоні крупності при незначних коливаннях швидкості й вмісту твердого у вихідній пульпі, при цьому висока продуктивність цих апаратів дозволяє зменшити водоспоживання на збагачувальних фабриках та кількість одиниць устаткування на одного оператора й полегшити керування технологічним процесом. Однак конусний сепаратор також є малофункціональною установкою, тому його рекомендується доповнювати гвинтовими сепараторами та концентраційними столами.

Оскільки показники збагачення залежать від стабільності параметрів живлення технологічних апаратів, у технологіях збагачення мінеральної сировини значна увага приділяється підготовчим процесам, зокрема, процесам згущення суспензії та зневоднення проміжних продуктів.

При моделюванні гідродинамічних процесів у технологічних апаратах (згущення, розділення струминних плинів гідросумішей, зневоднення промпродуктів) звичайно використовуються стаціонарні моделі. У теорії та практиці розрахунку збагачувального устаткування невідомі методики, які б враховували динамічні властивості систем, хоча нестаціонарний характер плину, як відомо, можна враховувати використанням квазістаціонарних наближень і статистичних моделей турбулентності.

Одним із джерел нестабільності й нестаціонарності процесів під час плину гідросуміші по похилій поверхні є капілярні та гравітаційні хвилі. Їхня поява обумовлена впливом на гідродинаміку потоку поверхневого натягу і найбільш імовірна при малій товщині шару. Кожна з хвиль цього типу рухається разом з мінеральними частками, є елементом переносу потоку й бере участь у механізмі процесу збагачення. Крім того, характер плину гідросуміші в більшості апаратів є турбулентним, для нього характерні пульсації основних гідродинамічних параметрів потоку й зв'язані з ними додаткові дотичні напруження. Тому оцінка впливу пульсацій швидкості рідкої фази на процес розділення пульпи викликає істотний інтерес.

За нашого часу теоретичний апарат механіки неоднорідних середовищ дозволяє розробити загальний підхід до розгляду практично всієї різноманітності нестаціонарних гідродинамічних процесів у гетерогенних середовищах. Цей підхід базується на вивченні динамічних характеристик процесів плину гідросуміші.

Одним з основних підготовчих процесів є згущення пульпи перед збагаченням на конусних сепараторах.

Динамічні характеристики згущуючої лійки оцінені на основі розробленої нестаціонарної моделі процесу згущення рудних пульп.

Зокрема, на основі законів збереження маси й імпульсу для рідкої та твердої монодисперсної фази гідросуміші в згущуючій лійці отримані рівняння, що характеризують нестаціонарні режими згущення гідросуміші:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

де z, t– відповідно координата вздовж осі лійки й час;

rl, u – відповідно густина рідкої фази та її швидкість у напрямку осі лійки;

rs, v – відповідно густина твердої фази та її швидкість у напрямку осі лійки;

w, j, p – відповідно швидкість ковзання, об'ємна частка твердого компонента та тиск у гідросуміші;

S, c – відповідно площа й периметр поперечного перерізу лійки;

ts, ss – відповідно об'єм і площа міделю одиночної частки монодисперсної твердої фази;

– коефіцієнти сил тертя шару гідросуміші відповідно при русі вздовж бічної поверхні лійки й при обтіканні часток.

Система рівнянь (1)-(4) стала основою для визначення параметрів стаціонарного режиму роботи згущуючої лійки. Водночас був виконаний розрахунок параметрів руху гідросуміші в трубопроводах між згущуючою лійкою та конусним сепаратором, що дозволило одержати рівняння для розподілу тиску в трубопроводі та швидкості ковзання.

Подальше уточнення параметрів моделі було спрямовано на одержання оцінок параметрів шару переливу, які зображені на рис. 1, 2.

Рис. 1. Залежність об'ємної частки твердого в переливі (jосв)

від товщини шару переливу (h):

ds – розмір часток; T – температура рідкої фази

Рис. 2. Залежність об'ємної частки твердого в переливі

від об'ємної частки твердого в живленні

Основним збагачувальним апаратом, який застосовується для одержання чорнового та колективного концентратів, а також для розділяння циркон-дистенового продукту, є конусний сепаратор. У цій роботі розроблені динамічні моделі плину гідросуміші по поверхні конусного сепаратора.

У наближенні однорідної рідини запропонована нестаціонарна гідродинамічна модель нерівномірного плину

, (5)

, (6)

де x, t– відповідно координата вздовж твірної сепаратора й час;

l, b – відповідно довжина твірної й кут її нахилу;

h, Vx – відповідно товщина шару та його швидкість у напрямку твірної.

Для оцінки коефіцієнта сили опору під час тертя використовувалися такі формули для ламінарного та турбулентного режимів відповідно:

, .

На основі рівнянь (5) і (6) проведений аналіз стаціонарного одношарового плину, що дозволило одержати вирази для розрахунку швидкості плину й товщини шару вздовж твірної сепаратора:

, (7)

. (8)

Результати відповідних розрахунків зображені на рис. 3.

Дослідження одношарового плину послужили основою для побудови динамічної моделі двошарового плину пульпи.

Рис. 3. Розподіл швидкостей (Vx) і товщини шару (h) по довжині

твірної конусного сепаратора (x) в одношаровому плині

За цією моделлю верхній шар є пульпою, з якої в процесі її руху вздовж каналу тверді частки безупинно осаджуються в нижній шар. Концентрація часток у верхньому шарі безупинно змінюється, тому його густина розглядається як функція подовжньої координати й часу.

Нижній шар є максимально ущільненою сумішшю з водою твердих часток, які осадилися з верхнього шару. Густина нижнього шару вважається незмінною й максимально можливою.

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

, (13)

, (14)

де di, ui, ri - відповідно товщина шару, швидкість плину та густина пульпи для верхнього (i = 1) і нижнього (i = 2) шарів;

, h - об'ємна частка твердого відповідно у верхньому та нижньому шарі;

rs, rl - густина відповідно твердого й несучої рідини.

Для замикання отриманої системи рівнянь використані вирази для сил тертя об поверхню сепаратора (t0) і між шарами (t12), а також для швидкості осадження часток.

Нестаціонарна динамічна двошарова модель дозволила оцінити стійкість руху гідросуміші й одержати передатні функції зв'язку між вхідними та вихідними гідродинамічними параметрами. Проведені розрахунки показали:

- у всіх розглянутих випадках товщина верхнього шару при виході на конічну поверхню починає зменшуватися, що пов'язано зі значним збільшенням швидкості; при цьому, чим менше початкова швидкість, тим більш різко виявляється стоншення шару на початковій ділянці конусної поверхні;

- закономірність наростання швидкості u1 по довжині твірної фактично не залежить від початкового значення товщини шару пульпи d10, а залежить головним чином від початкової швидкості u10, звідки випливає, що й швидкість на виході u1k майже не залежить від початкової товщини шару;

- об'ємна частка твердого у верхньому шарі зменшується по довжині твірної тим швидше, чим менше початкова швидкість подачі u10. Зі збільшенням початкової товщини шару d10 частка твердого зменшується більш повільно, і при великих швидкостях верхній шар, як правило, не встигає повністю розвантажитися; тільки тонкі шари (початкова товщина d10 = 6 мм і d10 = 10 мм) устигають розвантажитися повністю, до того ж, при малих швидкостях розвантаження відбувається вже на початковій ділянці сепаратора;

- збільшення частки твердого в пульпі з = 0,2 до = 0,3 і вище небажано, тому що верхній шар не встигає розвантажитися;

- залежність товщини верхнього шару на виході від початкової швидкості u10 лінійна, а нижнього шару – близька до лінійної.

Результати розрахунків стаціонарного двошарового плину дозволяють вибрати такий номінальний режим роботи конусного сепаратора, при якому на виході забезпечуються необхідне розвантаження верхнього шару й нормальний добір концентрату та промпродукту (рис. 4, 5).

Однією з визначальних допоміжних технологічних операцій при переробці титан-цирконових пісків є зневоднення проміжних продуктів і товарних концентратів на стрічкових вакуум-фільтрах.

У цій роботі на основі запропонованої моделі процесу зневоднення рудних пульп проведений аналіз динамічних характеристик стрічкового вакуум-фільтра. Послідовно отримані рівняння, що характеризують стаціонарний і нестаціонарний режими фільтрації:

, ,

де H, d - відповідно висота лінії депресії та товщина фільтрувальної перегородки;

k1, k2 –коефіцієнти фільтрації відповідно в ущільненому шарі й у фільтрувальній перегородці;

mў, rl, p1–p2 – відповідно коефіцієнт віддачі, густина води й ефективний перепад тиску.

На основі проведених досліджень отримана універсальна залежність висоти лінії депресії від часу для різної початкової товщини шару H0:

, ,

, , ,

де jн, jпр – відповідно об'ємна частка твердого в пульпі живлення фільтра та її граничне значення в ущільненому шарі на стрічці.

Рис. 4. Розподіл по довжині твірної товщини нижнього шару (d2), об'ємної частки твердого у верхньому шарі (), а також його товщини (d1) і швидкості (u1)

Рис. 5. Залежність швидкості верхнього шару (u1k) на виході

від початкової швидкості (u0k) й товщини шару (d10)

Для проведення розрахунків процесу фільтрації на стрічковому вакуум-фільтрі необхідно знати коефіцієнт фільтрації ущільненого шару концентрату, що утворюється на стрічці. Цей коефіцієнт фільтрації залежить від коефіцієнта поруватості шару, гранулометричного складу твердої фракції, форми часток, в'язкості рідини, а також ще від цілого ряду фізико-хімічних властивостей, які характеризують поверхневу взаємодію рідини з матеріалом часток. Найбільш вірогідні знання про цей коефіцієнт, як, втім, і про інші коефіцієнти, такі як коефіцієнт поруватості m, віддачі mў та інші, можна одержати тільки за допомогою лабораторних досліджень конкретного матеріалу.

Залежності відносного коефіцієнта фільтрації від поруватості та температури, а також залежності часу фільтрації від температури при різних товщинах шару й перепадах тиску показані на рис. 6. З метою практичного використання отриманих результатів розрахунковим шляхом отриманий вираз для довжини стрічки вакуум-фільтра, що забезпечує повну фільтрацію ущільненого шару для заданої швидкості руху стрічки (рис. 7)

Апробація модельних уявлень основних процесів при переробці титан-цирконових розсипів проводилася шляхом технологічного випробування й експериментальних досліджень гідродинамічних процесів при згущенні, зневодненні й розділянні рудних пульп.

Рис. 6. Залежність часу фільтрації (T)

ущільненого шару від температури (t)

Рис. 7. Залежність довжини стрічки (L), необхідної для повної фільтрації

ущільненого шару, від температури (U0 = 2,16 м/хв)

При практичному використанні розроблених гідродинамічних моделей для розрахунку параметрів конкретних апаратів необхідно мати на увазі, що кожний з них є ланкою технологічного ланцюжка, і від показників його роботи залежить стабільність роботи наступної ланки і, зрештою, якість товарної продукції. Наприклад, під час розрахунку параметрів струминних зумпфів необхідно прагнути до мінімізації втрат важкої фракції зі зливом. Відповідно параметри згущуючих лійок повинні забезпечувати стабільне навантаження сепараторів при утриманні заданої концентрації пульпи.

З урахуванням цього на основі нестаціонарної моделі процесу згущення запропонована методика розрахунку гідродинамічних параметрів процесів згущення рудних пульп, і для стаціонарного режиму роботи згущуючої лійки СК-6, яка живить секції конусних сепараторів, отримані значення концентрації твердого і густини пульпи, об'ємних витрат твердого і рідкого компонентів в згущеному продукті.

Для апробації двошарової моделі плину гідросуміші по поверхні конусного сепаратора проведена оцінка умов стійкості плину й визначені умови виникнення гідравлічних стрибків, наслідком яких є перемішування потоку, що розшарувався, і зниження показників збагачення. Розраховані також параметри плину, при яких відсутнє зіткнення струменів пульпи над розвантажувальним отвором.

Отримані результати підтверджують адекватність нестаціонарної гідродинамічної моделі плину рудної пульпи.

Розроблені моделі процесів згущення, зневоднення й розділення рудних пульп, а також емпіричні залежності для технологічних показників збагачення стали основою нових технологічних рішень.

Зокрема, запропонована нова схема рудопідготовки (рис. 8), що забезпечує можливість переробки 1000-2100 т/год пісків, щодо пульпи це складає 3500-3900 м3/год при густині (1,144-1,233)Ч103 кг/м3.

За новою схемою рудна пульпа перед знешламленням у гідроциклонах підлягає грохоченню, що дозволило усунути гальмуючу дію крупнокускового матеріалу на розвантаження гідроциклонів і суттєво знизити втрати цінних мінералів зі зливом гідроциклонів. Заміна вертикальних гідроциклонів похилими, установленими під кутом 30° до горизонту (рис. 9), дала можливість здійснити самопливне живлення, що дозволило зменшити кількість насосів на фабриці, витрати на їхнє обслуговування й енерговитрати. Крім того, самопливний спосіб подачі живлення забезпечує постійний тиск і навантаження на вході в гідроциклони, що підвищує стабільність їхньої роботи. Застосування низьконапірних похилих гідроциклонів дозволило також значно збільшити термін служби гідроциклонів та їхніх окремих деталей.

За старою технологією злив контрольних гідроциклонів ГЦ 750 був відвальним продуктом, за новою технологією він направляється на друге контрольне знешламлення в ГЦ 750. Піски гідроциклонів основного і першого контрольного знешламлення надходять до струминних зумпфів D15 м, зливи яких додатково знешламлюють у струминних зумпфах D18 м. Звідси довилучені піски в міру накопичення періодично відкачуються в струминні зумпфи D10 м. Туди ж направляються піски гідроциклонів 2-го контрольного знешламлення. Крупність довилучених пісків трохи менша за крупність рудних пісків, однак вони цілком придатні для збагачення. Струминні зумпфи D18 м дозволяють додатково витягти до 1,5 % цінних мінералів.

Рис. 8. Технологічна схема рудопідготовки

У порівнянні зі старою технологією втрати цінних матеріалів знизилися більш, ніж у 2,5 рази і складають у середньому близько 2 %. Однак при великому розведенні живлення зумпфів (вміст зернистої фракції в живленні не більше 8-10 г/л і вміст твердого в зливі до 2 % при навантаженні по зливу 1300-1400 м3/год) удається знизити втрати цінних мінералів до 0,5-0,6 %.

При статистичній обробці результатів експериментів отримані регресійні залежності, які відображають вплив витрат пульпи, кількості твердого, вмісту глини, тяжких фракцій та конкретного мінералу на вилучення ільменіту, рутилу, циркону та дистену у відходи корпусу дезінтеграції та зливи струминних зумпфів D 18 м:

Y = A0 + A1X1 + A2X2 + A3X3 + A4X4 + A5X5,

де X1, м3/год – навантаження по пульпі; X2, т/год – кількість твердого; X3, % – вміст глини; X4, % – вміст важкої фракції; X5, % – послідовно вміст циркону, рутилу, ільменіту та дистену; R – коефіцієнт множинної кореляції; F – критерій Фішера.

Відповідні значення коефіцієнтів регресії наведені в таблицях 1 і 2.

Таблиця 1

Відходи відділення дезінтеграції

А0 А1Ч102 А2 А3 А4 А5 R2 F

-0,209 -0,017 0,009 0,0005 0,568 1,407 0,78 6,4

-1,165 -0,023 0,01 0,012 0,043 5,063 0,832 8,92

-1,711 -0,03 0,012 0,02 1,494 -1,349 0,891 14,72

4,538 -0,015 0,008 -0,045 -0,467 4,121 0,902 16,61

Таблиця 2

Зливи струминних зумпфів D18 м

А0 А1Ч102 А2 А3 А4 А5 R2 F

-0,569 0,05 -0,005 -0,003 0,707 4,898 0,75 5,41

0,825 0,02 0 -0,012 -0,602 10,5 0,454 37,70

5,319 0,038 -0,006 -0,059 -0,535 3,037 0,822 8,39

3,679 0,016 0 -0,043 0,945 -0,483 0,936 26,44

З переходом на нову технологію покращився режим роботи гідротранспорту, у результаті чого його продуктивність зросла в 1,7 разу, витрати електроенергії знизилися з 4,03 кВтЧгод/т до 3,53 кВтЧгод/т, витрати води знизилися з 4,4 м3/т до 3,2 м3/т.

У зв'язку зі зменшенням вмісту цінних компонентів у рудній сировині для збереження продуктивності комбінату за кінцевими продуктами необхідно збільшувати обсяги переробки пісків. Для збільшення обсягу переробки рудних пісків у 1,6 рази (до 12-14 млн. т/рік) без залучення значних коштів запропоновано основну концентрацію розділити на два самостійні цикли – основний і промпродуктовий (рис. 10). Основний цикл працює на свіжому живленні, живленням промпродуктового циклу є промпродукти основної та промпродуктової концентрації, а також відходи перечищувальної концентрації. Чорнові концентрати обох циклів підлягають перечищувальній концентрації за звичайною технологією.

Нова технологія первинного збагачення дозволила вивести близько 50 % вихідного матеріалу у відходи, що при збільшенні обсягу переробки пісків зменшило обсяг пульпи, що перекачується. У результаті спожита потужність знизилася на 400 кВт. При використанні конусних сепараторів, що вивільнилися, для довилучення в окремому циклі цінних мінералів з відходів ступінь вилучення підвищується на 1-2 %.

Висока ефективність технології переробки титан-цирконових розсипів повинна бути підтверджена як показниками переробки пісків, так і показниками, що характеризують енергоспоживання при веденні гірничих робіт і збагаченні мінералів.

У зв'язку з цим розроблена підсистема енергозбереження технологій переробки розсипів на ВДГМК на основі прийнятої концепції та програми енергозбереження, яка свідчить про якісну зміну енергетичної політики комбінату. Як узагальнений критерій ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів при розробці та реалізації програми прийнята енергоємність продукції, яка розраховується по переділах і на кінцеву продукцію, а першочергові заходи щодо енергозбереження включають:

- впровадження автоматизованих систем обліку та регулювання витрат паливно-енергетичних ресурсів;

- зменшення втрат енергоносіїв і тепла;

- зменшення втрат електроенергії;

- організаційно-технічні заходи.

Проблема раціонального використання електроенергії на ВДГМК має першорядну важливість, тому що частка електроенергії в загальному споживанні комбінатом паливно-енергетичних ресурсів дуже велика й у перспективі буде збільшуватися, а тарифи на електроенергію постійно зростають. При цьому особливе значення мають організаційно-технічні заходи, оскільки вони не вимагають капітальних витрат і здатні дати швидкий і значний ефект.

До перспективних заходів щодо енергозбереження відносяться утилізація вторинних енергетичних ресурсів, а також упровадження прогресивних енергозберігаючих процесів, технологій та устаткування. Максимальне використання вторинних енергетичних ресурсів дозволяє значно зменшити витрати енергоносіїв та істотно поліпшити як умови праці працівників комбінату, так і стан навколишнього середовища в регіоні.

До вторинних енергетичних ресурсів відносяться, насамперед, гази теплотехнічних агрегатів, що відходять і мають високу температуру. Для деяких агрегатів доцільна поетапна організація рекуперації тепла газів, що відходять, з поступовим доведенням ступеня рекуперації до максимально можливого.

Важливим заходом, що забезпечує енергозбереження, є компенсація реактивної потужності. Така задача в роботі була поставлена і розв'язана для ВДГМК, що дозволило дати суттєву економію при споживанні електроенергії.

Джерелом електричної енергії для такого великого споживача, яким є ВДГМК, є енергетична система, причому система електропостачання ВДГМК має з нею велику кількість ліній зв'язку. З одного боку, це дає переваги щодо надійності електропостачання та якості електричної енергії. З іншого боку, призводить до виникнення значних утруднень, тому що виконувати вимоги щодо компенсації реактивної потужності необхідно по кожній лінії зв'язку, а її основні джерела зосереджені тільки на гірничих машинах і насосних станціях.

Оптимізація режимів роботи системи електропостачання ВДГМК з напруги та реактивної потужності здійснена з використанням двох характерних моделей

, ,

де З(Q), З(U) – приведені витрати відповідно на оптимізацію режиму з реактивної потужності та напруги;

Umin, Umax – мінімальний і максимальний припустимі рівні напруги в характерних вузлах навантаження;

tgjэ – оптимальне значення коефіцієнта реактивної потужності, задане енергосистемою для часу максимуму активного навантаження.

Перша з моделей визначає раціональний ступінь компенсації реактивних навантажень за умови утримання напруги в припустимих межах. Друга модель була застосована при оцінці оптимального рівня напруги з урахуванням зміни коефіцієнта реактивної потужності в межах, заданих енергосистемою.

Природним доповненням підсистеми енергозбереження технологій переробки розсипів є підсистема забезпечення надійності електропостачання.

Надійність електропостачання визначається схильністю елементів мережі до пошкодження та якістю роботи пристроїв релейного захисту. Визначальний вплив на схильність електричних мереж та їхніх елементів до пошкоджень справляє рівень внутрішніх перенапруг, який для мереж з повністю ізольованою нейтраллю в режимі дугового замикання на землю складає 4,5 UФ, тобто є дуже високим, що призводить до частих ушкоджень. А перехідні процеси, які виникають при замиканні на землю, негативно впливають на якість роботи пристроїв захисту від замикань на землю.

За показниками електробезпечності, забезпеченості захистом від однофазних замикань на землю та якості їхньої роботи, надійності електропостачання й економічності найкращим для розподільних мереж кар'єрів є режим роботи нейтралі з накладенням додаткової активної складової на струм замикання на землю. Такий режим роботи нейтралі дозволяє скоротити тривалість перехідних процесів і суттєво зменшити кратність перенапруг.

При оцінці економічності мереж з компенсованою нейтраллю відзначено, що такі мережі вимагають додаткових капітальних витрат на дугопогашуючі реактори, пристрої для їхнього підключення і засоби автоматичного настроювання. Що стосується експлуатаційних витрат, то за рахунок меншої схильності до пошкоджень вони значно менше, ніж у мережах з повністю ізольованою нейтраллю. Крім того, запаси електричної міцності ізоляції відносно до перенапруг при резонансній настройці пристрою, що компенсує, і при незначних розладженнях компенсації в електричних мережах збільшуються до 30%. Таким чином, результати досліджень свідчать про необхідність відмовлення від використання електричних мереж з повністю ізольованою нейтраллю, а раціональність застосування мереж з компенсованою нейтраллю чи з резистором у нейтралі залежить від конкретних умов проведення гірничих робіт на кар'єрах.

Установлено, що найнижчий рівень надійності відповідає мережам з повністю ізольованою нейтраллю, а також мережам з компенсованою нейтраллю при розладженнях компенсації на 20 % і більше від резонансної.

Внутрішні перенапруги виникають унаслідок зміни режиму роботи електричних ланцюгів, що містять індуктивність та ємність. Прикладами таких змін режиму є включення під напругу розімкнутої на кінці лінії; відключення працюючих вхолосту ЛЕП з великою ємністю або трансформаторів асинхронних двигунів; однофазні замикання на землю в мережах з незаземленою нейтраллю.

На підставі викладеного вище при удосконаленні пристроїв захисту від замикань на землю, рекомендовано:

- встановлювати в мережах тільки такі пристрої захисту, які працездатні при тому режимі роботи нейтралі, який застосовується;

- для захисту від подвійних замикань на землю при використанні в живильних і розподільних мережах спрямованих пристроїв захисту від однофазних замикань на землю, що реагують на струм і напругу нульової послідовності, установлювати додатковий токовий захист, що реагує на струм нульової послідовності.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій визначаються коректністю постановок задач, що розв'язувались; відповідністю розроблених моделей з відносною похибкою, що не перевищує 15%, результатам експериментальних досліджень процесів згущення, розділяння й зневоднення рудних пульп; використанням апробованих методів гідродинаміки гетерогенних середовищ і відомих експериментально-аналітичних залежностей показників збагачення мінеральної сировини, а також підтверджуються позитивними результатами промислових іспитів.

ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій розв'язана актуальна науково-прикладна проблема обґрунтування параметрів динамічно погоджених технологій переробки титан-цирконових розсипів на основі моделювання процесів згущення, розділяння та зневоднення рудних пульп, що має важливе народногосподарське значення.

Основні наукові й практичні результати дисертаційної роботи такі:

1. Розроблена гідродинамічна модель процесу згущення рудної пульпи для нестаціонарних режимів роботи згущуючих лійок і з деякими обмеженнями струминних зумпфів. Отримані залежності для визначення швидкості ковзання часток з урахуванням їхніх розмірів, концентрації та температури рідини, що дозволило оцінити концентрацію твердої фракції в зливі.

2. Побудовані нестаціонарні одношарова й двошарова модель нерівномірного плину рудної пульпи по поверхні конусного сепаратора. Виконані розрахунки гідродинамічних параметрів плину в залежності від початкової концентрації, швидкості й товщини шару пульпи. На основі моделі двошарового плину отримана лінеаризована система рівнянь, яка дозволяє оцінити стійкість плину при збуренні початкових параметрів і розрахувати коефіцієнти підсилення для вихідних параметрів.

3. Запропонована нестаціонарна гідродинамічна модель зневоднення рудних пульп на стрічковому вакуум-фільтрі, яка враховує коливання подачі пульпи. При цьому визначені універсальна залежність висоти лінії депресії в ущільненому шарі від часу й шляху просування по стрічці; залежність часу фільтрації ущільненого шару й довжини стрічки, необхідної для повної фільтрації ущільненого шару, від температури, початкової товщини шару й перепаду тиску.

4. Розроблені динамічні моделі дозволяють погодити роботу різних апаратів у послідовному технологічному ланцюзі і тим самим підвищити стабільність показників збагачення.

5. Технологічне випробування й експериментальні дослідження гідродинамічних процесів при згущенні, зневодненні й розділянні рудних пульп проведені на збагачувальній фабриці ВДГМК. Отримані умови відсутності гідравлічних стрибків і зіткнень струменів над розвантажувальним отвором конусного сепаратора. Регресійні залежності технологічних параметрів, що характеризують режими роботи струминних зумпфів, конусних сепараторів і стрічкових вакуум-фільтрів, підтвердили адекватність розроблених моделей.

6. Проведений моніторинг виявив нерівномірність енергоспоживання підрозділами комбінату, що стало