НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ім. М.С. Полякова

ШЕВЧЕНКО Олександр Іванович

УДК [622.75:621.928:532.5](043.3)

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ЗМИВУ

ПРОДУКТІВ ЗБАГАЧЕННЯ З ОДНОЧАСНИМ ОЧИЩЕННЯМ

ОБОРОТНОЇ ВОДИ

05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (ІГТМ НАН України)

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Туркенич Олександр Михайлович,

Національний гірничий університет України

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Сокіл Олександр Михайлович,

товариство з обмеженою відповідальністю

"Завод цирконових вогнетривів",

голова ради директорів

(м. Вільногірськ)

кандидат технічних наук

Гарковенко Євген Євгенович,

управління по якості вугілля

Державного підприємства "Донецьквугілля",

начальник управління

(м. Донецьк)

Провідне підприємство: Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

кафедра збагачення корисних копалин

(м. Донецьк)

Захист відбудеться "17" жовтня 2003 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-А, факс (056) 462426.

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

Автореферат розісланий 15 вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Переробка мінеральної сировини включає використання методів збагачення з застосуванням води. Характерною рисою технологічної схеми є велика кількість устаткування: грохоти, сепаратори, де технологічні потоки реалізуються під дією води, яка подається з необхідною для даних умов швидкістю із змивних пристроїв. При цьому ефективність збагачення визначається стабільністю процесів змиву продуктів збагачення, вплив яких істотний для режимів роботи збагачувальних апаратів.

Необхідною умовою нормальної роботи збагачувального устаткування є безупинний рух води в його робочій зоні, тому номінальний режим змиву продуктів збагачення визначається мінімально необхідною для даних технологічних умов кількістю води, стабільністю її витрат і потрібною швидкістю подачі.

Оптимальні показники збагачення можуть бути досягнуті при подачі в робочу зону устаткування чистої технічної води. Однак, з огляду на її дефіцит, на збагачувальних фабриках використовують оборотну воду, у якій, як відомо, містяться дрібні, 0-1 мм, і великі, більш 1 мм, тверді частки. Наявність дрібних часток даремно збільшує навантаження на збагачувальні машини по твердому від 15 до 60 %, що в значній мірі погіршує показники збагачення.

Присутність в оборотній воді великих часток, здатних засмітити і перекрити робочу зону устаткування, виконану у вигляді вузьких зазорів, приводить до порушення технологічних процесів і, як результат, погіршенню показників збагачення.

Існуючі в даний час технічні рішення не дозволяють виконувати перераховані вимоги, а також не забезпечують захист робочої зони збагачувальних машин від засмічення твердими частками.

Витрати на очищення і ремонт устаткування підвищують вартість кінцевої продукції збагачувальних підприємств. Зниження подібних витрат можливе за рахунок удосконалення як основних так і підготовчих, а також допоміжних процесів, що забезпечують захист збагачувальних апаратів від засмічення і підвищення ефективності їхньої роботи. Це особливо важливо для збагачувальних машин, робоча зона яких виконана у вигляді вузьких зазорів. Серед основних вимог до впровадження нових технологій, що вирішують ці задачі, істотне значення мають мінімум енерговитрат, надійність і економічність.

Широкомасштабні дослідження в цьому напрямку здійснюються в інститутах "Механобрчермет" (м. Кривий Ріг), "Гіпромашвуглезбагачення" (м. Луганськ), "УкрНДІвуглезбагачення" (м. Луганськ), "Гіпромашзбагачення" (м. Дніпропетровськ), Донецькому національному технічному університеті, Національному гірничому університеті України, Інституті геотехнічної механіки НАН України та інших. Завдяки роботам ведучих вчених створені технології і наукові основи нових методів і засобів збагачення корисних копалин.

Однак, у даний час для процесів змиву продуктів збагачення, що є обов'язковим елементом технологічної схеми, відсутні методи розрахунку границь зони стійких режимів роботи, що суттєво, тому що для цих процесів характерні нестабільні режими плину води. Це приводить до експлуатації устаткування в неномінальних режимах, знижує ефективність використання і показники збагачення.

Тому встановлення закономірностей плину оборотної води й умов викиду з неї твердих часток у процесах змиву продуктів збагачення, а також обґрунтування параметрів цих процесів, що дозволяють стабілізувати режими роботи технологічного устаткування і підвищити ефективність технологій збагачення мінеральної сировини, є актуальною науково-практичною задачею, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках державних бюджетних тем: НАН України 1.3.5.34 "Дослідити ефективні методи і засоби класифікації мінеральної сировини при плівковому плині пульпи", по проблемі 3.2.2 "Розробка й удосконалювання теорії і методів збагачення корисних копалин" і Державного фонду фундаментальних досліджень ДКНТ України 4/231 "Викид твердих часток з тонкого шару рідини через її відкриту поверхню", по проблемі 4 "Наукові основи нових перспективних технологій".

Ідея роботи полягає у використанні відцентрових сил для забезпечення безвідривності плину оборотної води з твердими частками по увігнутій конусоподібній рифленій робочій поверхні при збільшенні його швидкості, що дозволяє інтенсифікувати процес змиву продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води.

Метою роботи є підвищення ефективності технологій збагачення за рахунок вибору й обґрунтування параметрів процесу змиву продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води на основі встановлених закономірностей плину води та умов викиду з неї твердих часток.

Для досягнення даної мети поставлені і вирішені наступні задачі.

1.Експериментально визначити закономірності плину води по увігнутій конусоподібній рифленій робочій поверхні і викиду з неї твердих часток.

2. Установити залежності товщини і швидкості потоку води, а також умови викиду часток від режиму її плину і геометрії робочої поверхні.

3. Розробити моделі плину води і кінетики викиду з неї твердих часток.

4. Визначити технологічні і конструктивні параметри пристрою, що забезпечують підвищення ефективності процесу змиву продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води.

5. Провести експериментальні дослідження для оцінки ефективності процесу змиву продуктів збагачення і визначення вірогідності теоретичних залежностей.

6. Розробити методику розрахунку технологічних і конструктивних параметрів нового змивного пристрою і впровадити результати роботи.

Об'єкт дослідження - процес змиву продуктів збагачення.

Предмет дослідження - параметри і стабільність режимів змиву.

Наукове значення роботи полягає в розробці моделей плину оборотної води з твердими частками по увігнутій конусоподібній рифленій робочій поверхні і кінетики викиду з неї часток; у встановленні границь зони безвідривних від робочої поверхні режимів плину води в змивному пристрої; в обґрунтованому виборі технічних рішень, що забезпечують ефективний змив продуктів збагачення.

Наукові положення, що виносяться автором на захист.

1. При течії води по увігнутої конусоподібній рифленій робочий поверхні товщина потоку змінюється по експоненціальному закону, а безвідривний режим плину води за цих умов забезпечується при числі Вебера менше його встановленого критичного значення, що визначає границю порушення безвідривності плину (We < Weкр, де Weкр = 8090).

2. Досягнення необхідної енергії для викиду часток крупністю + 0,6 мм забезпечується при наступних умовах: швидкість бігу води більше 10 м/с; товщина її на сході з робочої поверхні порівнянна з розміром часток; відношення кроку рифлень до їхньої глибини в діапазоні 3,8 - 4,2 і відношення діаметра частки до глибини рифлень 0,6 - 1,0.

3. Швидкість частки після удару об робочу поверхню, нормальна до вільної поверхні рідини, залежить від швидкості плину води в першому ступені і радіуса кривизни утворюючої робочої поверхні в п'ятому ступеню.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тім, що:

- уперше встановлені закономірності плину води по увігнутій конусоподібній рифленій поверхні і розроблена модель, яка описує формування і зміну товщини шару води по довжині цієї поверхні, що дозволило визначити параметри потоку, які забезпечують досягнення необхідної швидкості плину води, при якій ефективно реалізуються змив продуктів збагачення і очищення оборотної води від твердих часток;

- уперше досліджено викид твердих часток з потоку води уздовж указаної поверхні і встановлені його закономірності, при цьому гранична крупність часток, що викидаються, знижена до 0,6 мм, тобто більше ніж у два рази в порівнянні з відомими пристроями;

- уперше розроблено опис кінетики очищення оборотної води від твердих часток при її плині уздовж увігнутої конусоподібної рифленої поверхні;

- обґрунтовано умови безвідривних режимів плину оборотної води уздовж зазначеної поверхні.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому що:

- розроблено спосіб і пристрій для його реалізації, які дозволяють формувати циліндричний струмінь води у виді тонкошарового потоку заданої товщини з замкнутою відкритою поверхнею і з необхідною швидкістю подавати його на змив продуктів збагачення, одночасно очищаючи оборотну воду від твердих часток;

- розроблена і впроваджена методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів нового змивного пристрою, що забезпечують безвідривні режими плину води і інтенсифікацію процесу змиву продуктів збагачення;

- розроблені і впроваджені рекомендації з вибору й обґрунтування гідродинамічних параметрів процесів подачі води в робочу зону збагачувального устаткування.

Реалізація результатів роботи. Методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів змивного пристрою, що забезпечує безвідривні режими плину води й інтенсифікацію процесів змиву продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води і рекомендації з вибору й обґрунтуванню гідродинамічних параметрів процесів подачі води в робочу зону збагачувального устаткування передані в інститути "УкрНДІвуглезбагачення" (м. Дніпропетровськ), "Гіпромашзбагаченення" (м. Дніпропетровськ), "Гіпромашвуглезбагачування" (м. Луганськ), науково-виробничій фірмі "Магнітні і гідравлічні технології" (м. Дніпропетровськ), а також на ЦЗФ "Павлоградська", "Жовтнева" і "Чумаківська", де використовуються для удосконалювання існуючих і проектування нових схем збагачення мінеральної сировини. Очікуваний економічний ефект від упровадження результатів дисертаційної роботи складає 186184 грн/рік.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати, що містяться в дисертації, доповідалися й одержали схвалення на: наукових семінарах ІГТМ НАН України; науково-практичної конференції "Машини і технології гірничого виробництва" (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); конференції "Геотехнічні і геомеханічні проблеми розробки родовищ" (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); науковому симпозіумі "Тиждень гірника - 2003" (м. Москва, 2003 р.); Третій Промисловій конференції з міжнародною участю "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах" (с. Славське, 2003 р.); на виробничо-технічних нарадах фахівців ЦЗФ "Павлоградська", Полтавського ГЗКа і НКГЗКу.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 14 наукових працях, у тому числі 9 у наукових спеціалізованих виданнях і одне позитивне рішення за заявкою на передбачуваний винахід.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 147 найменувань. Робота містить 228 с., з них 148 основного тексту, ілюстрованого 47 малюнками з приведенням 9 таблиць і 26 додатків.

Особистий внесок. Автором дисертації визначена мета, ідея роботи, поставлені задачі досліджень, сформульовані наукові положення, висновки, рекомендації, проаналізовані й узагальнені результати теоретичних досліджень і експериментальних іспитів. Експериментальні дослідження виконані при безпосередній участі автора. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод, який включає експериментальні дослідження в лабораторних і промислових умовах, а також теоретичні дослідження процесів змиву продуктів збагачення. Використані апробовані методи гідродинаміки гетерогенних середовищ, а також стандартні методи й устаткування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

На основі аналізу існуючих способів подачі води встановлено, що для підвищення ефективності процесу змиву необхідно забезпечити:

1) надійну подачу потоку води заданої товщини з потрібною швидкістю при мінімально можливих для даних технологічних умов її витратах;

2) малий гідравлічний опір при плині води;

3) очищення води від часток, що містяться в ній.

Для виконання цих вимог у роботі запропоновано спосіб формування всього обсягу подаваної води у вигляді тонкошарового потоку заданої товщини і з необхідною швидкістю за рахунок розтікання циліндричного струменя уздовж увігнутої конусоподібної рифленої робочої поверхні змивного пристрою. У цьому випадку вода на усьому своєму шляху має відкриту поверхню і не проходить через вузькі зазори, що запобігає засміченню пристрою великими частками.

Плин рідини по увігнутій поверхні може здійснюватися з потрібними швидкостями без відриву потоку, тому що утримання рідини в цьому випадку досягається за рахунок відцентрових сил, що притискають потік до поверхні. Частки, рухаючись в такому криволінійному потоці, зіштовхуються багаторазово з цією поверхнею, відкидаються до відкритої поверхні рідини і за умови, що кінетична енергія частки, отримана за рахунок удару, перевищує роботу, затрачувану на утворення нової між фазової поверхні, залишають рідину - реалізується процес очищення оборотної води.

Для підвищення ефективності очищення рідини на увігнутій конусоподібної поверхні нанесені рифлення - горизонтальні кільцеві канавки, розташовані поперек струму води. При зіткненні зі стінками канавок відбувається викид часток з потоку рідини.

Область експериментальних досліджень обмежена наступними конструктивними параметрами змивного пристрою: радіус основи Rосн = 40-75 мм, висота H = 50-140 мм; радіус кривизни утворюючої конусоподібної поверхні R = 50-500 мм. Нижні значення цих параметрів обумовлені мінімальною довжиною робочої поверхні, необхідної для рівномірного формування всього обсягу подаваної води шаром заданої товщини, а верхні - можливостями розміщення пристрою в робочій зоні збагачувального устаткування.

Серед режимних параметрів змивних пристроїв, що визначають ефективність їхньої роботи, найбільш важливими є товщина д і швидкість потоку u подаваної води. Тому, важливо мати можливість визначення u і д у будь-якому перетині робочої поверхні і, особливо, знати їх значення на сході з конусоподібної поверхні.

Через складність рішення поставленої задачі аналітично, був застосований експериментальний метод досліджень з наступним регресивним аналізом отриманих даних.

На підставі цих результатів встановлено, що залежність товщини шару води в крапці, що знаходиться на відстані L від вершини конусоподібної поверхні, може бути апроксимована однією з таких функцій (моделей):

; (1)

; (2)

(3)

Вибір функції зроблений на основі методу найменших квадратів.

Перевага віддана моделі (1), що з обліком отриманих у результаті обробки коефіцієнтів k1 і k2, буде мати такий вид:

, k1= 0,1048 , L= [м], (4)

0 = dн/2,

де 0 - початкова товщина потоку; dн - діаметр трубопроводу, з якого вода подається на увігнуту конусоподібну рифлену робочу поверхню.

Порівняння експериментальних і розрахункових значень показало, що відхилення між ними складає не більш 5 % з довірчою імовірністю 0,95.

При відомій товщині потоку швидкість плину рідини можна знайти по формулі:

, (5)

де Q - витрата води.

Залежності (4)-(5) дозволяють визначити параметри потоку, забезпечуючих очищення рідини від часток, що містяться в ній, основна маса яких викидається в результаті удару об рифлення. Тому необхідно знати раціональні параметри рифлень.

Експерименти по дослідженню викиду часток показали, що викид часток мінімальної крупності реалізується в наступній області безрозмірних параметрів:

де S і h - відповідно крок і глибина рифлень; - діаметр частки.

Тому вивчення викиду часток виконано з урахуванням цих обмежень.

Як відомо, гранична крупність часток, що викидаються, залежить від швидкості плину рідини по робочій поверхні. Чим вище швидкість, тим більше активні сили, і, отже, більш дрібні частки викидаються з рідини. Нижня гранична крупність визначається граничною швидкістю, при якій відбувається відрив рідини від робочої поверхні.

Інтенсивність відриву рідини характеризується відносною масовою продуктивністю

(6)

де m - маса струменів і крапель, що утворилися в одиницю часу; M - масова продуктивність рідини, що плинує з трубопроводу.

Як критерій, що визначає процес відриву крапель і струменів, прийняте число Вебера We.

(7)

(8)

де u0 - середня швидкість витікання води з трубопроводу; і - відповідно щільність води і поверхневий натяг; л - масштаб довжини; g - прискорення вільного падіння.

У результаті обробки експериментальних даних отримана залежність m* = f(We), яка представлена на рис. 1.

Залежність m* = f(We) апроксимується кусочно-лінійною функцією:

m*= -1,86+4,64·10-4 We, при 4000< We=5000, (9)

m*= -2, 76+6,44·10-4 We, при 5000< We=8100, (10)

m*= -5,864·102+7,27·10-2 We, при 8100< We=8500. (11)

При варіюванні числа We у трьох зазначених інтервалах відносні масові витрати змінюються в наступних межах:

0 < m* = 0,46; 0,46 < m* = 2,456; 2,456< m* = 31,55.

Рис. 1 Залежність відносних масових витрат від числа Вебера

З графіка видно, що m* = 0 при We<4530. Далі m* незначно зростає, а при We > 8090 починається стрімке збільшення m*. Число Wekp = 8090 назване критичним. Знайдене критичне значення числа Вебера залишається практично постійним при 50 = R = 500 мм.

Отримані залежності (9)-(11) дозволяють по припустимому m* знайти граничне значення числа We. Це дає можливість з формул (7) і (8) визначити граничну швидкість.

Для розв'язуваної задачі застосування увігнутої конусоподібної рифленої поверхні дозволило збільшити граничну швидкість до 14 м/с, тобто більш ніж у два рази в порівнянні з відомими пристроями. Такий підхід разом з вибором раціональних параметрів рифлень: глибина западин дорівнює 0,6 мм, крок виступів - 3,8 мм, забезпечили зниження граничної крупності часток, що викидаються, до 0,6 мм.

Дослідження з очищення оборотної води від твердих часток виконані в лабораторії інституту при наступних умовах.

Оскільки в практиці збагачення корисних копалин приходиться зіштовхуватися із сировиною, фізико-механічні якості і гранулометричний склад яких змінюється в надзвичайно широких межах, проведення експерименту на даному етапі з урахуванням особливостей розмаїтості сировини не представляється можливим. Однак, приймаючи до уваги те, що головною метою при створенні моделі кінетики очищення оборотної води є розкриття механізму викиду часток, роботи виконані на модельній суміші. У якості такої був застосований кварц крупністю -2 + 0,315 мм. Вміст твердого у воді складав до 20 %. Витрати регулювалися в діапазоні від 0 до 18 м3/г.

В обраній області досліджень експериментально встановлені закономірності викиду часток з потоку води в залежності від параметрів режиму її плину і геометрії змивного пристрою. Ці результати використовувались при описі викиду часток.

При розробці моделі кінетики очищення води за основу прийнятий відомий метод математичного моделювання викиду часток з тонкого шару рідини в результаті удару об абсолютно пружну плоску поверхню, для якого була отримана формула, що дозволяє з огляду на діаметр частки, товщину і швидкість потоку, фізичні властивості рідини і частки, знайти імовірність витягу часток у злив

(12 )

(13)

де і - відповідно початкова і кінцева кількість часток в одиниці об'єму рідини; - відносна кінетична енергія частки до рівноважної кінетичної енергії; - емпіричний коефіцієнт; - нормальна складова швидкості зустрічі частки з вільною поверхнею; - нормальна складова швидкості частки, що вилетіла з рідини; - рівноважна швидкість - швидкість частки при який її кінетична енергія дорівнює роботі утворення нової між фазової поверхні.

Для викиду частки необхідно, щоб

> +. (14)

Якщо нерівність не виконується, то всі частки залишаються в рідині

= 1, при < +. (15)

Ці обмеження відбиті у формулі для визначення Рзл .

У даному випадку викид часток розглядається як процес, що проходить у результаті перетворення швидкості потоку води у швидкість частки, яку вона має після удару об поверхню змивного пристрою. Прийнято допущення: зміна функції, що описує профіль робочої поверхні на інтервалі, рівному кроку виступів, мала; початковий перетин частка проходить на нескінченно малій відстані від вершини виступу; стійкий режим плину води по увігнутій конусоподібній рифленій поверхні забезпечується при числі Вебера менше його критичного значення (We < Weкр, де Weкр = 8090).

Під час плину води уздовж конусоподібної поверхні викид часток відбувається в такий спосіб. При зустрічі струменя, що виходить із трубопроводу, з поверхнею змивного пристрою частки викидаються з потоку в результаті їхнього удару об конічну гладку частину робочої поверхню. Далі, при плині рідини по рифленнях, частки залишають рідину внаслідок зіткнення з ними. І, нарешті, при стіканні рідини з робочої поверхні потік відхиляється до вертикалі, що також викликає викид часток.

Імовірність того, що частка залишається в рідині після удару чи відхилення потоку, позначимо через Рі. Індексу і, у залежності від механізму викиду, будемо додавати такі значення:

а) при ударах об конічну гладку частину робочої поверхні і = 0;

б) при ударах об рифлення і змінюється від 1 до N, де N - кількість рифлень;

в) при стіканні рідини з робочої поверхні і = N + 1.

Відомо, що при послідовному проведенні операції імовірність кінцевої дії визначається по формулі:

(16)

Тут кінцева дія оцінюється імовірністю того, що частки залишаються в зливі.

Прийняті допущення дозволили розробити наступну систему рівнянь для кінетики викиду твердих часток:

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

Р = 1 – Рзл , (22)

де q - питома продуктивність.

Рівняння (17) - (19) описують зміну товщини і середньої швидкості uі потоку змивної води по довжині L робочої поверхні, а рівняння (20) - (22) характеризують зміну імовірності викиду часток по довжині робочої поверхні.

Для визначення емпіричного коефіцієнта кі у вираженні (20) проведено зіставлення експериментальних розподілів сумарних мас викинутих часток по довжині робочої поверхні з розрахунковими значеннями імовірностей викиду, отриманих при різних значеннях кі. Ті значення кі, при яких досягнута мінімальна сума квадратичних відхилень, прийняті за шукані значення.

Результати обробки показали, що кі є функцією uі і Rі (рис. 2). Щоб підкреслити цей факт, кі названий функцією перетворення швидкості потоку води у швидкість частки після удару (далі функція перетворення швидкості).

Рисунок 2 якісно відбиває функцію перетворення швидкості. Параметром тут є радіус кривизни Rі. На графіку можна виділити чотири зони, границями яких є лінії О0С0, О1С1, О2С2 і О3С3. При малих швидкостях у зоні між віссю абсцис і лінією О0С0 викид часток не відбувається. В інтервалі швидкостей між О0С0 і О1С1 викид нестабільний і малоефективний.

При швидкостях, що лежать правіше лінії О1С1 відбувається стійкий процес викиду часток. Тому функція перетворення швидкості апроксимувалася тільки справа від цієї лінії.

Встановлено, що функція перетворення швидкості в зоні 1 (О1С1- О2С2) описується вираженням:

(23)

де і - шукані функції від R.

У зоні 2 (О2С2 - О3С3) кі представлено в такому виді:

кi = + (24)

де і - шукані функції від R.

Функції а1(R), , а2(R) і - представлені у виді розкладань по поліномах Чебишева pі(R) і з урахуванням коефіцієнтів цих розкладань функції а1, b1, а2 і b2 обчислюють по формулах:

а1= 1,0702р0+ 0,66765 р10,29896 р2+0,114348 р3-3,482810-2 р4+7,9510-3 р5; (25)

Рис. 2 Функція перетворення швидкості

b1= 0,71758 р00,30337 р1+0,11689 р24,12910-2 р3+1,12910-2 р41,6710-3 р5; (26)

а2= 0,48241 р0+0,12014 р18,0410-3 р2+4,0610-4 р3+2,67910-4 р4; (27)

b2 = 15,9210-3 р03,7310-3 р1+3,6510-4 р25,7510-5 р3; (28)

р0(R*) = 1; (29)

р1 = R*; (30)

р2 = R*2 - 4; (31)

р3 = R*3 – 7R*; (32)

р4 = (33)

р5 = (34)

(35)

де р0 , р1 , р2 , р3 , р4 , р5 - поліноми Чебишева; - середнє значення аргументу; h0 - крок базових крапок, що визначають рівновіддалені значення аргументу; N - кількість базових крапок.

Для розрахунків було прийнято = 275 мм, h0 = 75 мм, N = 7.

Границі О1С1, О2С2 і О3С3 застосування моделей (23) і (24) описуються:

к = 1,884 + 0,688 ui;

u1 = 9 м/с;

u2 = 18 м/с.

Розроблена модель кінетики викиду часток дозволяє визначити параметри потоку рідини і змивного пристрою, які забезпечують ефективне очищення оборотної води від твердих часток, що містяться в ній.

Дослідження процесу очищення води на моделі показали, що вона якісно правильно відбиває особливості експериментальних кривих видалення. Точність математичної моделі залежить від радіуса кривизни робочої поверхні. Найбільша точність досягається при 100 R 200 мм. У цьому випадку розрахункові витяги не виходять за межі довірчих інтервалів (Р0 = 0,95) експериментальних кривих.

За межами зазначеної області значень R точність моделі зменшується і розрахункові витяги на окремих ділянках по довжині зони викиду виходять за межі довірчих інтервалів, при цьому відхилення не перевищують 20 %.

Чисельні експерименти, проведені з використанням математичної моделі кінетики очищення оборотної води, дозволили одержати залежності витягу е з рідини часток заданої крупності від радіуса кривизни R конусоподібного тіла і швидкості витікання u0 рідини з насадки. Результати обчислень приведені на рис. 3, де відбиті лінії рівного видалення, отримані при максимально можливій довжині L робочої поверхні для даного R.

Рис. 3 Лінії рівного витягу часток з рідини

Досліджена область обмежена праворуч швидкістю, при якій починається інтенсивний відрив рідини від робочої поверхні. Границею зверху є Rmax = 500 мм, вибір якого обумовлений граничними можливостями розміщення пристрою в робочій зоні збагачувального устаткування. З графіків (див. рис. 3) видно, що найбільші значення витягів складають 88 ± 0,5 % у всьому інтервалі швидкостей.

Зі збільшенням швидкості витікання рідини від 6 до 14 м/с максимум витягу зміщається убік великих радіусів, тобто від 100 до 200 мм. З зазначеного можна зробити висновок про існування двох раціональних областей використання конусного змивного пристрою.

Одна з них знаходиться в інтервалах малих значень u0 і R. У цьому випадку при високому витягу реалізується мала продуктивність. Така особливість важлива при створенні пристроїв, призначених для видалення продуктів збагачення з робочої поверхні технологічного устаткування, наприклад, змив магнітного продукту з матриць роторних магнітних сепараторів.

Друга область лежить в інтервалі великих значень u0 і R. Працювати в цій

області випливає тоді, коли разом з високим витягом потрібно велика продуктивність. Такі вимоги мають місце при дезинтеграції матеріалу (бризкала грохотів, класифікація).

Отримані результати дозволяють у залежності від технологічної задачі визначити радіус кривизни робочої поверхні і швидкість подачі на неї води, які забезпечать досягнення заданих параметрів витягу часток і змиву продуктів збагачення.

Формули (17) – (24) описують залежності товщини і швидкості потоку води від геометричних параметрів робочої поверхні і витрати води, а також закономірності викиду часток з потоку рідини. З обліком цих залежностей спроектований і виготовлений конусний змивний пристрій, що має параметри, регульовані в інтервалах, які забезпечують досягнення оптимальних технологічних показників.

Експериментальні дослідження проводилися в технологічних схемах:

- на ЦЗФ " Павлоградська" при переробці вугілля у вузлах промивання продуктів збагачення на гідрогуркотах і відмивання магнетиту при регенерації суспензії;

- в інституті "Гіпромашзбагачення" при переробці лежаних відходів збагачення у вузлі мокрого підготовчого гуркотіння;

- в інституті геотехнічної механіки НАН України при переробці тонкозернистих слабомагнітних руд для змиву магнітного продукту в роторних магнітних сепараторах.

У ході проведення іспитів отримані наступні результати.

При переробці вугілля використання пристроїв у вузлах промивання продуктів збагачення на гідрогуркотах і відмивання магнетиту при регенерації суспензії дозволило:

- знизити вміст твердої фази в оборотній воді, що надходить на гідрогуркіт, за рахунок її очищення і тим самим зменшити на 5-6 % навантаження на гуркіт по твердому;

- зменшити на 5-6 % засмічення надрешетного продукту гідрогуркоту тонкими класами твердої фази, що міститься в оборотній воді;

- знизити втрати магнетиту з продуктами збагачення, у середньому, на 0,2 кг/т;

- за рахунок повного видалення змивними пристроями часток крупніше 1 мм усунути порушення технологічного процесу.

При переробці лежаних відходів збагачення використання пристроїв у вузлі мокрого підготовчого гуркотіння дозволило:

- забезпечити збільшення виходу концентрату, у середньому, на 2 %;

- усунути порушення технологічного процесу через засмічення вихідних отворів бризкав великими частками, які містяться в оборотній воді, що дозволяє підвищити надійність, довговічність і економічність роботи як віброгуркотів, так і високоградієнтних магнітних сепараторів.

При дослідженнях визначені раціональні режими роботи пристрою для змиву магнітного продукту. Далі, у цій області вивчено вплив швидкості подачі води і її витрати. Оскільки задачею випробувань ставилося досягнення максимальної ефективності змиву магнітного продукту з мінімальною витратою змивної води, експериментально досліджена залежність виходу змитого магнітного продукту від витрат змивної води і діаметра насадки.

Встановлено, що використання пристрою для змиву магнітного продукту дозволяє якісно змивати осілий на феромагнітних пластинах магнітний продукт. При діаметрах насадки d рівних 20 і 27 мм і в діапазоні витрат Q = 10-15 м3/год вихід магнітного продукту складає 85-95 %. Витрати води знижені практично в два рази в порівнянні з відомими змивними пристроями. При цьому, як показали дослідження, забезпечується повне видалення зі змивної води часток крупніше 1 мм.

На основі отриманих результатів були розроблені "Методика розрахунку пристрою для змиву магнітного продукту з одночасним очищенням змивної води від сторонніх включень", "Рекомендації з використання пристрою для промивання продуктів збагачення на гідрогуркотах, відмивання магнетиту при регенерації суспензії і змиву магнітного продукту в роторних магнітних сепараторах" і "Рекомендації з використання пристрою для додаткової дезинтеграцї матеріалу при переробці лежалих відходів збагачення", що впроваджені в інститутах "УкрНДІвуглезбагачення" (м. Луганськ), "Гіпромашзбагачення" (м. Дніпропетровськ), "Гіпромашвуглезбагачення" (м. Луганськ), науково-виробничій фірмі "Магнітні і гідравлічні технології" (м. Дніпропетровськ), де використовуються для вдосконалювання існуючих і проектування нових схем збагачення мінеральної сировини.

Розроблені спосіб і пристрій для його реалізації, що дозволяють ефективно здійснювати змив продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води впроваджені на ЦЗФ "Павлоградська", "Жовтнева" і "Чумаківська".

Очікуваний річний економічний ефект від упровадження конусних змивних пристроїв складе:

- при використанні у вузлах промивання продуктів збагачення на гідрогуркотах і відмивання магнетиту при регенерації суспензії на ЦЗФ "Павлоградська", "Жовтнева" і "Чумаківська" - 74142 грн;

- при використанні для додаткової дезинтеграцї матеріалу при переробці лежалих відходів збагачення - 84570 грн;

- при використанні на сепараторі 6ЭРМ-35/315 - 27472 грн на один сепаратор.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій визначаються коректністю постановки розв'язуваних задач, відповідністю розроблених моделей реальним умовам, використанням апробованих методів гідродинаміки гетерогенних середовищ і підтверджується позитивними результатами промислових іспитів.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішена актуальна науково-практична задача обґрунтування параметрів процесу змиву продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води на основі встановлених залежностей товщини і швидкості потоку при русі гідросуміші по поверхні обертання з криволінійною утворюючою від режиму подачі, а також закономірностей викиду твердих часток з турбулентного потоку при сумірності розмірів часток і товщини потоку, що дозволяє стабілізувати режими роботи збагачувального устаткування і підвищити ефективність технологій збагачення мінеральної сировини.

При виконанні роботи отримані наступні наукові висновки і практичні результати:

1. Уперше визначено вплив параметрів потоку подаваної змивної води і геометрії змивного пристрою з увігнутою конусоподібною рифленою робочою поверхнею на товщину шару і швидкість її потоку при плині уздовж цієї поверхні. Уперше досліджено викид часток з води при її плині уздовж вищевказаної поверхні і вивчені його закономірності. Встановлено, що використання увігнутої конусоподібної рифленої робочої поверхні забезпечує можливість зниження граничної крупності часток, що викидаються, до 0,6 мм, тобто більш ніж у два рази в порівнянні з відомими пристроями.

2. Уперше розроблена модель, яка описує формування потоку води і зміну його товщини по довжині увігнутої конусоподібної рифленої робочої поверхні, що дозволило визначити параметри потоку, що забезпечують досягнення необхідної швидкості плину води, при якій ефективно реалізуються змив продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води. Уперше розроблено математичний опис кінетики очищення води від твердих часток при її плині уздовж увігнутої конусоподібної рифленої поверхні.

3. Визначені й обґрунтовані параметри процесу змиву і пристрою для його реалізації, що забезпечують ефективний змив продуктів збагачування з одночасним очищенням оборотної води.

4. На основі отриманих результатів розроблений експериментальний змивний пристрій, іспити якого показали, що його використання дозволяє:

· у вузлах промивання продуктів збагачення на гідрогуркотах і відмивання магнетиту при регенерації суспензії – знизити навантаження на гуркіт по твердому; підвищити якість надрешетного продукту гідрогуркоту; знизити втрати магнетиту з продуктами збагачення;

· у вузлі мокрого підготовчого гуркотіння при переробці лежаних відходів збагачення – збільшити вихід концентрату за рахунок додаткової дезинтеграцї матеріалу, що переробляється, і знизити в 10-12 разів імовірність порушення технологічного процесу через засмічення бризкав твердими частками;

· на роторних магнітних сепараторах – знизити в два рази витрати змивної води; підвищити ефективність видалення магнітного продукту і зменшити в 5-7 разів імовірність засмічення зазорів між феромагнітними пластинами твердими частками, що значно збільшує надійність, довговічність і економічність роботи сепараторів. Це особливо актуально для КГЗКОРа, де встановлено 120 сепараторів 6 ЭРМ-35/315.

5. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблені методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів змивного пристрою, що забезпечують стійкі режими плину води і інтенсифікацію процесів змиву продуктів збагачення з одночасним очищенням оборотної води та рекомендації з вибору й обґрунтування гідродинамічних параметрів процесів подачі води в робочу зону збагачувального обладнання, що передані в інститути "УкрНДІвуглезбагачення" (м. Дніпропетровськ), "Гіпромашзбагачення" (м. Дніпропетровськ), "Гіпромашвуглезбагачення" (м. Луганськ), науково-виробничій фірмі "Магнітні і гідравлічні технології" (м. Дніпропетровськ), а також на ЦЗФ "Павлоградська", "Жовтнева" і "Чумаківська", де використовуються для вдосконалювання існуючих і проектування нових схем збагачення мінеральної сировини.

Очікуваний економічний ефект від упровадження результатів дисертаційної роботи складає 186184 грн/рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ,

ЩО ВІДОБРАЖАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шевченко А.И. Снижение граничной крупности пленочной классификации тонкозернистых материалов путем совершенствования профиля рабочей поверхности // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 1997. - Вып.3. - С. 184-186.

2. Лапшин Е.С., Шевченко А.И. Экспериментальное определение предельной скорости подачи питания на конусообразную вогнутую рифленую рабочую поверхность пленочного классификатора // Геотехническая механика: Сб. научн. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск. – 1998. Вып. 4. – С. 146-149.

3.Туркенич А.М., Шевченко А.И. Устройство нового типа для смыва магнитного продукта в роторных магнитных сепараторах // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. НГУ – Дніпропетровськ, 1998. - Вип.1 (42). - С. 91-94.

4. Лапшин Е.С., Шевченко А.И. Экспериментальное исследование кинетики очистки оборотной воды в устройстве для смыва магнитного продукта с зубчатых пластин сепаратора // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 1998. - Вып.6. - С. 138-143.

5. Лапшин Е.С., Шевченко А.И. Математическое описание кинетики очистки оборотной воды в устройстве для смыва магнитного продукта с зубчатых пластин роторного сепаратора // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 1998. - Вып.6. - С. 143-150.

6. Лапшин Е.С., Шевченко А.И. Экспериментальное исследование пленочного течения жидкости в устройстве для смыва магнитного продукта с зубчатых пластин роторного сепаратора // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 1998. – Вып. 7. - С. 120-125.

7. Полулях А.Д., Шевченко А.И. Устройство для промывки продуктов обогащения на гидрогрохотах и отмывки магнетита при регенерации суспензии // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2000. - Вып.23. - С. 151- 156.

8. Руденко В.А., Шевченко А.И. Устройство для дополнительной дезинтеграции материала при переработке лежалых отходов обогащения // Материалы научно-практической конференции “Машины и технологии горного производства”, 30-31 октября 2002, г. Днепропетровск - Вибрации в технике и технологиях: Всеукраїнський науково - технічний журнал. - Вінниця, 2002. - Вип. 5 (26). – С. 63-66.

9. Шевченко А. И. Методика расчета конусного смывного устройства // Материалы конференции “Геотехнические и геомеханические проблемы переработки месторождений”, 12 ноября 2002, г. Днепропетровск - Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2002. - Вып.36. - С. 209-218.

10. Шевченко А. И. Оценка эффективности работы конусного смывного устройства // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2003. - Вып. 41. - С. 152 - 159.

11. Шевченко А.И. Гидродинамическая очистка оборотной воды // Материалы научного симпозиума “Неделя горняка 2003”, 27-31 января 2003, г. Москва. – М.: “Недра”, 2003. –С. 203.

12. Шевченко А.И. Обоснование рациональных режимов течения воды и конструктивных параметров в конусном смывном устройстве // Материалы Третьей Промышленной конференции с международным участием “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, 24-28 февраля 2003, п. Славское, Карпаты. – К.: УИЦ “Наука. Техника. Технология”, 2003. – С. 188.

13. Положительное решение по заявке 4950782/03. Устройство гидравлической пленочной классификации / В.Н. Потураев, А.М. Туркенич, Е.С. Лапшин, А.И. Шевченко // № 055041 от 27.06.91

14. Гидравлический пленочный конусообразный классификатор / В.Н. Потураев, А.М. Туркенич, Е.С. Лапшин, А.И. Шевченко. – Деп. ВИНИТИ. Днепропетровск, Деп. № 4281-В91. – 1991. – 17 с.

Особистий внесок автора у роботи, які опубліковані у співавторстві: [4, 6, 13, 14] - участь в експериментах, аналіз результатів; [3,5] - виконання теоретичних досліджень; [2, 7,8] - виконання експериментальних досліджень та аналіз отриманих результатів.

АНОТАЦІЯ

Шевченко О.І.