Закономерности изменения фракционного состава продуктов обогащения
На правах рукописи
ОВЧИННИКОВА ТАТЬЯНА ЮРЬЕВНА
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ
ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА
ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ
Специальность 25.00.13 – «Обогащение полезных ископаемых»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург-2006
Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Цыпин Евгений Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шемякин Владимир Сергеевич
кандидат технических наук, доцент
Дойлидов Светослав Петрович
Ведущая организация – Уральский научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых
Защита состоится « 19 » октября 2006 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, зал заседаний Ученого совета. (Факс (343) 257-91-54; e-mail: [email protected])
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Уральского государственного горного университета
Автореферат диссертации разослан « 19 » сентября 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В. К. Багазеев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. С развитием и усовершенствованием современных средств вычислительной техники возникла необходимость создания методик автоматизированного расчета и проектирования схем, использующих детальную информацию о фракционном составе руд и продуктов обогащения и учитывающих закономерности раскрытия минеральных фаз. Информация о характеристиках раскрытия минеральных фаз в продуктах обогащения различной крупности позволит разработать рациональные принципиальные и технологические схемы обогащения, реализующие принцип «не обогащать ничего лишнего!», обеспечит создание ресурсосберегающих технологий и позволит повысить качественно-количественные показатели обогащения.
Объектом исследования являются фракционный состав руд и продуктов их обогащения.
Предмет исследования – закономерности изменения характеристик раскрытия минеральных фаз и фракционного состава руд и продуктов обогащения в ходе технологических преобразований.
Цель работы. Разработка методики автоматизированного расчета и проектирования схем обогащения, учитывающей закономерности изменения фракционного состава руд и продуктов в ходе технологических преобразований.
Идея работы заключается в использовании закономерностей изменения фракционных характеристик продуктов в операциях рудоподготовки и обогащения для прогноза качества продуктов разделения и построения принципиальных схем обогащения.
Основные задачи исследования:
- Изучение влияния плотности распределения крупности зерен на получаемые характеристики раскрытия минеральных фаз.
- Изучение закономерностей раскрытия минеральных фаз для различных видов сырья в ходе операций сокращения крупности.
- Изучение изменения фракционного состава продуктов обогащения в операциях сокращения крупности и разделения. Исследование взаимосвязи требуемой точности разделения сепаратора, вида покускового распределения массовой доли компонентов в руде или продуктах обогащения и качественно-количественных требований, предъявляемых к получаемым продуктам.
- Разработка методики выбора и алгоритма расчета схем обогащения, учитывающих закономерности раскрытия минеральных фаз и их разделения.
Методы исследований. При изучении состава руд и продуктов обогащения применялись методы гранулометрического, фракционного, минералогического, микроскопического и спектрометрического анализа продуктов. В работе использованы методы прикладной математики, методы математической статистики и математического моделирования.
Научные положения, выносимые на защиту.
- Расчет теоретических характеристик раскрытия минеральных фаз следует осуществлять с учетом плотности распределения крупности минеральных зерен подчиненной фазы.
- При определении требуемой точности разделения сепаратора необходимо учитывать вид покускового распределения массовой доли полезного компонента в руде или продуктах обогащения и качественно-количественные требования, предъявляемые к получаемым продуктам разделения.
- При обосновании и расчете схем обогащения необходимо использовать полученные экспериментальным путем двумерные фракционные характеристики материала по содержанию (признаку) и крупности и двумерные сепарационные характеристики аппаратов.
Научная новизна результатов работы. Получены следующие новые научные результаты:
- установлено, что расчет характеристик раскрытия минеральных фаз с учетом распределения крупности зерен подчиненной фазы точнее, чем расчет характеристик раскрытия по средневзвешенной крупности минеральных зерен;
- установлено влияние гранулометрического состава продуктов на вид суммарной сепарационной характеристики;
- установлено влияние фракционного состава на требуемую точность сепаратора для достижения равнозначных технологических показателей;
- установлено, что фракционный состав продуктов одинаковой крупности, имеющих различную предысторию сокращения крупности, меняется несущественно, что подтверждено данными статистического анализа;
- экспериментальным путем на примере хромитовых руд получены характеристики раскрытия минеральных фаз для случая объемного соотношения фаз, не имеющего теоретического описания (n<5);
- предложен алгоритм для расчета уточненных характеристик раскрытия минеральных фаз с учетом распределения крупности зерен.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов значительным объемом экспериментального материала, дублированием проводимых экспериментов, удовлетворительной сходимостью результатов параллельных опытов, подтвержденной данными статистического анализа.
Практическое значение состоит в разработке методики и алгоритма расчета схем обогащения на основе пооперационной трансформации двумерного фракционного состава продуктов в ходе операций сокращения крупности и разделения, в которой учитывается непостоянство сепарационных характеристик аппаратов с изменением крупности.
Научное значение заключается в установлении характеристик раскрытия минералов по стадиям изменения крупности для различных типов руд.
Личный вклад автора состоит в организации и проведении анализе всего комплекса экспериментальных исследований; анализе и обобщении результатов исследований; разработке моделей изменения фракционного состава в операциях разделения; разработке алгоритма расчета схемы с использованием двумерных плотностей распределения материала по содержанию компонента и крупности.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при обосновании технологической схемы обогащения хромитовой руды месторождения Рай-Из, а также применяются в учебном процессе в Уральском государственном горном университете при выполнении лабораторных и курсовых работ по дисциплинам «Моделирование процессов обогащения» и «Теория разделения минералов» и дипломных работ студентами специальности «Обогащение полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях:
- Международных совещаниях «Плаксинские чтения» (Чита, 2002 г.; Иркутск, 2004 г.);
- IV и V Конгрессах обогатителей стран СНГ (Москва, 2003, 2005 гг.);
- Международных научно-практических конференциях «Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 гг.);
- Молодежных научно-практических конференциях в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2004, 2005, 2006 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах.
Работа выполнена в рамках исследований:
- по заданию Федерального агентства РФ по образованию Уральскому государственному горному университету на проведение научных исследований по тематическому плану НИР на 2005-2006 гг.: «Исследование и развитие теории контрастности руд» (шифр 1.7.05);
- по гранту Министерства образования РФ на научно-исследовательскую работу аспирантов «Построение принципиальных стадиальных схем обогащения руд черных и цветных металлов на основе изучения закономерностей раскрытия минеральных фаз» (шифр А03-3.17-437).
Объем работы. Объем диссертации – 181 страница машинописного текста, включая 41 рисунок и 35 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 122 наименований и 5 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В первой главе проведен сравнительный анализ существующих аналитических моделей раскрытия минеральных фаз, приведены виды сепарационных характеристик и факторы, влияющие на их формирование. Рассмотрен вопрос использования моделей раскрытия и разделения минеральных фаз для расчета схем обогащения. Фазы – отличающиеся по размеру и степени организации материи категории минерального вещества.
Закономерности раскрытия минеральных фаз с теоретических позиций одним из первых рассмотрел А. М. Годэн. Годэном введены следующие понятия: «подчиненная фаза B» – минерал; «преобладающая фаза A» – порода; d – крупность дробленой или измельченной руды; dз – крупность зёрен подчиненной фазы; PA – показатель раскрытия фазы A, доля свободных частиц фазы A; PB – показатель раскрытия фазы A, доля свободных частиц фазы B. Разработанная им модель раскрытия минеральных фаз легла в основу многих последующих.
В последующие годы отечественными и зарубежными учеными [Белоглазов К. Ф., Кармазин В. И., Младецкий И. К. и Марюта А. И.,Тодес О. М. и Юровский А. З., Уигл Р., Ли К., Овада С., Волкова З. В., Евграфова Е. Л., Чернуха В. И.] созданы модели раскрытия, отличающиеся от модели А. М. Годэна способом задания формы частиц подчиненной фазы (зёрен), характером распределения зёрен по объему материала или способом задания крупности зёрен. Форма зёрен может быть выражена через коэффициенты формы или иметь произвольный или определенный (шар, куб) вид. Характер распределения зёрен по объему материала может быть равномерным, случайным или слоистой структуры с равномерным или случайным распределением в пределах слоев. По способу задания крупности вкраплений и продуктов измельчения разделяют модели с функциональным заданием крупности и через средневзвешенные значения.
Существующие аналитические модели раскрытия минеральных фаз имеют общие характерные признаки:
- руды моделируются матричными системами, зёрна минерала в которых представляют собой правильные тела одинаковых размеров, без учета петрографических характеристик руд;
- во всех формулах используется соотношение размера зерна и величины дробленого куска, от которого зависит степень раскрытия, следовательно, учитывается раскрытие лишь в узком диапазоне крупности, тогда как реальная характеристика дробленой руды представляет собой совокупность классов различной крупности;
- имеющиеся модели не учитывают различия в прочностных характеристиках слагающих руду минералов, их разную измельчаемость, что исключает применение данных моделей для оценки селективного разрушения;
- математические формулы, описывающие долю получаемых раскрытых минеральных фаз, сложны и имеют несколько переменных.
В 90-х годах XX века на основе модели Годэна В. З. Козин предложил модель раскрытия минеральных фаз, учитывающую закономерности раскрытия не только породы, минерала, но и формирования сростков, однако полученные им теоретические закономерности требуют дополнения. Поскольку в руде одновременно существует множество минеральных зёрен различной крупности, размер зерна не является фиксированным значением, при расчете показателей и оценке закономерностей раскрытия нельзя утверждать, что существует единый средний размер зерна, следовательно, необходимо оперировать понятием функция плотности распределения крупности зерен (dз).
Оценке раскрытия при селективном разрушении посвящены работы Э. А. Хопунова. Эти работы носят экспериментальный характер, однако имеют большое значение для понимания механизма раскрытия минералов в рудах, обладающих различными физико-механическими свойствами.
Важной и необходимой задачей исследований в этом направлении является изучение влияния распределения крупности зёрен (dз) на получаемые характеристики раскрытия минеральных фаз.
Следующей важной задачей исследования является изучение изменения фракционного состава продуктов обогащения в операциях сокращения крупности и разделения и исследование взаимосвязи требуемой точности разделения сепаратора, вида покускового распределения содержания компонентов в руде или продуктах обогащения и предъявляемых к получаемым продуктам качественно-количественным требованиям.
Так как сепарационные характеристики аппаратов и процессов определяют эффективность разделения в обогатительной технологии, то для различного сырья с определенной степенью подготовки его к разделению и, следовательно, со сложившимся фракционным составом имеет смысл выбирать аппарат с требуемой сепарационной характеристикой.
В обогащении всегда регламентируется качественная характеристика конечного продукта – массовая доля полезного компонента в продуктах обогащения (к, х) должна соответствовать заданному значению. Следовательно, оценку обогатимости можно вести по величине выхода целевого продукта (к, х) при его фиксированном качестве и крупности.
Для оценки обогатимости по потенциальному выходу целевого продукта с заданной массовой долей полезного компонента при рудоподготовке целесообразно стремиться к максимальному выходу целевого продукта с заданным его качеством.
Отношение достигнутого выхода к выходу в случае полного раскрытия позволяет оценить эффективность фактического (достигнутого) раскрытия.
Данное отношение выходов может быть отождествлено с оценкой обогатимости сырья в достигнутой крупности по содержанию компонента (в случае предельной обогатимости) или по признаку разделения.
На вид реальной сепарационной характеристики влияют как технологические факторы, так и физические свойства материала. Для многих аппаратов помимо физических свойств материала на вид сепарационной характеристики оказывает существенное влияние и крупность разделяемого материала. Особенно велико это влияние в гравитационных процессах разделения.
Необходимо выявить влияние введения крупности разделяемого материала в качестве второго аргумента в суммарную сепарационную характеристику для учета мелких и тонких классов на прогноз результатов разделения.
За последние десятилетия отечественными и зарубежными учеными [Тихонов О. Н., Козин В. З., Пелевин А. Е., Голяковский С. Ю., Каляцкий И. И., Миронов В. П., Пожидаев В. Ф., Рубинштейн Ю. Б., Chudovitsky V. I., Clarkson C. J., Xiang F., He P., Chen J., Lynch A. I., Morrison R. D., Martyniak J., Wycisk H., Ryman-Tybb Nick, Bott George, Tumidajski T., Williams M. C., Meloy T. P.] разработаны различные программы для расчета отдельных операций и схем обогащения в целом с учетом процессов раскрытия и сепарационных характеристик. Однако предлагаемые алгоритмы, в большинстве своем, применимы лишь для определенных процессов и руд либо носят рекомендательный характер.
С развитием компьютерных технологий стало возможным применение ЭВМ в проектировании и расчете схем обогащения. При автоматизированном проектировании распространен подход с применением типовых решений. Для рудоподготовки он разработан В. Ф. Барановым. Предполагаемый синтез схемы из типовых блоков – стадий дробления и измельчения с различным сочетанием операций сокращения крупности, грохочения, классификации. Подход допускает варьирование и оптимизацию технологических параметров. Ограничение метода Баранова состоит в том, что в нем не учитываются массовая доля компонентов, фракционный состав руды, раскрытие минералов и потому метод не может быть прямо применен для расчета обогатительных схем.
В исследовании ставится задача разработать методику расчета схем обогащения с использованием характеристик раскрытия и разделения минеральных фаз.
Во второй главе изучаются характеристики раскрытия минеральных фаз для различных видов распределений крупности зерен.
Проанализировано влияние вида закона распределения крупности зёрен на вид получаемых зависимостей раскрытия. Полагалось, что выборка кусков руды настолько велика, что внутри неё можно выделить совокупности кусков с любым фиксированным значением зерна – dзi. Уменьшение крупности кусков и закономерности изменения показателей раскрытия фаз для каждого фиксированного значения принимались аналогично условиям и формулам В. З. Козина.
Рассчитав показатели раскрытия при изменении крупности кусков в широком диапазоне для каждого выделенного dзi и учтя его долю в руде, можно получить значения показателей раскрытия с учетом заданного распределения размеров зёрен подчиненной фазы. Поскольку в кусках любой крупности могут содержаться обломки зерен подчиненной фазы любой крупности, целесообразно графики изменения показателей раскрытия от крупности приводить в осях PA, PB=f(d).
Задача решена для различных видов распределений крупности. На рис. 1 представлены характеристики раскрытия подчиненной и преобладающей фаз для непрерывных распределений крупности зерен и различных объемных соотношений фаз.
Раскрытие с учетом вида закона распределения зерен по крупности определялось по формуле
(1)
где i – индекс, соответствующий номеру интервала по dз; dз – ширина i-го интервала, мм.
На каждом графике сопоставлены характеристики раскрытия с учетом распределения размера зёрен – (dз) с аналогичными кривыми, рассчитанными
для фиксированного значения размера зерна, которое для любого из распределений вычислено как средневзвешенное – dзСРВ.
Анализ характеристик раскрытия минеральных фаз показал, что в случае учета (dз) для всех рассмотренных распределений раскрытие зёрен как подчиненной, так и преобладающей фазы начинается в большей и заканчивается в меньшей крупности, по сравнению с раскрытием, оцениваемым по dзСРВ.
Раскрытие подчиненной фазы начинается при d=dзmax для характеристик, рассчитанных с учетом (dз), и при d=dзСРВ (точка с координатами (1; 0)) для характеристик, рассчитанных при фиксированном размере зерна, соответственно. Характеристики раскрытия, рассчитанные по dзСРВ, одинаковы для всех симметричных законов распределения, однако, те же характеристики, рассчитанные с учетом распределения крупности зерен, отличаются друг от друга. Те же тенденции отмечены и для асимметричных распределений крупности зерен.
Результаты решения данной задачи позволяют также сделать вывод о том, что использование в расчетах dзСРВ вместо (dз), если раскрытие существенно, всегда будет давать завышение как показателей раскрытия при одинаковой крупности материала, так и крупности частиц при заданных значениях показателей раскрытия. При расчете показателей раскрытия необходимо учитывать вид распределения крупности зерен подчиненной фазы для получения более точных данных.
В третьей главе экспериментально получены кривые раскрытия минеральных фаз для различных видов руд, проанализирован фракционный состав продуктов различной степени дробления, проведен сравнительный анализ эмпирических и теоретических кривых раскрытия.
Проводились исследования следующих видов руд: пиритной – Березовского месторождения; магнетитовой – Гусевогорского месторождения; хромитовой – Рай-Изского месторождения.
Основное отличие руд – разное значение объемного соотношения минеральных фаз. Были изучены физико-механические свойства руд, описаны вещественный, минералогический и гранулометрический составы руд.
Для каждого вида руды определена плотность распределения крупности минеральных зерен. Информация относительно трехмерных особенностей руд получена при использовании косвенных методов анализа изображений.
Изучаемые руды имеют различные виды функций распределения крупности зерен. Распределение крупности зерен пиритной руды относится к левоасимметричным, в данной руде велика доля крупных зерен. Вид функции распределения крупности зерен магнетитовой руды – правоасимметричный, значительно преобладание мелких зерен.
Распределения крупности минеральных зерен хромитовой руды месторождения Рай-Из определены для разных ее типов. В целом распределения крупности зерен хромитовой руды можно охарактеризовать как левоасимметричные.
Следующим этапом исследования было изучение характеристик раскрытия минеральных фаз и сростков руд.
Общая методика проведения эксперимента такова: исходная руда была подвергнута рассеву: крупные классы рассевались на стандартных ситах с модулем 2, мелкие классы рассевались на наборе стандартных сит с модулем 
. Затем отдельно в каждом классе оценивалось раскрытие: проводился фракционный анализ по содержанию минерала.
В крупных классах изучалась контрастность руды, раскрытие в мелких классах определялось методом микроскопического анализа.
Определение раскрытия в мелких классах крупности осуществлялось в параллельных опытах.
Получены фракционные характеристики по среднему объемному содержанию минерала. По результатам фракционирования построены эмпирические кривые раскрытия подчиненной и преобладающей фаз и различных видов сростков для трех видов руд.
Анализ эмпирических кривых раскрытия (рис. 2) пиритной руды показал, что раскрытие как минеральной, так и породной фаз начинается в крупности, большей средневзвешенного размера зерен (dзСРВ).
В крупности менее 2 мм общая доля сростков невелика и с уменьшением крупности снижается. В крупности менее 1 мм исчезают средние сростки, общая доля сростков не превышает 10 %. В классе -0,3+0,21 мм общая доля бедных и богатых сростков не превышает 1 %. Полное раскрытие минеральных фаз достигается в крупности менее 0,21 мм.
Бедные сростки в основном концентрируются в крупных классах (-10+5, -5+3; -3+2 мм). Доля средних и богатых сростков в целом невелика. Крупность средних сростков находится в диапазоне -10+1 мм; богатых – -10+0,21 мм. Максимального значения доли средних и богатых сростков достигают в классе -2+1 мм: 1,81 и 0,91 %, соответственно.
Изучение раскрытия во всех классах крупности пиритной руды позволяет сделать следующие выводы:
- данная руда может быть подвергнута предварительному обогащению в крупнокусковом виде (-50+20, -20+10 мм), цель предварительного обогащения – сброс крупнокусковых хвостов, предварительное обогащение целесообразно проводить именно в узких классах;
- реализация глубокого обогащения должна осуществляться в классах -1,0; -0,42; -0,3 мм, поскольку в этих классов общая доля сростков невелика –5,2; 1,11; 0,58 %, соответственно.
Отслежено изменение фракционного состава магнетитовой руды в различных классах крупности. На рис. 3 представлены фракционные характеристики в тех классах крупности, где происходит изменение вида закона распределения.
Вид закона распределения по содержанию полезного компонента с уменьшением крупности изменяется. Наблюдается постепенный переход от модального к антимодальному.
Отмечено, что свободные зерна преобладающей фазы наблюдаются уже в крупных классах (-50+25 мм). Кроме того, в этих классах содержится значительная доля бедных сростков, следовательно, эти классы могут быть подвергнуты предварительному обогащению с целью удаления большей части руды, непригодной к дальнейшему обогащению. В крупных классах доля средних сростков (5-30 %) составляет порядка 70 %. Общая тенденция перераспределения сростков такова: в классах крупностью более 0,3 мм с уменьшением крупности наблюдается приращение доли преобладающей фазы, а в классах крупностью менее 0,3 мм происходит приращение доли подчиненной фазы. Начиная с класса -0,3+0,21 мм возможно обогащение с целью получения небольшого количества концентрата. Полное раскрытие происходит в классе крупности менее 0,044 мм. Общая доля сростков в классе -0,074+0,044 мм составляет порядка 3 %, а доля раскрытых зерен магнетита – порядка 28 %.
Для данного вида руды характерна схема многостадиального обогащения с выделением части преобладающей фазы после каждой стадии.
Изучение раскрытия хромитовой руды проводилось по аналогичной с другими видами руд методике.
Отслежено изменение фракционного состава хромитовой руды в различных классах крупности по стадиям дробления (рис. 4-6). Анализ фракционных характеристик продукта I стадии дробления (см. рис. 4) показал, что в крупности -2+1 мм появляются свободные зерна минеральной фазы, достигая максимального значения в классе -0,3+0,21 мм. В классах меньшей крупности (-0,15 мм) наблюдается уменьшение доли минеральных зерен. Доля свободных зерен породы в классе -5+3 мм невелика (19,00 %). При дальнейшем уменьшении крупности доля свободных зерен породы увеличивается за счет уменьшения доли бедных и части средних сростков. В крупных классах (-5+3, -3+2, -2+1 мм) наблюдается значительная доля бедных (0-20 %) и средних (20-80 %) сростков. Крупные классы можно подвергнуть предварительному обогащению с целью выделения значительной части хвостов. С уменьшением крупности количество сростков снижается. В классе крупности -0,3+0,21 мм исчезают средние сростки (20-80 %).
Этот факт позволяет сделать вывод, что именно в классе этой крупности можно начинать обогащение с целью получения концентрата. Результаты рентгеноспектрометрического анализа показали, что в этом классе крупности содержание минерала Cr2O3 максимальное. Для продуктов II и III стадий дробления сохраняются общие тенденции, отмеченные выше.
На примере хромитовой руды изучено изменение фракционного состава продуктов операций сокращения крупности. Для этого исходная проба крупностью -20+5 мм была разделена на узкие классы -20+10 и -10+5 мм. Затем каждый узкий класс был раздроблен в замкнутом цикле до крупности -5+0 мм, в полученных раздробленных классах изучалось раскрытие минеральных фаз и сростков. В дальнейшем дроблению были подвергнуты крупные классы: -5+3, -3+2, -2+1 мм с последующим изучением раскрытия минеральных фаз и сростков, на рис. 5 и 6 представлены фракционные характеристики по среднему объемному содержанию хромшпинелида после классов -5+3 и -1,2+1 мм.
Анализ фракционных характеристик продуктов II и III стадий дробления одинаковой крупности показал, что массовая доля минерала в исходном продукте влияет на вид функции фракционного состава. Отмечено, что после дробления продуктов с большим содержанием минерала в мелких классах приращение доли свободных зерен минерала больше, чем после дробления продуктов с меньшим содержанием. В продуктах с меньшим содержанием происходит приращение доли свободных зерен породы.
Полученные на основе фракционных характеристик кривые раскрытия минеральных фаз и сростков для продуктов одинаковой крупности, но с различной предысторией дробления были сопоставлены друг с другом. Сравнение проводилось по критериям Стьюдента, Фишера и Кохрена. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что характеристики раскрытия минеральных фаз и сростков для одинаковых классов крупности, имеющих различную предысторию сокращения крупности, не отличаются друг от друга.
В четвертой главе проведены теоретический анализ и моделирование фракционного состава продуктов обогащения в операциях сокращения крупности и разделения.
С помощью математического моделирования проанализировано влияние точности сепаратора и границы разделения на изменение фракционного состава. Под точностью сепаратора подразумевается величина Epm, характеризующая крутизну сепарационной характеристики.
При моделировании разделения предполагалось, что сепарационная характеристика соответствует интегральной кривой нормального закона, то есть извлечение отдельных фракций в концентрат рассчитывается по интегралу вероятности Гаусса, а исходное распределение имеет вид равномерного закона.
Варьирование Epm без изменения границы для равномерного закона сказывается на качестве получаемых продуктов и не влияет на их выходы. При неизменном значении выхода продуктов с увеличением Epm качество концентрата уменьшается, а хвостов – увеличивается.
Другой изменяемый параметр – граница разделения – оказывает существенное влияние на выходы и на качество продуктов. При смещении границы разделения вправо (значение величины разделительного признака стремится к максимальному) вид распределения концентрата стремится к левоасимметричному, то есть выход уменьшается, а качество увеличивается, при смещении границы влево (значение величины разделительного признака стремится к минимальному) выход увеличивается, а его качество снижается. При этом для хвостов имеет место стремление вида распределения к правоасимметричному. В случае значительных значений Epm формируются продукты с выраженными асимметричными законами распределения, при малых значениях Epm распределения для продуктов близки к равномерным, но имеют меньший диапазон варьирования.
Таким образом, можно сказать, что при решении конкретных технологических задач необходимо учитывать влияние, оказываемое изменением значений Epm и границы разделения, на конечный вид распределений получаемых продуктов.
Кроме того, была решена задача получения продуктов заданного качества для различных видов исходных функций фракционного состава.
Гипотетические функции распределения фракционного состава представлены на рис. 7.
На рис. 8 представлены зависимости выходов продуктов разделения – концентрата и хвостов – от заданного качества этих продуктов для различных исходных распределений по массовой доле компонента. Для левоасимметричных распределений качество концентрата назначено в долях единицы, в данном случае ставится задача получения богатого концентрата. Для прочих случаев качество концентратов и хвостов принято в относительных единицах к ср.
Значения Epm варьировались в широком диапазоне – от 0,001 до 0,5. Используемые значения Epm являются приближенными к значениям точности разделения реальных обогатительных аппаратов. Следует отметить, что при значениях Epm=0,001 сепарационная характеристика фактически близка к идеальной, при этом результаты прогноза технологических показателей разделения (выход и качество продукта) совпадают с показателями, получаемыми по кривым обогатимости Анри.
Была установлена зависимость влияния границы разделения на эффективность разделения в аппарате, которая оценивалась по критерию Ханкока-Луйкена (см. рис. 9).
В результате решения технологической задачи получены следующие результаты:
- Вид фракционного состава исходного продукта влияет на требуемую точность сепаратора. Так, например, для исходного унимодального 2А и правоасимметричного 1В требуется высокая точность даже для получения бедных концентратов (=1,1ср; =2ср): выход концентрата с =1,1ср для унимодального распределения 2А при Epm=0,001 составляет 0,8070 д. е., а при Epm=0,1 – 0,6724 д. е. (разница 0,1346 д. е.), а для правоасимметричного распределения 1В разница составляет 0,2139 д. е. Для левоасимметричных распределений (2Г) также необходима высокая точность сепаратора для получения максимального выхода высококачественных концентратов (=0,89-0,93 д. е.).При получении хвостов заданного качества для симметричного распределения 2А и левоасимметричного (2Г) распределений точность сепаратора незначительно влияет на выход продукта, для значений Epm=0,001-0,1 значение выхода находится примерно на одном уровне, разница не превышает 0,15 и 0,05 д. ед., соответственно. Для правоасимметричных распределений необходима высокая точность сепаратора, особенно для получения максимального выхода бедных хвостов (=0,050,2ср).
- Степень асимметрии функций распределений продуктов, подвергаемых разделению, также влияет на требуемую точность аппарата. Этот факт подтверждается на примере асимметричных распределений. Рассмотрим на примере получения концентрата заданного качества из продуктов, имеющих левоасимметричные функции распределения (1Г и 2Г), степень асимметрии этих продуктов различна: - 2,09 и -1,27 соответственно. Для получения выхода концентрата 0,8 д. е. качеством =0,89 д. е. требуемая точность сепаратора для распределения с большей степенью асимметрии (1Г) невысока (Epm=0,3), тогда как для распределения с меньшей степенью асимметрии (2Г) даже высокоточным сепаратором (Epm=0,001) не удается получить такого значения выхода концентрата. Подобная картина наблюдается и для симметричных бимодальных распределений, только в этом случае распределения характеризуются степенью раскрытия. Для продукта с большей степенью раскрытия (1Б) выход концентрата заданного качества будет выше, чем у продукта с меньшей степенью раскрытия (2Б) при прочих равных условиях.
- Эффективность разделения зависит от точности сепаратора (т. е. от значения Epm) и от исходного фракционного состава продукта. С уменьшением точности разделения уменьшается и эффективность. При невысокой точности аппарата (Epm=0,5) эффективность разделения незначительно зависит от границы разделения. Для симметричных и левоасимметричных распределений максимальная эффективность разделения достигается при =ср. Причем для левоасимметричных распределений это верно лишь при условии высокой точности сепаратора (Epm=0,001-0,1), при снижении точности экстремум смещается влево от =ср. Для правоасимметричных распределений максимальная эффективность достигается при смещении границы разделения вправо от =ср.
- Достаточной точностью для решения любых технологических задач является Epm=0,01 (а для легкообогатимых продуктов – 0,1). Разница в технологических показателях, таких как выход концентрата и хвостов, при идеальном разделении и при разделении с точностью Epm=0,01 и не превышает 0,02. Эта тенденция сохраняется для всех видов рассмотренных распределений.
Полученные результаты доказывают, что при выборе и дальнейшей настройке сепаратора необходимо учитывать вид функции распределения по признаку (содержанию) обогащаемого продукта.
Для многих процессов вероятность перехода частиц определенных фракций в различные продукты зависит не только от некоего физического свойства, но и от крупности – d. Примером таких процессов являются магнитные и особенно гравитационные процессы.
Следовательно, для описания таких процессов необходимо использовать двумерные сепарационные характеристики (, d). В такой сепарационной характеристике введение второго аргумента d позволяет учесть различную эффективность разделения зёрен различной крупности.
В работе рассмотрено влияние введения d в качестве второго аргумента в суммарную сепарационную характеристику для учета мелких и тонких классов, находящихся за границей разделения или в приграничной области допустимой глубины обогащения, на прогноз результатов разделения.
Если провести интегрирование сепарационной характеристики по d во всем диапазоне, можно убедиться, что из-за нечувствительности процесса в области мелких и тонких классов и неудаления их операциями грохочения или классификации итоговая характеристика может существенно ухудшиться в сравнении с характеристикой для номинальной крупности процесса.
С помощью математического моделирования доказано, что помимо распределения по содержанию полезного компонента необходимо учитывать и распределение по крупности.
При моделировании были приняты следующие допущения: исходный продукт представлен двумерной плотностью распределения (по крупности и по признаку); признаком разделения является содержание полезного компонента; плотность распределения по признаку изменяется во всех классах крупности по одинаковым законам. Задача моделирования – выявить, как изменяется суммарная плотность распределения в зависимости от вида закона распределения по крупности.
Были заданы распределения по крупности: равномерное, правоасимметричное и левоасимметричное. Выделено три класса крупности – 0-d1; d1-d2; d2-d3, для каждого класса крупности частиц задана сепарационная характеристика. В качестве целевого продукта назначен концентрат, и по известным формулам вычислена плотность распределения по массовой доле полезного компонента в концентрате после разделения.
Суммарная плотность распределения целевого продукта с учетом доли класса крупности учитывалась по формуле
к=()-1 [1 · к1()+2 · к2()+3 · к3()], (2)
где 1, 2, 3 ; к1(), к2(), к2() – доли и плотности распределения целевого продукта классов крупности 0-d1; d1-d2; d2-d3 соответственно.
При решении задачи получены следующие выводы:
- помимо распределения по содержанию полезного компонента необходимо учитывать и распределение по крупности, особенно это касается асимметричных распределений как по признаку, так и по крупности;
- наличие значительного числа мелких и тонких классов, находящихся за границей глубины обогащения, существенно ухудшает итоговую характеристику целевого продукта;
- наличие значительного количества классов крупности, соответствующей номинальной крупности процесса, позволяет получить удовлетворительные результаты разделения даже на весьма труднообогатимом сырье.
В пятой главе предлагаются методики расчета схем обогащения с использованием закономерностей раскрытия и разделения минеральных фаз и преобразующих функций аппаратов, обоснована принципиальная схема обогащения хромитовой руды месторождения Рай-Из.
Методика построения принципиальной схемы обогащения должна обеспечить:
- синтез сложных схем, включающих несколько стадий и циклов обогащения;
- качественно-количественный расчет схемы с получением значений выхода продукта, содержания в нем полезного компонента, извлечения полезного компонента в продукты обогащения.
Методика построения принципиальной схемы обогащения должна давать информацию о меняющемся фракционном составе обогащаемого сырья.
В методике учтены следующие основные положения:
- закономерности раскрытия минеральных фаз в ходе технологических преобразований, таких как сокращение крупности и разделение;
- возможность использования различных физических свойств для разделения в разных стадиях и циклах;
- несовершенство работы аппаратов;
- преобразование фракционного состава в ходе технологических преобразований;
- возможность оптимизации операций изменения границ (сокращения крупности) и дополнительных операций;
- возможность проектирования схемы блоками с последующей оптимизацией их структуры;
- возможность оптимизации структуры схемы в целом.
Двумерные распределения по содержанию компонентов и по крупности являются основой для построения принципиальной схемы обогащения.
Анализ вида полученных двумерных распределений дает необходимую информацию:
- для выявления характерных зон группирования частиц с разными содержаниями;
- генерирования возможных вариантов границ разделения и соответствующих им множеств принципиальных схем разделения.
Использование для построения принципиальной схемы обогащения двумерных распределений по содержанию компонентов и крупности влечет за собой необходимость использования двумерных сепарационных характеристик для расчета трансформации фракционного состава в ходе операций разделения.
При выборе схемы необходимо учитывать последовательное преобразование функций фракционного состава с использованием сепарационных характеристик аппаратов для руд по физическим свойствам и крупности. Должны учитываться преобразующие функции аппаратов дробления, измельчения, дезинтеграции; должны рассчитываться как фракционный состав с(d, i,), так и показатели в продуктах (,, ).
При выборе схемы необходима пошаговая оптимизация, а именно: последовательный перебор таких величин, как значение границ разделения, степень разрушения для достижения частной цели при наложенных ограничениях и т. п.
Блочный принцип (стадия, цикл, и т. п.) при выборе схемы возможен со своими целями и ограничениями. Выбор производится по всем операциям стадии или цикла, с оптимизацией по блоку в целом.
Исходный продукт должен характеризоваться двумерным распределением по содержанию (признаку) и крупности.
Согласно предлагаемой методике, построена принципиальная схема обогащения хромитовой руды месторождения Рай-Из (см. рис. 10). На основе анализа раскрытия минеральных фаз и сростков хромитовой руды месторождения Рай-Из сделан вывод о крупности раскрытия минерала (хромшпинелида). Исследования контрастности хромитовой руды выявили, что исходная хромитовая руда может быть вовлечена в переработку с получением кондиционных концентратов. В соответствии с требованиями по качеству и крупности, предъявляемыми к хромитовым концентратам, для данной руды предлагается схема с выделением двух видов концентрата – крупнокускового и гравитационного.
Крупнокусковой концентрат направляется непосредственно в металлургический передел, а гравитационный концентрат подвергается окускованию и также идет в дальнейшем на металлургическую переработку.
Построение принципиальной схемы обогащения на примере хромитовой руды доказывает, что при проектировании схемы обогащения необходимо учитывать особенности строения руды, распределение крупности зерен минерала и распределения по содержанию минерала в различных классах крупности.
При построении принципиальной схемы обогащения нужно опираться на экспериментальные данные о раскрытии минеральных фаз и сростков. Предложенная принципиальная схема обогащения построенная с учетом распределения крупности зёрен хромитовой руды и изменения фракционного состава в различных классах крупности совпадает с принципиальной схемой обогащения этой руды, полученной путем экспериментальных исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе получено решение актуальной научно-практической задачи выбора, расчета и построения принципиальных схем обогащения, имеющей существенное значение для проектирования технологических схем. Предложенная методика выбора, расчета и построения схем учитывает закономерности раскрытия минеральных фаз при дроблении и измельчении; двумерные характеристики фракционного состава по массовой доле компонента и крупности и двумерные сепарационные характеристики аппаратов
Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:
- Расчет характеристик раскрытия минеральных фаз следует осуществлять с учетом распределений крупности зёрен подчиненной фазы.
- Экспериментально установлено, что для изученных руд фракционный состав по содержанию компонентов отдельных одинаковых классов крупности, полученных дроблением различных классов крупности, существенно не различается.
- Установлено, что при определении требуемой точности разделения сепаратора необходимо учитывать покусковое распределение массовой доли полезного компонента в руде или продуктах обогащения и качественно-количественные требования, предъявляемые к получаемым продуктам разделения.
- Построение и расчет принципиальных схем обогащения должны быть основаны на использовании двумерных плотностей распределения материала по массовой доле компонента и крупности, а также учитывать установленные экспериментальным путем закономерности раскрытия минеральных фаз при дроблении и измельчении и двумерные сепарационные характеристики аппаратов.
- Обогащение хромитовой руды месторождения Рай-Из следует осуществлять по двухстадиальной схеме с предварительным грохочением исходного материала. Надрешетный продукт подвергается предварительному обогащению с получением кускового концентрата, кусковых хвостов и кускового промпродукта (I стадия), вторую стадию обогащения объединенного кускового промпродукта и подрешетного продукта первичного грохочения следует подвергать глубокому обогащению с получением концентрата и хвостов после дробления-измельчения до крупности не более 0,42 мм.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале,
входящем в перечень ВАК:
Цыпин Е. Ф., Комлев С. Г., Колтунов А. В., Ентальцев Е. В., Рихтер П. В., Овчинникова Т. Ю., Исхаков Ф. М., Огородников Г. А. Технологические исследования обогатимости хромитовой руды массива Рай-Из // Изв. вузов. Горный журнал. – 2005. № 5 – С. 52-72.
Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:
- Овчинникова Т. Ю., Цыпин Е. Ф. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния распределения крупности зерен минеральных фаз на характеристики их раскрытия // Материалы международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», 22-26 мая, 2006. – Екатеринбург, Изд-во АМБ, 2006. – С. 148-154.
- Овчинникова Т. Ю., Цыпин Е. Ф. Распределения крупности зерен и характеристики раскрытия минеральных фаз // Материалы Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 3-13 апреля 2006 г. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. – С. 136-138.
- Цыпин Е. Ф., Овчинникова Т. Ю., Ентальцев Е. В., Рихтер П. В. Формирование сепарационных характеристик. // Изв. УГГГА. Вып. 20 Серия: Горная электромеханика. – Екатеринбург, 2005. – С. 120-124.
- Овчинникова Т. Ю. Виды сепарационных характеристик и их влияние на фракционный состав продуктов разделения // Материалы Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 4-14 апреля 2005 г. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. – С. 141-142.
- Цыпин Е. Ф., Овчинникова Т. Ю., Рихтер П. В., Ентальцев Е. В. Прогноз предельных показателей обогащения. // Материалы Международного совещания «Современные методы оценки технологических свойств труднообогатимого и нетрадиционного минерального сырья благородных металлов и алмазов и прогрессивные технологии их переработки (Плаксинские чтения 2004)», Иркутск, 13-17 сент., 2004. – М.: Альтекс. 2004. – С. 44-46.
- Цыпин Е. Ф., Овчинникова Т. Ю., Ентальцев Е. В., Рихтер П. В. Двумерные распределения и функции при построении принципиальных схем обогащения. // Материалы Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 5-15 апреля 2004 г. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. – С. 342-346.
- Овчинникова Т. Ю. Построение принципиальных схем обогащения на основе анализа закономерностей раскрытия минералов. // Изв. УГГГА. Вып. 16. Серия: Горная электромеханика. – Екатеринбург, 2003. – С. 98-111.
- Цыпин Е. Ф., Овчинникова Т. Ю., Рихтер П. В. Раскрытие руды Гусевогорского месторождения в процессе ее переработки // IV Конгресс обогатителей стран СНГ: Материалы Конгресса. – Т. 1. – М.: Альтекс, 2003. – С.142-144.
- Цыпин Е. Ф., Овчинникова Т. Ю. Динамика раскрытия и изменения обогатимости по стадиям рудоподготовки и обогащения // Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья (Плаксинские чтения): Труды международного совещания. – Ч. IV. – Москва-Чита: ЧитГТУ, 2002. – С. 64-70.
Подписано в печать 14.09.2006. Бумага писчая. Формат 60х84 1/16. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 167
Издательство УГГУ, 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
Уральский государственный горный университет
