Обоснование параметров барабанного коронно-электростатического сепаратора повышенной удельной производительности
На правах рукописи
Шихов Николай Владимирович
Обоснование параметров барабанного коронно-электростатического сепаратора повышенной удельной производительности
Специальности 25.00.13 – «Обогащение полезных ископаемых»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
г. Екатеринбург, 2010 г.
Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых «Уралмеханобр», ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель -
доктор технических наук Мальцев Виктор Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Старчик Леопольд Петрович
кандидат геолого-минералогических наук Борисков Федор Федорович
Ведущая организация – ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Защита состоится «_23_»__декабря___2010 г. в __14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30, ауд.2142
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Автореферат разослан «__22__»___ноября_2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Багазеев В.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Наиболее полное извлечение всех компонентов добываемых руд может быть достигнуто в результате применения комбинированных методов: сочетанием всего комплекса физических методов обогащения с химическими, пиро- и гидрометаллургическими. В отличие от большинства методов обогащения электросепарация не требует промышленной воды и дорогостоящей очистки сточных вод. От всех сухих методов обогащения электросепарация отличается наименьшей запыленностью воздуха, так как пыль практически полностью удерживается электрическим полем внутри сепаратора. Положительной стороной электрической сепарации является и то, что данный процесс универсален: электрическую сепарацию можно применять как для обогащения руд черных, цветных, благородных металлов, так и для разделения биологических смесей и переработки вторичных ресурсов. За рубежом в вопросах исследования и практического применения электрической сепарации ведущую роль играют фирмы: «Carpco Inc» (США), «KaLi und Salz» (Германия), ИГД (Италия), «Lurgi» (Германия), «Boxmad Rapid» (Великобритания), «Sala» (Швеция), «Metallgeselschaft» (Германия), «Fuko» (Индия), «Titanium» (Канада), а также Массачусетский университет (США). Результаты теоретических и практических исследований по электрической сепарации наиболее полно представлены в монографиях, докладных, диссертациях таких ученых, как академик Попков В.И., член-корр. АН СССР Плаксин И.Н., член-корр. АН СССР Ревнивцев В.И., д.т.н. Олофинский Н.Ф. и др. В промышленности электрические методы обогащения в основном представлены коронно-электростатической сепарацией. Недостатком данной технологии обогащения, основанной на барабанных сепараторах, является использование аппаратов небольшой (1-2 т/ч на 1 м длины электрода) удельной производительности. Поэтому увеличение производительности электростатических сепараторов коронного типа для более широкого внедрения этого метода обогащения в крупнотоннажное производство является актуальной задачей.
Объектом исследования является метод электрического обогащения полезных ископаемых.
Предмет исследований – коронно-электростатическая сепарация.
Цель исследований - разработка принципов создания коронно-электростатических барабанных сепараторов высокой удельной производительности.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей развития электрической сепарации для разработки и обоснования принципов увеличения удельной производительности коронно-электростатической сепарации, что позволит создать новую технику и технологию электрического обогащения.
Задачи диссертационной работы:
1. Разработать теоретические принципы увеличения удельной производительности коронно-электростатической сепарации.
2. Определить и обосновать параметры барабанного коронно-электростатического сепаратора повышенной удельной производительности.
3. Установить основные закономерности влияния на результаты коронно-электростатической сепарации технологических и конструктивных параметров сепарационной зоны.
4. Провести опытно-промышленные испытания сепаратора нового типа с целью подтверждения выбранного направления совершенствования барабанных коронно-электростатических сепараторов.
Методика исследований: получение и исследование физической и математических моделей коронно-электростатической сепарации с вертикальным осадительным электродом, использование аналитических и экспериментальных методов исследования силовых характеристик поля коронного разряда и разделяющих сил в рабочей зоне сепаратора, статистический анализ результатов промышленных испытаний, химические методы анализа исходных материалов и продуктов разделения.
Научные положения, выносимые на защиту.
- Необходимым условием увеличения производительности коронных и коронно-электростатических барабанных сепараторов является увеличение производительности сепараторов по рабочей поверхности.
- Вертикальная ориентация осадительного электрода изменяет направление суммарного вектора сил, действующих на частицу материала, проходящего процесс обогащения, позволяет увеличить диаметр осадительного барабана и количество рабочих секций первого приема.
- Предложена динамическая модель коронно-электростатического сепаратора нового типа, отличающаяся от существующей:
- позволяет определить основные конструктивные и технологические показатели сепаратора с вертикальным осадительным электродом;
- векторная диаграмма сил учитывает вертикальную ориентацию осадительного электрода.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается значительным объемом экспериментального материала, дублированием проводимых экспериментов, сопоставимостью расчетных и практических значений (расхождение менее 10 %), положительными результатами внедрения сепаратора на Тарском ГОКе.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
1. Установлены конструктивные и технологические параметры, влияющие на увеличение удельной производительности коронно-электростатической сепарации.
2. Установлена зависимость технологических характеристик коронно-электростатического сепаратора с вертикальным осадительным электродом:
- от линейной скорости барабана;
- от тока коронного разряда и напряжения на коронирующем электроде.
3. Установлена зависимость топографии токов коронного разряда от конструктивной реализации рабочей секции сепаратора с вертикальным осадительным электродом.
Практическая значимость исследований:
1. Использование результатов исследований для разработки технологических регламентов с применением коронно-электростатической сепарации в многотоннажном производстве (особенно для месторождений титаномагнетито-ильменитовых коренных руд).
2. Получены положительные результаты проведения полупромышленных и промышленных испытаний нового сепаратора на Иршинском ГОКе, на ОАО «Вишневогорский ГОК».
3. Опытный образец сепаратора эксплуатировался на ОАО «Цирконгеология» в доводочном цикле переработки титан-циркониевого россыпного месторождения.
4. Внедрение на доводочной фабрике Тарского ГОКа сепараторов нового типа с уменьшением капитальных и эксплуатационных затрат процесса электросепарации.
5. На разработанную конструкцию получены патенты РФ: № 2008976 «Электрический барабанный сепаратор» и № 1577148 «Устройство для загрузки электрического сепаратора».
Реализация результатов работы:
1. Промышленное внедрение коронно-электростатических сепараторов нового типа на доводочной фабрике Тарского ГОКа.
2. Использование результатов работы при проектировании обогатительной фабрики Медведевского ГОКа.
3. Использование результатов работы для разработки технологических регламентов обогащения коллективного концентрата Лукояновского, Тарского месторождений.
Личный вклад автора состоит в организации, проведении и анализе всего комплекса теоретических и экспериментальных исследований, разработке методик исследований и промышленных испытаний, математической обработке полученных результатов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации обсуждались: на Всесоюзных научно-технических конференциях «Применение электронно - ионной технологии в народном хозяйстве» (октябрь 1991 г.,
г. Москва); «Совершенствование техники и технологии электрического обогащения в народном хозяйстве» (июль 1986 г., г. Свердловск); Международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (июль 2000 г., г. Рим); на секции «Электрическая сепарация» при Государственном комитете по новой технике СССР; на научно-технических советах института «Уралмеханобр».
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ, получено четыре патента Российской Федерации.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 180 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 17 таблиц и 10 приложений, список используемой литературы из 102 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В первой главе диссертации проведен обзор работ, посвященных проблемам электростатической сепарации, сделан анализ всех существующих конструкций отечественных и зарубежных электростатических сепараторов коронного типа с горизонтальным осадительным барабаном.
Известно, что на барабанных коронно-электростатических сепараторах достигаются хорошие технологические показатели при разделении минеральных смесей, компоненты которых отличаются по электропроводности. Главным недостатком этих сепараторов являются их малая единичная и удельная производительность. Проведенный анализ технических характеристик всех известных отечественных и зарубежных сепараторов такого типа показал, что существующая конструкция сепаратора не позволяет существенно повысить данный технологический показатель.
Показано, что основным недостатком, не позволяющим увеличивать производительность сепаратора, является известное ограничение по диаметру осадительного барабана и наличие одной рабочей зоны.
Решение проблемы увеличения производительности электрических сепараторов связано с формированием новых подходов к конструкции сепараторов данного типа, которые позволят создать сепаратор, по своим габаритам, массе и производительности приближающийся к наиболее высокопроизводительным мокрым магнитным сепараторам для сильномагнитных руд и превосходящий по этим параметрам высокоградиентные сепараторы для слабомагнитных руд.
Во второй главе рассмотрены направления увеличения производительности барабанных коронно-электростатических сепараторов, предложена динамическая модель разделения минеральных частиц в сепараторе с вертикальным барабаном, исследованы конструктивные параметры сепаратора с вертикальным барабаном.
Отмечено, что все известные направления увеличения производительности сепараторов такого типа (увеличение площади рабочей секции; длины осадительного электрода; толщины слоя материала,линейной скорости осадительного электрода) максимально реализованы в традиционных конструкциях коронно-электростатических сепараторов с традиционным горизонтальным барабаном. Тем не менее такие важные характеристики, как производительность на единицу веса и объема сепаратора, остаются низкими и составляют 0,4 - 0,72 т/ч/т.
В данной главе диссертации сделан основной вывод: увеличение производительности барабанного коронно-электростатического сепаратора при относительно небольшом увеличении его веса связано со снятием основного ограничения с конструктивных параметров сепаратора, а именно с величины диаметра осадительного электрода (барабана), что становится возможным при изменении направления векторов сил, действующих на частицы, находящиеся на поверхности барабана. Данное утверждение реализуется изменением ориентации осадительного электрода с горизонтальной на вертикальную.
Если ориентировать осадительный барабан вертикально и увеличить его диаметр, то соответственно будет увеличиваться и число одинаковых зон сепарации вокруг этого барабана. При снижении угловой скорости вращения вертикального барабана можно достигнуть такого же значения линейной скорости на поверхности барабана, что и на горизонтальном барабане, а значит, создать приблизительно те же условия разделения минеральных частиц, что и на сепараторах классической конструкции. В результате предложена новая конструкция коронно-электростатического сепаратора, общий вид которого приведен на рис. 1. Отмечено, что линейная скорость поверхности барабана является функцией его диаметра. Исходя из этого, предложено выражение для определения производительности сепаратора с вертикальным барабаном:
, (1)
где Vв=2Rвnв; Кв=2Rв/S3св – линейная скорость и число зон сепарации для сепараторов с вертикальным барабаном; Rв, Rг – радиусы барабанов вертикального и горизонтального сепараторов, м; nв, nг – частота вращения вертикального и горизонтального барабанов, 1/с; S3сг, S3св – длина зоны сепарации для вертикального и горизонтального сепараторов, м.
Из формулы (1) следует, что производительность сепаратора с вертикальным барабаном, как и с горизонтальным, прямо пропорциональна плотности материала на барабане и ширине ленты исходного материала в зоне сепарации и, кроме того, прямо пропорциональна квадрату радиуса барабана и частоте его вращения и обратно пропорциональна длине зоны сепарации. Исходя из этого введем условия подобия вертикального сепаратора горизонтальному.
Первое условие – при переходе от сепаратора с горизонтальным барабаном к сепаратору с вертикальным барабаном большего диаметра величина центробежной силы не меняется, т.е. 
. Из этого условия вытекают два следствия:
; 
, (2)
т.е. линейная скорость вертикального барабана больше скорости горизонтального барабана на величину, равную корню квадратному из отношения радиусов вертикального и горизонтального барабанов. В то же время частота вращения вертикального барабана уменьшается на величину, обратную вышеуказанной. В частности, при переходе от горизонтального сепаратора с барабаном диаметром 150 мм к вертикальному с барабаном 1000
мм линейная скорость барабана возрастает с 1,18 до 3,04 м/с, а число оборотов снижается со 150 до 58,2 об/мин.
Условие второе – плотность материала на барабане одинакова для горизонтального и вертикального сепараторов.
Условие третье – длина зоны сепарации одинакова для обоих сепараторов. Из этого условия следует, что при переходе от горизонтального сепаратора к вертикальному с большим диаметром барабана число зон сепарации может быть увеличено.
Производительность барабанного коронно-электростатического сепаратора с вертикальным осадительным электродом можно определить исходя из величины производительности электросепаратора с горизонтальным электродом по формуле:
, (3)
где Кв – коэффициент заполнения поверхности вертикального осадительного электрода, который определяется отношением длины выпускной щели питателя (Lв.п) к длине образующей осадительного электрода (Lв),
Рис. 1. Общий вид коронно-электростатического сепаратора с вертикальным осадительным электродом:
1 – осадительный электрод; 2 – коронирующий электрод; 3 – электростатический электрод; 4 – питатель (4А – вертикальный; 4Б – тарельчатый); 5, 6, 7 – приемники продуктов разделения; 8 – электродвигатель привода барабана; 9 – устройство для съема непроводящей фракции; 10 – корпус сепаратора
выраженным в долях единицы (
); Qг.с – производительность электросепаратора с горизонтальным осадительным электродом, определенная расчетным либо опытным путем, т/ч; Lв и Lг –длина образующей осадительного электрода соответственно вертикального и горизонтального, м; N – количество автономных секций (количество питателей) электросепаратора с вертикальным осадительным электродом.
В этом выражении корень отношения радиусов осадительных электродов 
является коэффициентом соотно-шения линейных скоростей барабанов, при которых центробежная сила, дейст-вующая на частицу, одина-кова для условий сепарации как на горизонтальном, так и на вертикальном сепарато-рах.
Отношение длин образую-щих осадительного элек-трода (Lв/Lг) является коэффициентом соответствия плотности расположе-ния частиц на поверхности осадительного электрода при переходе от горизонтального к вертикальному барабану.
Для иллюстрации выражения (3) на рис. 2 приве-дены расчетные значения удельной производитель-ности барабанных электро-сепараторов с горизонталь-ным и вертикальным осади-тельными электродами для кварца с насыпной плот-
ностью (н) 1,86 т/м3 в зависимости от линейной скорости барабана. На рис. 3 приведены значения единичной производительности барабанных электросепара-торов с горизонтальным и вертикальным осадительным электродом для кварца с насыпной плотностью (н) 1,86 т/м3 в зависимости от линейной скорости бара-бана.
Из приведенных данных следует:
- при увеличении линейной скорости барабанов при пос-тоянной напряженности элект-рического поля производитель-ность сепараторов уменьшает-ся. Это связано с увеличением центробежной силы, действу-ющей на частицы, находящиеся на поверхности осадительного электрода. При этом снижается крупность непроводниковых частиц, удерживаемых на осадительном электроде за счет электрических прижимающих сил, т.е. снижается величина слоя материала на барабане, а значит, и объем транспор-тирующего материала и, как следствие, уменьшается произ-водительность сепараторов. На-пример, при увеличении линей-ной скорости горизонтального барабана диаметром 240 мм с 1 до 2 м/с центробежная сила увеличивается в 4 раза, а произ-водительность снижается толь-ко в 1,2 раза - с 2,71 до 2,24 т/ч, при увеличении линейной ско-рости до 3 м/с центробежная сила увеличивается в 9 раз, а производительность снижается в 1,6 раза - с 2,71 до 1,68 т/ч.
Такая же зависимость прослеживается для электросе-параторов с вертикальным ба-
рабаном: при условии сохранения величины центробежной силы, как у горизонтального барабана, увеличение линейной скорости вертикального барабана диаметром 0,5 м в два раза - с 1,44 до 2,88 м/с, что соответствует линейным скоростям горизонтального барабана диаметром 240 мм 1 и 2 м/с, приводит к уменьшению производительности в 1,2 раза - с 2,31 до 1,92 т/ч, а увеличение линейной скорости в 3 раза (до 4,32 м/с) снижает производительность в 1,6 раза (с 2,31 до 1,44 т/ч).
Для электросепараторов с вертикальным барабаном увеличение производительности на два порядка становится возможным за счет того, что резко возрастает ширина первого приема и линейная скорость барабана. В частности, для сепаратора СЭ-200/200 (с вертикальным барабаном, диаметр 2 м, высота 2 м) по сравнению с сепаратором СЭС-1000А ширина питания возрастает с 1 до 32 м, а линейная скорость - с 1,18 до 4,3 м/с. За счет этого производительность сепаратора по рабочей поверхности возрастает с 1,18 до 137,6 м2/с.
Во второй главе диссертации разработана динамическая модель разделения минеральных частиц в сепараторе с вертикальным барабаном. Диаграмма основных сил, действующих на частицы в сепараторе с вертикальным барабаном, показана на рис. 4. В отличие от диаграммы сил в сепараторе с горизонтальным барабаном, проекция силы тяжести, действующей на частицу в сепараторе с вертикальным барабаном, на ось взаимодействия электрических прижимающих сил и центробежной отрывающей силы равна нулю. Исходя из того, что при сепарации частиц крупностью более 0,05 мм в воздушной среде силами сопротивления среды, адгезии, архимедовой (выталкивающей), пондеромоторной составляющей можно пренебречь, основное уравнение баланса сил для сепаратора с вертикальным барабаном запишется следующим образом:
, (4)
где 
- сила (кулоновская) действия электрического поля на заряженную частицу:
, (5)
здесь 1- диэлектрическая проницаемость материала частицы; 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,8510-12 Ф/м; Ек -напряженность поля в месте нахождения частицы, В/м; r – радиус частицы, м;
- центробежная сила, действующая на частицу, находящуюся на поверхности осадительного электрода (барабана), и обусловленная вращением последнего:
,
здесь R1- радиус осадительного электрода, м; n - число оборотов барабана в минуту;
- сила зеркального отображения, возникающая в результате взаимодействия результирующего заряда частицы и индуцированного на осадительном электроде электрического заряда, равного по величине результирующему заряду, но противоположного ему по знаку.
С учетом разрядки частиц формула для силы зеркального отображения при выходе частицы из зоны ионизации запишется следующим образом:
, (6)
здесь Qр – равновесный заряд частицы, полученный ею в поле короны, Кл; R – контактное сопротивление между частицей и осадительным электродом, Ом; С – емкость между частицей и электродом.
Рис. 4. Векторная диаграмма сил, действующих на частицы в сепараторе с вертикальным барабаном
На практике составляющее 
выражения (6) опускают из-за стремления значения последнего к единице.
Подставляя в формулу (4) значения сил, приведенные выше в скалярной форме, получим выражение для результирующей силы:
. (7)
При Fрез0 частицы будут удерживаться на вертикальном осадительном электроде, а при Fрез<0 будут сбрасываться с поверхности барабана центробежной силой.
Приравняв уравнение (7) к нулю, получим зависимость размера частиц непроводника, удерживаемых на вертикальном осадительном электроде в зоне коронного разряда:
. (8)
Для частиц кварца с плотностью ч=2,65103 кг/м3, диэлектрической проницаемостью 1=4,5, при напряженности поля коронного разряда Ек=5105 В/м зависимость (8) преобразуется в следующее уравнение:
. (9)
В режиме удержания непроводниковых частиц при выходе частицы из зоны короны на последнюю будут действовать только сила зеркального отображения (
) и центробежная сила (
).
При этом выражение для результирующей силы, действующей на частицу, находящуюся на поверхности вертикального осадительного электрода, примет вид:
. (10)
Подставив значения Fз.о. и Fц.б, а также, приравняв уравнение нулю (условие пограничного равновесия), получим:
. (11)
Для частиц кварца плотностью 2,65103 кг/м3, диэлектрической проницаемостью 1=4,5, при напряженности поля коронного разряда
Ек=5105 В/м зависимость (11) преобразуется в следующее уравнение:
( 12)
Выражение (12) для сепаратора с горизонтальным осадительным барабаном для частиц кварца имеет вид
(13)
Выражение для расчета размера частиц кварца, удерживаемых на вертикальном осадительном электроде и на горизонтальном электроде, проиллюстрировано на рис. 5 для различных значений линейной скорости барабана.
Основные результаты исследования сводятся к следующему:
1. Увеличение размера непроводниковых частиц, удерживаемых на вертикальном барабане, по сравнению с горизонтальным барабаном при одинаковой линейной скорости объясняется изменением центробежной силы, действующей на частицы на вертикальном барабане за счет большего диаметра вертикального осадительного электрода.
2. При одинаковой центробежной силе и линейной скорости горизонтального барабана более 1 м/с размер частиц, удерживаемых на поверхности вертикального и горизонтального осадительных электродов вне зоны короны, практически одинаков. Используя соотношения линейных скоростей горизонтального осадительного электрода и вертикальных барабанов, согласно выражению (2), и значения с графика рис. 5 можно сделать вывод о том, что размеры частиц, удерживаемые на сепараторах обоих типов при заданном значении линейной скорости, различаются не более чем на 3-5 %.
3. При линейной скорости горизонтального осадительного электрода менее 1 м/с наблюдается уменьшение размера удерживаемых на поверхности барабана частиц вне зоны короны по сравнению с вертикальным осадительным электродом даже при одинаковой центробежной силе, действующей на частицы на горизонтальном и вертикальном барабанах. При линейной скорости 0,75 и 1,0 м/с на горизонтальном барабане диаметром 240 мм вне зоны короны должны удерживаться частицы диаметром 0,37 и 0,23 мм соответственно. Для вертикальных барабанов увеличение размера удерживаемых частиц вне зоны короны будет следующим: для осадительного электрода диаметром 0,5 м – 2,1 и 1,25 мм; для осадительного электрода диаметром 1,0 м – 2,3 и 1,9 мм.
4. Смена ориентации осадительного электрода с горизонтальной на вертикальную с последующим увеличением диаметра барабана позволяет
удерживать на поверхности осадительного электрода вне зоны короны частицы непроводников больших размеров за счет выведения силы тяжести, действующей на частицу, из оси противодействия электрических удерживающих и центробежной отрывающей сил. Отсюда следует, что в электросепараторах с вертикальным барабаном выход промпродуктовой фракции должен быть меньше выхода аналогичного продукта в сепараторах традиционной конструкции, тем самым увеличивая эффективность сепарации. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими показывает, что размеры удерживаемых частиц, вычисленные по выражениям (9) и (12), отличаются от размеров реальных минеральных частиц не более чем на 10 %.
В третьей главе приведены результаты исследования влияния на показатели разделения в коронно-электростатическом сепараторе с вертикально расположенным осадительным электродом конструктивных и технологических параметров сепарационной зоны. Для этого была разработана и изготовлена экспериментальная установка, представляющая собой модель промышленного типоразмера образца коронно-электростатического сепаратора с вертикальным барабаном диаметром 1 и высотой 1 м. Разработаны методики:
измерения величины и распределения силы тока коронного разряда на поверхности осадительного электрода в зависимости от конструктивных и технологических параметров зоны коронного разряда;
исследования влияния на показатели разделения силы тока коронного разряда и напряжения на коронирующем электроде.
Из результатов исследований (рис. 6 и 7) следует: на выход проводниковой фракции и содержание её в концентрате наибольшее влияние оказывает подаваемое напряжение на коронирующий электрод, так, при максимальном размере зоны выделения проводниковой фракции и максимальном подаваемом напряжении на коронирующий электрод увеличение частоты оборотов барабана в 2 раза (с 30 до 60 об/мин), что соответствует увеличению центробежной силы в 4 раза и приводит к увеличению выхода концентрата всего на 8,6 % (с 21,3 до 29,9%) при незначительном снижении качества концентрата. И, наоборот, снижение напряжения на коронирующем электроде на 37,5 % ( с 32 до 20 кВ) при максимальных значениях частоты вращения барабана и зоны выделения проводниковой фракции приводит к значительному, в 1,92 раза, увеличению выхода проводниковой фракции при одновременном ухудшении качества концентрата на 14,25 %.
Анализ результатов сепарации по непроводниковой фракции показал, что наибольшее влияние на выход непроводников оказывает подаваемое напряжение на коронирующий электрод, например, увеличение напряжения на коронирующем электроде с 20 до 32 кВ при максимальных значениях частоты вращения приводит к увеличению выхода непроводниковой фракции в 2,69 раза (с 12,2 до 32,8%).
На качество непроводниковой фракции наибольшее влияние оказывает частота вращения барабана, например, уменьшение частоты вращения барабана
Рис. 5. Зависимость диаметра удерживаемых частиц вне зоны короны
от числа оборотов осадительного электрода:
для горизонтального барабана диаметром 150 мм
для горизонтального барабана диаметром 240 мм
для горизонтального барабана диаметром 356 мм
для вертикального барабана диаметром 500 мм
для вертикального барабана диаметром 1000 мм
для вертикального барабана диаметром 2000 мм
Рис.6. Влияние тока короны на эффективность извлечения ильменита в концентрат (1, 2) и кварца в хвосты (3, 4)
в 2 раза (с 60 до 30 об/мин), стабилизируя остальные факторы на максимальном уровне, приводит к увеличению выхода непроводниковой фракции на 10,8 % и снижению качества непроводниковой фракции (увеличение содержания TiO2) в 2,9 раза.
Это связано с тем, что сила зеркального отображения за счет заряда, полученного в зоне короны частицами ильменита, частично компенсирует центробежную силу, действующую на частицы при частоте вращения барабана 30 об/мин.
Анализ результатов приведенных экспериментов по влиянию силы тока коронного разряда и напряжения на коронирующем электроде на технологические показатели разделения в коронно-электростатическом сепараторе с вертикальным расположением осадительного электрода позволяет
Рис.7. Влияние напряжения на короне на эффективность извлечения ильменита в концентрат (1, 2) и кварца в хвосты (3, 4)
сделать следующие выводы:
на малых значениях тока коронного разряда значительное влияние на показатели разделения оказывает напряжение на коронирующем электроде;
при сепарации материала с величиной тока коронного разряда 90 кА и выше основное влияние на показатели разделения оказывает сила тока коронного разряда;
чем больше величина тока коронного разряда, тем выше технологические показатели. Так, в представленной серии экспериментов эффективность извлечения кварца в хвосты возросла с 14,8 % при токе короны 10 кА, до
78,6 % - при токе короны 320 кА.
С увеличением межэлектродного промежутка технологические показатели разделения растут даже при одинаковых значениях тока коронного разряда. Например, выход непроводниковой фракции при токе коронного разряда, равном 150 кА, составляет при h=30 мм 23,46 %; при h=40 мм - 36,78 %; при h=60 мм – 45,88 %; при h=70мм – 62,15 %; при h=80 мм – 55 %. Одновременно с выходом неэлектропроводной фракции растет извлечение кварца в этот продукт, т.е. более значительному межэлектродному промежутку даже при одинаковых значениях тока коронного разряда соответствуют более высокие показатели разделения.
В четвертой главе приведены результаты промышленных и опытно-промышленных испытаний коронно-электростатического сепаратора с вертикальным осадительным электродом на Иршинском ГОКе, на доводочной фабрике Вишневогорского ГОКа и на доводочной фабрике Тарского ГОКа при обогащении титан-циркониевых коллективных концентратов.
При опытно-промышленных испытаниях модели экспериментального сепаратора показано, что из чернового ильменитового концентрата Иршинского ГОКа (табл.1) крупностью -2+0 мм с массовой долей ильменита 57 – 58 % за одну операцию получаются: концентрат с массовой долей ильменита 90,88 - 92,32 %, при извлечении ильменита в концентрат 52,87 - 53,5 %, промпродукт с массовой долей ильменита 58,27 – 48,69 %, хвосты с массовой долей ильменита 3,48 – 27,01 %, при извлечении ильменита в хвосты 1,24 – 14,28 %. Из чернового концентрата крупностью -1+0 мм (табл.2) с массовой долей ильменита 53-54 % за одну операцию может быть получено 27-34,3 % концентрата с массовой долей ильменита 91,62-94,51 %, при извлечении ильменита в кондиционный концентрат 47,41-58,14 %; 42,6-41,4 % промпродукта с массовой долей ильменита 63,6-54,5 % и 24,3-30,5 % хвостов с массовой долей ильменита 0,51-3,82 %, при извлечении ильменита в хвосты 2,17-0,23 %.
При технологических испытаниях на обогатительной фабрике №3 в Иршинском ГОКе на экспериментальном сепараторе СЭ-70/100 достигнута производительность 8,9 т/ч при восьми рабочих секциях (1,1 т/ч на одну рабочую секцию с длиной барабана 0,7 м).
Таблица 1
Технологические показатели испытаний модели сепаратора СЭ-70/100 с трубчатым питателем на черновом ильменитовом концентрате Иршинского ГОКа крупностью -2+0 мм
| Наименование продуктов | n=30 об/мин | n=60 об/мин | ||||
| выход, % | массовая доля ильменита, % | Извлечение ильменита, % | выход, % | массовая доля ильменита, % | извлечение ильменита, % | |
| Концентрат | 32,74 | 92,32 | 53,5 | 33,68 | 90,88 | 52,87 |
| Промпродукт | 37,39 | 48,69 | 32,22 | 45,60 | 58,27 | 45,89 |
| Хвосты | 29,87 | 27,01 | 14,28 | 20,72 | 3,48 | 1,24 |
| Исходный | 100,0 | 56,5 | 100,0 | 100,0 | 57,9 | 100,0 |
Таблица 2
Технологические показатели испытаний модели сепаратора СЭ-70/100 с трубчатым питателем на черновом ильменитовом концентрате крупностью -1+0 мм
| Наименование продуктов | n=30 об/мин | n=60 об/мин | ||||
| выход % | массовая доля ильменита, % | извлечение ильменита, % | выход % | массовая доля ильменита, % | извлечение ильменита, % | |
| Концентрат | 26,96 | 94,51 | 47,41 | 34,34 | 91,62 | 58,14 |
| Промпродукт | 42,59 | 63,62 | 50,42 | 41,36 | 54,46 | 41,63 |
| Хвосты | 30,45 | 3,82 | 2,17 | 24,3 | 0,51 | 0,23 |
| Исходный | 100,0 | 53,74 | 100,0 | 100,0 | 54,11 | 100,0 |
В 2002 г. научно-исследовательская и проектная организация ЗАО «Уралмеханобр-инжиниринг» выполнила регламент (руководитель работы -автор диссертации) и проектно-сметную документацию на строительство Тарского горно-обогатительного комбината. При выборе основного технологического оборудования разделения коллективного концентрата были оценены капитальные затраты технологических линий, базирующихся на сепараторах с горизонтальным и вертикальным барабанами. Было установлено, что для достижения заданной производительности рассматриваемой операции необходимо семь сепараторов СЭ-24/150, имеющих горизонтальную ориентацию осадительного барабана или два сепаратора: СЭ-70/140 и СЭ-50/50 с вертикальным барабаном. Было принято решение по комплектации данного отделения сепараторами нового типа. В процессе работы сепараторы показали себя как надежное оборудование, соответствующее лучшим отечественным и зарубежным образцам. Экономический эффект от снижения капитальных затрат, складывающийся из снижения стоимости оборудования и строительно-монтажных работ, составил 14,56 млн рублей. В 2004 году обогатительная фабрика Тарского ГОКа вступила в строй. На рис. 8 приведена фотография коронно-электростатического сепаратора с вертикальным барабаном СЭ-70/140 на обогатительной фабрике Тарского ГОКа.
Рис. 8. Коронно-электростатический сепаратор СЭ-70/140, установленный на доводочной фабрике Тарского ГОКа
Заключение
В результате выполненных в диссертационной работе исследований дано решение научно-практической задачи - обоснование параметров барабанного коронно-электростатического сепаратора с вертикальным осадительным электродом, позволяющее значительно увеличить производительность операций электрического обогащения, имеющее существенное значение при обогащении полезных ископаемых.
Основные результаты и выводы заключаются в следующем:
1. Анализ теоретических принципов электросепарации и многочисленных практических реализаций ее позволяет утверждать об универсальности этого метода обогащения. На барабанных коронно-электростатических сепараторах достигаются хорошие технологические показатели при разделении минеральных смесей, компоненты которых отличаются по электропроводности. Главный недостаток этих сепараторов, сдерживающий более широкое применение электросепарации, - малая единичная и удельная произ-водительность.
2. Ухудшение технологических показателей электросепараторов с горизонтальным осадительным электродом диаметром более 350-400 мм является основным препятствием, не позволяющим увеличивать удельную производительность сепараторов такой конструктивной реализации.
3. Основным направлением увеличения производительности коронных и коронно-электростатических барабанных сепараторов является увеличение производительности сепараторов по рабочей поверхности, за счет создания дополнительных автономных секций разделения первого приема, что достигается переориентацией осадительного электрода из горизонтального в вертикальное положение.
4. Увеличение диаметра вертикального осадительного электрода приводит к увеличению производительности электросепаратора по сравнению с барабанными сепараторами традиционной конструкции за счет увеличения линейной скорости вертикального осадительного электрода относительно линейной скорости горизонтального осадительного электрода.
5. Смена ориентации осадительного электрода с горизонтальной на вертикальную с последующим увеличением диаметра позволяет удерживать на поверхности осадительного электрода вне зоны короны частицы непроводников больших размеров за счет выведения силы тяжести, действующей на частицу, из оси противодействия электрических удерживающих и центробежной отрывающей сил, то есть проекция силы тяжести на вышеуказанную ось равна нулю.
6. Одним из направлений увеличения производительности и эффективности разделения в коронных и коронно-электростатических барабанных сепараторах является интенсификация параметров поля коронного разряда, в частности силы тока коронного разряда, и его распределение по поверхности осадительного электрода.
7. Впервые установлена закономерность влияния силы тока коронного разряда и напряжения на коронирующем электроде на технологические показатели разделения в коронно-электростатическом сепараторе с вертикальным расположением осадительного электрода:
- на малых значениях тока коронного разряда значительное влияние на показатели разделения оказывает напряжение на коронирующем электроде;
- при сепарации материала с величиной тока коронного разряда 90 кА и выше основное влияние на показатели разделения оказывает сила тока коронного разряда, при этом чем больше величина тока коронного разряда (в исследуемом диапазоне), тем выше технологические показатели;
- с увеличением межэлектродного промежутка технологические показатели разделения растут даже при одинаковых значениях тока коронного разряда.
8. Установлено, что экспериментальные значения крупности частиц кварца, удерживаемых на вертикальном осадительном электроде, имеют расхождения с расчетными показателями около 10 %.
9. Результатами экспериментальных и опытно-промышленных исследований барабанного сепаратора нового типа установлено, что технологические показатели разделения на сепараторе с вертикальным осадительным электродом не уступают показателям работы сепараторов традиционной конструкции, но при этом удельная производительность увеличилась в 5-10 раз.
10. За два года эксплуатации на Вишневогорском ГОКе экспериментального барабанного коронно-электростатического сепаратора с вертикальным осадительным электродом в технологической схеме обогащения коллективных концентратов Обуховского месторождения были исследованы различные режимы работы. Производительность сепаратора при крупности питания 80 % класса -0,74 мм варьировалась от 3,0 до 5,0 т/ч на 1 м длины осадительного электрода. Производительность серийных электросепараторов с горизонтально расположенным осадительным электродом типа СЭ-25/150 (аналог зарубежных сепараторов «Карпко», «Рапид», «Лурги»), установленных в этой же технологической схеме, составляла 0,5 т/ч на 1 м длины осадительного электрода. Качественные показатели разделения у сепараторов СЭ-70/100 и сепараторов СЭ-25/150 на аналогичном питании практически одинаковы. За два года работы сепаратор СЭ-70/100 показал большую механическую надежность и удобство в эксплуатации по сравнению с серийными электросепараторами.
11. В условиях Тарского ГОКа экономический эффект от снижения капитальных затрат, складывающийся из снижения стоимости оборудования и строительно-монтажных работ, составил 14,56 млн руб.
12. Для условий Олёкминского рудника (Куранахское месторождение) замена 60 электросепараторов традиционной конструкции с удельной производительностью 2 т/чм на 10 электросепараторов с вертикальным осадительным электродом типа СЭ-70/140 ожидаемый экономический эффект от снижения капитальных затрат, складывающийся из снижения стоимости оборудования и строительно-монтажных работ, составит 116 млн руб /год.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК России:
- Шихов Н.В., Урванцев А.И., Еланцев Ю.С., Шихова В.С. О методике измерения величины и распределения тока коронного разряда на поверхности осадительного электрода в барабанных сепараторах // Изв. вузов. Горный журнал. 1992. №12. С.109.
- Шихов Н.В., Урванцев А.И., и др. Разработка высокопроизводительного барабанного коронно-электростатического сепаратора вертикального типа // Цветные металлы. 1995. №11. С.71 – 74.
- Shikhov N.V., Urvansev A.I., Mushketov A.A. On the increase in Capacity of Drum-Type Corona – Discharge Electrostatic Separators// Обогащение руд. Special Issue for the XXI IMPC, 2000. – P.62 – 65.
- Шихов Н.В., Урванцев А.И., Зайцев Г.В. Результаты исследований и практика обогащения минерального сырья электрической сепарацией // Изв. вузов. Горный журнал. 2005. №5. С.37 – 51.
Патенты:
- Пат. 1577148 Российская Федерация, МПК6 В03С7/06. Устройство для загрузки электрического сепаратора / Шихов Н.В.; заявитель Научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых «Уралмеханобр», патентообладатель Шихов Н.В. и др. - №4611284/03; заявл. 19.12.1988; опубл. 09.01.1995.
- Пат. 2008976 Российская Федерация, МПК4 В03С7/02. Электрический барабанный сепаратор / Шихов Н.В.; заявитель и патентообладатель Шихов Н.В. и др. - №5035519/03; заявл.01.04.1992; опубл. 15.03.1994.
- Пат. 202335 Российская Федерация, МПК5 С22В7/04, 7/00. Способ переработки алюминийсодержащих шлаков / Шихов Н.В.; заявитель и патентобладатель Шихов Н.В. и др. - №93005939/02; заявл. 01.02.1993; опубл.15.11.1994 Бюл. №21.
- Пат.2046334 Российская Федерация, МПК6 G01N27/62. Способ изучения кинетики коронной электризации частиц и устройство для его осуществления / Шихов Н.В. и др; заявитель и патентообладатель Шихов Н.В. и др. - №4944663/25; заявл. 13.06.1991; опубл. 20.11.1995.
Работы, опубликованные в других изданиях:
- Шихов Н.В., Урванцев А.И. Электросепарация как один из перспективных способов комплексной переработки полезных ископаемых // Материалы докладов научно-технической конференции «Проблемы комплексной переработки титаномагнетитов Южного Урала», г. Магнитогорск, 28 – 29 марта 2001 г. Магнитогорск, 2001.
- Шихов Н.В., Урванцев А.И., Москалев К.А. Сухие методы обогащения как одно из перспективных направлений в развитии золотодобывающей промышленности // Сборник докладов на международной конференции «Золотодобывающая промышленность России. Состояние и перспективы развития», г. Москва, 27 мая 2008 г. МВЦ «Крокус Экспо». С.234 – 240.
- Шихов Н.В., Урванцев А.И. Титаномагнетитовые руды Урала – перспективное сырье для черной металлургии и титановой промышленности УрФО // Материалы докладов на Международной научно-технической конференции «Государственное регулирование и стратегическое партнерство в горно-металлургическом комплексе», г. Екатеринбург, 23 апреля 2009 г. Екатеринбург, 2009.
Подписано в печать 18.11.2010 г. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать на ризографе. Печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ №258.
Отпечатано с оригинала - макета в типографии ООО «ИРА УТК».
620144, г.Екатеринбург, ул.Шаумяна, 83
