Сегрегация мелкозернистых материалов при гравитационном обогащении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.13, кандидат технических наук Васильев, Антон Михайлович

• Васильев, Антон Михайлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Антон Михайлович

Введение.

Глава 1. Обзор работ по изучению сегрегации зернистых материалов в средах различной вязкости при гравитационном обогащении с целью определения направлений исследований.

1.1. Современное состояние изученности процесса сегрегации зернистых материалов.

1.2. Теоретические исследования явления сегрегации при гравитационном обогащении.

1.3. Влияние вязкости пульп на сегрегацию мелкозернистых материалов при гравитационном разделении.

1.4. Выводы.

1.5. Определение направлений исследований.

Глава 2. О некоторых особенностях стесненного падения частиц.

Глава 3. Разработка устройства и метода для исследования процесса сегрегации мелкозернистых материалов в воздушной и водной среде различной вязкости при наложении вертикальных колебаний.

3.1. Конструкция устройства для изучения процесса сегрегации.

3.2. Разработка методики исследования сегрегации зернистых материалов и определения скоростей перемещения разнородных частиц относительно друг друга.

3.3. Разработка устройства для измерения вязкости грубодисперсных пульп.

3.4. Выводы.

Глава 4. Результаты исследований процесса сегрегации частиц различной крупности и плотности, разрыхление которых осуществляется путем наложения вертикальных колебаний.

4.1 Метод определения скорости сегрегации исследуемых частиц.

4.2 Сегрегация частиц по крупности в воздушной среде.

4.3. Сегрегация частиц по плотности в воздушной среде.

4.4. Сегрегация частиц по крупности в водной среде.

4.5. Сегрегации частиц различной плотности в водной среде.

4.6. Влияние вязкости среды на процесс сегрегации.

4.7. Выводы.

Глава 5. Изучение особенностей гравитационного разделения мелких зернистых материалов.

5.1. Концентрационный стол.

5.2. Центробежные концентраторы.

5.3. Винтовые сепараторы.

5.4. Выводы.

Глава 6. Оптимизация схемы гравитационного разделения на винтовых шлюзах в полупромышленных условиях и изучение особенностей сегрегации тяжелых минеральных частиц различной крупности и формы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сегрегация мелкозернистых материалов при гравитационном обогащении»

Гравитационные процессы обогащения в настоящее время являются основными для обогащения многих полезных ископаемых.

К минеральному сырью, перерабатываемому частично или полностью гравитационными технологиями, относятся: уголь, барит, флюорит, касситерит, вольфрамит, шеелит, танталит, золото, серебро, металлы платиновой группы, алмазные, железные, марганцевые и хромовые руды, сульфидные руды цветных металлов, многие техногенные материалы и т.д. При гравитационном разделении не используются токсичные реагенты, этот метод обогащения является экологически чистым и во многих случаях наиболее дешевым из всех существующих. Принципы гравитационного разделения широко используются не только при непосредственном обогащении различных руд и материалов, но и в рудоподготовительных переделах при классификации и обезвоживании продуктов.

Гравитационный метод обогащения получил также распространение и в различных сочетаниях с другими процессами: флотацией, флотогравитацией, магнитной, электрической и рентгенолюминесцентной сепарацией.

Большой вклад в развитие теории и практики гравитационного процесса обогащения внесли Б.В. Кизевальтер, И.М. Верховский, Е.А. Непомнящий, В.А. Олевский, И.И. Блехман, В.Н. Шохин, М.Ф. Аникин, A.M. Базилевский, В.Д. Иванов, A.B. Богданович, А. Таггарт, А. Годэн, Т.Нессе и многие другие.

В двадцатом веке большая часть месторождений наиболее богатых и легкообогатимых руд была отработана, и перед обогатителями остро встала проблема вовлечения в переработку тонковкрапленных руд сложного вещественного состава, что потребовало создания аппаратов и технологий, способных обеспечить эффективное разделение продуктов тонких классов. Кроме того, значительно возросло требования к экологической безопасности технологий переработки руд, обогатительные фабрики переводились на полностью замкнутый водооборот. В этих условиях основным направлением развития гравитационных методов разделения стало теоретическое обоснование и разработка технологий и аппаратов для обогащения мелкозернистых и тонкодисперсных материалов.

Несмотря на богатую историю, теория гравитационного метода обогащения еще далека от завершения, в частности, значительные пробелы имеют место в исследовании процессов сегрегации минеральных частиц по крупности, плотности и форме.

Актуальность работы: Необходимость совершенствования процессов гравитационного обогащения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов обусловлена вовлечением в добычу все более сложных по вещественному составу объектов, а также требованиями по снижению энергоемкости, уменьшению себестоимости переработки сырья и обеспечению экологической чистоты обогатительного передела. Особенно остро стоит проблема вовлечения в переработку мелкозернистых россыпей и тонковкрапленных руд. Практически все известные исследователи гравитационного обогащения отмечают существенное влияние сегрегации на эффективность разделения частиц. Однако до сих пор изучение процесса сегрегации ограничивалось качественными наблюдениями без попыток экспериментального определения интенсивности этого процесса. В таких условиях одним из важнейших направлений развития гравитационных методов обогащения является теоретические и экспериментальные исследования разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов, на базе которых возможна разработка новых высокопроизводительных обогатительных аппаратов и технологических схем, в полной мере учитывающих не только особенности гидравлического разделения, но и эффекты сегрегации.

Основная научная идея работы: Эффективность разделения при гравитационном обогащении непосредственно связано с процессом сегрегации частиц различных минералов; изучение этих процессов позволит определить пути дальнейшего совершенствования и оптимизации работы гравитационных аппаратов и технологических схем.

Цель исследования: повышение эффективности разделения минералов и техногенных продуктов на основе процесса сегрегации по крупности, плотности и форме частиц.

Основные задачи работы:

- выполнить теоретический анализ сил сопротивления при стесненном падении частиц в жидкой среде с выделением сегрегационной составляющей;

- разработать метод и изготовить устройства для изучения процесса сегрегации;

- получить экспериментальные зависимости скорости сегрегации частиц в воздушной и водной средах от различных факторов;

- оценить роль процесса сегрегации при разделении тонкозернистых материалов на различных гравитационных аппаратах;

- на основе полученных экспериментальных данных процесса сегрегации оптимизировать в полупромышленных условиях гравитационную технологическую схему на базе винтовых шлюзов и подтвердить существенное влияние сегрегации частиц на показатели обогащения тонкозернистых материалов в гравитационном переделе.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение силы сегрегационного сопротивления частиц в результате комплексного воздействия факторов (из числа которых наиболее значимые -крупность, плотность и форма частиц, частота колебаний, вязкость среды), определяет скорость движения частиц и является существенным при разделении минеральных зерен гравитационным методом обогащения.

2. Учет сил сегрегационного сопротивления частиц при построении технологических схем на базе винтовых шлюзов обеспечивает улучшение показателей гравитационного обогащения при переработке минерального сырья и техногенных продуктов, в том числе редкометальных россыпей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточно хорошей сходимостью полученных зависимостей с данными экспериментов при проведении лабораторных исследований, широким применением современных математических методов планирования экспериментов, а также тщательной оптимизаций режимов работы аппаратов и схем при полупромышленных испытаниях, использованием современных методов изучения вещественного состава и формы минеральных частиц высокой плотности.

Научная новизна работы:

- выведена формула, отражающая зависимость силы сегрегационного сопротивления от относительного расстояния между частицами при их стесненном падении;

- разработан метод и сконструировано устройство, и выполнены измерения скоростей сегрегации частиц различной крупности, плотности и формы в воздушной и водной средах;

- получены экспериментальные данные позволяют оценить роль процесса сегрегации при обогащении на различных гравитационных аппаратах;

- в полупромышленных условиях на оптимизированной гравитационной технологической схеме на базе винтовых шлюзов показано, что главными факторами, определяющими извлечение тяжелых минералов являются не их гидравлические крупности, а интенсивность их сегрегации, зависящая от крупности, формы и от распределения формы частиц.

Практическая ценность работы:

- разработана методика и устройства изучения процессов сегрегации мелкозернистых материалов с целью определения скорость сегрегации частиц в зависимости от их крупности, плотности и формы, а также от интенсивности их разрыхления;

- установлена во многом определяющая роль сегрегации при разделении мелкозернистых материалов в тонких потоках пульпы, что позволило оптимизировать работу винтовых шлюзов и в целом схемы получения гравитационного концентрата из редкометальных песков, выявить причины дополнительных потерь ценных компонентов, связанных с влиянием формы минеральных зерен;

- разработана технологическая схема обогатительной фабрики на песках Бешпагирского месторождения;

- получены результаты исследований процессов сегрегации будут использованы при разработке новых гравитационных обогатительных аппаратов и технологических схем гравитационного разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и техногенных материалов.

Личный вклад автора:

- постановка целей и задач исследований;

- теоретический анализ сегрегационных сил, действующий на частицы в условиях их стесненного падения;

- проведение на специально разработанной аппаратуре экспериментов по измерению скоростей сегрегации частиц в воздушной и водной среде;

- изучение особенностей сегрегации частиц тяжелых минералов в зависимости от их крупности, плотности и формы при разделении в гравитационных аппаратах и при обогащении мелких песков по оптимизированной замкнутой схеме;

- разработка рекомендаций и технических решений по оптимизации гравитационной технологической схемы.

Реализация результатов работы:

Полученные результаты использованы при проведении полупромышленных испытаний на обогатимость песков месторождения Бешпагир (Тамбовской области) и при разработке технико-экономического обоснования постоянных разведочных кондиций для подсчета запасов титано-циркониевых песков и целесообразности строительства обогатительной фабрики на этом месторождении.

Методы исследования:

При проведении исследований использовались современные методы минералогического, гранулометрического, фазового, пробирного, спектрального, химико-аналитического анализов. В частности, широко использовался полуавтоматический анализатор микроизображенй МОП-Videoplan (ФРГ) в иммерсионной жидкости.

При выполнении исследований применялись математические методы планирования экспериментов, ортогональное центральное рототабельное униформпланирование второго порядка с оценкой значимости коэффициентов при факторах по критерию Стьюдента.

Математическое моделирование процессов сегрегации велось с использованием электронных таблиц Microsoft Excel 7.0.

Апробация работы:

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях студентов и молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2004-2007 гг.), Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии" (Санкт-Петербург, 2004 г.), Молодежной научно-практической конференции проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2005-2006), X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2006 г.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых "Леоновские чтения" (Иркутск, 2004 г., 2006 г.), 2-ой научно-технической конференции "Гравитационные методы обогащения. Современное обогатительное оборудование и новые технологии для переработки минерального сырья" (Новосибирск, 2004 г.), Ежегодной конференции-семинаре "Асеевские чтения. Цветная металлургия" (Санкт-Петербург, 2006 г.), Международном совещании "Плаксинские чтения" (Иркутск, 2004 г.; Санкт-Петербург, 2005 г.; Красноярск 2006 г.), Международной конференции-семинаре-выставке "Восток-Запад" (2004-2006 гг.).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа содержит 185 страницы основного текста, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников из 136 наименований и приложения, включает 65 рисунков и 31 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Обогащение полезных ископаемых», Васильев, Антон Михайлович

5.4. Выводы

1. Процесс сегрегации частиц разного размера и плотности наблюдается при разделении пульп на гравитационных сепараторах различных типов, включая центробежные концентраторы.

2. При обогащении на концентрационном столе следует проводить предварительную классификацию по крупности, причем особенно нежелательно наличие в грубозернистых продуктах мелких классов частиц.

3. При разделении на винтовом шлюзе частиц различного размера и одной плотности (кварц) из-за сегрегации наблюдается перемещение мелких частиц при их малых содержаниях в зону концентрата. Если же мелких частиц подавляющее количество, то в зону концентрата начинают смещаться крупные частицы. Винтовой шлюз менее чувствителен к неоднородности в крупностях разделяемых частиц, чем концентрационный стол.

4. Значительно сказывается процесс сегрегации при обогащении материалов на центробежных аппаратах. Центробежные концентраторы, в которых разрыхление постели производится механическим путем без подачи ожижающей воды, лучше улавливают и удерживают в концентрате тонкие тяжелые частицы.

5. Экспериментальные исследования разделения частиц различного размера и плотности, включая процесс их сегрегации на винтовом шлюзе, позволил установить следующее:

- наиболее высокие результаты обогащения имеют место при некоторой оптимальной производительности по твердому, при которой наблюдается и наиболее интенсивная сегрегация мелких тяжелых частиц, особенно в крайней зоне концентратной части веера;

- интенсивность процесса сегрегации мелких тяжелых частиц и эффективность их выделения в концентрат возрастает при повышении содержания твердого в пульпе;

- извлечение частиц высокой плотности возрастает с увеличением их крупности, пока их размеры не становятся сопоставимыми со средней крупностью всех частиц в пульпе; после этого наблюдается некоторое снижение извлечения крупных тяжелых частиц, связанное с ухудшением их сегрегации;

- наиболее эффективно разделение мелкозернистых материалов в тонких потоках идет при некоторой оптимальной вязкости жидкой фазы (воды), сильно зависящей от температуры, контроль за которой в производственных условиях может помочь избежать дополнительных потерь полезных компонентов, особенно в зимнее время.

Глава 6. Оптимизация схемы гравитационного разделения на винтовых шлюзах в полупромышленных условиях и изучение особенностей сегрегации тяжелых минеральных частиц различной крупности и формы.

В настоящее время винтовые сепараторы широко используются для переработки руд цветных, редких и благородных металлов. Эффективность их достаточно высока. Имеются фабрики, на которых установлены сотни таких аппаратов. Одними из лидеров по производству винтовых сепараторов и шлюзов в России, является фирма "Спирит", за рубежом, фирмы Outokumpu, Roche Mining, Humboldt и др.

В зависимости от профиля спиралей на винтовых сепараторах могут обогащаться как грубозернистые материалы (до 3-5 мм), так и тонкодисперсные смеси, из которых удаётся извлекать частицы высокой плотности размерами 2030 мкм, а иногда и меньше. При этом производительность винтовых аппаратов с выполаживанием профиля поперечного сечения спиралей и уменьшением толщины потока пульпы падает, но зато эффективность разделения тонких частиц растёт. Обогащение тонкоизмельченных руд и мелких песков ведут на винтовых сепараторах, у которых поперечное сечение спиралей в рабочей зоне представляет почти прямую линию. Такие аппараты в России носят название винтовых шлюзов. Большое влияние на эффективность обогащения мелкозернистых продуктов оказывает вязкость пульпы, которая во многом определяется гранулометрической характеристикой разделяемых смесей, особенно наличием в них глин и шламов. Это приводит к необходимости для каждого конкретного обогащаемого материала экспериментально подбирать профиль спиралей, если есть такая возможность, а также устанавливать оптимальную производительность винтовых аппаратов. Последний параметр является одним из самых важных. Стремление минимизировать количество винтовых аппаратов на обогатительной установке сдерживается возможными дополнительными потерями полезных компонентов. Поэтому всегда необходимо проведение подробных и глубоких исследований на обогатимость с учётом реальных возможностей доводки получаемых гравитационных концентратов. Трудно извлекаемые гравитацией тяжёлые частицы обычно плохо извлекаются и в доводочных операциях. Оптимизация схемы гравитационного передела и определение требуемых производительностей, в частности, винтовых аппаратов является сложной многофакторной задачей.

Нами такого рода исследования выполнены в полупромышленных условиях на примере россыпных редкометальных песков Бешпагирского месторождения на пробе весом 10 тонн [32,55]. При проведении испытаний на обогатимость имели место колебания в содержании полезных компонентов в исходном питании схемы, несмотря на проведенное предварительное перемешивание всех песков. Ситовая характеристика песков при сухом рассеве лабораторной пробы с распределением полезных компонентов (ТЮ2, Zr02) приведена в табл. 6.1. При этом следует отметить, что при сухом рассеве выход класса +1 мм был повышенным из-за недостаточно интенсивной дезинтеграции агрегатов.