автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Снижение энергозатрат трубопроводной системы при перекачке сгущенных гидросмесей хвостов обогащения полиметаллических руд на закладочные комплексы

9 15-5/508

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ Алексей Сергеевич

/

/

У

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРЕКАЧКЕ СГУЩЕННЫХ ГИДРОСМЕСЕЙ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД НА ЗАКЛАДОЧНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Александров Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Дробаденко Валерий Павлович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе», кафедра геотехнологии и комплексного освоения месторождений полезных ископаемых, заведующий кафедрой

Кибирев Владимир Иванович - кандидат технических наук, ЗАО «Механобр Инжиниринг», заместитель генерального директора

Ведущая организация - ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Защита диссертации состоится 7 октября 2015 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д.2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте http://www.spmi.ru

Автореферат разослан 31 июля 2015 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Андрей Сергеевич

ФОКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту альность работы

Трубопроводный гидравлический транспорт на предприятиях горнообогатительной промышленности России является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Этот вид транспорта оправдал себя в качестве экономичного и эффективного внут-рифабричного и магистрального способа транспортирования, а эксплуатируемые в настоящее время гидротранспортные системы являются конкурентоспособными в сравнении с другими способами транспортирования. Тем не менее, анализ работы гидротранспортных систем на горных предприятиях показывает, что эффективность использования этого вида транспорта не соответствует его техническим возможностям: высока трудоемкость работ при эксплуатации оборудования, высок гидроабразивный износ грунтовых насосов и трубопроводов, низок рабочий ресурс насосов, высоки металлоемкость и энергоемкость гидротранспортных систем. Основная причина недостаточной эффективности трубопроводного транспорта на предприятиях горной промышленности заключается в высокой энергоемкости процесса транспортирования, что является следствием низкой концентрации твердого материала в потоках перекачиваемых гидросмесей. Переход на транспортирование гидросмесей с высокими концентрациями твердой фазы является актуальной задачей для горной промышленности, так как при этом открывается возможность повысить эффективность эксплуатации систем трубопроводного транспорта за счет снижения затрат энергии на транспортирование сгущенных гидросмесей хвостов обогащения руд, уменьшения удельной энергоемкости процесса и металлоемкости применяемого оборудования. Решение актуальной задачи повышения энергетической эффективности трубопроводных гидротранспортных систем непосредственно связано с необходимостью разработки:

- теоретических закономерностей сгущения гидросмесей в аппаратах пластинчатого типа до высоких концентраций твердой фазы в сгущенном продукте;

- методик расчета гидравлического транспорта высококонцентрированных гидросмесей для определения оптимальных соотношений кинематических и динамических характеристик взвесенесущего потока и выбора соответствующего насосного оборудования, что требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Степень разработанности

Проблемой энергетической эффективности гидротранспорта занимались многие ученые и специалисты, как отечественные, так и зарубежные: М.А. Великанов, В.М. Маккавеев, разработавшие гравитационную и диффузионную теории гидравлического транспорта; Н.А. Силин, М.А. Дементьев, В.Н. Покровская, С.И. Криль, А.Е. Смолдырев, А.Г. Джваршейшвили, Р. Дюран, Д.Ф. Ричардсон, С.А. Шук, В. Пажонка, Е. Собота, П. Слатгер. В работах ученых заложены основные теоретические закономерности переноса твердой фазы в потоках жидкости, на основании которых разработаны методики расчета промышленных систем гидравлического транспорта. В основном разработанные теории относятся к потокам смесей с низкими концентрациями твердой фазы, когда основным кинематическим параметром является критическая скорость потока Для смесей с высокими концентрациями существующие методы расчета требуют дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы

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 гидромеханические характеристики гидротранспортных трубопроводов и 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 смеси.

4. Провести лабораторные и промышленные исследования процессов сгущения и трубопроводного 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.

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.

Практическая значимость работы

- 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.

Методы исследований - 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.

Научные положения, выносимые на защиту:

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 теоретическим зависимостям, которые в совокупности определяют математическую модель течения вязкопластических гидросмесей хвостов обогащения руд по гидротранспортным трубопроводам.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются 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 90-95 %.

Апробация

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры горных транспортных машин; на ежегодных международных конференциях моло-

дых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, Горный университет, 2012- 2013 годы); на 10-ой межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 2012 г.; на Международной конференции «Научные доклады по проблемам недропользования» Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.

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.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе диссертации выполнен анализ изученности и состояния вопроса сгущения и гидротранспорта продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях. Приведена общая характеристика гидротранспортных систем; рассмотрены основные параметры, определяющие эффективность процесса транспортирования. На основе выполненного аналитического обзора сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены теоретические исследования процесса сгущения и гидротранспорта высококонцентрированных гидросмесей хвостов обогащения. Установлено, что при течении гидросмеси хвостов обогащения с заданным гранулометрическим составом твердой фазы, осаждение и распределение твердых частиц по длине седиментационного канала определяется величиной гидравлической крупности отдельных классов частиц. Выявлено, что 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

В третьей главе дана характеристика экспериментальных стендов, описана методика проведения экспериментов. Приведены результаты экспериментов с анализом опытных данных. Выполнена проверка адекватности полученных результатов и приведены данные по сходимости теоретических и экспериментальных результатов.

В четвертой главе представлена технико-экономическая эффективность гидравлического транспорта гидросмесей с высокой концентрацией твердой фазы и разработан алгоритм расчета гидравлического транспорта гидросмесей с высокой концентрацией твердой фазы.

В заключении обобщены и приведены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационного исследования отражены в следующих защищаемых положениях:

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.

Процесс сгущения исходных гидросмесей в сгустителях пластинчатого типа, характеризуется стесненным падением твердых частиц в несущем потоке. Анализ существующих методик расчета таких сгустителей показывает, что в основе физики процесса осаждения предполагается независимость характера течения жидкости от наличия твердых частиц различной крупности, а взаимодействие несущей жидкости (чистой воды) с твердой фазой определяется гидродинамическими силами, что предполагает возможность применить теорию чисто гравитационного сноса твердых частиц с линий тока жидкости. Основной характеристикой процесса осаждения твердых частиц в наклонном канале тонкослойного (пластинчатого) сгустителя является их гидравлическая крупность.

Для вывода теоретических зависимостей и математической модели процесса сгущения гидросмесей хвостов обогащения были приняты следующие условия:

1. На входе потока в канал между наклонными пластинами имеется идеальное перемешивание гидросмеси.

2. Распределение твердых частиц по объему гидросмеси описывается дифференциальной кривой распределения - ф(н'), рисунок 1.

Рисунок 1- Кривая распределения твердых частиц гидросмеси по / *

гидравлическои крупности у\\>,,\\> - минимальная и максимальная гидравлические

крупности частиц, м/с)

Объемная концентрация твердых частиц, крупность которых не превышает некоторого фиксированного значения wl, равна:

С=| Ф^УУ. (1)

Н',

3. Несущая жидкость рассматривается как одна из фаз гидросмеси, с гидравлической крупностью равной нулю и объемной концентрацией на

И'"

входе в канал (1 -с0), где с„ = |фс1м> - суммарная объемная концентра-

IV.

ция твердых частиц на входе в канал. Обобщенная функция распределения жидкой системы по гидравлической крупности имеет вид:

Ф=(1-Со)ф) + Ф, (2)

где ¿(и>) - дельта-функция Дирака.

Средняя вертикальная составляющая скорости частиц, гидравлическая крупность которых не превышает некоторой н>,, равна:

У(и>)= (3)

И'.

4. Сползающий по нижней пластине слой сгущенного материала является сплоченным и имеет определенную структуру с эффективной вязкостью Г| = /(с).

С учетом условий 1-4 можно предположить, что зона осаждения частиц по длине канала разделяется на 2 участка: зона полного замутнения I и зона постепенного осветления II, рисунок 2.

В каждой точке зоны I присутствуют частицы всех классов. Сверху эта зона ограничена траекторией частиц, имеющих максимальную гидравлическую крупность и>* и выходящих из наивысшей точки на входе в канал. В зоне постепенного осветления II концентрация твердого убывает до нуля. Следовательно, ее верхняя граница определяется наивысшей траекторией частицы, имеющей минимальную гидравлическую крупность .

Абсциссы нижних точек пограничных траекторий твердых частиц обозначены через х' их,, т.е. продольная длина всей зоны осаждения равна х. Произвольной абсциссе х, принадлежащей интервалу (х*, х,) соответствует вполне определенная функция н{д:,). Величина х пропорциональна гидравлической крупности такой частицы, наивысшая траектория которой внутри зоны II проходит через точки (0,Н ) и (х,0), где Н- высота канала.

Рисунок 2 - Схема осаждения твердых частиц в канале пластинчатого сгустителя

При ламинарном режиме течения для описания движения частиц твердого возможно применить гипотезу чисто гравитационного сноса. Из этой теории следует, что на движение частиц существенное влияние оказывает Архимедова сила, а также силы вязкого трения частиц и несущей среды, а концентрация частиц некоторой гидравлической крупности вдоль траектории таких частиц неизменна Вследствие этого полная объемная концентрация твердых частиц в произвольной точке зоны полного замутнения

/ постоянна и равна с0. С другой стороны, внутри зоны постепенного осветления II объемная концентрация твердых частиц изменяется от точки к точке. Например, для произвольной точки концентрация является функцией координаты х и определяется по формуле:

с(х) =

и.

В соответствии с п. 4 начальных условий для произвольной точки (Е,,0), принадлежащей интервалу (х*, х,), скорость осаждения частицы с гидравлической крупностью ю{х) будет равна:

Гидравлическая крупность обратно пропорциональна динамической вязкости, а полная объемная концентрация в этой точке равна с(^). Это выражение было бы полностью справедливо, если бы вертикальная составляющая средней скорости гидросмеси в данной точке (£,0) была равна нулю. Однако в данном случае эта составляющая отлична от нуля и равна . Поэтому скорость седиментации частицы с гидравлической крупностью н'(л) в точке (<^,0) будет равна:

= (4)

Согласно этой формуле частица осаждается в инерционной системе, движущейся вниз со средневзвешенной вертикальной скоростью, и осаждение происходит по тем же законам, что и в неподвижной среде.

Применительно к зоне полного замутнения I для скорости седиментации частиц сорта уу(л:) справедливо выражение:

= (5)

где учтено, что концентрация частиц твердого материала внутри зоны неизменна и равна исходной концентрации. Отметим, что при = х' величина (4) переходит в (5),

у(х<х')=у0{х).

Дальнейший анализ физической модели процесса осаждения твердых частиц в канале пластинчатого сгустителя приводит к следующим выражениям для продольной длины зоны постепенного осветления II при непрерывном распределении твердых частиц по гидравлической крупности:

, н(Уг +У08та)и;

х, - х = -г=--г- е " =-. (6)

+ и/*)сова ^ V +

характер изменения толщины сгущенного продукта и распределение по гидравлической крупности в зависимости от высоты на выходе из канала, рисунок 3.

//(V,+У081ПяЬ- с + и ...

Л =-7=-л— У гг-(7)

V^V0+w) ^

где Vу - скорость гидросмеси на входе в канал, м/с; V - кинематический коэффициент вязкости гидросмеси, м2 /с .

Были выведены формулы для других геометрических характеристик пластинчатого сгустителя (рисунок 4).

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

Наличие в сгущенном продукте мельчайших классов твердых частиц и высокая концентрация твердой фазы, позволяют сделать вывод о том, что

получаемая на выходе из пластинчатого сгустителя гидросмесь будет характеризоваться реологическими свойствами, течение которой в цилиндрической трубе можно рассматривать как неньютоновское. Для описания процесса течения гидросмесей по трубопроводам была использована реологическая модель вязкопластической жидкости Бингама-Шведова. В работе показано, что при течении вязкопластической смеси по трубопроводу диаметра О поток смеси разделяется на две зоны:

- ядро потока, характеризующееся начальным напряжением сдвига т0, Па, радиусом ядра течения г0, м, и некоторым средним по сечению ядра потока значением концентрации твердых частиц ст;

- кольцевое течение между ядром потока и стенкой трубопровода, то есть течение в зазоре, ограниченном внутренним радиусом г0 и наружным

радиусом — = Я , так что толщина зоны кольцевого течения равна Я - г0.

Концентрация твердых частиц в кольцевом течении изменяется от максимального среднего значения ст на границе ядра потока до нуля на стенке трубопровода.

2 Л = В=Ж

3 - седиментационный канал, 4 - сливной лоток, 5 - наклонные пластины, 6 - сливной патрубок, 7 - бункер-накопитель, 8 - разгрузочный патрубок, 9 - загрузочный трубопровод

Общий расход гидросмеси через сечение трубопровода равен сумме расходов в ядре потока и в кольцевой зоне: £) = <20 + (2Г или:

<2о = у0 я

0Г =2к|rv{r)dr,

(8)

где у0 - скорость смеси в ядре потока, у(г)- скорость потока в кольцевой области, которая является функцией радиуса.

С учетом уравнения Бингама-Шведова было получено дифференциальное уравнение:

= о,

йг I

решение которого относительно скорости потока приводит к зависимости:

(9)

г с1г Ар г гс1г _ г с1г

" = "4 — тг I — + С,| —+ С2, 3 т] 21 1 Л >гт]

(10)

Интегралы уравнения (10) приводят к следующему окончательному виду уравнения расхода вязкопластической жидкости:

(2 = <2о

1 4 4

+ -СГ —а

3 3

= 0о 9,

(И)

где 0О =

я*ГАр Щ

- расход в ядре потока (формула Гагена-Пуазейля),

эф

м3/с; - эффективная вязкость гидросмеси, Па с; а = — - относит

тельное напряжение сдвига, т0 - начальное (статическое) напряжение сдвига,Па; г - напряжение на стенке трубопровода,^ <р - 1 --^(сг)+^-(сг)4 -

коэффициент расхода.

Из общего уравнения вязкопластической жидкости Бингама-Шведова была выведена формула для удельных потерь напора:

д _ ___

см Яе(1 - сг) '

V 64 V2

64

где Лсм = у-г— - коэффициент гидравлических сопротивлений

(1 -<х)11е

при течении вязкопластических гидросмесей по трубопровода (для ламинарной зоны трения).

Формула (13) для потерь напора отличается от известной зависимости для ламинарного течения чистых жидкостей наличием в знаменателе параметра а, характеризующего напряженное состояние гидросмеси, выраженного отношением начального напряжения к общему напряжению. Выражения (11) и (13) составляют математическую модель течения вязкопластических высококонцентрированных гидросмесей по трубопроводам в ламинарной области потока.

Для проверки адекватности полученных математических зависимостей были выполнены лабораторные и промышленные эксперименты модели пластинчатого сгустителя, рисунок 5.

Рисунок 5 - Лабораторного пластинчатого сгустителя.: а) схема, б) общий вид; 1 - входная емкость, 2 - успокоительная емкость, 3 - переход, 4, 5 -бункер накопитель, 6 - наклонный модуль, 7 - переход на сливной трубопровод, 8, 9 - сливная труба, 10 - загрузочная труба, 11 - расходный бак, 12, 13 - насосные агрегаты, 14 - отвод сгущенной гидросмеси

В процессе экспериментов измерялась высота сгущенного слоя в нижней части сгустителя через прозрачную вставку. Были выполнены расчеты длины зоны осаждения и толщины осадка по теоретическим формулам, а результаты сравнивались с экспериментальными данными. Было установ-

а)

б)

лено, что высота слоя осадка с увеличением длины пластины линейно уменьшается. Теоретическая зависимость (7) приводит к несколько завышенным значениям по сравнению с экспериментальными данными. Расчетные точки расположены выше экспериментальных в среднем на 18% , что можно объяснить турбулентным характером потока гидросмеси на входе в седиментационные каналы.

Реологические характеристики гидросмесей с различными концентрациями твердой фазы и заданного гранулометрического состава измерялись на автоматическом универсальном ротационном вискозиметре и на трубопроводном экспериментальном стенде, рисунок 6.

Рисунок 6 - Общий вид экспериментального лабораторного стенда

В результате лабораторных исследований получены и обработаны данные дня серии экспериментов, в результате которых были установлены основные зависимости для потерь напора /см = /(%), м/м; начального

напряжения сдвига г0 = '0^^ , эффективной вязкости = /(с,,), Пас;

относительного напряжения а = — и коэффициента расхода ср = /(сг),

т

рисунок 7.

В итоге, математическая модель трубопроводного транспорт высококонцентрированных гидросмесей записывается в виде следующей системы уравнений, в соответствии с (11), (13), дополненными формулами для коэффициента расхода <р и начального напряжения сдвига а :

я£>4ре . 3 - 4сг + сг4

—I—;

Скорость потока, м^'с Скорость потока, м3/с

О 64 128 192 256 320 Градиент скорости, с"1

Концентрация, %

и г*

с

Рисунок 7 - Зависимости потерь напора (а, б), реологические кривые (в) и вязкость гидросмесей (г) по результатам лабораторных экспериментов

3 4 5 6 7 8

Подача насоса, м/ч

Рисунок 8- Гидромеханические характеристики грунтового насоса при работе на гидросмеси хвостов обогащения медной руды

е4.89с2.57 . _ 64 V2

е4'89с2'57 +1,017-10 "3е9'93*''

' Б

(1-о-)/>11е 2gD,

В последней формуле параметр р = 0,75 -0,1 83у - коэффициент, учитывающий турбулентный режим течения гидросмеси.

Адекватность математической модели проверялась в ходе опытно-промышленных испытаний системы гидротранспорта сгущенных хвостов обогащения медной руды на ОФ № 3 Корпорации «Казмыс» (Джезказганский ГМК). Эксперименты проводились на специальной опытной установке, включающей пластинчатый сгуститель СП-250, бункеры исходной и сгущенной гидросмеси, фунтовые насосы 5ГрТ-8 для разгрузки сгущенной гидросмеси и сливной (осветленной) воды, систему закольцованных трубопроводов диаметром 100 мм.

Результаты испытаний подтвердили справедливость разработанной математической модели расчета параметров гидротранспорта гидросмесей высокой концентрации, а наиболее адекватно теоретические формулы описывают процесс при концентрациях твердой фазы больших 30 %. Были построены гидромеханические характеристики системы насос-трубопровод при транспортировании гидросмесей различных концентраций: Нтс(о),

тр (е) > ^нас(<2) И ?7нас(б)> РИСУНОК 8.

Анализ гидромеханических характеристик грунтового насоса 5ГрТ-8, дает возможность установить эффективный режим работы системы насос-трубопровод на гидросмеси с заданной концентрацией твердой фазы и заданным расходом. Необходимый напор в трубопроводе для преодоления гидравлических сопротивлений при течении высококонцентрированных гидросмесей был представлен в следующего выражения:

Ятп = Ц22 = т-^-г Ш2 (14)

тр О-сг^ЯеО5

5 31

где к - ---- Ь - коэффициент пропорциональности, с2/м5;

(1 -<фЯе£>5

Ь - эквивалентная длина трубопровода, м.

Из сравнения характеристик фунтового насоса 5ГрТ-8 (160/32) видно, что с увеличением концентрации гидросмеси от 0,3 до 0,5 снижается подача насоса и увеличивается потребный напор. То есть, увеличение концентра-

ции пропорционально увеличению напора и обратно пропорционально его подаче:

— = кн = к0 —, или (для насоса 5ГрТ-8)

с2 Н2 0,

05 = к" М ^ °'6 = 1,т" °'3% = °'91 '

Изменяя производительность насоса путем изменения частоты вращения, или путем дросселирования потока, можно получить для фунтового насоса серию характеристиккн = /(соб) и к0 = /(со6), из которых

выбрать наиболее эффективный вариант насоса и режима перекачивания, рисунок 9.

Полача насоса (Q), мЗ/ч

Рисунок 9 - Расходно-напорная характеристика грунтового насоса 5ГрТ-8 (160/32) при работе на трубопровод D = 100 мм, с концентрацией гидросмеси хвостов обогащения медной руды С,. = 0,5

В заключительном разделе диссертации выполнены технико-экономические расчеты системы гидротранспорта сгущенных хвостов текущей переработки медной руды ОФ №3 Джезказганского ГМК на закладочные комплексы шахт, в технологию приготовления закладочной смеси. Твердая фаза гидросмеси в этой технологии используется в качестве инертного наполнителя закладочной смеси. Сравнение годовых затрат электроэнергии Р\ в проектном (существующем, без сгущения) варианте I системы гидротранспорта хвостовой пульпы в технологию приготовления закладочной смеси и в рассмотренном варианте системы гидротранспорта при высоких концентрациях твердого материала И1 показывает на значительную эффективность варианта II. Снижение годовых энергозатрат при гидравли-

ческом транспорте концентрированных гидросмесей обусловлено уменьшением необходимого расхода смеси при неизменной производительности системы по твердому материалу. При этом среднее абсолютное значение удельной энергоемкости процесса уменьшилось в 1,42 раза, а гидросмеси годовой расход электроэнергии сокращается на 1,905x106 кВт-ч. Расчеты показали, что снижение энергоемкости процесса гидравлического транспорта гидросмесей с высокими концентрациями твердого материала приводит к сокращению эксплуатационных затрат гидротранспортных систем. Уменьшение объема транспортируемой гидросмеси требует применения для систем гидротранспорта трубопроводов с меньшими диаметрами. С увеличением концентрации с 0,1 до 0,536 удельная металлоемкость линейной части системы гидротранспорта снижается с 0,91 до 0,26 кг/т или в 3,5 раза. При гидравлическом транспорте гидросмесей с высокими концентрациями твердого материала должны использоваться высоконапорные насосы объемного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Установлено, что при течении гидросмеси хвостов обогащения с заданным гранулометрическим составом твердой фазы, осаждение и распределение твердых частиц по длине седиментационного канала пластинчатых сгустителей определяется величиной гидравлической крупности отдельных классов частиц. На основе теории чисто гравитационного сноса твердых частиц с линий тока жидкости определяются основные геометрические размеры седиментационных каналов и другие конструктивные параметры пластинчатых сгустителей.

2. Теоретически получена новая реологическая модель потока вязко-пластической гидросмеси при рассмотрении деформационного состояния элементарного объема жидкости, подверженного воздействию внешней силы и общего тензора напряженного состояния, включающего сумму нормальных и касательных напряжений.

3. Выведены новые функциональные зависимости основных параметров деформационного состояния (относительного напряжения сдвига, структурной и пластической вязкости) от концентрации твердой фазы и установлено, что критерием деформационного состояния вязкопластиче-ского потока гидросмеси является относительное напряжение сдвига, рав-

ное отношению начального (статического) напряжения к напряжению на стенке гидротранспортного трубопровода.

4. Методика расчета систем гидравлического транспорта устанавливает соотношения между основными параметрами деформационного состояния высококонцентрированного потока гидросмеси, являющимися функциями одной переменной - концентрации. Выведены новые расчетные формулы и разработан алгоритм расчета систем гидравлического транспорта для произвольного диапазона производительности гидротранспортной системы, который может быть использован для создания пакета новых прикладных программ по компьютерному моделированию при исследовании, расчете и проектировании гидротранспортных систем.

5. На примере реконструкции действующей системы гидротранспорта в технологии приготовления закладочной смеси доказана технико-экономическая эффективность гидравлического транспортирования гидросмесей с высокими концентрациями твердой фазы. Экономический эффект достигается за счет снижения удельной энергоемкости процесса, уменьшения объема транспортируемой гидросмеси и диаметра трубопровода при одинаковых количествах твердого материала, с фактическим сокращением годового расхода электроэнергии на 1,905x106 кВт-ч и уменьшением металлоемкости системы гидравлического транспорта в 3,5 раза.

По теме диссертации опубликованы следующие работы в изданиях, рекомендованных ВАК:

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

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

3. 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.

РИЦ Горного университета. 23.06.2015. 3.597. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015675105

2015675105