автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка и математическое моделирование центробежного дискового сепаратора на постоянных магнитах

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы и постановка задачи исследований.

1.1. Анализ исследований процессов обогащения

1.2. Анализ современных конструкций сепараторов на постоянных магнитах для сухого обогащения.

1.3. Анализ методов расчета магнитных систем

1.4. Методы расчета динамического разделения материалов

1.5.Цели и задачи исследований

Выводы

Глава 2. Исследование магнитного и силового полей дискового сепаратора на постоянных магнитах для обогащения магнитных концентратов.

2.1. Аналитический метод расчета поля бесконечной последовательности равноотстоящих постоянных магнитов.

2.2. Исследование математической модели дискового сепаратора непрерывного действия на постоянных магнитах.

2.3. Аналитический метод расчета сил в магнитных полях.

2.4. Моменты сил в дисковом сепараторе на постоянных магнитах

2.5. Исследование полей пондеромоторных сил в рабочем пространстве дискового сепаратора.

2.6. Экспериментальные исследования магнитных полей и полей

Выводы

Глава 3. Динамика разделения минералов в сепараторах с постоянными магнитами

3.1. Анализ исследований динамики разделения минералов.

3.2. Аналитический метод расчета динамического разделения минералов на плоскости.

3.3. Движение ферромагнитных частиц по диску в разреженном потоке

3.4. Движение ферромагнитных частиц по кругу в сплошном слое без движения по радиусу.

3.5. Движение ферромагнитных частиц по радиусу

Выводы.

Глава 4. Оптимизация магнитных системы, разработка конструкции и результаты испытаний сепаратора

4.1.Выбор критериев и ограничений оптимизации дискового сепаратора.

4.2. Математические модели оптимизационных задач дискового сепаратора.

4.3. Оптимизация магнитной системы сепаратора.

4.4. Конструкция сепаратора и его испытания

Выводы.

Актуальность работы. Вопросы добычи и обогащения минерального сырья были и остаются одной из основных проблем развития промышленности любой страны. Подъем экономики РФ тесно связан с увеличением добычи и переработки благородных и редкоземельных металлов. В связи с истощением запасов минерального сырья требуется более полное извлечение полезных минералов. Важной задачей в процессе получения этих металлов является повышение эффективности гравитационного обогащения шлихов, в частности, при обогащении золотосодержащих шлихов, где имеют место трудоемкие, экологически вредные и недостаточно эффективные операции (ручные методы доводки шлихов на ковриках, столах и лотках, иногда с применением ртути).

Повышение извлечения и комплексное использование железных, редкоземельных, оловянных, полиметаллических руд и золотосодержащих продуктов является одним из основных направлений исследований в области обогащения.

Снижение содержания золота в разрабатываемых россыпных месторождениях в 7-8 раз и уменьшение крупности золотин в 2,5-3 раза, привело к тому, что стандартная техника обогащения стала малоэффективна для частиц золота менее 0,25 мм.

В последние годы появились новые технологии обогащения золотосодержащих шлихов [1,2]. Относительно новым процессом магнитного обогащения является магнигоадгезионная сепарация, основанная на использовании энергии свободных полюсов при контактном взаимодействии частиц - магнетиков, в частности, при их флокуляции. Установлено, что основным условием применимости данного метода является наличие в исходной пульпе магнетита в количестве не менее 500 г на 1 г золота. Межое и тонкое золото эффективно захватывается механически и магнитными силами при фильтрации потока сквозь магнетитовый слой. Для этой технологии интенсивно разрабатываются магнитно - флокуляционные приборы для извлечения тонкого золота.

Однако остается проблемой извлечение золота го полученного 0,1 % ферромагнитного концентрата. Необходимы новые технологии и машины для их осуществления. Их создание пока не вышло из стадий стендовых испытаний, что определяет необходимость разработки новых эффективных сепараторов.

Таким образом, обоснование основных параметров центробежных дисковых сепараторов на постоянных магнитах для перечистки золотосодержащих ферромагнитных концентратов, является актуальной научной задачей.

Работа проведена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Северо-Кавказского государственного технологического университета.

Целью настоящей диссертации является разработка нового малогабаритного центробежного дискового сепаратора на постоянных магнитах, обеспечивающего повышение технологической и экономической эффективности обогащения ферромагнитных золотосодержащих концентратов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и исследовать аналитическую модель поля систем постоянных магнитов, расположенных радиально на диске. Для этого необходимо:

- получить аналитические формулы расчета систем постоянных магнитов, расположенных по радиусу диска, создать пакет программ расчета и графического изображения магнитных полей на ЭВМ;

- получить модель для магнитных систем с магнитопроводами по приближенному методу зеркальных отображений;

- аналитически доказать адекватность полученной модели.

2. Найти закономерности для полей пондеромоторных сил. Для чего необходимо:

- вывести формулы для полей сил с учетом особенностей разработанной магнитостатической модели магнитных полей;

- выявить особенности взаимодействия ферромагнитных тел с магнитным полем;

- создать пакет программ расчета и графического изображения полей сил на ЭВМ;

- исследовать поля сил в рабочем пространстве сепараторов с использованием математической модели.

3. Создать основы теории динамики разделения минералов в дисковых сепараторах с постоянными магнитами. Для этого необходимо:

- разработать системы дифференциальных уравнений движения минералов на плоскости с учетом полученных закономерностей для пондеромоторных сил;

- разработать программы расчета траекторий и скоростей движения минералов в сепараторах;

- проанализировать динамику разделения минералов и выявить основные закономерности этого процесса;

- определить процессы динамики разделения минералов, которые снижают технологические параметры обогащения.

4. Оптимизировать магнитную систему созданного сепаратора.

5. Разработать и испытать дисковые сепараторы непрерывного действия. Для этого необходимо:

- разработать, изготовить и испытать дисковый сепаратор на постоянных магнитах;

- доказать адекватность динамики процессов в реальном сепараторе результатам математического моделирования.

Идея работы заключается в разработке центробежного сепаратора с максимальным использованием силы тяжести, оптимизации его магнитной системы на основе теоретических и экспериментальных исследований динамики разделения минералов в полях пондеромоторных сил, действующих в рабочей зоне дискового сепаратора.

Методы исследований. Аналитические исследования выполнены на основе фундаментальных положений теории электромагнитного поля, теории функций комплексного переменного, машинных методов решения систем дифференциальных уравнений, описывающих движение частиц. В процессе работы использованы методы математического и физического моделирования. В экспериментальных исследованиях применялись магнитные измерения с обработкой данных на ЭВМ.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем:

1. Конструкция дискового центробежного сепаратора непрерывного действия, разработанная на основе аналитической модели движения минералов в рабочей зоне радиально расположенных магнитов.

2. Методика расчета рациональных параметров конструкции сепаратора на основе расчета полей магнитных индукций, пондеромоторных сил и моментов сил с использованием теории функций комплексного переменного.

3. Методика оптимизации конструкции магнитной системы сепаратора по критерию минимизации массы магнитов с ограничением геометрических параметров и технологических условий сепарации.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности движения минералов в центробежном дисковом сепараторе на постоянных магнитах на основе аналитической модели, учитывающей центробежные, пондеромоторные силы, силы трения и моменты сил. Разработана конструкция сепаратора, отличающаяся тем, что загрузка концентрата осуществляется через центр магнитной системы во вращающийся стакан в виде беличьего колеса и через него на нижнюю поверхность вращающегося диска.

2. Установлены функциональные зависимости магнитных индукций, напряженностей магнитного поля, пондеромоторных сил и магнитных моментов от геометрических и магнитных параметров магнитной системы дискового сепаратора и магнитных характеристик минералов.

3. Определены пути оптимизации магнитной системы сепаратора, позволяющие уменьшить массу магнитов, как в поперечном сечении, так и по его длине, и повысить показатели сепарации.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: согласованностью теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях;

- сходимостью расчетных технологических и конструктивных параметров дискового центробежного сепаратора, полученных на основе аналитической модели, с данными практики, расхождение между ними не превышает 10 %.

Научное значение работы заключается в установлении основных функциональных зависимостей динамики разделения минералов в поле постоянных магнитов и оптимизации магнитной системы дискового центробежного сепаратора.

Практическое значение работы заключается в разработке конструктивной схемы сепаратора, методике расчета его основных параметров, а также в определении путей уменьшения массы магнитов.

Реализация рекомендаций и выводов работы. Методика расчетов основных параметров использовалась при разработке дискового центробежного сепаратора, который испытан на промышленном участке 9 золотодобычи государственного геологоразведочного предприятия «Амурзолоторазведка» в Златоустовском (Харгинском) районе Амурской области. Признано, что испытанный сепаратор может эффективно применяться на золотодобывающих предприятиях для перечистки ферромагнитных продуктов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на научном симпозиуме «Неделя горняка-2001» (Москва, МГТУ)

- на техническом совете фирмы « НТЦ Геос», 2001 г.

- на научно-технических конференциях Северо-Кавказского технологического университета, Владикавказ, 1997-2001 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 76 наименований и приложений; изложена на 176 страницах машинописного текста, включает 61 рисунок и 4 таблицы.

Выводы

1. В результате оптимизации сепаратора уменьшена масса магнитов 21 % и улучшены показатели сепарации за счет уменьшения рабочей скорости вращения диска, что привело к положительному эффекту - уменьшению засорения немагнитных продуктов обогащения магнитными. Стоимость сепаратора снижена на 16 %.

2. Разработан новый портативный переносной дисковый центробежный сепаратор.

3. Эффективность разделения (по Ханкоку) на разработанном сепараторе на 10-15 % превосходит эффективность разделения на двухвалковом магнитном сепараторе на постоянных магнитах фирмы «Геос».

4. Экспериментальные промышленные исследования сепаратора показали адекватность математической модели практическим устройствам с инженерной точностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработан центробежный дисковый сепаратор непрерывного действия, обеспечивающий повышение технико-экономических показателей при перечистке ферромагнитных концентратов. Приведены разработанные основы теории динамики разделения минералов в магнитных полях постоянных магнитов. Аналитически описаны и исследованы поля пондеромоторных сил и магнитные поля систем постоянных магнитов, расположенных по кругу.

По итогам работы сделаны основные научные и практические выводы:

1. Разработанные модели сепараторов на постоянных магнитах позволили на их основе впервые в отечественной практике создать и довести до промышленного образца портативный дисковый центробежный сепаратор непрерывного действия, отличающийся тем, что загрузка концентрата осуществляется через центр магнитной системы во вращающийся стакан в виде «беличьего колеса» и через него на нижнюю поверхность вращающегося диска.

2. Создана аналитическая модель динамики разделения минералов для сепараторов с радиально расположенными постоянными магнитами на основе дифференциальных уравнений движения с учетом полей пондеромоторных сил. Впервые эти силы представлены в виде функциональных зависимостей от геометрии магнитной системы и физических характеристик магнитов. В результате этого:

- разработан аналитический метод расчета динамики разделения минералов, созданы программы расчета траекторий и скоростей движения в зависимости от геометрии магнитной системы и физических характеристик магнитов, начальной скорости и места подачи материала в сепаратор;

125

- выполненное математическое моделирование сепаратора позволило проанализировать динамику разделения минералов и выявить основные закономерности этого процесса; выведены и решены в явном виде дифференциальные уравнения динамики разделения минералов в сухих сепараторах, отделяющих ферромагнитные фракции от немагнитных.

3. По выбранным критериям и ограничениям решены задачи оптимизации конструкции сепараторов. Результатом оптимизации полей пондеромоторных сил явилось уменьшение массы магнитов на 21 % и снижение стоимости сепаратора на 16 %. Улучшена динамика разделения минералов за счет уменьшения рабочей скорости вращения диска, что привело к положительному эффекту - уменьшению засорения немагнитных продуктов обогащения магнитными фракциями.

4. Создан пакет программ расчета и графического изображения полей на ЭВМ. Построены картины равных удельных вертикальных и горизонтальных пондеромоторных сил.

5. Эффективность сепарации для труднообогатимых продуктов исходного материала на сепараторе предложенной конструкции превосходит на 10-15 % эффективность сепарации эксплуатируемых сепараторов, что подтверждается соответствующими данными промышленных испытаний. Экспериментальные исследования полупромышленного образца сепаратора показали адекватность разработанной математической модели практическим устройствам с инженерной точностью

1. Кармазин В.В., Исаков Р.И., Мязин В.П., Солоденко А.Б. Новые методы извлечения мелкого золота при отработке россыпных и техногенных месторождений. -М., Горный журнал №5,1999.

2. Мязин В.П., Черкасов В.Г., Кармазин В.В. Совершенствование технологии переработки золотосодержащих песков с использованием систем замкнутого водоснабжения промприборов. -М., Горный журнал №9-10,1996.

3. Деркач В.Г., Колычев П.А. Специальные методы обогащения полезных ископаемых. -М.; Металлургиздат, 1956.

4. Плаксин И.Н. Металлургия благородных металлов. -М.; Металлургиздат, 1936.

5. Егоров B.JI. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения руд. -М.; Недра, 1977.

6. Новые процессы сепарации в магнитных полях./ Кармазин В.И., Кармазин В.В., Усачев П.А. и др. Апатиты, Кольский филиал АН СССР, 1982.

7. Новые направления глубокого обогащения тонковкрапленных железных руд. Плаксин В.В., Кармазин В.И., Олофинский Н.Ф. и др. -М., Наука, 1964.

8. Кармазин В.В., Закиева Н.И. Технологические возможности магнитно-флокуляционной сепарации тонких классов золота из руд россыпных месторождений. Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ. Вып.4 — М., 1993.

9. Karmazin V.V. Teoretical assessment of technological potential of magnetic and elektrical separation. Magnetic and Electrical Separation-V.8 -1997.

10. Ю.Кармазин В.В., Кармазин В.И., Магнитные методы обогащения. -М.; Недра, 1984.

11. Кармазин В.В., Кармазин В.И., Магнитные и электрические методы обогащения. -М.; Недра, 1988.

12. Деркач В.Г. Специальные методы обогащения полезных ископаемых. -М.; Недра, 1966.

13. Бинс К., Лоуренсен П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.; Энергия, 1970, с. 114 - 115.

14. Штафль М. Электродинамические задачи в электрических машинах и трансформаторах. М.-Л; Энергия, 1966, с. 31 - 40.

15. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей. М.; Издательство иностранной литературы, 1961, с. 469 - 476 .

16. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. М.; Госэнэргоиздат, 1956.

17. Кулон Ж . Л., Сабоннадьер Ж.К. САПР в электротехнике . М.; Мир, 1988.

18. Тозони О . В . Метод вторичных источников в электротехнике . М .; Мир, 1984.

19. Kusko A., Wzoblewski Th. Computer aided design in magnetic circuits, Cambridge, Mass., M.I.T. Press, 1969.

20. Colomb Y.L., Du Terrail Y., Meunier G. FLUX 3D: finite element package for magnetic computation. Proc. Of COMPUMAG'85, 1985.

21. Armstrong, Biddlecombe, The PE2D package for transient eddy current analysis. ШЕЕ Trans. MAG, 18, n.2, March 1981.

22. Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. -М.: Гостехиздат, 1954.23.3оммерфельд А. Электродинамика. -М.: ИЛ, 1954.

23. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Гостехиздат, 1949.

24. Смайт У. Р. Электростатика и электродинамика. М.: ИЛ, 1954

25. Шимони К. Теоретическая электротехника: пер. с нем. М.: Мир, 1964.

26. Ландау Л. П., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т.2 Теория поля. М.: Наука, 1986.

27. Silvester P.P. Modern electromagnetic fields. Englewood cliffs, N. J., Prentice Hall, 1986.

28. Clemmow P. C. An introduction to electromagnetic theory. Cambridge: University Press, 1973.

29. Davies J. B. Radley D.E. Electromagnetic theory. Edinburg,Oliver & Boyd, 1969.

30. Сочнев А.Я. Новый метод теоретического исследования магнитного поля электромагнитов. ДАН СССР, 1941, т. 33 № 1.

31. Смолкин Р.Д., Гарин Ю.М., Губаревич В.Н. и др. К вопросу определения некоторых технических характеристик ФГС- сепараторов. Всесоюзный симпозиум "Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей". Рига, Институт физики АН Латвийской ССР. 1980.

32. Азбель Ю.И. Расчет магнитных полей сепараторов с помощью ЦЭВМ. / Обогащение руд, 1968, № 1. Гахов Ф. Д. Краевые задачи Римана для систем и пар. функций. Успехи мат. наук. 1952. - т. VII, вып. 4(50).

33. Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного: -М.: Наука, 1987.

34. Гахов Ф. Д. Краевые задачи. М.: Физматгиз, 1963.

35. Сохоцкий Ю. В. Об определенных интегралах и функциях употребляемых при разложении в ряды. С. Петербург, 1873.

36. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Г. Ш. М. : Наука, 1974.

37. Владимиров B.C. Уравнение математической физики. М.: Наука, 1988.

38. Владимиров B.C. Обобщенные функции в математической физике. -М.: Наука, 1979.

39. Комплексная магнитная индукция и комплексный магнитный потенциал систем равноотстоящих постоянных магнитов / Епутаев

40. Г.А., Кузнецов С.Н.; Сев. Кавк. Гос. Технолог, ун-т Владикавказ, 1995. - 6. е. - Деп. в ВИНИТИ № 845 - В 95 от 29.03.95.

41. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая А.А, Гуденко Е.В. Метод последовательных зеркальных отображений для расчета магнитожидкостных сепараторов. Сев.-Кавк. го-с. ун-т Деп. в ВИНИТИ №3715-В97 от 19.12.97.

42. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая А.А, Гуденко Е.В. Анализ магнитных полей магнитожидкостных сепараторов по методу зеркальных отображений. Сев.-Кавк. го-с. ун-т Деп. в ВИНИТИ № 3714-В97 от 19.12.97.

43. Быков Л.Г. Определение силовой характеристики магнитного поля и шага полюсов магнитной системы. -М.; Недра, 1975.

44. Гарин Ю.М. Исследование процесса разделения в магнитной жидкости немагнитных материалов и совершенствование технологии доводки концентратов руд цветных металлов. Автореф. кан, диссер., Ворошиловград, Гипромашуглеобогащение, 1986,

45. Солоденко А. Б. Научные основы создания техники и технологии для обогащения минерального сырья в ферромагнитных коллоидах . М . ; Док. дис . МИСиС, 1992.

46. Епутаев Г.А. Основные положения теории движения минералов в магнитожидкостных сепараторах. Владикавказ, Тр. СКГТУ, вып. 6, 1999.

47. Епутаев Г.А. Основы аналитической теории взаимодействия минералов с полем сепараторов на постоянных магнитах. Владикавказ, Изд. во" РИА", 1999

48. Хутуев Т.Ю. Совершенствование технологии и оборудования для выделения золота из шлихов. Автореф. кан. диссер., СКГТУ, Владикавказ, 1997.

49. Максимов Р.Н. Гидромеханические закономерности магнито-гравитационного обогащения золотосодержащих шлихов. Автореф. кан. диссер., СКГТУ, Владикавказ, СКГТУ, 1997.

50. Данилова М.Г. Математическое моделирование магнитного и силового поля в рабочем пространстве магнитожидкостных сепараторов. Автореф. кан. диссер., СКГТУ, Владикавказ, СКГТУ, 1997

51. Епутаев Г.А., Данилова М.Г., Липовая А.А, Гуденко Е.В., Солоденко В.А. Анализ полей сил в рабочих пространствах магнитожидкостных сепараторов. Сев.-Кавк. го-с. ун-т Деп. в ВИНИТИ № 3716-В97 от 19.12.97.

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

53. Громов Г. Р. Персональные вычисления новый этап информационных технологий//Микропроцессорные средства и системы. 1984. № 1.

54. Тихомиров М.Д., Голод В.М. Современная САПР литейной технологии Литейное производство.-1996, N 10.

55. Киселев А.Г. САПР-K. Программные продукты: Часть 7. Обзор интегрированных CAD/CAM/. систем. -2000г.

56. Системы автоматизированного проектирования и обучения: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: Иванов, ун-т, Иванов, энерг. ин-т, 1987.

57. Системы автоматизированного проектирования: Учебное пособие для втузов: В 9 кн. / Под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986.

58. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного роетирования. Учебник для вузов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 1994.

59. Разработка САПР. В 10 кн. Кн. 9. Имитационное моделирование/ В.М. Черненький; Под ред. A.B. Петрова. М.: Высшая школа, 1990.

60. Бусленко Н.П. Сложные системы и машинная математика. -М.: Вестник АН СССР, 1967, вып. 4.

61. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968.

62. Бусленко Н.П., Калашников В.В. Лекции по теории сложных систем. -М.: Советское радио, 1973.

63. КалманР. Очерки по математической теории систем. -М.: Мир, 1974.

64. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник / А.А.Мячев, В.Н.Степанов, В.К.Щербо. М.: Радио и связь, 1989.

65. Персональные ЭВМ в инженерной практике: Справочник/ Т.Э. Кренкель, А.Г. Каган, A.M. Тараторин. М.: Радио и связь, 1989.

66. Арайс Е.А., Дмитриев В.М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1982.132

67. Советов Б.Я. Информационная технология. М.: Высш.шк., 1994.

68. Гуденко Е.В., Епутаев Г.А., Пожарский Ю.М. Решение дифференциальных уравнений и построение траекторий движения в МАТСАД 7.0.Труды СКГТУ, выпуск 7, 2000.

69. Пожарский Ю.М., Епутаев Г.А. Сепаратор для извлечения золота из магнитных концентратов Труды СКГТУ, выпуск 8, 2001.

70. Гуденко Е.В., Пожарский Ю.М. Оптимизация V образных МЖ-сепараторов с углом раскрытия 60°. / Сб. трудов аспирантов. -Владикавказ: Терек. 2001.

71. Исследование полей сил и магнитных моментов в дисковом сепараторе/ Епутаев Г.А., Кармазин В.В., Пожарский Ю.М.; Сев. Кавк. гос. технолог, ун-т. Владикавказ, 2001.-13с., 5ил.-Библиогр.З назв. - Рус. -Деп. в ВИНИТИ №2194-В20001 г. от 22.10.01.

72. Пожарский Ю.М., Ивакин В.Ф., Епутаев Г.А. Магнитная индукция и поле сил в сепараторах с радиальными постоянными магнитами. / Сб. трудов аспирантов. Владикавказ: Терек. 2001.

73. УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор О0О «НПП Геос» д.т.н., проф. Солоденко А.Б.октября 2001 г.1. АКТПРОМЫдискового центробежного о1. ПАНИНстоянных магнитах

74. В результате промышленных испытаний получены следующие результаты.

75. Установлено, что сепаратор имеет следующую техническую характеристику (табл. 1).