Снижение энергозатрат трубопроводной системы при перекачке сгущенных гидросмесей хвостов обогащения полиметаллических руд на закладочные комплексы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат наук Воробьев, Алексей Сергеевич

• Воробьев, Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Воробьев, Алексей Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СГУЩЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

1.1 Общая характеристика систем гидротранспорта на горных предприятиях

1.1.1 Виды гидросмесей

1.2 Гидравлический транспорт гидросмесей высоких концентраций

1.2.1 Анализ физической модели течения высококонцентрированных гидросмесей

1.2.2 Механизм проявления вязкопластических свойств мелкофракционных гидросмесей высокой концентрации

1.2.3 Расчетные формулы для определения эффективной (кажущейся) вязкости гидросмесей

1.3 Сгущение гидросмесей хвостов обогащения в технологиях подготовки пульпы к гидротранспорту

1.3.1 Рабочий процесс гравитационного сгустителя радиального типа

1.3.2 Зависимость геометрических размеров сгустителя от параметров сгущаемой гидросмеси

1.3.3 Сгустители пластинчатые (тонкослойные)

1.4 Выводы по результатам анализа, цель и задачи исследования

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СГУЩЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ГИДРОСМЕСЕЙ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

2.1 Физическая модель процесса сгущения

2.2 Математическая модель сгущения в тонком слое потока

2.3 Анализ математической модели тонкослойного сгустителя

2.4 Теоретический анализ физической модели течения высококонцентрированных гидросмесей хвостов обогащения руды по трубопроводам

2.4.1 Физическая модель течения и деформации жидкостей

2.4.2 Математическая модель течения вязкопластических гидросмесей

2.5 Расход потока вязкопластической мелкофракционной гидросмеси

2.6 Потери напора и коэффициент гидравлических сопротивлений

2.7 Выводы по результатам теоретического исследования

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СГУЩЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ГИДРОСМЕСЕЙ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

3.1 Методика экспериментальных исследований

3.2 Обработка опытных данных по исследованию сгустителя

3.3 Опытные данные гидротранспорта гидросмесей хвостов обогащения медной руды

3.4 Экспериментальные исследования реологических характеристик гидросмесей

3.4.1 Вязкость гидросмесей хвостов обогащения медной руды

3.4.2 Начальное и безразмерное (относительное) напряжение сдвига

3.4.3 Удельные потери напора

3.5 Опытно-промышленные экспериментальные исследования

3.5.1 Методика проведения исследований

3.5.2 Результаты опытно-промышленных исследований

3.5.3 Проверка адекватности математической модели

3.5.4 Гидромеханические характеристики фунтового насоса

ГЛАВА 4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ГИДРОСМЕСЕЙ С ВЫСОКОЙ

КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ

4.1 Удельная энергоемкость гидравлического транспорта

4.2 Удельная энергоемкость гидравлического транспорта гидросмесей высокой концентрации

4.3 Технико-экономические показатели системы гидротранспорта смесей высокой концентрации

4.3.1 Существующая система гидротранспорта хвостов

обогащения

4.3.2 Система гидротранспорта хвостов обогащения с предварительным сгущением

4.3.3 Удельная металлоемкость

4.4 Основные выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение энергозатрат трубопроводной системы при перекачке сгущенных гидросмесей хвостов обогащения полиметаллических руд на закладочные комплексы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Основной проблемой гидравлического транспорта на предприятиях горной промышленности является высокая энергоемкость процесса, определяемая затратами энергии на единицу массы перемещаемого твердого материала. Ежегодно в стране гидравлическим транспортом перемещается 1,5 - 2 млрд. тонн сыпучих материалов, основная доля которых составляют хвосты обогащения минерального сырья. Действующие в стране гидротранспортные системы в горной, строительной, химической и других отраслях промышленности, перекачивают различные гидросмеси с низким содержанием (концентрацией) твердой фазы. При этом основная часть, сообщаемой взвесенесущему потоку от внешних источников (насосов) общей энергии (до 90 %), расходуется на транспортирование жидкой фазы, и лишь малая доля этой энергии, определяемая величиной объемной концентрации, расходуется на собственное транспортирование твердого материала. Как показывают расчеты, потребная мощность всех насосов систем гидротранспорта для перемещения указанного выше годового количества твердого материала при средних значениях потерь напора 0,01 м и средней объемной концентрации 0,1 составляет 3,5-104 МВт, что соответствует 0,129 кВт-ч/т-км удельной энергоемкости процесса транспортирования (по расчетным данным). Увеличение концентрации твердой фазы позволит понизить удельную энергоемкость и повысить эффективность систем гидравлического транспорта. Так при увеличении объемной концентрации твердой фазы до 0,4 и ориентировочном росте потерь напора до 0,02 удельная энергоемкость будет составлять 0,064 кВт-ч/т-км при потребной мощности 1,75-Ю4 МВт, то есть практически в два раза, что весьма существенно.

Увеличение концентрации твердой фазы в потоке гидросмеси неизбежно приводит к росту потребного напора, создаваемого применяемым насосным оборудованием, в основном грунтовыми центробежными

насосами. Использование насосов центробежного типа в системах гидротранспорта высококонцентрированных гидросмесей становится неэффективным из-за ограниченности напора, не превышающего 40-60 м. При транспортировании высококонцентрированных гидросмесей значительно расширяется область использования насосов объемного типа [14], которые в настоящее время, за некоторым исключением [5], практически не применяются для этих целей. В то же время отечественной промышленностью выпускаются насосы объемные поршневые буровые по ГОСТ 6031-82, параметры которых удовлетворяют условиям эксплуатации в системах гидравлического транспорта с высокими концентрациями гидросмесей.

В технологиях гидравлического транспорта высококонцентрированных гидросмесей важной и нерешенной к настоящему времени задачей является подготовка исходной смеси, поступающей из обогатительного процесса, к гидравлическому транспорту, то есть сгущение исходной смеси до требуемых значений концентрации твердой фазы. Применяемые радиальные сгустители не предназначены для глубокого сгущения. Максимальная объемная концентрация твердого материала в нижнем продукте этих сгустителей не превышает 15 %. Кроме того, при сгущении в радиальных сгустителях расходуется дополнительная энергия на привод перемешивающего устройства (граблин), что снижает общую энергетическую эффективность гидравлического транспорта. В последние годы в технологиях сгущения положительно зарекомендовали себя пластинчатые тонкослойные сгустители. Широкого применения в технологиях сгущения хвостовых пульп эти сгустители еще не нашли из-за отсутствия теоретически обоснованной методики расчета процесса сгущения в этих сгустительных аппаратах.

Переход на транспортирование гидросмесей с высокими концентрациями твердой фазы является весьма актуальной проблемой для горной промышленности, так как при этом повышается эффективность

гидротранспортных комплексов за счет снижения энергопотребления, удельной энергоемкости и металлоемкости процесса.

Решение задачи повышения энергетической эффективности гидротранспортных систем актуально для горной отрасли и связано, прежде всего, с необходимостью разработки:

1) Теоретических закономерностей сгущения гидросмесей в аппаратах пластинчатого типа до высоких концентраций твердой фазы в сгущенном продукте.

2) Методики расчета гидравлического транспорта высококонцентрированных гидросмесей для определения оптимальных соотношений кинематических и динамических характеристик взвесенесущего потока и выбора соответствующего насосного оборудования.

Диссертационное исследование соответствует направлению развития Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» с 2009 по 2013 годы.

Диссертационное исследование проведено в рамках развития научного направления «Машины, механизмы и энергообеспечение горного производства» на механическом факультете федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Тема диссертации и отдельные ее положения соответствуют тематике направлений исследований кафедры: «Повышение энергоэффективности транспортных систем, горных предприятий».

Целью диссертационного исследования является разработка научно-обоснованной методики расчета процессов сгущения и гидротранспорта высококонцентрированных гидросмесей продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях с обоснованием параметров насосного и сгустительного оборудования для повышения эффективности транспортирования и снижения удельной энергоемкости процесса.

Идея работы заключается в том, что основным параметром, определяющим производительность и энергетическую эффективность гидравлического транспорта гидросмесей продуктов обогащения полиметаллических руд, является концентрация твердой фазы, от величины которой, устанавливаемой в процессе сгущения исходной смеси, зависят физико-механические характеристики насосного оборудования.

Задачи исследования:

1. Разработать теоретические закономерности гравитационного осаждения взвешенных частиц в тонкослойном стратифицированном потоке гидросмеси с учетом исходного гранулометрического состава твердой фазы хвостов обогащения руды, и установить в совокупности с другими гидравлическими факторами влияние параметров тонкослойного пространства на распределение отдельных фракций твердого по длине зоны осаждения и высоте слоя осадка.

2. Разработать физическую и математическую модель течения высококонцентрированного потока гидросмеси по промышленным трубопроводам, выявить и обосновать реологические параметры, определяющие его энергетические характеристики.

3. Разработать методику выбора насосных агрегатов на основе разработанной математической модели течения гидросмесей высокой концентрации для систем гидротранспорта и обосновать гидромеханические характеристики системы трубопровод-насос как функции напор, мощность, КПД от расхода потока транспортируемой гидросмеси.

4. Провести лабораторные и промышленные исследования процессов сгущения и гидравлического транспорта высококонцентрированных гидросмесей для определения адекватности теоретических зависимостей и математических моделей.

5. Обосновать технико-экономическую и энергетическую эффективность гидротранспорта высококонцентрированных гидросмесей на примере модернизированной гидротранспортной системы хвостов

обогащения медной руды в технологии приготовления закладочной смеси на закладочных комплексах рудной шахты.

Методика исследования

При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий:

- анализ и обобщение практических данных по эксплуатации трубопроводов и систем сгущения гидросмеси;

- теоретический анализ гидротранспортных систем с использованием классических уравнений гидромеханики;

- экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях;

- методы математической статистики и регрессионного анализа при обработке экспериментальных данных.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель формирования, распределения, и состояния осадочного слоя стратифицированного потока полидисперсной гидросмеси в тонкослойном пространстве пластинчатого сгустителя с учетом гидравлической крупности твердой фазы, позволяющая определить геометрические размеры зоны осаждения и оценить структуру сгущенного осадка.

2. Расход гидросмеси и потери напора являются функциями реологических характеристик вязкопластической гидросмеси и могут быть рассчитаны по выведенным расчетным зависимостям, которые в совокупности определяют математическую модель течения вязкопластических гидросмесей хвостов обогащения руд по гидротранспортным трубопроводам.

Научная новизна:

Эффективность и удельная энергоемкость гидротранспортных систем являются функцией реологических параметров перекачиваемой гидросмеси и изменяются с увеличением концентрации твердой фазы для заданной

производительности системы по твердому материалу, принимая, соответственно, максимальное и минимальное значения при наибольшем значении концентрации.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием фундаментальных положений гидромеханики, прикладной математики, классических методов математического анализа, сопоставимостью результатов теоретических исследований с натурными измерениями, экспериментальной проверкой и использованием результатов исследований в промышленных условиях, сходимостью теоретических и экспериментальных результатов не менее 9095%, а также:

- в разработке новых безразмерных параметров вязкоплатического потока гидросмеси, устанавливающих функциональную зависимость объемного расхода от напряженного состояния и реологических свойств тела течения;

- в определении зависимости энергетических характеристик взвесенесущего потока от его вязкопластических и реологических свойств и установлении закономерностей снижения единичных затрат энергии на транспортирование при изменении массового расхода системы.

- в обосновании методики выбора насосного и сгустительного оборудования для систем гидравлического транспортирования высококонцентрированных гидросмесей;

- в разработке методики расчета параметров гидравлического транспортирования при оптимальном соотношении массового расхода и энергетических потерь.

Практическая значимость результатов:

- теоретическое обоснование зависимости энергоемкости процесса гидравлического транспортирования от концентрации твердой фазы и вывод основных расчетных зависимостей;

- разработка методики расчета параметров гидравлического транспортирования высококонцентрированных гидросмесей для выбора насосного и сгустительного оборудования;

- разработка алгоритма моделирования и расчета систем гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях.

Апробация работы

Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались:

- на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», апрель 2011, 2012, 2013;

- на межкафедральных семинарах Механического факультета Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора.

1. Анализ состояния проблемы снижения энергопотребления в системах гидротранспорта хвостов обогащения минерального сырья.

2. Вывод теоретических зависимостей удельных потерь напора от реологических характеристик высококонцентрированных гидросмесей

3. Обоснование способа снижения энергопотребления насосными установками гидротранспортных систем.

4. Проведение экспериментальных исследований и обработка опытных данных.

Публикации: основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3 научных статьях, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и содержит 67 рисунков, 43 таблицы, 210 страниц текста.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, профессору Александрову Виктору Ивановичу, а также сотрудникам кафедры горных транспортных машин за неоценимую помощь при проведении лабораторных экспериментов и консультаций: доц. B.C. Соловьеву, доц. П.Н. Махараткину, доц. Коптеву В.Ю. и др.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СГУЩЕНИЯ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

1.1 Общая характеристика систем гидротранспорта на горных

предприятиях

В горной промышленности неотъемлемой частью обогатительного производства является гидравлический транспорт концентратов, промпродуктов и хвостов обогащения.

Гидравлический транспорт является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Этот вид транспортирования обеспечивает передачу насыпных материалов без перегрузки по трассам сложного профиля и большой протяженности с помощью энергии потока жидкости, сообщаемого применяемым насосным оборудованием [1 - 4].

Гидравлический транспорт подразделяется на самотечный и напорный [1, 3]. Самотечное гидравлическое транспортирование - способ перемещения сыпучих материалов под действием гравитации в потоке воды по желобам и трубам при наличии разности геодезических отметок и свободной поверхности потока при давлении, равном атмосферному давлению.

Напорное транспортирование - способ перемещения сыпучих материалов по трубам за счет разности гидростатического давления воды. Напорный гидротранспорт выгодно отличается от всех других видов транспортирования твердых материалов тем, что органично связывает в единый поточный процесс технологию обогащения и транспортирования продуктов переработки, не требуя при этом больших пространств. Кроме этого, одновременно обеспечивается безопасность всех транспортных работ, возможность их полной автоматизации и практически неограниченную пропускную способность, малое количество обслуживающего персонала, постоянство количества доставляемого продукта, отсутствия негативного

влияния на окружающую среду и минимум потерь при транспортировании [1, 4]. К недостаткам гидротранспорта следует отнести значительный расход несущей жидкости (воды), уменьшение эффективности в зимнее время, гидроабразивный износ насосного оборудования и трубопроводов и, в некоторых технологиях, отделения несущей жидкости от транспортируемого твердого материала, доставленного места назначения [5,6].

Системы гидротранспорта хвостов переработки минерального сырья по технологическим признакам можно классифицировать следующим образом:

- технологические, применяемые при добыче, обогащении и складировании продуктов обогащения и отходов переработки минерального сырья;

- дальнего гидротранспорта руды, угля, концентратов, водоугольных суспензий и других дробленых и измельченных материалов на десятки и сотни километров.

К технологическому гидравлическому транспорту можно отнести системы, обеспечивающие внутрицеховые и внутрифабричные потребности технологического процесса переработки сырья. В основном это системы гидравлического транспортирования промпродукта.

Примером дальнего (магистрального) гидротранспорта является гидравлическое транспортирование угля из штата Кентукки до северной части Флориды (США) на расстояние 2400 км с производительностью системы 45 млн. т/год; проект магистрального трубопровода ВУС (водоугольных суспензий) Белово-Новосибирск, протяженностью 262 км, с производительностью 900 т/ч [7] и др.

В зависимости от рельефа и дальности транспортирования хвостов от обогатительной фабрики до места складирования (потребителя, терминального устройства) схемы гидротранспорта могут быть:

- одноступенчатые - без промежуточных перекачивающих насосных станций;

- многоступенчатые, выполняемые с промежуточными емкостями (зумпфами) или без них (по схеме «насос в насос»).

В зависимости от направления уклона местности схемы гидравлического транспортирования подразделяются на:

- с использованием естественного уклона местности, когда обогатительная фабрика расположена выше места складирования (самотечные);

- с преодолением естественного геометрического уклона местности, когда обогатительная фабрика расположена ниже места складирования или терминального устройства (напорные);

- комбинированные, сочетающие первые две схемы (напорно-самотечные).

В зависимости от способа подготовки гидросмеси к транспортированию схемы гидротранспорта разделяются на две группы:

- со сгущением пульпы до концентраций, соответствующих расчетному режиму гидравлического транспортирования и процессу обогащения при использовании оборотного водопотребления;

- без сгущения хвостовой пульпы.

Приведенную классификацию существующих систем гидравлического транспортирования минерального сырья на предприятиях горной промышленности можно изобразить схемой, как показано на рисунке 1.1 [8].

Системы гадротранспорга на горных предприятиях

Внутртехнолотческне

Магистральные

по направлению уклона местности

[Безналорн

Напорные

по числу перекатных стаацнй

Одноступенчатые [ | .У.нпго,-.г^ип;ч.1ТЫг

Потнш пр в меняемых насосов

У ^

1яаипческлс

Объемные

По юнструкцвн насосов

у ^ .

| Центробежные| | Поршневые | | Пл^м&.ерные | | Шланговые "

По технология П} л ьпооод готовая

->| Без сгугпнпц

Сообщением <

Рисунок 1.1 — Классификация систем гидротранспорта на горных предприятиях [8]

Характеристики гидротранспортных систем некоторых горнообогатительных комбинатов приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 - Характеристики систем гидротранспорта некоторых предприятий цветной металлургии

Предприятие (ОФ) Схема работы системы Трубон ровод Тип,число насосов

Диаметр, мм Длина, м ПНС-1 ПНС-2

Алмалыкский ГМК: Медная ОФ Свинцовая ОФ Напорная 1020 1020 1200 700 2855 2x3210 3210 1654 20Гр-2, (3) 20Гр-8, (3) 28Гр-8, (1) 8Гр-8, (6) 20Гр-8, (6) НС-54, (1) 300Д90,(2) 12Гр-8, (4)

Джезказганский ГМК: ОФ № 1, № 2 Напорная 1220 3x2500 28Гр-8, (5) 28Гр-8, (4)

ПО «Дальполпмсталл» ЦОФ Напорная 299 4000 8Гр-8м, (6 8Гр-8м,(6)

Тырныаузский ВМК Смешанная 620 11200 20Гр-8т,(3) 20ГТ-8, (3)

Алтайский ГОК Напорная 400 260 10ГрУЛ-8 (3) -

Африкандское РУ Напорная 300 2000 бГрТ-8, (2) -

Гайский ГОК I Гапорная 425 2x1700 12Гр-8, (3) 12ГрТ-8

Режим работы трубопроводов систем гидротранспорта определяется исходными технологическими данными по количественному и качественному составу хвостовой пульпы, а также размерами (диаметром) трубопроводов и условиями работы: с заилением или без заиления проходного сечения трубопровода и расчетными параметрами потока смеси -средней скоростью, гидравлическим уклоном (потерями напора).

В настоящее время расчеты параметров и режимов гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья

производятся по методике ИГМ АН Украины с применением компьютерной программы "Гидрон", разработанной в институте ЗАО «Механобр инжиниринг».

Параметры действующих систем гидротранспорта на отечественных и зарубежных горных предприятиях приведены в таблице 1.2. Из приведенных данных видно, что системы гидротранспорта работают на низких концентрациях твердого материала в потоке гидросмеси. Средние значения объемной концентрации и плотности смеси не превышают, соответственно, 8 % и 1150 кг/м3. Такие низкие средние значения концентрации смеси снижают технико-экономическую эффективность систем гидравлического транспорта, что в итоге сказывается на себестоимости конечного продукта (концентрата, металла и др.).

Как сказано в [8] в технологиях гидротранспорта еще недостаточно используется дозировка подачи материала в трубопровод, а также регулировка и контроль параметров, вследствие чего, как правило, гидротранспортные системы горных предприятий работают в не экономичных и неустойчивых режимах. Средний расход воды на

о

транспортирование, например, 1 м хвостов переработки руд составляет 123 1 3

15 м ; песчано-гравийных материалов 15-20 м , песка 12-18 м . Удельный расход электроэнергии при транспортировании 1 м3 угля составляет 24-26 кВт-ч; песчано-гравийных смесей - 4,9-6,6 кВт-ч; хвостов обогащения - 21,4 кВт-ч; песка - 3,2-3,6 кВт-ч.

Средние денежные затраты на 1 м3 горной массы при гидротранспорте

о

горных пород составляют от 2900 до 7100 руб./м . Из этой суммы 43% -затраты на технологическое оборудование, 55% - затраты на электроэнергию, от 35 до 42 % - затраты на заработную плату.

На рисунке 1.2 приведена диаграмма относительных удельных показателей гидротранспорта на отечественных и зарубежных предприятиях, а на рисунке 1.3 - диаграмма относительных эксплуатационных затрат по основным статьям расходов на гидравлическое транспортирование минерального сырья на ряде карьеров.

Экономические показатели ряда передовых предприятий свидетельствуют, что повышение технико-экономической эффективности

гидравлического транспортирования достигается при снижении удельного расхода воды и повышении концентрации твердого материала. При гидравлическом транспортировании, например, мелкофракционных закладочных материалов на шахтах Верхне-Силезского угольного бассейна концентрация твердых частиц составляет 45 - 53 % объема закладочной смеси. Такие показатели способствуют резкому снижению удельной энергоемкости процесса гидравлического транспортирования и повышению эффективности добычи и переработки горной массы на данном горном предприятии.

Страны

Рисунок 1.2 - Относительные удельные показатели гидротранспорта

различных материалов

Карьеры

Рисунок 1.3 - Относительные эксплуатационные затраты по общей себестоимости гидротранспорта на карьерах: 1. Кедровский, 2. Бачатский, 3. Батуринский, 4.Назаровский, 5. Петровский, 6. Керамблок, 7. Корчеватовский.

1.1.1 Виды гидросмесей

В общем случае под гидросмесью понимается смесь каких-либо достаточно измельченных твердых материалов (твердая фаза) с капельной жидкостью (жидкая фаза). Гидросмесь хвостов обогащения руд представляет собой механическую смесь измельченной руды с технологической водой.

В зависимости от степени измельчения и концентрации твердой фазы формируются различные виды гидросмесей (таблица 1.2) [1]. Они существенно отличаются друг от друга по своим физико-механическим свойствам и закономерностям движения по трубопроводам.

Таблица 1.2 — Основные виды гидросмесей

Виды гидросмесей Размер частиц, мм Характеристика

Структурированные 0-(0,05 - 0,074) Тончайшие

Неструктурированные: - -

тонкодисперсные (0,05 - 0,074) - (0,1 - 0,15) Тонкие

мелкодисперсные (ОД-0,15)-(2-3) Мелкие

крупнодисперсные > (2-3) Крупные

Полидисперсные >0 Смешанные

Структурированные гидросмеси. Характерным для этих гидросмесей является существование их в покое. Стабильность обусловлена наличием коагуляционных связей между частицами, что является следствием межмолекулярного взаимодействия, способного оказывать существенное начальное сопротивление сдвигу упругими деформациями структурной решетки. Структурированные гидросмеси характеризуются сплошной сетчатой структурой, занимающей весь объем дисперсной среды. Вследствие этого эти гидросмеси по своим механическим свойствам приближаются к твердым телам. Чем выше концентрация твердой фазы и чем мельче твердые частицы, тем прочнее становятся структурные связи. Структурообразованию способствует преимущественное содержание в гидросмеси частиц класса 0-0,004 мм [9, 10]. Благодаря наличию взвешенных частиц структурированные гидросмеси по сравнению с несущей жидкостью имеют повышенную кажущуюся вязкость, которая зависит от концентрации

дисперсных частиц и их крупности, что также способствует стабильности гидросмесей.

Структурированные гидросмеси характеризуются неныотоновскими свойствами, и их реологическое поведение описывается уравнением Бингама-Шведова [11, 9].

Неструктурировнные_гидросмеси. Характерным для

неструтурированных гидросмесей является то, что они существуют в движении. В таких гидросмесях отсутствует силовое взаимодействие между частицами [10]. При движении гидросмесей твердые частицы касаются стенок трубы и увеличивают трение между слоями жидкости, что увеличивает значение вязкости гидросмеси.

В таблице 1.3 приведены зависимости относительной вязкости от объемной концентрации твердых частиц [12].

Таблица 1.3 — Зависимости относительной вязкости гидросмесей от

объемной концентрации твердых частиц

№ и/п Функция вязкости Мси/Мо = /(<0 Значение концентрации Метод вывода формулы Авторы

1 1 + 2,5 с,, с„ < 0,004 теоретический А. Эйнштейн

2 1 +2,5с,, +7,17с,2 + 16,2с;3 Су < 0,35 эмпирический В.И. Ванд

3 ел^5су/(1-0,61с„)] су < 0,5 эмпирический В.И. Ванд

4 (1 + ох)/(1-сг)4 с„ <0,1 теоретический М. Куиитц

5 ехр[2,5сЛ\-1,9К)} с, < 0,5 теоретический М. Муни

6 (1-е, Г с, <0,5 теоретический Р. Роско и др.

7 (1-0"3'75 с,, < 0,5 эмпирический О.М. Тодес

8 (1 + 0,5с, )/0 - с, )4 с, < 0,5 эмпирический Н.И. Гальперин

9 в-Су/О"'"^^ -0,75 с,. <0,7 теоретический А.И. Буевич и др.

10 1 + 2сг[(1 + с,)/(1-с- )р с\, < 0,3 теоретический Е.Ф. Кургаев

11 Й-^Л-'ш,«)"2'5 с„ < 0,5 теоретический Р.Ф. Ландел

Различие в формулах относительной вязкости связано с перераспределением твердых частиц и проявлением неньютоновских свойств сгущенных гидросмесей [13].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Воробьев, Алексей Сергеевич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриев, Г.П. Напорные гидротранспортные системы. Справочное пособие. / Г.П. Дмитриев, Л.И. Махарадзе, Т.Ш. Гочиташвили. - М.: Недра, 1991.-304 С.

2. Карасик, В.М. Напорный гидротранспорт песчаных материалов. / В.М. Карасик, И.А. Асауленко. - К.: Наук, думка, 1965. - 107 С.

3. Силин, H.A. Гидротранспорт угля по трубам. / H.A. Силин, Ю.К. Витошкин. - К.: Наук, думка, 1964. - 88 С.

4. Смолдырев, А.Е. Трубопроводный транспорт. / А.Е. Смолдырев. — М.: Недра, 1980.-293 С.

5. Жужиков, В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. / В.А. Жужиков. -М.: Химия, 1971.-440 С.

6. Малиновская, Т.А. Разделение суспензий в химической промышленности. / Т.А. Малиновская и др. — М.: Химия, 1983. — 264 С.

7. Воробьев, A.C. Искусственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования / A.C. Воробьев, К.О. Галынкин,

A.B. Шалыгин // Народное хозяйство республики Коми. - 2011. — т.20. —№1. - С. 68-76.

8. Покровская, В.Н. Пути повышения эффективности гидротранспорта. /

B.Н. Покровская. -М.: Недра, 1972. - 160 С.

9. Уилкинсон, У. Л. Неньютоновские жидкости: гидродинамика, перемешивание и теплообмен. / У.Л. Уилкинсон. - М.: Мир, 1964 - 216

C.

10. Юфин, А.П. Гидромеханизация. / А.П. Юфин - М.: Стройиздат, 1974 -265 С.

11. Ричардсон, Э. Динамика реальных жидкостей. / Э. Ричардсон - М.: Мир, 1965.-32 С.

12. Голованчиков, А.Б. К вопросу об аномалии вязкости суспензий. / А.Б. Голованчиков, Н.В. Тябин // Реология и процессы в аппаратах химической промышленности. — Волгоград, 1977. — С. 69-76.

13. Ходаков, Г.С. Реология суспензий. Теория фазового течения и ее экспериментальное обоснование. / Г.С. Ходаков // Рос. Хим. Журнал

(Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева), т. XLVII - № 2. - С. 33-44.

14. Baha, Р.Е., Abulnaga, Р.Е. Slurry system handbook. / P.E. Baha E. Abulnaga - McGraw-Hill, 2002. - 800 p.

15. Roco, M.C. Slurry How principle and practice (Butterworth-Heinemann Series in Chemical Engineering). M.C. Roco, C.A. Shook - ButterworthHeinemann, 1991. -336 p.

16. Zhou, L. Sediment transport. / L. Zhou - Aalborg University, 2001. - 71 p.

17. Chen, W.F. The civil engineering handbook. / W.F. Chen - CRC Press, Boca Raton, FL, 1995. - 481 p.

18. Dyer, K.R., Soulsby, R.B. Sand Transport On The Continental Shelf. / K.R. Dyer, R.L. Soulsby // Ann. Rev. Fluid Mech., 1988. - vol. 20. - pp. 295324.

19. Юфин, А.П. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод. / А.П. Юфин. - М.: Высшая школа, 1965. - 428 С.

20. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. / Л.Г. Лойцянский - М., Наука, 1978. - 736 С.

21. Лойцянский, Л.Г. Некоторые основные закономерности турбулентного потока / Л.Г. Лойцянский // Тр. ЦАГИ, 1939. Вып. 440 - С. 3-23.

22. Brenner, Ch. Е. Fundamentals of Multiphase Flow. / Ch. E. Brenner -Cambridge University Press, 2005. - 410 p.

23. Мирзажанзаде, A.X. Вопросы гидравлики вязкопластичных жидкостей в нефтедобыче. / А.Х. Мирзажанзаде - Баку: Азнефтьиздат, 1959. - 65 С.

24. Повх, И.Л., Болонов, Н.И. и др. Экспериментальное исследование режимов движения глинистого раствора. / Повх И.Л., Болонов Н.И., Эйдельман А.Е., Мигельман Б.И., Плотников В.М. // 4-е Всесоюзное совещание «Тепло и массоперенос», т. III. Тепло и массоперенос в реологических системах. - Минск, 1972. - С. 285-291.

25. Воробьев, А.С. Повышение эффективности гидротранспорта полидисперсных смесей / Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015.-№ 1- С. 377-380.

26. Воробьев, А.С. Турбулентный перенос твердой фазы в потоках гидротранспорта / А.С. Воробьев, В.И. Александров // Естественные и технические науки. - 2014. - № 9-10(77).- С. 172-178.

27. Временные технические условия по гидравлическому расчету гидротранспорта хвостов и концентратов обогатительных фабрик. - JL: Механобр, 1979.-26 С.

28. Карасик, В.М. Напорный гидротранспорт песчаных материалов. / В.М. Карасик, И.А. Асауленко - К.: Наук, думка, 1965. - 107 С.

29. Методика расчета гидротранспортных установок для транспорта и намыва хвостов железнорудных ГОКов. НИИСП Госстроя УССР. - К., 1970.-62 С.

30. Система напорного гидротранспорта отходов чугунолитейного производства (Инструкция по гидравлическому расчету) ИС 21-26, 3-567-81.-К., 1982.-55 С.

31. Шкундин, Б.М. Землесосные снаряды. / Б.М. Шкундин - JL: Энергия, 1972.-250 С.

32. Roco, М.С., Shook, С.А. New Approach to Predict Concentration distribution in fine particle slurry flow. / M.C. Roco, C.A. Shook // Physicochemical Hydrodynamics, 1987.-vol. 8.-pp. 175-182.

33. Sobota, J. Phenomenological model of the relationship between hydraulic gradient and solid-liquid mixture velocity in horizontal pipelines. / J. Sobota // Skrypty Akademii Rolniczej we Wroclawiu, № 37, 1987. - 162 c.

34. Shou, G. Solid-liquid System Simulation and Validation. / G. Shou // 31th Annual Meeting of Pipeline Simulation Interest Group. 1999. -320p.

35. Speranza, A. Suspension Flows in a Pipeline with Partial Phase Separation. / A. Speranza // Mathematical and Computer Modeling, 33/4-5, 2001. - pp. 445-467.

36. Van Riet, E.J. A Reconstruction of and Sensitivity Analysi on the Wilson Model for Hydraulic Particle Transport. / E.J. Van Riet, V. Matousek, S.A. Miedema // Proc. 8th International Conference Transport and Sedimentation of Solid Particles, 24-26 Jan., Prague, 1995. - pp. 148-156.

37. Гидродинамика межфазных поверхностей: Сб. статей. Пер. с англ. / Сост. Ю.А. Буевич, Л.М. Рабинович // М.: Мир, 1984. - С.178-190.

38

39

40

41

42,

43

44,

45

46,

47

48,

49,

50

Повх, И.Л. Техническая гидродинамика. / Повх И.Л.// Изд. "Машиностроение", М.-Л., 1964. - С.98-110.

Уилкинсон, У.Л. Неныотоновские жидкости. / У.Л. Уилкинсон // М., Мир, 1964. - С.120-127.

Astarila, G., Marucci, G. Principles of Non-Newtonian Fluid Mechanics. / G. Astarita, G. Marucci // cGraw-Hill, London, 1974. -pp.245-250. Ребиндер, П.А. Физико-химическая механика. Серия IV, № 40. М., 1958. - 192 с.

Гориславец, В.М., Дунец, А.К. Исследование реологических свойств концентрированных суспензий при наличии пристенного эффекта. /

B.М. Гориславец, А.К. Дунец // Инженерно-физический журнал, т. 29, № 2, 1975. - С.398-410.

Alexandrov V.l. Some Experimental Studies on Waste Copper Ore of High Concentration Slurry Transport./ V.l. Alexandrov // Pracc Naukowc Instytutu Geotcchniki i Hydrotechniki Politechniki Wroclaskiej, Nr. 71, Wroclaw, 1996. -pp.145-150.

Einstein, A. Eine neue Bestinunung der Molekuldimension. / A. Einstein // Ann. Phys. 19.-pp. 286-306.

Einstein, A. Berichtigung zu meiner Arbeit: Eine neue Bestimmung der Molekuldimension. / A. Einstein // Ann. Phys. 34. - pp. 591-609. Kahn, A. Studies on the size and sharp of clay particles in aqueous suspension in Clay and Clay minerals./ Allan Kahn // Pergamon Press. New York, 1959. - vol. 6. - pp. 220-236.

Olphnen, V. Surface conductance of various ion forms of bentonite in water and the electrical double layer. / Van Olphnen // Jour. Phys. Chem., 1957. -

C. 1276-1280.

Thomas, D.G. (1963). Non-Newtonian suspensions. Parti, physical properties and laminar transport characteristics. / D.G. Thomas // Ind. and Eng. Chem., 1963. - Vol. 55. - № 11. - pp. 18-29.

Thomas, D.G., Transport characteristics of suspensions: Part VI. / D.G. Thomas // A.I.Ch. E. Journal 8,1962. - pp. 373-378. Thomas, D. G. (1961) Transport characteristics of suspensions: Minimum transport velocity for flocculated suspensions in horizontal pipes. Laminar

flow properties of flocculated suspensions. / D.G. Thomas I I A.I.Ch.E. Journal, 1961. - C. 423 - 437.

51. Vocadlo,J.J. Role of some parameters and effective variables in turbulent slurry flow. / J.J. Vocadlo // Proceedings of the Hydrotransport 4 Conference, BHRA, Cranfield, U.K., Paper D4, 1976. - pp. 245-250.

52. Комплексные исследования схемы сгущения и гидротранспорта закладочной смеси на основе хвостов переработки ОФ №3 ДГИК. Отчет по НИР х.д.1 3/88. Л., ЛГИ, 1989. - 90 С.

53. Александров, В.И., Джунусов, И.Ш. Влияние вязкости гидросмеси на прочность закладки. / В.И. Александров, И.Ш. Джунусов // Прикладные аспекты гидротранспортирования продуктов обогащения минерального сырья: Междувед. сб. науч. тр. «Механобр». Л., 1987. -С. 116-119.

54. Chow Joseph, C.F. Hydrotransport 1, Bedford, Fl, 1970. - pp. 20-25.

55. Hayness, F. Hydrotransport 1, Bedford, F4, 1970. - pp. 145-153.

56. Happel, D.S., Brenner J.K. Hydrotransport 1, Bedford, H5, 1970. - pp. 9197.

57. Покровская, B.H. Трубопроводный транспорт в горной промышленности. / B.H. Покровская. - М.: Недра, 1985. - С. 29 - 43.

58. Воронов, В.А. Снижение энергоемкости гидротранспортирования хвостов обогащения горных предприятий оптимизацией режимов работы грунтовых насосов и гравитационных сгустителей. / В.А. Воронов. Диссертация к.т.н. // Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ). 2007. -160 С.

59. Рабочий проект «Реконструкция сгустителя хвостовой пульпы диаметром 50 м Талнахской обогатительной фабрики с применением пакетов седиментационных пластин» / ЗАО «Механобр инжиниринг» // Пояснительная записка, СПб, 2006. - 64 С.

60. Исследование и разработка способов обезвоживания хвостов текущей переработки. / Отчет по теме № 27/82. ЛГИ, Л., 1982.

61. Промышленные испытания пластинчатого сгустителя в схеме обезвоживания текущих хвостов обогащения. - Отчет по НИР № 8/83. ЛГИ, Л., 1983.-110 С.

62. Разработка способов повышения эффективности осветления слива и разгрузки сгущенного продукта в аппаратах пластинчатого типа. -Отчет по НИР № 46/84. ЛГИ, Л., 1984. - 60 С.

63. Плановский, А.Н., Николаев, П.И. Процессы и аппараты химической и нефтяной технологии. 3-е изд. / А.Н. Плановский, П.И. Николаев // М.: Химия, 1987.-540 С.

64. Павлов, К.Ф., Романков, П.Г., Носков, A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: 10-еизд., перераб. И доп. / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков // - Л.: Химия, 1987. -576 С.

65. Veber, М. Hydraulische und pneumatischne Forderung von Feststoffen. / M. Veber // Fordern und Heben. Nr.6. 1975. - p.25.

66. Richardson, J. F.,Zaki, W. N. Uniform Spheres under Conditions of Viscous Flow / J.F. Richardson, J.F. Zaki // Chemical Engineering. Science. 1954-vol 3. - pp. 65-73.

67. Holland-Batt A.B. A quantitative model of the motion of particlcs in the RSM/Mintek on-stream particles size analyzer // A.B. Holland-Batt // Power Technology, 11,1975. - p.147.

68. Сайт http://www.zavodtrud.ru.

69. Сайт http://iztm.ru/products.

70. Обследование системы гидротранспорта и сгущения хвостов обогащения Лебединского ГОКа и разработка рекомендаций для совершенствования процесса. / Отчет по НИР // Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ), 2002. - С.45.

71. Клец, А.Н. Исследование и разработка механизированного комплекса в системе гидротранспорта с целью применения рудных отходов обогащения в качестве закладочных материалов. / А.Н. Клец. Автореферат дисс. к.т.н. // Ленинградский горный институт им. Г.В. Плеханова. Л, 1980. - С. 23.

72. Черкасов, В.Г. Создание ресурсосберегающей техники и технологии тонкослойного кондиционирования оборотной воды при промывке металлоносных песков. / В.Г Черкасов. Автореферат дисс. д.т.н. // Читинский государтственный университет. Чита, 2006. — С. 46.

73. Carreau P.J. Trans. Soc. Rheol. - vol.16. - 1972. - pp. 145-153.

74. Крамер, Е.Б., Нагаев, Р.Ф. Гидродинамика тонкослойных сгустителей и принципы их конструирования / Е.Б. Крамер, Р.Ф. Нагаев, Е.В. Пряничников, O.K. Щербаков // Обогащение руд. - № 3. - 1985. - С. 27.

75. Трилисский, К.К., Фройштетер, Г.Б. О пристенном эффекте при течении пластичных дисперсных систем / К.К. Трилисский, Г.Б. Фройштетер, Э.Л. Смородинский, В.И. Грищук. //Коллоидный журнал. - 1973. - т. 35. - № 6. - С. 122-128.

76. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика / М.- 1958. - Серия IV. -№ 39-40. - С. 64.

77. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике / М., Наука, 1971.-С. 112.

78. Промышленные испытания пластинчатого сгустителя в схеме обезвоживания хвостов текущей переработки /Отчет по НИР № 8/89 // Л. ЛГИ. - 1989. - С. 230.

79. Разработать комплексную схему и средства предварительного сгущения хвостов обогащения с целыо интенсификации процесса транспортирования и применения их для закладки горных выработок на Лениногорском ПМК / Отчет по НИР № 16/82//Л. ЛГИ. - 1985. - С. 77-79.

80. Крупник, Л.А., Соколов, Г.В. Совершенствование технологии закладочных работ с использованием отходов обогащения / Л.А. Крупник, Г.В. Соколов//Цветная металлургия. 1983.-№ 13.-С. 15.

81. Синельникова, Л.Н. Новые конструкции сгустителей за рубежом. / Л.Н. Синельникова//Цветметинформация. М. 1995.-С. 11-15.

82. Механико-математическое исследование процесса сгущения минеральных пульп с целыо его интенсификации. / Отчет по НИР // Л. Механобр. 1993.-С. 313.

83. Криль, С.И. Метод расчета критических скоростей гидротраснпортирования твердых зернистых материалов по горизонтальным трубам. / С.И. Криль // Гидравлика и гидротехника. 1985. Вып. 41. С. 56-60.

84. Александров, В.И., Чесноков, П.С. Аппроксимация реологических моделей потоков рабочих жидкостей. / В.И. Александров, П.С. Чесноков //Научно-технические ведомости СПбТУ. Издательство Политехнического университета. Санкт-Петербург. - 2005. - №1. — С. 14-19.

85. Александров, В.И. Методы снижения энергозатрат при гидравлическом транспортировании смесей высокой концентрации. / В.И. Александров // Санкт-Петербург. СПГГИ (ТУ). - 2000. - С. 117.

86. Bagley, E.B. Schreiber, Н.Р. / In Pheology, Vol. 5, cd. F.R. Eirich. //Academic Press, New York. - p. 93.

87. Руднев, C.C., Подвидз, Л.Г. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач / С.С. Руднев, Л.Г. Подвидз // М.: Машиностроение. 1989.-С. 325.

88. Кибирев В.И., Александров В.И., Чесноков В.И. Компоновка комплекса сгущения и складирования хвостов в виде пасты / Обогащение руд. 2010. - № 2. - С. 34-37.

89. Покровская, В.Н. Пути повышения эффективности гидротранспорта./ В.Н. Покровская. Сб. "Гидродобыча угля'7/ЦНИИТЭИ угля, 1968, № 5. - С. 17.

90. Экономика строительства магистральных трубопроводов. / М.: Стройиздат, 1977. - С. 31.

91. Методика оценки социально-экономической эффективности использования твердых отходов предприятий цветной металлургии. / Алма-Ата, 1985. - С. 78-82.

92. Комплекс сооружений по использованию хвостов обогащения для закладки шахт - II очередь. / Технический проект, том I. Книга I, // Механобр, Л., 1982. - С. 44-50.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Анализ качественных и количественных характеристик хвостов

обогащения медной руды

Особенностью хвостов обогащения медных и медно-свинцовых руд является их тонкий помол. Наличие мелких шламовых классов твердого материала в объеме гидросмеси вызывает формирование в жидком объеме некоторой структуры, что вызывает определенную седиментационную устойчивость гидросмеси и проявление реологических свойств при течении (деформации) таких гидросмесей в трубопроводах. Основными характеристиками хвостов обогащения, в той или иной степени, влияющих на процессы сгущения исходных смесей (на стадии подготовки пульпы к гидравлическому транспорту) и на процесс гидравлического транспорта являются гранулометрический и фазовый состав твердых частиц, седиментационные и вязкопластические свойства гидросмесей.

Гранулометрический состав н плотность хвостов обогащения

На обогатительных фабриках ДГМК применяется двухстадийное измельчение. Вещественный состав в хвостах обогащения после измельчения представлен следующим средним содержанием элементов: диоксид кремния (5/О2) - 70%, оксид алюминия (А120з) - 15%, оксид кальция (СаО) - 4,5%; оксид магния (М#0) - 1,5%; Ре - 2%, Си - 0,13%, РЬ - 0,18%, Яг - 0,13%, прочие - 6,56%.

Гранулометрический состав твердых частиц хвостов обогащения по классам крупности приведен в таблице А.1.

Из таблицы А.1 видно, что в основном твердое представлено мелкими классами: -0,074 мм - 89,33%, из которых класс - 0,0044 - 79,39%.

Интегральная кривая гранулометрического состава твердого материала хвостов обогащения медной руды приведена на рисунке А.1. Анализ гранулометрического состава производился путем отбора проб, фильтрации, сушки и просеивания сухого материала через стандартный набор сит.

Средневзвешенный диаметр твердых частиц равен:

»-ni

[d,P

-=0,038 мм.

° 100%

Таблица А. 1 - Гранулометрический состав твердых частиц хвостов обогащения медной руды

Класс крупности, мм Масса твердого в навеске, г Содержание, %

+0,210 2,3 1,33

-0,10 + 0,150 7,8 4,53

-0,150 + 0,100 6,0 3,48

-0,100 + 0,074 2,3 1,33

-0,074 + 0,044 17,1 9,94

-0,044 + 0,030 35,6 20,7

-0,030 + 0,019 19,4 11,27

-0,019 + 0,015 14,4 8,37

-0,015 + 0,010 7,7 4,47

-0,010 59,4 34,58

2 172 100

Размер фракций, >»1

Рисунок АЛ — Гранулометрический состав хвостов обогащения

медной руды

Плотность хвостов обогащения определялась путем взвешивания навески сухого материала на электронных весах. Данные экспериментов приведены в таблице А.2.

Был выполнен седиментационный анализ твердых частиц и построены седиментационные характеристики на основе замеров времени осаждения твердого в зависимости от средней концентрации твердого материала. Было установлено, что с увеличением концентрации время осаждения твердого

увеличивается, то есть гидросмесь становится седиментационно устойчивой.

Для построения седиментациопных кривых в мерный цилиндр

о п

вместимостью 100 см заливалось 50 см дистиллированной воды и добавлялось 31,81 г сухих хвостов, что составляло 38, 9 % массовой концентрации. Содержимое мерного цилиндра перемешивалось и термостатировалось при температуре 20°С.

Таблица А.2 - Опытные данные по измерению плотности хвостов

обогащения медной руды

Масса Плотность

Материал навески твердого материала м,,г Объем пикнометра ]¥, мл Масса смеси Мг, г Мх . О =---, г/мл р Ра

5 50 55,93 2,42

Хвосты обогащения 5 50 56,08 2.56

медной 5 50 51,95 2,23

руды 5 50 53,09 2,34

Среднее

значение 5 50 54,26 2,40

В процессе исследований измерялась полная высота гидросмеси в цилиндре и высота осадка смеси: через 5 мин. после начала эксперимента, а затем через каждые 10 мин. Для каждого замера рассчитывалась относительная высота осадка. Эксперименты были выполнены для концентраций 42,6 %; 48,8 %; 50 %; 53,8 % 56 %. Результаты замеров и расчетные значения приведены в таблице А.З, по данным которой на рисунке А.2 построены графики зависимости относительной высоты осадка от времени отстаивания.

Из анализа седиментационных кривых следует, что гидросмеси хвостов обогащения медной руды с увеличением концентрации твердой фазы становятся все более устойчивыми к расслоению. С ростом концентрации

все меньшая часть выпадает в осадок, скорость осаждения уменьшается, и твердые частицы более равномерно распределяются по объему смеси.

При исследовании характеристик твердого материала определялась гидравлическая крупность частиц. Исследования проводились на приборе, основным элементом которого является стеклянный цилиндр диаметром 40 мм и высотой 1,5 м, с нанесенной масштабной линейкой, вертикально закрепленный в штативе. Мерный участок цилиндра равнялся 0,84 м. Прибор заполнялся чистой водой, которая затем выдерживалась в течение 48 часов. Отдельные частицы твердого материала опускались в цилиндр и, при прохождении ими мерного участка, фиксировалось время осаждения. Перед началом экспериментов пробы хвостов обогащения разделялись на соответствующие классы крупности. Каждый опыт повторялся не менее 10 раз.

Таблица А.З - Экспериментальные данные по определению времени

отстаивания твердой фазы

Высота смеси II, мм Высота осадка И, мм Время отстаивания t, мин Разность высот А/г, мм Относительная высота , Д/г а = 1-- Я Масса вещества в осадке М-Mi Г т =-'1 II Концентрация, %

115 111,5 86,5 69 65,5 5 40 80 120 3.5 28,5 46,0 49,5 0,97 0,75 0,6 0,57 0,97 7,89 12,74 13,71 38,9

120 118 99,5 82,5 79 5 40 80 120 2.0 20,5 27,5 41 0,98 0,83 0,69 0,66 0,62 6,33 11,59 12,67 42,6

129 125 102,5 95.5 91.5 5 40 80 120 4 26,5 33,5 37,5 0,97 0,79 0,74 0,71 1,48 9,81 12,4 13,88 48,8

132 130 118 111,5 107 5 40 80 120 2 13,5 20,5 25 0,98 0,9 0,84 0,81 0,8 5,43 8,24 10,05 50

133 131 129,5 127,7 126 5 40 80 120 2 3,5 5,3 7 0,985 0,971 0,96 0,947 0,87 1,53 2,32 3,07 53,8

I 0,88 о

В

а о,7б

W 0,64 §

В

J 0'52

0,4

v C = í 3,8% > с- 56.QP/0 ,

0,0%

^S-jCj «42,6°/о

0 30 60 90 120 150 Время отстаивания, мин

Рисунок А.2 - Седиментационные характеристики гидросмеси хвостов обогащения медной руды

Усредненные результаты замеров приведены в таблице А.4, где так же приведены значения гидравлической крупности, рассчитанные по формуле Стокса (1.34).

Таблица А.4 - Опытные данные по гидравлической крупности хвостов обогащения медной руды

Размер частиц, (1, мм Время осаждения, с Гидравлическая крупность, м/с

Замеренное Расчетное Фактическая Расчетная

0,21 28,72 24,17 0,02924 0,03475

0,15 42,18 47,38 0,0199 0,01773

0,1 44,97 106,60 0,01806 0,0078

0,074 87,4 194,44 0,01463 0,00432

0,044 91,35 549,02 0,0092 0,00153

0,03 109,84 1183,1 0,00705 0,00071

0,019 196 2957,75 0,00429 0,000284

0,015 - 4666,67 - 0,00018

0,01 - 10500 - 0,00008

Из таблицы А.4 видно, что наблюдается значительное расхождение расчетных и действительных значений времени осаждения и гидравлической крупности, что обусловлено отличием действительной формы твердых частиц от шарообразной, принятой в формуле Стокса. Влияние формы твердых частиц на скорость их осаждения учитывалось коэффициентом формы [78], значение которого было установлено по экспериментальным данным (таблица А.4). Результаты расчетов указаны в таблице А.5, а па

рисунке А.З приведен график изменения коэффициента формы от гранулометрического состава твердого.

Для определения расчетной формулы коэффициента формы экспериментальные данные были обработаны с помощью метода наименьших квадратов.

Из графика зависимости коэффициента формы от размеров частиц видно, что кривая может быть записана в виде функции:

Таблица А.5 - Данные для расчета коэффициента формы частиц хвостов обогащения медной руды

Параметры Замеренные и расчетные значения параметров

Диаметр частиц с1, мм 0,21 0,15 0,1 0,074 0,044 0,019 0,015

Замеренное время ¿д, с 28,72 42,18 44,97 87,4 91,35 196 -

Расчетное время с 24,17 47,38 106,6 194,4 549,02 1183,1 4666,67

Коэффициент формы 'ф 0,842 1,123 2,37 3,387 6,01 15,091 -

4!

•0«

-В* -8«

А

1

\

\

\

~с>

О 0,048 0,096 0,144 0,192 0,24 Размер частиц твердого материала, мм

Рисунок А.З - Зависимость коэффициента формы от средневзвешенного диаметра твердых частиц хвостов обогащения медной руды

В результате логарифмирования получаем линейное уравнение:

1пА:,„ = а0 +а11п£/-1,

или:

У = Ь„+Ь1х,

гдеу = 1пЛТм; Ь0=а0; Ьх=ах; х = \пй~\

Коэффициенты линейной модели находятся из следующей системы уравнений:

и и

Ьап + Ь1у2(х1

п п п

Будем иметь: Ь0 = -2,115; Ь{ = 1,25. Линейное уравнение запишется в

виде:

у = -2,115+ 1,25-л;,

или, после замены аргументов действительными параметрами и операции потенцирования:

кф=е-2Л1'с1~125 =0Д2Ы-125. С учетом средневзвешенного размера частиц твердого материала = 0,038 мм, коэффициент формы будет иметь значение к™ = 7,21. Расчетные параметры линейной модели приведены в таблице А.6.

Таблица А.6 - Параметры линейной модели для коэффициента формы частиц

(1 , мм У, =1п^Ф = 1п й -1 Х.Уг

0,21 0,842 -0,172 1,561 -0,258 2,437

0,15 1,123 0,116 1,897 0,22 3,599

од 2,37 0,863 2,303 1,987 5,304

0,074 3,387 1,22 2,604 3,177 6,781

0,044 6,01 1,792 3,124 5,601 9,759

0,030 10,771 2,377 3,507 8,336 12,299

0,019 15,091 2,714 3,963 10,705 15,705

п н л 1=1 II п 'Уг 1-1 п (=1

8,911 1,273 18,959 2,708 29.809 55,884

С учетом того, что:

действительная гидравлическая крупность будет равна:

2ё{рп -РоУ

2

в>0 = '«Р = К , м/с.

Для заданного гранулометрического состава с с1и= 0,038 мм средняя гидравлическая крупность будет равна = 7,81-10~6 м/с.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Экспериментальные исследования гидротранспорта концентрированных смесей хвостов переработки медной руды

Для определения зависимости г = /(у) гидросмесей различных концентраций использовался ротационный вискозиметр типа ЯМ 4.1

(РВ-8). Принцип работы вискозиметра основан на зависимости крутящего момента на валу прибора от сопротивлений вращению внутреннего цилиндра диаметром с1ш относительно наружного цилиндра диаметром с1 . Для

стандартного типоразмера вискозиметра касательное напряжение определялось по зависимости г = 1,06-Р Па (1,06 - постоянная прибора, Р -нагрузка на приводном валу, определяемая по шкале вторичного прибора. Градиент скорости, определяемый как среднее значение по ширине рабочего зазора между наружным и внутренним цилиндрами, рассчитывался по

формуле у =-= 25Д2-/1 , с"1 (ЯВ11 = 0,018 м - радиус внутреннего

Я - я^.

цилиндра, Яи = 0,025 м - радиус наружного цилиндра, п- частота вращения приводного вала прибора). Значения градиента скорости определялись по шкале вторичного прибора. Погрешность измерений определялась как отношение измеренного и приложенного крутящих моментов

кЯЛя - Я, ) ,

Е _ —-¿^ (по данным паспорта составляла 2 %).

М

иг

Для экспериментов были подготовлены гидросмеси хвостов обогащения медной руды при следующих значениях объемной концентрации твердых частиц: 0,233; 0,377; 0,4; 0,498; 0,525; 0,562; 0,585 и, соответственно с массовой концентрацией - 0,42 0,59 0,61 0,70 0,72 0,75 0,77. Плотность гидросмеси (кг/м ) была следующей: 1325; 1527; 1560; 1697; 1735; 1786;1820.

Измеренные значения напряжения сдвига для гидросмесей приведены в таблице Б. 1.

Таблица Б.1- Значения напряжения сдвига в функции градиента скорости

для гидросмесей хвостов обогащения медной руды

Скорость сдвига, с"1 Напряжения сдвига (Па) при объемной концентрации частиц твердог о материала (доли ед.)

0,233 0,4 0,498 0,525 0,562

1 2 3 4 5 6

4,693 - - 10,6 - -

5,203 - - 10,72 - -

6,85 - - 11,12 - -

6,914 - - 11,13 - 68,9

9,42 - - 11,74 26,5 70,55

10 - - 11,88 26,65 70,93

10,1 - 3,18 11,9 26,67 70,996

10,12 - 3,183 11,904 26,675 71,02

11,304 - 3,409 12,19 26,98 71,4

13,5 - 3,828 12,73 27,54 72,4

13,52 - 3,831 12,735 27,56 72,41

14,776 - 4,07 13,04 28 73,14

15,65 - 4,24 13,25 28,31 73,62

16,5 - 4,37 13,45 28,62 74,09

16,83 - 4,42 13,53 28,76 74,27

17,01 - 4,447 13,57 28,83 74,37

18,58 - 4,689 13,95 29,49 75,26

19 - 4,75 14,05 29,68 75,48

20 - 4,9 14,29 30,03 76

21,74 - 5,17 14,71 30,65 76,91

21,95 - 5,2 14,84 30,74 77,02

22,5 - 5,3 14,96 30,88 77,3

22,61 - 5,317 14,98 30,9 77,38

23,11 - 5,39 15,09 31,03 77,6

25,99 - 5,83 15,74 31,8 78,92

26,6 - 5,92 15,9 31,95 79,2

27,24 - 6,01 16,02 32,11 79,5

27,51 - 6,051 16,07 32,18 79,69

29,32 - 6,36 16,43 32,64 81,01

29,87 - 6,45 16,54 32,78 81,41

30,14 - 6,49 16,59 32,86 81,62

32,52 3,18 6,88 17,06 33,58 82,93

33,25 3,2 7 17,2 33,92 83,33

34,67 3,48 7,23 17,48 34,31 84,11

35,71 3,55 7,42 17,68 34,6 84,68

35,89 3,65 7,44 17,71 34,65 84,8

37,06 3,78 7,63 17,94 34,98 85,37

41,11 4,02 8,29 18,74 35,98 87,37

41,33 4,08 8,32 18,78 36,04 87,47

41,78 4,12 8,4 18,87 36,14 87,7

41,7 4,11 8,38 18,85 36,1 87,65

42,15 4,15 8,48 18,94 36,26 87,87

42,66 4,18 8,57 19,08 36,44 88,12

Продолжение таблицы Б. 1

1 2 3 4 5 6

44,33 4,2 8,86 19,45 37,1 88,94

44,87 4,24 8,95 19,56 37,29 89,2

46,22 4,41 9,19 19,84 37,77 89,39

46,61 4,46 9,25 19,92 37,91 90,1

48,11 4,65 9,54 20,23 38,45 90,8

48,21 4,67 9,55 20,25 38,48 90,84

50,24 4,92 9,87 20,68 39,22 91,78

52,58 5,22 10,24 21,2 39,83 92,87

53 5,27 10,3 21,26 39,94 93,06

54,53 5,3 10,5 21,5 40,34 93,77

54,8 5,32 10,6 21,54 40,41 93,89

54,89 5,33 10,61 21,55 40,43 93,93

57,97 5,67 11,15 22,03 41,24 95,4

60,04 5,9 11,61 22,36 41,78 96,44

62,28 6,14 12 22,71 42,4 97,56

62,35 6,15 12,01 22,72 42,42 97,59

64,06 6,34 12,3 22,99 43 98,45

64,27 6,36 12,33 23,02 43,07 98,55

65,91 6,51 12,62 23,32 43,62 99,37

66,8 6,59 12,72 23,62 43,92 99,82

68,51 6,74 13,01 24 44,52 100,7

68,53 6,741 13,013 24,004 44,526 -

69,08 6,791 13,1 24,12 44,68 -

72,88 7,14 13,78 24,97 45,79 -

75,36 7,37 - 25,44 46,52 -

75,83 7,42 - 25,53 46,66 -

79,33 7,74 - 26,23 47,7 -

79,88 7,79 - 26,34 47,85 -

82,12 7,998 - 26,78 48,47 -

85,96 8,35 - 27,56 49,54 -

90,43 8,766 - 28,43 50,79 -

95,39 9,228 - 29,39 52,17 -

98,3 9,499 - 29,95 53 -

98,56 9,54 - 30 - -

99,48 9,641 - 30,18 - -

107,7 10,544 - 31,8 - -

127,5 12,72 - - - -

137,8 13,78 - - -

Реологические характеристики исследованных гидросмесей, построенные по данным таблицы Б.1, приведены на рисунке Б.1.

0 25 50 75 100 125

Граднагг скорости, 1/с

Рисунок Б. 1 - Зависимость напряжения сдвига от скорости для гидросмесей в диапазоне объемных концентраций с„= 23,3 % - 56,2 %

Графические зависимости показывают, что исследованные гидросмеси при течении в зазоре вискозиметра при концентрации выше 23,3 %, проявляют свойства неньютоновских жидкостей и соответствуют линейному уравнению:

г = г.. + цу, Па.

Коэффициент вязкости г] в формуле определяется тангенсом угла наклона реологической кривой к оси абсцисс. По данным таблицы Б.1 вычислим значения вязкости для исследованных значений концентрации гидросмеси, (таблица Б. 2):

Таблица Б.2 - Динамический коэффициент вязкости для гидросмесей хвостов обогащения медной руды различной концентрации (по данным таблицы Б. 1)

Концентрация объемная, доли ед. Вязкость гидросмеси, Па-с Относительная погрешность измерений и расчетов

Эксперимент Расчет измерений, расчетов, (е2)% ср. кв. отклонение, (сг) Па-с

0,233 0,400 0,498 0,525 0,562 0,1006 0,1688 0,2058 0,2981 0,5162 0,09563 0,1762 0,2522 0,2784 0,3188 9,6 8,7 0,26

На рисунке Б. 2 приведен график изменения динамического коэффициента вязкости гидросмеси, построенный по данным таблицы А. 2.

Из графика видно, что вязкость увеличивается с ростом концентрации частиц твердого материала. Кривая описывается степенной функцией, которую можно аппроксимировать уравнением вида:

п = /иекс" = 0,04076е3,66с".

0,6 0,48

о

*

л

с 0,36

£ ь о

2 0,24

и к ш

0,12 0

0,12 0,216 0,312 0,408 0,504 0,6 Концентрация, Су

Рисунок Б.2 - Зависимость вязкости гидросмеси от концентрации частиц хвостов обогащения медной руды

Экспериментальные данные обрабатывались стандартными методами математической статистики. Значения относительной погрешности измерений и расчетов е12, среднеквадратичного отклонения а (таблица Б. 2)

рассчитывались по известным формулам:

- —---

Эксперимент

-- Апроксимация

--

Определение реологических характеристик гидросмесей по результатам

экспериментов на трубопроводах

Результаты замеров потерь напора при исследовании течения гидросмесей хвостов переработки медной руды по трубопроводам приведены в таблице Б.З.

Таблица Б.З - Экспериментальные данные течения гидросмесей хвостов

обогащения медной руды в трубопроводах малого диаметра

Диаметр Средняя ско- Потери напора (м) при концентрации (%)

трубы, м рость, м/с 36,7 39,6 44,0 49,6 Вода

0,5 0,27 0,33 0,45 0,66 0,009785

0,75 0,3 0,376 0,482 0,71 0,022

1 0,34 0,42 0,52 0,756 0,0391

0,025 1,5 0,49 0,6 0,7 0,9 0,088

1,8 0,59 0,71 0,82 1,02 0,1268

2 0,67 0,8 0,93 1,16 0,1565

2,3 0,8 0,94 1,15 1,48 0,207

2,5 0,92 1Д 1,33 1,8 0,2446

0,5 0,168 0,206 . 0,281 0,412 0,00563

0,75 0,193 0,241 0,312 0,443 0,01268

1 0,218 0,279 0,343 0,481 0,02255