автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Моделирование поля выталкивающих сил и разделения минеральных зерен в псевдоутяжеленных ферроколлоидах магнитожидкостных сепараторов

Введение.

Глава 1. Состояние технологии и методов расчета оборудования для магнитного обогащения.

1.1. Анализ современного состояния технологии обогащения гравитационных шлихов.

1.2. Обзор методов расчета полей сил в магнитожидкостных сепараторах.

1.3. Изученность траекторий движения частиц минералов в сепараторах.

1.4. Направления совершенствования элементов конструкций магнитожидкостных сепараторов.

Цели и задачи исследования.

Глава 2. Исследование магнитных полей й выталкивающих сил в системах постоянных магнитов.

2.1. Метод расчета магнитной индукции и магнитного потенциала постоянных магнитов

2.2. Исследование магнитных полей на основе созданной математической модели.

2.3. Оценка точности модели полей постоянных магнитов.

2.4. Аналитический метод расчета сил для магнитных полей магнитожидкостных сепараторов.

2.5. Математическая модель поля выталкивающих сил.

2.6. Исследование полей пондеромоторных сил в магнитожидкостных сепараторах.

2.7. Проверка достоверности расчетов и исследования магнитных полей и полей сил.

Выводы.

Глава 3. Динамика разделения минералов в сепараторах с постоянными магнитами.

3.1. Анализ механизма разделения минералов в ферромагнитных жидкостях.

3.2. Аналитический метод расчета динамики разделения минералов на плоскости.

3.3. Движение минералов в магнитожидкоетных сепараторах плоского типа.

3.4. Движение минералов в магнитожидкоетных сепараторах клинообразного типа.

Выводы.

Глава 4. Испытание и внедрение в практику золотодобычи разработанных магнитожидкоетных сепараторов.

4.1. Магнитожидкостный сепаратор с двухсторонней разгрузкой легких минералов.

4.2. Магнитожидкостный сепаратор с разделительной камерой гиперболического сечения.

4.3. Промышленные испытания и внедрение разработанных сепараторов в практику золотодобычи.

Выводы.

Вопрос подъема экономики РФ тесно связан с увеличением добычи и переработки благородных и редкоземельных металлов. Важной задачей в процессе получения этих металлов является повышение эффективности гравитационного обогащения шлихов. В частности, при обогащении золотосодержащих шлихов имеют место трудоемкие, экологически вредные и недостаточно эффективные операции (ручные методы доводки шлихов на ковриках, столах и лотках иногда с применением ртути).

Альтернативой традиционным методам обогащения являются методы магнитожидкостной сепарации (МЖС), которые позволили выделять свободное золото в виде лигатуры. Недостаток МЖ-сепараторов - наличие сложных электромагнитных систем и большое потребление электроэнергии был преодолен применением высококоэрцитивных постоянных магнитов, что привело к изменению структуры магнитного поля и поля сил в рабочей зоне сепараторов. В результате изменились закономерности силового взаимодействия минеральных частиц с магнитным полем в ферроколлоидах, что в свою очередь привело к изменению траекторий их движения.

Установление зависимости для поля пондеромоторных сил и динамики разделения минералов в МЖ-сепараторах на постоянных магнитах от геометрических параметров магнитной системы и ее физических свойств, магнитных и физических параметров феррожидкости и минералов является актуальной научной задачей, которая в последние годы интенсивно разрабатывается в СКГТУ. Созданы научные основы проектирования сепараторов на постоянных магнитах, в связи с чем появилась необходимость разработать методику расчета полей пондеромоторных сил и траекторий движения.

Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей обогащения золотосодержащего сырья за счет изменения конструктивных параметров МЖ-сепараторов на основе математического моделирования и расчета процесса разделения минеральных частиц в магнитной жидкости.

Идея работы заключается в использовании аналитических методов расчета на комплексной плоскости магнитных полей, полей пондеромоторных сил и динамики разделения минералов для создания методик расчета в ограниченных рабочих пространствах МЖ-сепараторов.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены на основе фундаментальных положений теории электромагнитного поля, теории функций комплексного переменного, аналитических и численных методов решения систем дифференциальных уравнений движения частиц. В процессе работы использовали методы математического и физического моделирования. В экспериментах применяли магнитные, гидромеханические и гравиметрические измерения.

Основные научные положения, разработанные лично автором, и их новизна:

1. Методика расчета горизонтальных и вертикальных составляющих магнитной индукции систем постоянных магнитов.

2. Способ и результаты исследований оценки точности математической модели.

3. Картины полей пондеромоторных сил и результаты исследований усовершенствованных сепараторов.

4. Траектории движения минералов с небольшой разницей в плотности в объеме ферроколлоида магнитожидкостного сепаратора.

5. Пакет программ расчетов магнитных полей, полей выталкивающих сил и траекторий движения минералов.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается:

- сходимостью результатов, расчетов и физических измерений магнитных индукций в рабочем пространстве сепараторов с различными магнитными системами; согласованностью теоретических и экспериментальных исследований полей пондеромоторных сил на лабораторных и промышленных образцах сепараторов;

- результатами расчетов траекторий движения минеральных частиц в рабочих зонах действующих сепараторов;

- реализацией предложенных рекомендаций при промышленных испытаниях разработанных сепараторов на действующих золотодобывающих предприятиях.

Научное значение диссертации заключается в установлении основных функциональных зависимостей динамики разделения минералов в поле постоянных магнитов на основе разработанных математических моделей.

Практическое значение - повышение устойчивости работы реконструированных МЖ-сепараторов и увеличение показателей извлечения золота при обогащении шлихов.

Реализация работы. Разработанные сепараторы с использованием технологии выделения золота испытаны и внедрены с участием автора на промышленном участке золотодобычи «Ленский» производственно-коммерческой фирмы «Кристалл» в г. Зея Амурской области. Аналогичная конструкция МЖ-сепаратора была изготовлена и передана шлиходоводочному предприятию в г. Бодайбо Иркутской области и хабаровской фирме «Новые технологии». Испытания этого аппарата проводили на шлихообогатительной фабрике в п. Бриакан Хабаровского края.

В работе рассмотрены и другие примеры промышленного применения разработанных сепараторов в составе комплекса типа «Шлих-2». Группа исследователей с участием автора разработала и испытала комплекс «Шлих-З». В каждом случае получено дополнительное количество золото из отвальных или труднообогатимых продуктов. В работе представлены документы, подтверждающие промышленное применение разработанного оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на Ш Международной конференции «Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых», Новочеркасск, НГПУ, 1997; на научно-технических конференциях Северо-Кавказского технологического университета, Владикавказ, 1997, 1998 и 1999. Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 78 наименований и приложения; изложена на 153 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка и 6 таблиц. В приложение включены программы расчета траекторий движения частиц в магнитной жидкости, а также документы, подтверждающие практическое применение результатов работы.

Выводы

1. На основе экспериментальных исследований разработано несколько перспективных технических решений по усовершенствованию конструкций МЖ-сепараторов.

2. Разделение исходного материала на сепараторах предложенных конструкций происходит достаточно качественно, что подтверждается соответствующими данными лабораторных и промышленных испытаний.

3. Экспериментальные исследования промышленных и лабораторных образцов сепараторов показали адекватность разработанной модели практическим устройствам.

4. Проведенные исследования позволили внедрить МЖ-сепараторы на объектах золотодобычи для доводки золотосодержащих шлихов. Эффективность описанных аппаратов составляет более 85 %, для шлихового золота это достаточно высокий показатель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе проведены всесторонние исследования условий повышения показателей обогащения золотосодержащего сырья за счет совершенствования конструкций магнитожидкостных сепараторов. Для этой цели автором рассчитаны и созданы математические модели процесса разделения минеральных зерен в ферроколлоидах при различных условиях МЖ-сепарации золотосодержащих шлихов.

По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы:

1. Существуют дополнительные возможности для извлечения свободного золота из труднообогатимых хвостов ЗПК. Обнаружены некоторые недостатки применяемой до настоящего времени техники. Для повышения технико-экономических показателей автором были предложены усовершенствованные конструкции МЖ-сепараторов. Этому предшествовал тщательный анализ процесса разделения минералов в магнитной жидкости.

2. Проведено исследование полей сил, действующих на минеральную частицу в объеме ферроколлоида под действием поля постоянных магнитов. Получены формулы пондеромоторных сил систем постоянных магнитов.

3. Разработана методика расчета горизонтальных и вертикальных составляющих магнитной индукции систем постоянных магнитов.

4. Предложенный метод расчета полей пондеромоторных сил позволяет получить картины линий эффективных плотностей, удельных горизонтальных сил и модулей сил, выявить недоступные зоны зависания минералов.

5. Разработана модель динамики разделения минералов. На ее основе рассчитаны траектории движения минеральных зерен с незначительной разницей в плотности при различных условиях разделения в магнитной жидкости под действием поля постоянных магнитов.

6. Полученные математические модели дали возможность проводить расчеты магнитных систем для всех углов раскрытия от 180 до 60

7. Создан пакет программ для расчета и построения графиков магнитных полей на ЭВМ. Полученные результаты использованы при исследованиях и создании усовершенствованных конструкций сепараторов.

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработано несколько перспективных технических решений по усовершенствованию конструкций МЖ-сепараторов: сепараторы с боковой разгрузкой, гиперболическими рабочими зонами в виде виброжелоба с висячим и опорным рабочим слоем. Разделение исходного материала на сепараторах предложенных конструкций происходит достаточно качественно.

9. Экспериментальные исследования промышленных и лабораторных образцов сепараторов показали адекватность разработанной модели практическим устройствам. Проведенные исследования позволили внедрить МЖ-сепараторы на объектах золотодобычи для доводки золотосодержащих шлихов. Эффективность описанных аппаратов составляет более 85 %, для шлихового золота это достаточно высокий показатель, что подтверждается соответствующими данными лабораторных и промышленных испытаний, а также актами внедрения.

1. Грицаев В.П. О проекте Федеральной программы производства золота и серебра в России на 1994-1995 гг. и на период до 2000 г. / Горный журнал, 1994, № 11, с. 6-8.

2. Замятин О.В., Маньков В.М., Томин В.С.и др. Совершенствование базовых технологий обогащения золотосодержащих песков на драгах и промывочных приборах. / Горный журнал, 1994, №11, с. 46-48.

3. Мязин В.П. Об интенсивной физико-химической технологии добычи и первичной переработке глинистых металлоносных песков. / Колыма, 1992, № 5, с. 16-22.

4. Кокташев А.Е. Технология обогащения золотоносных песков на драгах. / Тр. ВНИИ-1, Магадан, 1974, т. 34, с. 122-132.

5. Мельников М.С. Современные методы и технические средства обработки проб при разведке россыпных месторождений золота. М.: Обзор/ВИЭМС, 1990, 45 с.

6. Тарасова Т.Б., Анохин С.М., Вашенков В.Е., Миронов С.Б. Отсадка перспективный способ повышения извлечения золота при промывке песков на промывочных приборах. / Цв. металлургия, 1992, №3, с. 20-22.

7. Маньков В.М., Замятин О.В., Козловский В.Т. и др. Извлечение мелкого золота из россыпей с использованием центробежных методов обогащения. / Горный журнал, 1994, № 11, с. 44-46.

8. Бывальцев В.Я., Дементьев В.Е., Емельянов Ю.Е. Эффективные технология и оборудование для извлечения золота из продуктов обогащения руд и россыпей в слитки. / Цветные металлы, 1997, № 2.

9. Губаревич В.Н. Исследование и создание феррогидростатических сепараторов для обогащения полезных ископаемых в ферромагнитной жидкости. Ворошиловград: Автореф. канд. дисс., 1982.

10. Гамзаева С.А., Дворчик С.Е., Заремба E.JL, Рыков В.Г. Требования к магнитным системам магнитостатических сепараторов. / Магнитная гидродинамика, 1979, № 3, с. 115-119.

11. Федчун JT.B., Невструев Г.Ф. Исследование магнитного поля в зазоре магнитогидростатического сепаратора. / Кибернетика и вычислительная техника, 1971, № 11, с. 126-128.

12. Кармазин В.В., Кармазин В.Н. Магнитные методы обогащения. -М.: Недра, 1984, 304 с.

13. Бибик Е.Е. Приготовление феррожидкости. / Коллоидный журн., 1972, №6, с. 1140-1141.

14. Губаревич В.Н., Гарин Ю.М., Смолкин Р.Д. и др. Разработка конструкции ФГС-сепараторов и технологические исследования. / Обогащение руд, 1981, № 5, с. 17-22.

15. Ландау Л.Д., Лившиц М.Е. Электродинамика сплошных сред. -М.: 1957.

16. Ландау Л.Д., Лившиц М.Е. Теория поля М.: Наука, 1973, 504 с.

17. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: 1966, 624 с.

18. Солоденко А.Б. Научные основы создания техники и технологии для обогащения минерального сырья в ферромагнитных коллоидах. М.: Док.дис. МИСиС, 1992, 391 с.

19. Вонсовский C.B. Магнетизм. М.: Наука, 1971, 382 с.

20. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных полей. М.: Энергия, 1964, 464 с.

21. Нестеренко А.Д. Введение в теоретическую электротехнику. -Киев: Наукова думка, 1969, 224 с.

22. Карплюс У. Моделирующие устройства для решения задач теории поля. М.: ИЛ, 1962, 488 с.

23. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая A.A., Солоденко В.А. Метод аналитического расчета сил в магнитостатическом сепараторе. Новочеркасск, матер. III Международной конф. «Комплексное изучение и эксплуатация полезных ископаемых», НГПУ, 1997, с. 348-351.

24. Епутаев Г.А., Солоденко А.Б., Данилова М.Г., Зоз М.Ю. Аналитический метод расчета сил магнитостатических сепараторов. Тр. СКГТУ, 1998, вып. 4.

25. Гарин Ю.М. Исследование процесса разделения в магнитной жидкости немагнитных материалов и совершенствование технологии доводки концентратов руд цветных металлов. М.: Автореф. канд. дисс., МИСиС, 1992.

26. Хутуев Т.Ю. Совершенствование технологии и оборудования для выделения золота из шлихов. Владикавказ: Автореф. канд. дисс., СКГТУ, 1996.

27. Максимов Р.Н. Гидродинамические закономерности магнитогравитационного обогащения золотосодержащих шлихов. -Владикавказ: Автореф. канд. дисс., СКГТУ, 1997.

28. Данилова М.Г. Математическое моделирование магнитного и силового полей в рабочем пространстве магнитожидкостных сепараторов. Владикавказ: Автореф. канд. дисс., СКГТУ, 1997

29. Чубыкин М.И. Магнитогидростатическая сепарация в линейном поле. / Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1971, №6, с. 96-98.

30. Губаревич В.Н. Разделение материалов в магнитных жидкостях. -М.: Недра, 1987, 87 с.

31. Изучение возможностей разделения концентратов благородных металлов в ферромагнитных коллоидах. Отчет, рук. раб. Шишков A.A., Солоденко А.Б., Т 13 - 86 П - 24 «С», - Новосибирск, 1988, 60 с.

32. Кравчук Н.Д. Магнитогидростатическая сепарация отходов цветных металлов. Бюлл. ЦНИИцветмета, № 4, М., 1986, 54 с.

33. Заявка 53-42907 (Япония). Устройство для создания градиента магнитного поля для седиментационного разделения с применением магнитной жидкости. / Симонидзака Дзюндзо 1976 / Опубл. - 1978.

34. Файнштейн Э.Г., Толмачев С.Т. Теоретические основы расчета магнитных сепараторов. В кн.: Совершенствование техники и технологии горного производства. М.: Недра, 1974.

35. Толмачев С. Т., Данилейко О. К. Расчет плоского потенциального поля в правильной системе круговых цилиндров. /Электротехника, 1976, № 2, с. 139- 144.

36. Демирчян К.С. Моделирование магнитных полей. JI.: Энергия, 1974,288 с.

37. Тозони О.В., Майергойз И.Д. Расчет трехмерных электромагнитных полей. Киев: Техника, 1974, 351 с.

38. Азбель Ю.И. Расчет магнитных полей сепараторов с помощью ЦЭВМ. / Обогащение руд, 1968, № 1, с. 56-59.

39. Кузнецов С.Н. Исследование и разработка математических моделей полей постоянных магнитов для электротехнических САПР. Владикавказ: Автореф. кан. диссер., СКГТУ, 1997, 23 с.

40. Смолкин Р.Д., Сайко О.П. Расчет электромагнитной пондеромоторной силы в рабочей зоне железоотделителей с плоскомеридиальным полем. / Электричество, 1980, №11, с.71-75.

41. Вонсовский C.B. Магнетизм. М.: Наука, 1971, 382 с.

42. Черемных П.А. Магнитная сепарация. М.: Атомиздат, 1977.

43. Исследование путей повышения точности распределения эффективной плотности ферромагнитной жидкости. Отчет института ГИПРОМАШУГЛЕОБОГАЩЕНИЕ, Луганск, 1980, 26 с.

44. Гарин Ю.М. Определение намагниченности ферромагнитных жидкостей (ФМЖ) на основе керосина. / Обогащение и брикетирование угля: Научно-техн. ред. сб. ЦНИЭИуголь, 1982, № 5, с. 14-15.

45. Шлиомис М.И. Эффективная вязкость магнитных суспензий. / ЖЭТФ, 1971, т. 61, № 6 (12), с. 2411-2418.

46. Данилова М.Г., Солоденко В.А. Аналитический метод расчета магнитных полей магнитоетатических и магнитожидкостных сепараторов. / Горный журнал МГГУ, 1998, №1.

47. Епутаев Г.А., Солоденко А.Б., Данилова М.Г. Расчет полей постоянных магнитов на основе интегралов Коши и типа Коши. Владикавказ / Тр. СКГТУ, вып. 2, 1996, с. 136.

48. Солоденко В.А. Установление закономерностей перемещения минеральных частиц в поле постоянных магнитов для разработки магнитных и магнитожидкостных сепараторов. М.: Автореф. канд. дисс., МГГУ, 1998.

49. Справочник по обогащению руд. Основные процессы. Под ред. Богданова О.С., 2 изд. М.: Недра, 1983.

50. Епутаев Г.А., Кузнецов С.Н. Расчет систем постоянных магнитов. Тезисы докладов научно-технической конференции. Владикавказ, СКГТУ, 1995.

51. Тихонов О.Н. Физические основы электромагнитного обогащения руд. JL: ЛГУ, 1980.

52. Солоденко В.А., Кармазин В.В. Новое оборудование для обогащения шлихов. / Горный информ. бюлл. МГГУ, 1997, № 2, с. 8-13.

53. Солоденко В.А., Солоденко А.Б. Сепарационный комплекс для извлечения свободного золота. / Цветные металлы, 1998, №5, с. 36-40.

54. Лаврентьев М.А., Шабот В.В. Методы теории функции комплексного переменного. М.: Наука, 1987.

55. Кравец Б.Н. Специальные и комбинированные методы обогащения. М.: Недра, 1986.

56. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1985.

57. Фейгин Л.А. Дробильные, сортировочные и транспортирующие машины. М.: Высшая школа, 1983.

58. Солоденко А.Б., Данилова М.Г., Солоденко В. А. Математическое моделирование магнитных полей магнитных и магнитожидкостных сепараторов. М.: Бюлл. МГГУ, 1998, № 1, с. 166 -120.

59. Данилова М.Г., Солоденко В.А. Аналитический метод расчета магнитных полей. / Изв. вузов. Цв. Металлургия, 1998, № 4.

60. Томов Т.Г. Обогащение руд в тяжелых жидкостях. М.: Наука, 1968, 164 с.

61. Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1989, 238 с.

62. Дворчик С.Е., Рыков В.Г., Семянова Л.М. и др. Движение немагнитных тел в магнитоетатических и центробежных аппаратах с магнитной жидкостью. / Магнитная гидродинамика, 1979, № 1, с. 80-88.

63. Краснов Г.Д., Струков В.Б. Интенсификация разделения минералов в тяжелых суспензиях. М.: Недра, 1980, 168 с.

64. Арашкевич В.М. Основы обогащения руд. М.: Недра, 1973.

65. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая A.A., Гуденко Е.В. Анализ магнитных полей магнитожидкостных сепараторов по методу последовательных зеркальных отображений. / Деп. в ВИНИТИ № 3714 В 97, 13 с.

66. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая A.A., Гуденко Е.В. Метод последовательных зеркальных отображений для расчета магнитожидкостных сепараторов. / Деп. в ВИНИТИ № 3715 В 97, 7 с.

67. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая A.A., Гуденко Е.В., Солоденко В. А. Анализ полей сил в рабочих пространствах магнитожидкостных сепараторов. / Деп. в ВИНИТИ № 3716 В 97, 8 с.

68. Шило Н. А. Основы учения о россыпях. М.: Наука, 1981.

69. Шилаев В.П. Основы обогащения полезных ископаемых М.: Недра, 1986.

70. Егоров В.Л. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения руд. М.: Недра, 1977.

71. Справочник химика-аналитика. М.: Металлургия, 1976.

72. Бобылев A.B. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. М.: Металлургия, 1987.

73. Справочник по физическим свойствам минералов и горных пород при высоких термических параметрах. Под ред. Воларовича М.И. -М.: Атомиздат, 1978.

74. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95./ Перевод с англ. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1996, 712 с.

75. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997, 350 с.

76. Очков В.Ф. MATHCAD 6.0 PLUS для студентов и инженеров. -М.: ТОО фирма «КомпьютерПресс», 1996, 238 с.