МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Гарус Валерій Костянтинович

УДК 622.742

Удосконалення технології тонкого грохотіння

вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул

Спеціальність 05.15.08 - “Збагачення корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному та проектно-

конструкторському інституті по збагаченню та брикетуванню вугілля „Укрндівуглезбагачення” (м. Луганськ), Міністерство палива та енергетики України.

Науковій керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Полулях Олександр Данилович,

начальник Придніпровської лабораторії удосконалення

технології збагачення вугілля Західного Донбасу та

Львівсько-Волинського басейну інституту

Укрндівуглезбагачення (м. Дніпропетровськ),

Міністерство палива та енергетики України.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Блюсс Борис Олександрович,

завідувач відділу геодинамічних систем і вібраційних

технологій інституту геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ);

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ширяєв Андрій Андрійович,

завідувач лабораторії збагачення корисних копалин ВАТ „Укрекологія” (м. Кривий Ріг).

Провідна установа - Донецький державний технічний університет, кафедра

збагачення корисних копалин, Міністерство освіти і

науки України.

Захист відбудеться 03.12.2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ - 27, проспект К.Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпро-петровськ, проспект К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий 02.11.2004 р.

Вченій секретар

спеціалізованої вченої ради

Д.08.080.02, канд. техн. наук, доцент В.В. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв’язку із збільшенням питомої частки вугілля Західного Донбасу на багатьох фабриках погіршились показники роботи флотації, що призвело до збільшення втрат горючої маси з рідинними відходами. Тому ефективна переробка вугільних шламів є одною з важливіших задач, вирішення якої дозволить поліпшити технологію вуглезбагачення за рахунок зниження втрат палива у складі відходів, підвищення виходу корисних компонентів і зниження скиду відходів в мулонакопичувач. Залучення в корисну продукцію забалансових шламів мулонакопичувачів і необхідність обробки шламів, що містять мул, вимагають застосування пристроїв більш точної класифікації шламів на зернисту і мулисту складові при зниженні граничної крупності розділення до 0,08...0,1 мм. Класифікація цих шламів по вказаній крупності супроводжується “залипанням” щілин сит гідратною складовою. Особливо це має місто при збагачені вугілля Західного Донбасу. Для очищення щілин сит застосовуються ударні пристрої, широке використовування яких стримується низкою надійністю системи „ударник-сито-елементи кріплення сита”. Це пов'язано з відсутністю методів розрахунку ударних пристроїв, які враховують взаємозв'язок реологічних властивостей структурованої вугільної суспензії і інтенсивності зовнішнього динамічного навантаження. У зв'язку з цим встановлення теоретичних закономірностей виникнення, повзучості, пластичної течії і руйнування концентрованих дисперсних структур, розробка класифікаційного обладнання з врахуванням реологічних властивостей вихідного матеріалу та удосконалення технології тонкого грохотіння вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул, є актуальною науково-практичною задачею.

Дисертаційна робота виконана відповідно тематичного плану науково-дослідних робіт інституту "Укрндівуглезбагачення" за програмою „Відходи” (постанова Кабінету Міністрів України № 1314 від 10.10.2001 р.) по темі “Створити високочастотний грохот для розділення шламу по крупності” (номер держреєстрації 0103U007165), у якій автор визначив особливості розподілу по крупності вугільних шламів на сіючих поверхнях з різними амплітудно-частотними характеристиками, і науково-технічній роботі “Удосконалити технологію класифікації шламових продуктів з використанням конусних грохотів ГК-8М на ГЗФ “Луганська” (номер реєстрації інституту „Укрндівуглезбагачення” 23201-051), у котрій автор встановив режимні параметри технології тонкого грохотіння вугільних шламів з використанням конусного грохота ГК-8М у промислових умовах.

Метою роботи є усунення „залипання” щілин сит для підвищення ефективності тонкого грохотіння вугільних шламів, що містять мул.

Для досягнення мети в дисертації сформульовані і вирішені наступні задачі досліджень:

1) обґрунтування і вибір форми ситової поверхні для тонкого грохотіння вугільних шламів;

2) розробка реологічної моделі структурованої вугільної суспензії, що містить мул, і побудова її повної реологічної кривої;

3) визначення реологічних властивостей висококонцентрованих вугільних суспензій і їх деформаційних характеристик при різних способах навантаження;

4) дослідження умов ефективного руйнування висококонцентрованих вугільних суспензій і розробка пристрою для очищення щілин сит;

5) обґрунтовування параметрів конічного грохоту для тонкої класифікації вугільних шламів;

6) розробка технології тонкого грохотіння вугільних шламів на підставі використання конічного ударного грохота;

7) апробація технології тонкого грохотіння вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул, у промислових умовах.

Ідея роботи полягає в використані для руйнування гідратної складової структурованої вугільної суспензії у міжколосниковому просторі ситової поверхні високошвидкісного динамічного навантаження, що враховує реологічні особливості вихідного матеріалу.

Об'єкт досліджень - технологія грохотіння зернистих матеріалів.

Предмет досліджень - технологія тонкого грохотіння вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул.

Методи досліджень. При виконанні досліджень застосовувались такі методи: аналітичний - для моделювання кінетики грохотіння на конічній сіючий поверхні; структурного моделювання - для синтезу фундаментальних реологічних властивостей висококонцентрованої вугільної суспензії, що містить мул; механіки твердого тіла - для дослідження закономірностей поведінки вугільної суспензії, що містить мул, при дії зовнішнього навантаження; теорії коливань - для дослідження динаміки ударного пристрою при очищенні щілин сита; експериментальний метод - для визначення деформаційних властивостей структурованої вугільної суспензії і дослідження ефективності удосконаленої технології тонкого грохотіння вугільних шламів, що містять мул, у промислових умовах.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) одержано удосконалене рівняння кінетики грохотіння, на основі якого обґрунтована перевага застосування конічної сіючої поверхні для тонкого грохотіння вугільних шламів;

2) вперше експериментально досліджені реологічні властивості структурованої суспензії вугілля Західного Донбасу, що містить мул, і одержані її повні реологічні криві для вмісту твердого від 500 до 1000 г/л, що дозволило встановити умови створення, повзучості, пластичної течії і руйнування концентрованих дисперсних структур та реологічні константи матеріалу;

3) вперше розроблена реологічна модель висококонцентрованої суспензії вугілля Західного Донбасу, яка ураховує зміцнення структури матеріалу та лінійність його деформаційної характеристики в області пластичної течії, що дозволяє адекватно описувати його напружено-деформований стан;

4) встановлені нові залежності міцності структурованої вугільної суспензії від вмісту твердого компоненту, що дозволило встановити допустимі напруги, при котрих суспензія зберігає тривкість незруйнованої структури;

5) вперше сформульовано умови руйнування структурованої вугільної суспензії в міжколосниковому просторі ситової поверхні та вирішена задача забез-печення необхідного рівня динамічного навантаження колоїдного дисперсного матеріалу, на підставі якого розроблена методика розрахунку ударного пристрою для очищення сит.

На підставі отриманих наукових результатів сформульовані наступні наукові положення:

1) причиною „залипання” щілин сит при тонкому грохотінні вугільної суспензії, що містить мул, є структурування її глинистою складовою, яка характеризується сильно вираженими в'язко-пружно-пластичними властивостями, що виявляються при вмісті твердого вище 500 г/л;

2) для структурованої вугільної суспензії залежність, як між напругою і деформацією, так і між напругою і швидкістю деформації в області пластичної течії має лінійний характер, що відповідає реологічному в'язко-пружно-пластичному тілу з пластичним елементом, що зміцнюється.

Достовірність одержаних результатів підтверджується достатнім об'ємом і збіжністю теоретичних і експериментальних даних, а також позитивними результатами промислової апробації розроблених технологій і пристроїв для тонкої класифікації вугільних шламів.

Практичне значення результатів роботи полягає:

1) в розробленій методиці розрахунку ударного пристрою для очищення щілин сит при їх “залипанні” гідратною складовою, яка враховує залежність реологічних властивостей структурованої вугільної суспензії, що містить мул, від інтенсивності прикладеної напруги;

2) в промисловому упровадженні технології тонкого грохотіння за допомогою конусного грохоту ГК-8М з пристроєм для очищення сит на ГЗФ “Луганська” з економічним ефектом понад 480 тис. грн./рік.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і задач досліджень, обґрунтовуванні наукових положень, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, розробці реологічної моделі структурованої вугільної суспензії, що містить мул, розробці динамічної і конструктивної схем ударного пристрою для очищення сит, розробці методики розрахунку ударного пристрою. Експериментальні дослідження проводилися при безпосередній участі автора.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації докладалися і обговорювалися на науково-технічних нарадах ДХК “Луганськвугілля” (м. Луганськ, 1998-2003 рр.), засіданнях Вченої поради “Укрндівуг-лезбагачення” (м. Луганськ, 1997-2003 рр.), науково-практичній конференції “Проблеми і особливості збагачення вугілля Західного Донбасу і Львівсько-Волинського басейну (м. Дніпропетровськ, 14-16 березня 2000 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Техніка і технологія тонкодисперсного грохотіння і ресурсозберігаючої технології збагачення корисних копалин на порозі третього тисячоліття” (селище Білосарайська Коса Донецької обл., 26-28 травня 2000 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Збагачення-2000” (м. Санкт-Петербург, 5-9 червня 2000 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Сучасний стан і стратегія розвитку високоефективних технологій переробки мінеральної сировини” (селище Білосарайська Коса Донецької обл., 25-27 травня 2001 р.), ХIV міжнародному конгресі із збагачення вугілля (11-15 березня 2002 р.,

м. Сендтон, ЮАР), V міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні тенденції інтенсифікації технологічних процесів переробки корисних копалин” (м. Маріуполь, 24-26 травня 2002 р.), VI міжнародній науково-практичній конференції із збагачення корисних копалин (м. Маріуполь, 22-25 травня 2003 р.), науково-практичній конференції “Технологія збагачення корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, 20-21 листопада 2003 р.), VII міжнародній науково-практичній конференції із збагачення корисних копалин (м. Маріуполь, 27-30 травня 2004 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 7 наукових робіт, у тому числі: 6 наукових статей в фахових виданнях та одна монографія (в співавторстві).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел на 7 сторінках, додатку на 11 сторінках; загальний обсяг дисертації - 129 сторінок комп’ютерного тексту, у тому числі 25 рисунків, 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, об'єкт, предмет і ідея роботи, наукова новизна і основні результати, приведені наукові положення, які захищаються, а також дані про апробацію і публікацію результатів досліджень.

В першому розділі на основі аналізу стану переробки рідких відходів вуглезбагачення акцентована увага на вплив вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул, на ефективність основних і допоміжних процесів вуглезбагачувальних фабрик. Показано, що клас 0,5-1,0 мм цих шламів представлений, в основному, вугільними частинками зольністю 5-6%, клас 0,08-0,5 мм - сумішшю низькозольних вугільних зерен і глинистих частинок загальної зольністю 15-20%, а клас 0-0,08 мм - породною глинистою фракцією зольністю 60-70%. В зв’язку з цим, пропонується в основу збагачення шламів павлоградського вугілля покласти ситове розділення по граничній крупності 0,08-0,1 мм. Ефективне розділення по вказаній крупності на існуючому устаткуванні неможливе. Це пов'язано з “залипанням” щілин сита гідратною складовою вугільних суспензій, які містять мул, що приводить до істотного зниження показників розділення. Вирішення проблеми “залипання” передбачає необхідність вивчення властивостей висококонцентрованої вугільної суспензії, що знаходиться в щілинах сита у вигляді гідратного шару. Дані практики свідчать, що закономірності появи, умов стійкості і руйнування структури дисперсної колоїдної системи визначаються залежністю між реологічними характеристиками матеріалу і інтенсивністю зовнішніх механічних дій. Тому напружено-деформований стан матеріалу може бути дослідженим методами реології.

У зв’язку з цим в роботі виконано аналіз пристроїв для очищення сит при їх “залипанні” та умов тонкого грохотіння на сіючих поверхнях різної форми і встановлено їх вплив на ефективність розподілу. Показано, що за інших рівних умов класифікація на конічній сіючий поверхні може мати переваги в порівнянні з іншими формами сит.

Для запобігання “залипання” сит гідратною складовою вугільних суспензій, що містять мул, найбільш ефективні пристрої ударного очищення. Проте вони не застосовуються в конструкціях конічних грохотів. Важкі умови роботи пристроїв, що простукують, і їх невисока надійність стримують їх широке розповсюдження. Ударні механізми не піддаються регулюванню і проектуються без урахування особливостей властивостей матеріалу, що є причиною “залипання” сит.

В результаті виконаного аналізу сформульовані актуальність та суть науково-практичної задачі роботи, мета, задачі та методи досліджень.

В другому розділі для рішення першої задачі досліджень розглянуті особливості процесу грохотіння на конічній сіючий поверхні, для якої одержано рівняння кінетики грохотіння:

де w - маса зерен нижнього класу, що знаходяться на ситі у момент часу t; k - коефіцієнт грохотіння; - відношення радіусів верхнього і нижнього підстав конічного сита; t1 - повний час транспортування матеріалу по ситу.

Другий додаток в квадратних дужках рівняння кінетики грохотіння характеризує накопичення матеріалу на конічному ситі за рахунок утруднення потоку від більшої основи конуса до меншої.

Для вилучення нижнього класу в підситний продукт одержана формула:

з якої видно, що приріст вилучення в порівнянні з плоским ситом характеризується членом ( - 1) t/2t1.

На підставі одержаних результатів для тонкого грохотіння вугільних шламів прийнята конічна форма сіючої поверхні.

При рішенні другої задачі досліджень для опису поведінки висококонцентрованої вугільної суспензії, яка містить мул, під навантаженням запропонована структурна реологічна модель (рис. 1), яка містить пластичний елемент, що зміцнюється, за допомогою якого здійснюється лінеарізація деформаційної характеристики матеріалу в області пластичної в'язкості, що підтверджується експериментальними даними.

Згідно із запропонованою моделлю поведінка матеріалу під навантаження описується системою рівнянь:

е = еу1 + еп; фу1 = фу2 + фп; фу2 = Е2еу2;

еп = еу2 + ев; фу2 = фв; фв = Ке?в;

ф = фу1; фу1 = Е1еу1; фп = Рт + kп

де еу1, еу2, ев, еп, е - відповідно відносні деформації елементів У1, У2, В, П і загальна деформація; фу1, фу2, фв, фп, ф - відповідно напруги зсуву в елементах У1, У2,

В, П і загальна напруга; E1 і E2 - модулі пружності елементів У1 і У2; K - коефіцієнт в'язкості; РТ - напруга зсуву; kп - коефіцієнт пластичності.

Залежність між дотичною напругою і деформацією матеріалу описується наступним рівнянням:

де E = E1(E2 + kП)/(E1 + E2 + kП) - миттєвий модуль пружності; H = kпE1/(E1 + kп) - тривалий модуль пружності; n=K(E1 + E2 + kП)/(E1 + kП)E2 - час релаксації.

Рис. 1. Структурна реологічна модель висококонцентрованої вугільної

суспензії, яка містить мул.

Для природної початкової умови, що характеризує відсутність деформації в'язкого елемента, одержано вираз для деформації при довільній зміні напруги:

де ео - початкова деформація; t = И - момент часу прикладення навантаження.

З метою дослідження ефективності механічної дії на зміну структурно-реологічних властивостей висококонцентрованої вугільної суспензії, яка містить мул, розглянута поведінка в'язко-пружно-пластичного матеріалу при різних способах його навантаження: при постійному навантаженні і рівномірно зростаючому навантаженні, миттєвому знятті прикладеного навантаження і прикладанні імпульсного навантаження, а також напружений стан матеріалу при його деформації і процес релаксації напруг. Встановлено, що максимальна швидкість деформації, яка приводить до руйнування структури матеріалу і його ньютонівської течії, забезпечується при імпульсному навантаженні.

В третьому розділі виконано рішення третьої задачі досліджень. Приведені результати експериментальних досліджень реологічних властивостей павлогра-дских висококонцентрованих вугільних суспензій, які містять мул, з використан-

ням приладів типу крутильного маятника Ребіндера-Вейлера.

На приладі типу крутильного маятника проводилося експериментальне визначення реологічного типу структурованої вугільної суспензії, яка містить мул, і її констант. Було встановлено, що висококонцентрована вугільна суспензія, що містить мул, з вмістом твердого від 500 до 1000 г/л є в'язко-пружно-пластичним реологічним тілом, що характеризується як миттєвим, так і тривалим модулями пружності, а кінцева напруга, яка забезпечує міцність колоїдної структури при вмісті твердого 500-1000 г/л, складає 19-75 Н/м2. При цьому деформаційні властивості матеріалу суттєво залежать від швидкості деформації, а тривкість структури знижується з ростом швидкості деформування і зменшенням вмісту твердої фази. Навантаження структурованої вугільної суспензії, яка містить мул, з вмістом твердого 1100 г/л і більше приводить до розриву суцільності матеріалу, тобто втрати тривких властивостей, при вельми малих швидкостях деформації. Ці результати дозволили сформулювати перше наукове положення і підібрати параметри приладу Ребіндера-Вейлера, що дозволило визначити реологічні константи колоїдного матеріалу з високим ступенем точності.

Вимірювання проводилися при різних швидкостях деформації (опускання столика), внаслідок чого були визначені ділянки повзучості і пластичного руху матеріалу, а також набуті значення граничних напруг зсуву, що характеризують міцність структури матеріалу.

За результатами експериментів побудовані повні реологічні криві для суспензії з різним вмістом твердої фази (рис. 2). На графіку точками показані експериментальні значення, а суцільними лініями – відповідні їм теоретичні модельні криві, параметри яких розраховані на підставі графічної обробки експериментів по методиці П.А. Ребіндера.

Рис. 2. Повні реологічні криві для висококонцентрованої вугільної суспензії,

яка містить мул, з вмістом твердого: 1 - 500 г/л; 2 - 600 г/л; 3 - 700 г/л; 4 - 800 г/л; 5 - 900 г/л; 6 - 1000 г/л.

Одержані експериментальні криві мають S-образний характер. На першій стадії, що відповідає малим деформаціям, відбувається повільна течія з незначним руйнуванням структури висококонцентрованої суспензії. На цій ділянці дотичні до кривих мають невеликий кут нахилу до осі ф. Ця ділянка відповідає максимуму ефективної в'язкості суспензії.

Із збільшенням напруг зсуву ефективна в'язкість суспензії починає різко знижуватися після досягнення межі текучості, що відповідає частковому руйнуванню структури матеріалу і характеризується стадією пластичної течії. На графіках цієї стадії відповідають прямолінійні ділянки кривих з максимальним значенням тангенсів кутів нахилу дотичних до осі напруг.

При подальшому зростанні напруг зсуву ефективна в'язкість зменшується до мінімального значення, відповідного в'язкості ньютонівської рідини, і подальший перебіг матеріалу відбувається за законом руху ньютонівської рідини, що ілюструється на графіках пунктирними прямими.

З аналізу залежностей, наведених на рис. 2, слідує, що для більш концентрованих суспензій кожна подальша стадія течії починається при більш високих значеннях дотичної напруги.

В результаті експериментальних досліджень на приладі Ребіндера-Вейлера встановлені основні реологічні властивості висококонцентрованих вугільних суспензій в діапазоні вмісту твердої фази 500-1000 г/л і визначені їх реологічні константи (табл. 1).

Ці результати дозволили сформулювати друге наукове положення.

Таблиця 1

Значення модельних реологічних параметрів

висококонцентрованих вугільних суспензій, які містять мул

Реологічні

параметри | Вміст твердого в суспензії, г/л

500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000

Е, Н/м2 | 298 | 332 | 349 | 395 | 560 | 640

Н, Н/м2 | 78 | 84 | 98 | 203 | 260 | 315

Рт, Н/м2 | 3,2 | 5,8 | 9,7 | 15 | 32 | 39

kп, Н/м2 | 169 | 174 | 180 | 211 | 270 | 328

n , с | 245 | 220 | 203 | 164 | 121 | 78

В четвертому розділі, для вирішення четвертої і п’ятої задач досліджень, виконане обґрунтовування параметрів конічного ударного грохоту і розроблена методика розрахунку механізму для ударного очищення сит з урахуванням реологічних властивостей структурованої вугільної суспензії, яка містить мул.

На основі кінетичних залежностей процесу тонкого грохотіння встановлена більша ефективність конічних сит над плоскими ситами при заданій технологічній продуктивності.

На підставі технологічних і конструктивних вимог, що включають умови руйнування структури висококонцентрованої вугільної суспензії, простоти, на-дійності і технологічності ударного пристрою, розроблена структурна динамічна схема ударного пристрою (рис. 3), що складається з ударника масою mу, штовхача масою mт і ситової секції масою mс, встановленою в корпусі грохоту за допомогою пружних зв'язків з жорсткостями с1 і с2. У момент зіткнення ударник має швидкість vо, а в результаті удару штовхач придбає швидкість v1.

Рис. 3. Структурна динамічна схема пристрою для очищення сит.

Розроблена методика розрахунку динаміки ударного пристрою включає визначення амплітудно-частотних характеристик вільних коливань двохмасної системи штовхач-ситова рамка, що відбуваються після зіткнення ударника з штовхачем:

де хс і хт - координати переміщень мас mс і mт .

В результаті рішення рівнянь вільних коливань системи визначені власні частоти коливань штовхача рт і ситової рамки рс, фази коливань і одержані вирази для переміщень і швидкостей мас системи:

Для забезпечення ефективності очищення сит від гідратної складової сформульована умова необхідного рівня навантаження структурованої вугільної суспензії, яка містить мул, у відповідності з якою діюча напруга повинна перевершувати допустиму напругу [ф] збереження міцності незруйнованої структури:

ф > [ф].

З використанням реологічної моделі структурованої вугільної суспензії, яка містить мул, і залежностей для переміщень ситової рамки при коливаннях,

після інтегрування рівняння стану матеріалу, визначений необхідний рівень динамічного навантаження, що забезпечує руйнування структури дисперсного середовища:

де h - товщина сита.

Одержані результати покладені в основу методики розрахунку ударного пристрою для очищення сит, перевагою якої є врахування реологічних властивостей висококонцентрованих вугільних суспензій, які містять мул.

У відповідністю з прийнятою динамічною схемою розроблена конструктивна схема ударного механізму (рис. 4), що складається з маятникового ударника 1, відхиленого з положення рівноваги кулачковим валом 2. Після зіткнення ударника з штовхачем він здійснює вільні затухаючі крутильні коливання навкруги осі 5 підвісу. Штовхач 3 за допомогою гвинтової пружини 6 і гумових пружних зв'язків 7 сполучений з рамкою сита 8. Гвинтова пружина 6 служить також компенсатором щілини між ситом і піддоном 9 для евакуації підситного продукту. В результаті зіткнення двохмасна система “штовхач-ситова рамка” здійснює вільні затухаючі коливання, напрям яких співпадає з віссю штовхача.

Рис. 4. Конструктивна схема ударного механізму.

Запропонований ударний пристрій використаний в конструкції конусного грохоту ГК-8М (рис. 5). Грохот складається зі встановленого в корпусі конічного сита, завантажувального і розвантажувальних пристроїв і пристрою, що простукує. Кут конусності ситової поверхні складає 90°. Із зовнішньої сторони конічного сита розташований пристрій, що простукує, утворений системою валів, які отримують обертання від спеціального приводу. На валах закріплені кулачкові механізми, які відхиляють ударники маятникового типу з положення рівноваги.

Рис. 5. Конусний грохот ГК-8М з ударним механізмом для очищення сит.

В п'ятому розділі, в рамках вирішення шостої і сьомої задач досліджень, приведені методика та результати промислових випробувань технології тонкого грохотіння з використанням грохота ГК-8М на ГЗФ “Луганська” ДХК “Луга-нськвугілля”. Технологічна схема обробки рідких відходів з використанням гро-хоту ГК-8М наведена на рис. 6. В процесі випробувань вивчалися залежності ступеня “залипання” сит в часі від навантаження при класифікації шламів павлогра-

дського вугілля по граничній крупності 0,1 мм з працюючим і відключеним пристроєм, що простукує, а також технологічні показники грохотіння. Встановлено, що при непрацюючому пристрої, який простукує, і навантаженні 180-200 м3/год “зали-

пання” сит найбільш інтенсивне на завантажувальній і розвантажувальній ділянках сита і через 60 хв. роботи грохоту досягає 50%.

Злив ГЦ-1000

Q = 40,0

г = 0,8

A = 58,9

Vп = 750,0

Vв = 678,0

с = 53

Класифікація ГЦ-630

злив Q = 32,0 Q = 8,0 згущ.

г = 6,4 г = 1,6

A = 59,7 A = 55,6

Vп= 670,0 Vп = 80,0

Vв= 617,0 Vв = 70,0

с = 48 с = 100

Грохотіння ГК-8М | Згущення ГЦ-350

-0,1 Q = 28,0 Q = 4,0 +0,1 злив Q = 4,0 Q = 4,0 згущ.

г = 5,6 г = 0,8 г = 0,8 г = 0,8

A = 63,9 A = 30,5 A = 60,1 A = 51,3

Vп= 658,2 Vп = 11,8 Vп = 50,0 Vп= 30,0

Vв= 607,8 Vв = 9,2 Vв = 42,0 Vв= 28,0

с = 42,6 с = 340 с = 80 с = 133

В мулонакопичувач

На зневоднювання ЛОП-15

Рис. 6. Технологічна схема обробки рідких відходів

з використанням грохоту ГК-8М на ГЗФ “Луганська”.

В процесі випробувань питоме навантаження на сито змінювалося від 10 до 50 м3/год·м2.

Підвищення питомого навантаження сприяє зниженню ступеня “залипання” сит. Це пояснюється тим, що більшому навантаженню відповідає більш високий швидкісний натиск струменів в патрубках завантажувального пристрою, що сприяє кращому промиванню щілин сита. Крім того, в цьому випадку збільшується слід падаючого струменя на внутрішній поверхні конічного сита. Використання пристрою, що простукує, дозволяє повністю виключити процес “залипання” сит. Випробування пристрою, що простукує, з частотою

спрацьовування ударного механізму 11, 14, 17 і 20 ударів у хвилину дозволили встановити, що при частоті спрацьовування пристрою 14 і 17 ударів в хвилину “залипання” сит повністю виключено на будь-якому вугіллі і довільному вихідному навантаженні.

Результати технологічних випробувань приведені в табл. 2.

Таблиця 2

Результати технологічних випробувань конусного грохоту ГК-8М

Класи

крупності

мм | Продукти

вихідний | надрешітний | підрешітний

грануло-

метрич-ний

склад | зола,

% | гранулометрич-ний склад, % | зола,

% | гранулометрич-ний склад, % | зола

%

до про-

дукту | до вихід-ного | до про-

дукту | до вихід-ного

+1,0 | - | - | - | - | - | - | - | -

0,5-1,0 | - | - | - | - | - | - | - | -

0,2-0,5 | 2,2 | 3,6 | 31,0 | 1,8 | 2,7 | 0,4 | 0,4 | 7,6

0,1-0,2 | 6,3 | 4,7 | 16,5 | 1,0 | 5,2 | 5,6 | 5,3 | 4,6

-0,1 | 91,5 | 65,7 | 52,5 | 3,0 | 65,7 | 94,0 | 88,5 | 65,7

Разом | 100,0 | 60,5 | 100,0 | 5,8 | 35,7 | 100,0 | 94,2 | 62,0

сс, г/л | 68 | 420 | 65

Q, т/год | 25,9 | 1,5 | 24,4

V, м3/год | 380 | 3,6 | 376,4

Е1, % | 95,0

Е2, % | 78,7

Примітка: Е1 і Е2 - ефективності грохотіння, які обчислені, відповідно, по вилученню одного і двох продуктів.

Випробування підтвердили техніко-економічні параметри, які закладені в технічному завданні. Річний економічний ефект від експлуатації розробленої технології тонкого грохотіння вугільних шламів, що містять мул, на базі грохоту ГК-8М в умовах ГЗФ “Луганська” склав понад 480 тис. грн. за рахунок уловлювання з рідких відходів, що скидаються в мулонакопичувач, 1,5-2 т/год продукту зольністю 27,9-35,7%.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій отримане рішення актуальної науково-практичної задачі встановлення теоретичних закономірностей виникнення, повзучості, пластичної течії і руйнування концентрованих дисперсних структур, розробки класифікаційного обладнання з врахуванням реологічних властивостей вихідного матеріалу та удосконалення технології тонкого

грохотіння вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул, яке полягає в моделюванні структурованої вугільної суспензії як в’язко-пружно-пластичного тіла і визначенні умов ефективного руйнування її структури, обґрунтовуванні параметрів конічних ударних грохотів і розробці технологічних рішень по підвищенню ефективності тонкого грохотіння вугільних шламів, що дозволило понизити втрати горючої маси з рідкими відходами вуглезбагачення за рахунок виділення з них зернистої вугільної складової.

Найбільш важливі науково-практичні результати, висновки і рекомендації полягають в наступному:

1. В даний час у зв'язку із зменшенням відведення земель під складування рідких відходів вуглезбагачення, необхідності збільшення об'єму діючих і будівництва нових мулонакопичувачів не втрачає актуальності проблема зменшення скидання в мулонакопичувачі твердого матеріалу. В 2002 р. по Україні скид твердого матеріалу у мулонакопичувачі склав 3,0-4,28 млн.т із зольністю 60-75%, що відповідає відведенню приблизно 100 га землі в рік.

Аналіз гранулометричного складу рідких відходів вуглезбагачення показує, що при крупності розділення 0,16 мм можливі отримання близько 69,5 тис. тонн додаткових енергетичних концентратів. Проте можливість сучасного класифікаційного устаткування не дозволяє це здійснити через “залипання” отворів сит гідратними структурованими складовими висококонцентрованих вугільних суспензій, що містять мул.

2. Грохотіння на конічній сіючий поверхні за інших рівних умов ефективніше, ніж на плоскій, за рахунок ефекту стискання шару надситного матеріалу. Кінетика грохотіння на конічному ситі характеризується параметром рівним відношенню радіусів верхньої і нижньої основ конічного сита, що є також мірою підвищення вилучення в порівнянні з плоским ситом. Рівняння кінетики використано для розрахунку параметрів конічного сита.

3. “Залипання” щілин сита грохоту при тонкій класифікації шламів, що містять мул, обумовлене утворенням гідратних оболонок, які в обмежених умовах щілин сита мають властивості неньютонівської в'язко-пружно-пластичної рідини, що характеризується лінійною залежністю напруги від деформації і швидкості деформації в області пластичної течії.

4. Розроблена реологічна модель висококонцентрованої вугільної суспензії, яка містить мул, і досліджені її деформаційні характеристики при різних способах навантаження. Експериментально досліджені реологічні властивості висококонцентрованих вугільних суспензії, які містять мул, побудовані їх повні реологічні криві в діапазоні вмісту твердого від 500 до 1000 г/л. Деформаційні властивості висококонцентрованої вугільної суспензії, яка містить мул, істотно залежать від швидкості деформації, причому міцність колоїдної структури шламу знижується із зростанням швидкості деформації і зниження вмісту твердої фази.

5. Найбільш ефективне руйнування структури висококонцентрованої ву-гільної суспензії, яка містить мул, відбувається при високошвидкісному, тобто ударному способі навантаження. В результаті дослідження ударного режиму на-вантаження в'язко-пружно-пластичного матеріалу визначені умови руйнування структурованої вугільної суспензії, яка містить мул, і має вміст твердого від 500 до 1000 г/л. Напруга руйнування такої суспензії складає 19-75 Н/м2. При цьому деформаційні властивості матеріалу істотно залежать від швидкості деформації, а міцність структури знижується із зростанням швидкості деформації і зменшенням вмісту твердої фази. На підставі цих даних розроблено методику розрахунку ударного пристрою для очистки щілин сит.

6. З урахуванням кінетичних залежностей процесу тонкого грохотіння встановлена більша ефективність конічних сит над плоскими ситами при заданій технологічній продуктивності, що дозволило обґрунтувати вибір форми сіючої поверхні грохоту.

7. Розроблені динамічна і конструктивна схеми ударного пристрою для періодичного очищення щілин сита. Досліджена динаміка ударного пристрою і обумовлений його дією характер зміни напруг в структурованій вугільній суспензії, яка містить мул. Конструктивна схема пристрою для очищення сит використана в конструкції конусного грохоту ГК-8М.

8. Технологія тонкого грохотіння вугільних шламів, що містять мул, яка розроблена на базі конусного грохоту ГК-8М, успішно пройшла випробування на ГЗФ “Луганська” на операції класифікації рідинних відходів збагачення по граничній крупності 0,1 мм. Економічний ефект від упровадження розробленої технології складає понад 480 тис. грн./рік за рахунок уловлення з рідинних відходів, що скидаються у мулонакопичувач, 1,5-2,0 т/год продукту зольністю 27,9-35,7%.

9. Розроблена технологія рекомендована інститутам „Укрндівуглезбагачення”, „Діпромашвуглезбагачення” та „Південдіпрошахт” для впровадження на збагачувальних фабриках, питома частка вугілля Західного Донбасу на яких більше 20%.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Исследование структурных параметров присадки к питанию дисковых вакуум-фильтров / А.Д. Полулях, В.К. Гарус, С.Н. Ходос, Е.А. Гончаренко // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. НГА України. - 2002. - Вип. 15(56).- С. 116-120.

2. Гарус В.К. Кинетика грохочения на конической просеивающей поверхности // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины, 2002.-Вып. 35. - с. 188-193.

3. Полулях А.Д., Сансиев В.Г., Гарус В.К. Реологическая модель высококонцентрированного илосодержащего угольного шлама // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины, 2003. – Вып. 41.– С. 184-188.

4. Берлин А.М., Сансиев В.Г., Гарус В.К. Применение ударной нагрузки для очистки щелей сита от гидратной составляющей // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. НГУ. - 2003. - Вип. 17(58). - С. 33-38.

5. Полулях А.Д., Сансиев В.Г., Гарус В.К. Исследование реологической модели высококонцентрированного илосодержащего угольного шлама // Вибрации в технике и технологиях. - 2004.- № 1(33). - С. 55-58.

6. Формализация результатов разделительных процессов в углеобогащении / В.К. Гарус, О.В. Грачов, В.Ф. Пожидаев, А.Д. Полулях. - Луганск: ООО “НВФ СТЕК”.- 2003.- 176 с.

7. Полулях А.Д., Сансиев В.Г., Гарус В.К. Экспериментальные исследования деформационных концентрированных угольных шламов // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. НГУ. - 2004. - Вип. 19(60). - С. 97-107.

Особистий внесок автора в роботах, які написані в співавторстві: [1, 3] - формулювання мети, участь в теоретичних дослідженнях, аналіз результатів; [4] - розробка динамічної схеми, теоретичні розробки, аналіз результатів роботи, обґрунтовування конструктивних параметрів грохоту; [5, 6] - виконання теоретичних досліджень; [7] - виконання експериментальних досліджень, обробка результатів та формулювання висновків.

АНОТАЦІЯ

Гарус В.К. Удосконалення технології тонкого грохотіння вугільних шламів Західного Донбасу, що містять мул. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.08 - “Збагачення корисних копалин”. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню процесу тонкого грохотіння вугільних шламів, що містять мул, і вирішує актуальну задачу переробки рідких відходів вуглезбагачення. Складність тонкої ситової класифікації шламів, що містять мул, полягає, перш за все, в “залипанні” щілин сита гідратною складовою.

У дисертації експериментально вивчені реологічні властивості висококонцентрованої вугільної суспензії, яка містить мул, з вугілля Західного Донбасу. Встановлені закономірності освіти, умов стійкості і руйнування структур в концентрованих дисперсних системах, які визначають зв'язок між реологічними характеристиками матеріалу і інтенсивністю зовнішніх механічних дій. Розроблена реологічна модель висококонцентрованої вугільної суспензії, що містить мул, яка має пластичний елемент, що зміцнюється, і адекватно описує напружено-деформований стан матеріалу.

Розроблена методика розрахунку ударного пристрою дозволяє враховувати реологічні властивості структурованої вугільної суспензії, яка містить мул.

Результати досліджень використані при розробці технології тонкого грохотіння на конусному грохоті ГК-8М з пристроєм для очищення сит, впровадження якої ГЗФ “Луганська”, що забезпечило уловлювання з рідинних відходів збагачення, 1,5-2 т/год продукту з зольністю 27,9-35,7%.

Ключові слова: тонке грохотіння, вугільний шлам, що містить мул, реологічна модель, динамічне навантаження, ударний грохот, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Гарус В.К. Совершенствование технологии тонкого грохочения илосодержащих угольных шламов Западного Донбасса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 - “Обогащение полезных ископаемых”. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена исследованию тонкого грохочения илосодержащих угольных шламов и решает актуальную задачу переработки жидких отходов углеобогащения. Сложность тонкой ситовой классификации илосодержащих шламов заключается, прежде всего, в “залипании” щелей сита гидратной составляющей.

Установлено, что “залипание” сита грохота при классификации илосодержащих шламов обусловлено тем, что в стесненных условиях щелей сита угольная суспензия приобретает свойства неньютоновской вязко-упруго-пластической жидкости.

В диссертации экспериментально изучены реологические свойства высококонцентрированной угольных илосодержащей суспензии углей Западного Донбасса. Установлены закономерности образования, условий устойчивости и разрушения структур в концентрированных дисперсных системах, определяющие связь между реологическими характеристиками материала и интенсивностью внешних механических воздействий. Показано, что структурированная илосодержащая угольная суспензия является вязко-упруго-пластическим реологическим телом с линейной зависимостью деформации и скорости деформации от напряжения в области пластической вязкости, причем упругие свойства суспензии характеризуются как мгновенным, так и длительным модулями упругости.

Разработана математическая модель напряженно-деформированного со-стояния структурированного угольного шлама, основанная на представлении вязко-упруго-пластического реологического тела с упрочняющимся пластическим элементом. Идентификация параметров реологической модели позволила установить значения реологических констант илосодержащих суспензий Западного Донбасса в диапазоне содержания твердого от 500 до 1000 г/л. С помощью реологической модели исследовано поведение структурированной суспензии при различных способах нагружения и деформирования. Установлено, что в диапазоне содержания твердого от 500 до 1000 г/л прочность коллоидной структуры характеризуется приложенным напряжением от 19 до 75 Н/м2. Реологическая модель позволяет адекватно описывать поведение структурированного материала на стадиях ползучести и пластического течения.

Основываясь на полученных кинетических зависимостях процесса тонкого грохочения для конической просеивающей поверхности, обосновано преимущество конических сит по сравнению с плоскими и разработана методика расчета гео-метрических параметров конического грохота при заданных технологических показателях.

На основе принятых технологических и конструктивных требований ра-зработана динамическая схема ударного устройства для очистки щелей сита, содержащая инерционный ударник, толкатель и ситовую рамку в упругих связях. Решена задача динамики ударного устройства, включающая в себя рассмотрение свободных колебаний двухмассной системы “толкатель-ситовая рамка” после соударения ударника с толкателем.

Сформулировано условие необходимого уровня нагружения структу-рированной илосодержащей угольной суспензии, в соответствии с которым дей-ствующее напряжение должно превышать допустимое напряжение сохранения

прочности неразрушенной структуры. С использованием реологической модели структурированной илосодержащей угольной суспензии и зависимостей для перемещений ситовой рамки при колебаниях, после интегрирования уравнения состояния материала, определен необходимый уровень динамического нагружения, обеспечивающий разрушение структуры дисперсной среды. Разработанная методика расчета ударного устройства позволяет учитывать реологические свойства структурированной илосодержащей угольной суспензии.

Результаты исследований использованы при разработке технологии тонкого грохочения с использованием конусного грохота ГК-8М с устройством для очистки сит. Установка грохота на ГОФ “Луганская” позволила осуществить классификацию отходов обогащения по граничной крупности 0,1 мм, исключающую “залипание” сит. Усовершенствованная технология тонкого грохочения обеспечивает увеличение выхода концентрата за счет улавливания из жидких отходов, 1,5-2 т/ч продукта зольностью 27,9-35,7%, в результате чего годовой экономический эффект от реализации дополнительно выпускаемого концентрата составит более 480 тис. грн.

Ключевые слова: тонкое грохочение, илосодержащий угольный шлам, реологическая модель, динамическое нагружение, ударный грохот, эффективность.

ANNOTATION

Garus V.К. Improvement of technology thin screening silty coal sludge of Western