автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Разработка технологии и моделирование процесса обогащения окисленных железных и хромовых руд в суспензионных гидроциклонах

РГБ ОД

■; :: ОЕВ 1986

На правах рукописи

ЛЕВАНОВ Вадим Васильевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБОГАЩЕНИЯ ОКИСЛЕННЫХ ВЕЛЕ31ШХ И ХРОМОВ11Х РУД В СУСПЕНЗИОННЫХ ГИДРОЦИКЛОНАХ

Специальность 05.15.08 - Обогащение полезных ископаемых

АВТО Р.Е I Е Р А Т, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск 1996 ■

Работа выполнена на.кафедре обогащения полезных ископаемых в Магнитогорской горно-металлургической академии им.Г.И.Носова

Научный руководитель: Заслуженный деятель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор ' Шохин в.н. .. :. ■.. •

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор .Петухов В.Н.',. .

кандидат технических наук Тагироз Н.Т.

Ведущее предприятие - АО комбинат "Магнезит" -

Защита диссертации состоится 22 февраля 1996 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета" К 063.04.02 в Магнитогорской горно-металлургической академии им.Г.И.Носова по адресу: . , -455000, г.Магнитогорск, пр.Ленина, 38. V .. ' .

Отзывы в двух^ экземплярах,: заверенные печатью предприятия,г" просим направлять ученому секретарю совета. / V

Автореферат разослан 1996 г.

Справки по телефону: (3511) 320-152, 321-548

Ученый секретарь диссертационного совета г

доцент, к.т.н. ' /А /»' Л.Г.Савинчук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работы. При обогащении хромовых и окисленных железных руд соответственно Юано-Кимперсайского и Магнитогорского месторождений потери ценного компонента с отходами обогащения составляют 1522 %. В основном эти потери вызваны недостаточно эффективной технологией обогащения руд мелких классов крупности. Задача повышения извлечения ценного компонента в концентрат отвечает требованиям ресурсосбережения и потому в условиях рыночной экономики является весьма актуальной.

Цель работы. Разработка эффективной технологии, позволяющей уменьшить потери ценного компонента при обогащении окисленных железных и

хромовых руд мелких машинных классов крупности. Основная идея работы г

заключается в замене отсадки суспензионным гидроциклонным процессом, который применительно к указанным рудам изучен недостаточно.

Методы исследования. Исследование картины течения жидкости в гидроциклоне осуществлялось экспериментальным методом с использованием фотосъемки и датчиков скорости. Для обработки результатов экспериментов, разработки математической модели использовались методы математической статистики - классический регрессионный анализ и метод планирования экспериментов.

Научная новизна: 1) предложена корректировка существующего механизма гидроциклонной сепарации по плотности в направлении учета радиальной силы сопротивления среды как фактора, участвующего наравне с другими известными факторами в формировании плотности разделения. Основанием для этого послужило экспериментально доказанное существование интенсивного - до 1,2 м/с радиального течения в области кромки сливного патрубка. Благодаря ему плотность, разделения превышает плотность суспензии в любой области гидроциклона; 2) наибольшая точность разделения достигается при длине сливного патрубка 60-70 % длины цилиндрической

части гидроциклона; 3) на основе скорректированного механизма разделения обоснован процесс трехпродуктной сепарации в гидроциклоне с коаксиальными патрубками; 4) предложены и использованы в расчетах технологический и гравитационный показатели эффективности сепарации; 5) разработана математическая модель суспензионного гидроциклонного процесса, позволяющая рассчитать основные его показатели как функции десяти конструктивных и технологических параметров. Для всех показателей даны оценки точности расчетов; 6) на ее основе разработана методика расчета ожидаемых технологических показателей обогащения руд с известной характеристикой обогатимости и нагрузок на оборудование системы регенерации..

Практическая значимость: 1) в настоящей работе экспериментально доказано, что при сепарации окисленных железных и хромовых руд по плотности, превышающей 3000 кг/м3, суспензионный гидроциклон по сравнению с отсадкой обеспечивает снижение потерь ценного компонента от операции более чем в два раза; 2) экспериментально подтверждено, что, исходя из уточненного механизма разделения, наибольшая плотность разделения при прочих равных условиях может быть достигнута при минимальных значениях входной скорости и содержания в утяжелителе рудных шла-мов, а также ориентации гидроциклона конической частью вверх. Максимальная, таким образом достигнутая плотность разделения составила 3910 кг/м3 при плотности ферросилициевой суспензии 2400 кг/м3; 3) экспериментально подтверждена возможность эффективной трехпродуктной сепарации в гидроциклоне с коаксиальными патрубками весьма труд-нообогатимой хромовой руды, из которой выделены промпродукт, отвальные хвосты и кондиционный концентрат; 4) разработаны технологические схемы обогащения окисленных железных и хромовых руд в суспензионных гидроциклонах; 5) для проектных разработок применительно к обогащению хромовых руд в ферросилициевой суспензии (утяжелитель - ферросилиций

Си-15) рекомендованы удельные нормативы: объема циркулирующей суспензии, расхода воды на отмывку утякелителя, суммарных потерь утякелителя и др.

Реализация результатов работы. Результаты исследований опробованы на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК), Донском горно-обогатительном комбинате (ДГОК, г.Хромтау), Красноярском заводе "Сибэлектросталь". Ожидаемая экономическая эффективность от замены отсадки суспензионным гидроциклонным процессом при обогащении окисленных железных и хромовых руд составляет в ценах до 1989 г. 39 п 2001 тыс.руб. соответственно.

Автор защищает: 1) скорректированной механизм сепарации в суспензионном г/дроциклоне; 2) рекомендации по достижению максимальной плотности и точности'разделения; 3) принцип трехпродуктной сепарации в гидроциклоне с коаксиальными патрубками;. 4) математическую модель суспензионного гидроциклонного процесса; 5) методику расчета ожидаемых технологических показателей обогащения и нагрузок системы регенерации; б) технологии обогащения окисленных яелезных и хромовых руд в суспензионных гидроциклонах.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы отражены в 13 публикациях и были доложены на научно-технических конференциях Магнитогорского горно-металлургического института (1973-84 гг.),• производственно-технических совещаниях горно-обогатительного производства ММК (1974) и ДГОК (1976,78-80,82,94 гг.). НТС института "Уралмеханобр" (Свердлооск, 1976-78,82гг.) и завода "Сибэлектросталь" (Красноярск, 1977), Всесоюзном симпозиуме "Исследование и промышленное применение гидроциклонов" (Горький, 1981), техническом совещании при главном инженере Главруды (Хромтау, 1989), заседании кафедры "Обогащения руд цветных и редких металлов" Московского института стали и сплавов (1994), межгосударственных научно-технических конференциях {Магнитогорск, 1994-95).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка литературы (105 наименований) отечественных и зарубежных авторов и приложений, изложенных на 117 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 24 таблицы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Основы отечественной теории и практики разделения полезных ископаемых в гидроциклонах были заложены в трудах таких ученых как М.Г.Акопов, И.М.Верховский, Л.С.Зарубин, М.Б.Иофа, В.И.Классен, II. И. Малаховский, И.Н.Плаксин, А.И.Поваров, В.И.Хайдакин, М.В.Циперо-вич, В.Н.Шохин и др. ■

Анализ практики обогащения полезных ископаемых в суспензионных гидроциклонах однозначно свидетельствует о более высокой точности разделения в гидроциклонах по сравнению с отсадочными машинами. Обогащению в циклонах подвергаются, в основном, угли. Примеры обогащения руд черных металлов, в особенности труднообогатимых, единичны. Как следствие недостаточно изучен процесс гидроциклонной сепарации по высокой - более 3000 кг/м3 разделительной плотности в режимах разделения на два и три продукта.

Анализ теоретических исследований гидроциклонов показывает, что наибольшее внимание уделяется процессам гидравлической классификации низкоконцентриров^нных суспензий. Перспективным направлением является разработка турбулентных диффузионных моделей (Т.Нейсе, Г.Шуберт, П.И.Пилов, А.Г.Лопатин, Г.М.Косой). Применение этого метода для обогатительных гидроциклонов, работающих с высокоплотными суспензиями, ограничено, поскольку полагают, что с ростом концентрации суспензо-ида интенсивность турбулентности падает (И.О.Хинце), убедительные же . контраргументы отсутствуют. Поэтому широко используются эмпирические методы исследований. Установлено, что картина течения концентрированных суспензий существенно отличается от таковой для воды. Не существует

общепризнанных выраяений для расчета ортогональных компонентов скорости суспензии в объеме гидроциклона. Установлено, что в конической части в области пескового отверстия суспензия вращается как твердое тело (Г.П.Питерских, В.И.Борисов, А.И.Ангелов, Г.М.Косой), в остальных зонах характер течения различен. Распределение радиальной скорости изучено недостаточно, полагают, что она на один-два порядка меньше тангенциальной. Еще в меньшей степени изучено распределение аксиального компонента скорости.

Существующий механизм разделения условно может быть назван "статическим", поскольку полагают, что разделение обогащаемых зерен происходит по плотности суспензии либо в т.н. "постели" - сгущенной суспензии в вершине конической части гидроциклона, либо в пристенной области, либо на пойерхности реверсирования потоков, причем, роль радиальных потоков считается второстепенной. В любом случае "статический" механизм ограничивает плотность разделения плотностью песков. Известен ряд выраяений для нахождения разделительной плотности, полученных исходя из условия равновесия зерна или путем статистической обработки экспериментальных данных (Г.Феррара, Г.П.Питерских, В.М.Борисов, А.И.Ангелов, М.Г.Акопов, Г.М.Косой, Д.Алйн, Р.Кинг, Н.Биртек, Н.Мунн). Расчеты по этим выражениям дают расхождение с фактическими значениями из-за учета ими ограниченного количества влияющих на данный показатель конструктивных и технологических параметров. Недостаточная изученное гь процесса ограничивает его перспективу. Так, если основываться на существующих рекомендациях, то для получения плотности разделения 3500-3800 кг/мэ необходима исходная суспензия плотностью 3000-3600 кг/мэ. Суспензии такой плотности требуют высокого расхода электроэнергии на их транспортировку, вызывают интенсивный износ оборудования и ошламование исходного материала, влияние же рудных шламов на эффективность суспензионного гидроциклонного процесса мало изучено. Отсутствуют также четкие рекомендации о

выборе минимального значения объема суспензии, приходящегося на тонну обогащаемого материала, расхода воды на отмывку утяжелителя и др. параметрах, влияющих на технико-экономическую эффективность технологии. Таким образом отсутствует надежная, включающая метрологическую оценку, методика расчета тяжелосредного гидроциклонного процесса, позволяющая определить ожидаемые технологические показатели на основе учета основных его конструктивных и технологических параметров.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для выполнения экспериментальных исследований были созданы установки: для исследования картины течения воды в гидроциклоне диаметром ,100 мм, а также с двухпродуктными гидроциклонами диаметром 100 и 150 мм для обогащения руд; комбинированные с возможностью работы как в замкнутом, так ив открытом циклах с двухпродуктным и трехпродукт-ным гидроциклонами диаметром соответственно 350 и 150 мм.

Для измерения скорости течения применяли датчик Пито и "вертушку" с вторичным электронным блоком.

В качестве утяжелителей для приготовления суспензий использовали магнетитовый концентрат мокрых магнитных сепараторов ММК и ССГОК, ферросилиций Си -15 и их смеси.

Исследование кинетики дренажа суспензии и отмывки утяжелителя от продуктов обогащения выполнено на вибростенде, комбинированной установке с разомкнутой системой регенерации и при проведении полупромышленных испытаний. Для определения количества оставшегося после отмывки утяжелителя использовали очистку в интенсивном неоднородном магнитном поле.

Предложены технологический и "статистический" показатели эффективности процессов обогащения. Основой технологического показателя Ет послужил "индекс селективности" £с =j3 -Q . В него введено кондиционное содержание полезного компонента в концентрате и хвостах -

и в0 соответственно:

Полученный показатель в сравнении с широко используемим критерием Хзнкока линеен, имеет ясный физический смысл. Статистический показатель - коэффициент засорения КЗ позволяет характеризовать полное взаимозасорение продуктов разделения и одновременно учесть трудность обогащения исходной руды: КЗ = / , где ГЭ3 - общее

количество неправильно переместившихся фракций плотности, в % от исходного, 7сп ~ содержание фракций плотности, в исходной руде а интервале рр + 100 кг/м3, где рР - плотность разделения, кг/м3.

Оценка степени влияния параметров гидроциклонного процесса, нахождения оптимального режима обогащения и проверка работоспособности технологического критерия Ет били осуществлены путем реализации центрально-композиционного ротатабельного планирования экспериментов. Адекватность модели оценивалась по критерию Фишера при 5 % уровне значимости.

Для получения математической модели суспензионного гидроциклонного процесса использовался классический регрессионный анализ для . пяти видов многомерных статистических моделей - линейных и нелинейных. Оценка точности модели производилась по величине среднеквадра-тической ошибки. В качестве оптимальной формы связи выбиралась наиболее точная. Теснота связи между функцией отклика и параметрами процесса оценивалась множественным коэффициентом корреляции с оценкой его значимости по критерию Стьюдента.

ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА ИССЛВДУЕМИХ РУД НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ОБОГАЩЕНИЯ

Гравитационные анализы железных и хромовых руд показали, что их ценный компонент присутствует во фракциях широкого диапазона плотности, что предопределяет высокую трудность обогащения. Гравитационна?

составы рассматриваемых руд близки, их рудные и породные фракции занимают практически одни и те же диапазоны плотности. Из руд обоих типов могут бить выделены два конечных продукта кондиционного качества, однако некоторые месторождения Южного Кимперсая имеют весьма трудную характеристику обогатимости, и для них необходимо использование трзхпродуктной сепарации.Расчет теоретических показателей свидетельствует, что по сравнению с показателями отсадки можно ожидать увеличения извлечения железа в концентрат до 80-86 % и оксида хрома до 90-93 % от операции при кондиционном качестве продуктов разделения в режиме двухпродуктной сепарации. Для получения кондиционных концентратов плотность разделения должна составлять 28003600 кг/м3 в зависимости от конкретного вещественного состава исходной руды.

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОДИНАМИКИ ПОТОКОВ И МЕХАНИЗМА РАЗДЕЛЕНИЯ В СУСПЕНЗИОННЫХ ГИДРОЦИКЛОНАХ

В процессе экспериментальной проверки справедливости "статического" механизма разделения зафиксировано превышение плотности разделения над плотностью песков: для смешанного утяжелителя - 170 кг/мэ, для магнетитового - 550 кг/ма. Обе величины значимы для доверительной вероятности 0,95. Для постоянного состава композитного утяжелителя были найдены следующие уравнения регрессии:

РР= 1,078 рс+1127; рр = -а,И5р^Ъ5^ ,

где , ря , рс - соответственно плотности разделения, песков, слива, кг/м3.

Коэффициенты корреляции значимы и составили соответственно 0,994 и 0,983, что свидетельствует о почти функциональной связи. Коэффициенты уравнений также значимы для 5 % уровня. Анализ приведенных уравнений показывает, что влиянием плотности песков на плотность разделения можно пренебречь, т.к. угловгэ коэффициенты разнятся

практически на порядок.

Проверка теории "равновесных орбит", непосредственно связанной со "статическим" механизмом разделения, была осуществлена на установке с гидроциклоном, имеющем два коаксиальных сливных патрубка одинаковой длины. Был подобран режим работы, при котором аксиальная скорость на входе в оба патрубка была одинакова. Анализ проб продуктов показал, что в патрубки, имеющие существенно разные диаметра -•50 и 90 мм разгружались практически одинаковые по вещественному составу продукты, хотя по теории "равновесных орбит" их вещественный состав долнен быть различным. Продукт наругшого патрубка был в течение некоторого времени выведен через систему регенерации из процесса. Одновременно с ним исчез продукт из внутреннего патрубка. В итоге в системе циркулировала только тяжелая фракция руды, плотность которой и выход почти не изменились. Таким образом совокупные результаты экспериментальной проверки опровергают "статический" механизм разделения. Они позволяют также сделать вывод о том, что для получения высокой плотности разделения совсем необязательно иметь высокую плотность исходной суспензии.-Так, при использовании магнетитовой суспензии плотностью 2300 кг/м, максимальная разделительная плотность превысила ее на 54 %, что почти в два раза превышает существующие нормативы.

Поскольку плотность разделения больше плотности суспензии в любой точке внутри корпуса гидроь, пслона, это прямо указывает на то, что роль силы сопротивления радиального потока гораздо больше, чем это принято считать. Отсюда может быть выдвинута гипотеза о локальном характере радиального потока (ЛРП), а сам поток имеет различную по оси гидроциклона интенсивность, максимум которой приходится на сравнительно узкую (в сопоставлении с длиной гидроциклона) область.

Надо полагать, что эта область непосредственно примыкает к сливному отверстию, поскольку последнее является своего рода стоком," а сопротивление аксиальному двияению пульпы изменяется нелинейно, в силу того, что площадь поперечного сечения конуса пропорциональна квадрату аксиальной координаты.

Анализ ранее выполненных исследований позволяет, как представляется, найти подтверждение данной гипотезе.

Келсолл Д.Ф. экспериментально установил наличие интенсивного радиального потока непосредственно у кромки сливного патрубка, отметив, что данный поток представляет собой нежелательное явление. Д.Бредли и Б.Пуллинг отрицали существование такого потока, однако в их опытах имеются результаты, которые могут слунить аргументами за его существование. М.Г.Акопов, И.X.Нехороший.и К.М.Сапега пришли к выводу, что радиальное перемещение жидкости в восходящий поток происходит, в основном, б средней части конуса, что свидетельствует все ас за ЛРП. Характерное искривление линий равного давления, полученных А.И.Лнгеловым и В.М.Борисовым, будучи рассмотренным в соответствии с законом Д.Вернулли и учетом картины течения вязкой жидкости в центробежном поле (О.А.Трошсин) можно объяснить увеличением скоростного напора в области сливного отверстия. На существование ЛРП указывает также резкое искривление изоденс непосредственно под сливным патрубком (Г.М.Косой и 0.Б.Духовная). Результаты расчетов модели винтового потока идеальной жидкости в гидроциклоне показывают, что "радиальная скорость в зоне, расположенной непосредственно у нижнего края сливной трубки резко возрастает" (В.К.Роднева, В.В.Бояршинов).

Прямые доказательства справедливости выдвинутой гипотезы были получены на установке с прозрачным гидроциклоном. Трассировку потоков осуществляли путем впрыскивания воздуха через иглу с последующим фотографированием трассы пузырьков. Когда конец иглы на 5 мм отстоял от края сливного патрубка и располагался на радиусе Г $ 0,8 Я

(где 13 - радиус цилиндрической части гидроциклона), то пузырьки двигались преимущественно в радиальном направлении и ухоДили в слив. При перемещении конца иглы в область г> 0,8 К пузырьки визуализировали внешний поток, картина течения которого не противоречила существующим представлениям. Подбор скорости фотографирования позволил зафиксировать линии тока жидкости, непосредственно примыкающей к воздушному столбу. Угол наклона этих линий к горизонту существенно увеличивается при приблииении к краю сливного патрубка, что указывает на возрастание осевой скорости, вызванное ростом интенсивности радиального течения. Последнее вызывает такие заметное сужение воздушного столба перед входом в сливной патрубок с последующим расширением в нем, поскольку, находясь в патрубке, он не испытывает на себе действие радиального потока. Таким образом экспериментально доказано существование радиального потока, максимум интенсивности которого приходится на область, непосредственно примыкающую к крага сливного патрубка. Измерения радиальной скорости, выполненные с помощью датчика Пито и дифманометра показали, что если за точку отсчета брать радиальную скорость, найденную по обычной методике, то область ЛРП в зависимости от соотношения диаметров пескового и сливного отверстий имеет ширину (по координате 2 ) 15-25 % высоты цилиндрической части гидроциклона. Максимальное значение радиальной скорости зафиксировано на уровне 1,2 м/с. При заглублении сливного патрубка в конус радиальная скорость возрастает, но одпвременно растет и аксиальная скорость, что приведет к снижению точности разделения.

Таким образом,противоречия меяду "статическим" механизмом разделения и практикой обогащения в суспензионных гидроциклонах могут быть сняты, если дополнить известную картину потоков в гидроциклоне интенсивным радиальным течением в области сливного отверстия. Этот поток увлекает все слои пульпы к оси гидроциклона (что подтверждается искривлением изоденс, полученных А.И.Ангеловым) и способствует

дальнейшему расслоению пристенного слоя. Сила сопротивления этого потока, преодолевая центробежную силу, способствует перемещению легких (а иногда и мелких тяжелых) зерен исходного материала в слив. При движении в направлении к песковому отверстию интенсивность этого потока уменьшается, но одновременно, за счет процессов сгущения растет его плотность. Поэтому процесс сепарации может иметь место и в начале конической части. Зерна, перемещающиеся в радиальном направления, попадают во внутренний поток и движутся к сливному патрубку. При этом их тангенциальная скорость увеличивается, но они не уходят на стенку корпуса гидроциклона, т.к. этому препятствует возрастание интенсивности радиального потока. Скорректированный с учетом ЛРП механизм разделения позволяет показать, что высокие разделительные плот ности могут быть получены при использовании сравнительно малоплотных суспензий. Для этого необходимо иметь высокую плотность и интенсивность радиального потока. Наибольшую интенсивность и плотность радиального потока при прочих равных условиях можно достичь, снижая угловую скорость вращения суспензии и ориентируя гидроциклон конической частью вверх. Первый фактор дает уменьшение эффекта сгущения, а значит, увеличение плотности радиального потока, второй приводит к росту его интенсивности вследствие увеличения производительности по сливу за счет роста гидростатического давления у кромки сливного патрубка. Минимальное значение угловой скорости может быть найдено из условия равновесия цилиндрического объема вращающейся суспензии:

где рп , ро - плотности песков и суспензии на входе в тщроциклон,

кг/м°;

Н - высота гидроциклона, м;

1с - наружный радиус сливного патрубка, м;

д - ускорение силы тяжести.

,э

Данное выражение получено в предположении, что указанный объем уравновешен давлением, найденным из распределения с/ Р = рЫ2Гс)Г

Анализируя динамику изменения диссипативнон функции согласно Л.Фортье, приходим к выражению: .

где £ - время, в течение которого частица радиусом Р-т и плотностью _РТ будет иметь угловую скорость, отличаюиуюся от скорости суспензии с вязкостью /и менее чем на 1 %. Для частицы ферросилиция диаметром 40 мкм это время составит 7 мс, рудной частицы того же диаметра в зависимости от плотности 2,5-5 мс. Следовательно, рудные шламы будут легко увлекаться радиальным течением, снижая его плотность, а значит и плотность разделения. Поэтому для достижения максимальной разделительной плотности необходимо при прочих равных условиях снижать до минимума содержание в утяжелителе рудных шламов.

Скорректированный механизм разделения позволяет уточнить соотношение длин внутреннего и наружного патрубков трехпродуктного гидроциклона. Внутренний патрубок должен быть длиннее наружного (но короче цилиндрической части). При этом радиальный поток расщепляется на две части, каждая из которых устремляется в свой патрубок. Следует ожидать, что продукт, выгружаемый из внутреннего патрубка будет богаче продукта из наружного за счет большей плотности радиального потока внутреннего патрубка.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБОГАЩЕНИЯ РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СУСПЕНЗИОННЫХ ГИДРОЦИКЛОНАХ

Экспериментально подтверждены положения режимного характера, сформулированные в скорректированном механизме разделения.

На рис Л приведены результаты исследования влияния длины сливного патрубка на технологические показатели лвухпрсдуктной сеп-зрэция.

64-

5

О ffl

Й

41

т го i¿

S

5S

62-

Влияние длины сливного патрубка на

^ ¿8

£. ш о

Б

8<мН

X

0 га

(3

О)

1 /6

■dr-

/

J* л /-

у ■ &

-О-- 9

0/9 0,92 -Í05

Отношение длины сливного патрубка к длине цилиндрической части

Рис.1

Схема обогащения хромовых руд крупностью 0,5-10 тл исх.0,5-10 мм

7=37,5

/3=41,6 £=39,3

суспензионным гидроциклон

дренаж суспензии и отмывка утяжелителя

дренаж суспензии и отмывка утяжелителя

гст

. Г

обезвоживание 1

ммс

гст

ММС

уплотнение

обезвоживание

26,6 53,1 35,5

ксн

шламы шламы

концам фат

10,9

+ 13,8

шламы 3,8

Рис.2

Удлинение сливного патрубка приводит к росту интенсивности и плотности радиального потока, который увлекает в слив все более плотные и богатые зерна исходного материала, за счет чего растет выход и качество хвостов. Длина сливного патрубка должна составлять не более 0,7 длины цилиндрической части.

При стандартном положении гидроциклона (вертикальном конусом вниз) при плотности магнетитовой суспензии 2300 кг/мэ и входном давлении 200 кПа получена плотность разделения 2920 кг/мэ. При прочих равных условиях поворот гидроциклона кони шской частью вверх привел к росту плотности разделения до 3160 кг/м3, а последующее за этим снижение входного давления до 100 кПа вызвало дальнейший прирост разделительной плотности до величины 3230 кг/мэ. Вероятные отклонения при этом практически не изменились: 67; 65; 68 кг/м3. Следовательно, максимальная разделительная плотность может быть получена при минимальном входном давлении и ориентации гидроциклона конической частью вверх.

Экспериментально подтвержден также механизм трехпродуктной сепарации з гидроциклоне с коаксиальными патрубками. При длинах внутреннего и наружного патрубков соответственно 0,85 и 0,6 длины цилиндрической части было произведено обогащение в среде ферросилицие-вой суспензии плотностью 2250 кг/м3 весьма труднообогатимой хромовой руды крупностью 1-ГО мм, содержащей 26 % оксида хрома и не позволяющей выделить из нее два кондиционных по качеству продукта. В одну стадию были получены кондиционные концентрат и хвосты, а также пром-продукт (выгружаемый из внутреннего патрубка) качеством соответственно 55,19; 9,88; 20,82 % при выходе соответственно 24,9 и 30,8 %. Плотности разделения составили 3720 и 2980 кг/м3 при соответственном вероятном отклонении 48 и 120 кг/м3.

•Для нахождения оптимального режима (обогащения окисленной железной руды в гидроциклоне) был реализован ротатабельный план второго

порядка, который пс.воляет получить модель процесса в виде уравнения регрессии:

В качестве факторов использовались: плотность исходной суспензии, входное давление, соотношение диаметров выходных отверстий, массовая доля руды в питании, содержание класса - 74 мкм в утяжелителе, которые били приняты после отсеивающих экспериментов. При использовании критерия Ет модель получается адекватной, а при использовании критерия Хэнкока - нет. Следовательно, предлагаемый критерий более пригоден для оценки технологической эффективности. Все линейные коэффициенты и коэффициенты при парных взаимодействиях оказались значимы. Это свидетельствует о влиянии на эффективность процесса всех факторов и о том, что поверхность отклика нелинейна. Модель позволила рассчитать оптимальный режим, в котором из исходной руды с содер-яанием железа 43,8 % получены кондиционные концентрат и хвосты качеством соответственно 51,2 и 22,0 %. Потери железа от операции оказались на 12,1 % меньше, чем при обогащении руды отсадкой. Плотность разделения при плотности исходной магнетитовой суспензии 2300 кг/м3 составила 3180 кг/м3 при вероятном отклонении 42 кг/м3.

Для оптимизации системы регенерации ферросилиция применительно к хромовым рудам исследована кинетика дренирования суспензии и отмывки утяжелителя от продуктов обогащения. Статистическая обработка экспериментальных данных позволила получить модель процесса дренирования:

где - количество оставшегося ферросилиция, т, на тонне продукта; - содержание рудных шламов в утяжелителе, %; р - плотность суспензии песков или слива, кг/м3; V - время дренирования,С.

Выражение получено для интенсивности вибрации, характерной для грохотов типа ГСТ и ГИСЛ. Среднеквадрзтическая ошибка расчетов составляет 12,6 %.

Установлено, что при содержании рудных шламов 2 % процесс дренирования суспензии песков практически прекращается. При реальном времени нахождения на отмивочном участке грохота 15-20 с расход воды на отмывку утяжелителя составляет 1,32 м3 на тонну продукта. При этом потери ферросилиция с хвостами составляют 0,68, а с концентратом 0,42 кг на тонну продукта крупностью 1-10 мм. Большие потери утяжелителя с хвостами объясняются наличием микротрещин и шероховатостей в большей степени на породных зернах.

. Полупромышленные испытания хромовых руд крупностью 1-10 мм проводились в открытом цикле на завод "Сибэлектросталь". Кондиционный концентрат должен был иметь содержание и извлечение оксида хрома не менее 50 и 90 % соответственно. Отвальными считались хвосты, содержащие оксида хрома не более 10 %.

В процессе испытаний подтвердилось, что с ростом содержания э утяжелителе рудных шламов плотность разделения уменьшается. Одновременно происходит снижение и вероятного отклонения. Максимальное содержание рудных шламов - 12 %, при большем значении концентрат в оптимальном режиме становится некондиционным, минимальное составляет 2 %.

На регенерацию отводилось от 3,8 до 8,2 % утяжелителя от общего его количества, циркулирующего в системе. Суммарные потери ферросилиция составили 0,69 кг на тонну исходной руды.

Получены следующие технологические показатели. Содержание хром-оксида в исходной руде, концентрате и хвостах соответственно 41,]2; 50,22; 6,90%. Извлечение в концентрат составило 96,4 %, что в 1,5 раза превышает извлечение при обогащении,данного класса крупности отсадкой. При .плотности исходной суспензии 2400 кг/м3 плотность

разделения составила 3180 кг/м3, вероятное отклонение 38 кг/ы3, коэффициент засорения 0,69. Максимальная при данной плотности исход- . ной суспензии разделительная плотность зафиксирована на уровне 3910 кг/м3 при содержании в утяжелителе рудных шламов 2,4 %. Вероятное отклонение при этом составило 82 кг/м3.

статистическая обработка экспериментального материала позволила получить математическую модель гидроциклонного процесса в виде система мк гомерных уравнений регрессии. В качестве параметров использовались: диаметр гидроциклона (100-350 мм); площадь сечения входного отверстия; диаметры пескового и. сливного отверстий; их отношение; длина сливного патрубка; плотность утяжелителя; содержание в нем класса минус 74 мкм; содержание рудных аланов в утяжелителе; плотность исходной суспензии; входная скорость (объемная производительность). В качестве целевых функций - входное давление; выход посторонних фракций в концентрат; объемный выход песков; плотность песков и слива; коэффициент засорения, плотность разделения. Средне-квадратическая ошибка в определении целевых функций составила соответственно 13,3; 25,1; 16,0; 5,2; 3,8; 30,3; 4,4 X.

Методика расчета ожидаемых технологических .показателей и нагрузок на систему регенерации предусматривает: 1) определение по результатам гравитационного анализа исходной руды теоретических значений разделительной плотности, качества и выходов продуктов разделения; 2) нахождение по предлагаемым формулам предварительных значений диаметра гидроциклона, его объемной производительности, плотности исходной сусп.ензии, содержания рудных шламов в утяжелителе при принятой его доле, отводимой на регенерацию; 3) расчет модельной плотности разделения и ее сравнение с теоретическим значением, а в случае несовпадения - корректировку параметров процесса по предла1 аемому алгоритму и повторение расчетов; 4) при совпадении теоретической и

модельной плотностей разделения - расчет объемного выхода песков и слива и их плотности (для определения нагрузок на систему регенерации), коэффициента засорения, выхода посторонних фракций плотности в концентрат, давления на входе в гидроциклон.

Расчетное содержание ценного компонента в продуктах разделения:

^кт1 ?хт " теоретический выход концентрата и хвостов соответственно, %-,

ДТ)0Г - теоретическое содержание ценного компонента в концентрате и хвостах соответственно, %; ~ выход посторонних фракций плотности в концентрат и хвосты соответственно, %. Относительная ошибка в определении расчетных значений качества концентрата составляет 1,4 %, хвостов - 4,2 % при доверительной вероятности 0,9. Если качество продуктов разделения с учетом доверительного интервала отвечает кондиционным - расчет закончен, в противном случае по предлагаемому алгоритму корректируются параметры процесса и производится повторный расчет.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУСПЕНЗИОННОГО ГИДРОЦИКЛОННОГО ПРОЦЕССА

Разработка' технологии обогащения хромовых руд проводилась для классов крупностью 3-10 и 0,5-10 мм (рис.2). Технологические показатели для обоих классов крупности были проверены на установке с гидроциклоном диаметром 350 мм.

В первом варианте вместо отсадки класса 3-10 мм используется гидроциклонный процесс, но сохраняется отсадка класса - 3 мм.

где Г3* =1ГЭ -Г* , X;

к

Вследствие исчезнов ния промпродукта отсадки класса 3-10 мм убирается одна шаровая мельница и треть оборудования узла дообогащения пром-продуктов. По второму варианту требуется классификация по зерну 0,5 мм, но обогащение класса 0,5-10 мм производится только в суспензионных гидроциклонах. В результате исключаются процесо измельчения и половина оборудования узла дообогащения.

При использовании вместо отсадки суспензионного гидроциклонного процесс? по первому и второму вариантам потери оксида хрома с общими хвостами фабрики снижаются на 3,5 и 5,3 % соответственно, что дает прирост выхода концентрата соответственно на 29,4 и 39,2 тыс.тонн в год. Экономическая эффективность замены отсадки гидроциклонныи процессом по предварительным расчетам для первого и второго вариантов соответственно составляет 1409 и 2001 тыс.руб. в год в ценах до 1989 г.

Технологией обогащения окисленной железной руды предусмотрено использование в качестве утяжелителя магнетитового концентрата ММС. Замена отсадки класса крупностью 0,8-6 мм суспензионным процессом только на одной секции П0Ф ММК могла бы дать экономический эффект в ценах до 1989 г. 39 тыс.руб. в год за счет увеличения в целом по фабрике выхода концентрата на 0,7 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Потери ценного компонента при обогащении труднообогатимых окисленных железных и хромовых руд в значительной степени вызваны низкой точностью разделения отсадочных машин. Более точный, чем отсадка, суспензионный гидроциклонный процесс недостаточно изучен применительно к обогащению руд по высокой (3000-3600 кг/мэ) р1зделитель-ной плотности, требуемой для получения кондиционных концентратов.

2. Экспериментально подтверждено существование интенсивного локального радиального течения в области кромки сливного патрубка. Предложен скорректироЗанный механизм разделения, рассматривающий локальный радиальный поток как определяющий фактор, обеспечивающий в сочетании с другими известными факторами эффект сепарации по плотности. Для получения максимальной плотности и точности разделения рекомендуется при прочих равных условиях минимизировать значения входной скорости пульпы, содержания в утяжелителе рудных шламов, ориентировать гидроциклон конической частью вверх, ограничить длину сливного патрубка 60-70 % длины цилиндрической части гидроциклона.

3. На основе скорректированного механизма разделения обоснован

и экспериментально подтвержден принцип сепарации в трехпродуктном гидроциклоне с коаксиальными патрубками. Показано, что длина наружного патрубка должна соответствовать длине сливного патрубка двухпродукт-ного гидроциклона, длина внутреннего патрубка должна составлять 8590 % длины цилиндрической части гидроциклона. Достигнута высокая эффективность трехпродуктной сепарации весьма труднообогатимых хромовых руд с получением промпродукта, отвальных хвостов и кондиционного концентрата.

4. Результаты полупромышленных испытаний суспензионной технологии показали:

- допустиычй диапазон содержания в утяжелителе рудных шламов

2-12 %;

- зафиксирована максимальная плотность разделения - 3910 кг/мэ, превысившая плотность исходной суспензии 2400 кг/м3 почти на 60 %, что, в свою очередь, превышает существующий норматив на плотность исходной суспензий при заданной плотности разделения в два раза;

- диапазон изменения вероятного отклонения в интервале плотности разделения ЗООО-ЗЭОО кг/м3 составил 30-80 кг/м3, что свидетельствует о высокой точности сепарации;

- суммарные потери утяжелителя составили не более 0,8 кг на тонну исходного материала;

- за счет более точной сепарации по плотности суспензионный гздроциклон в отличие от отсадочных машин позволяет получить отвальные хвосты при кондиционном качестве концентрата;

- более чем в два раза снижены потери ценного компонента с хвостами суспензионного процесса по сравнению с таковыми процесса отсадки.

5. Разработаны технологические схемы обогащения окисленных железных руд Магнитогорского месторождения крупностью 0,8-6 мм и ' хромовых руд Южно-Кимперсайского месторождения крупностью 3-10 и 0,5-10 мм.

6. Разработана математическая модель суспензионного гидроциклонного процесса, позволяющая определить !с оценкой точности расчетов) основные его показатели, а именно: плотность разделения, степень засорения продуктов разделения, выходы песков и слива - как функции десяти конструктивных и технологических параметров. На ее основе разработана методика расчета ожидаемых технологических показателей обогащения с использованием результатов гравитационного анализа исходной руды, а также расчета нагрузок на систему регенерации.

7. По предварительным расчетам экономическая эффективность от замены отсадки суспензионным гидроциклонным процесом при обогащении окисленных железных и хромовых руд, достигаемая за счет увеличения выходя товарного концентрата, соответственно составляет 39 и 2001 тис. руб. в год (в ценах до 1989 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Обогащение бедной окисленной железной руды в вихревом гидроциклоне /В.Н.Шохин, В.В.Лаванов, Н.А.Варламов, С.П.Канищэв //Тр.МГМИ - Магнитогорск, 1973. - Вып.123. - С.12-15.

2. Шохин В.Н., Леванов В.В., Логинов Н.М. Определение оптимальных параметров процесса обогащения яелезных руд в вихревом гидро-циилоне методом центрально-композиционного ротатабельного планирования экспериментов //Тр. МГМИ. - Магнитогорск, 1974. - Вып.133.

- С.24-28.

3. Разработка технологии обогащения мелких классов окисленных аелеэных руд в вихревом гидроциклоне /В.Н.Шохин, В.В.Леванов, Н.А.Варламов, С.П.Канищев //'Тр. МГМИ. - Магнитогорск, 1975. - Вып. 150.

- С.32-44. ^ .

4. Исследование технологии обогащения мелких классов окисленных яелезных руд в тяжелосредных гидроциклонах //Тр. ин-та /"Механобр-чермет". - М.: Недра. - 1975. - С.45-48.

5. Кулешов Г.Г., Леванов В.В. Исследование технологии обогащения мелких классов хромитовых руд в тяжелосредном вихревом гидроциклоне: Сб. реф. НИР и ОКР. - М., 1977. - Сер.09. -№4. - Реф.091. - С.14-16.

6. Кулешов Г.Г., Леванов В.В. Применение вихревого гидроциклона с тяжелой суспензией при обогащении хромитовой руды //Ин-т "Чермет-информация": Экспресс-информация. - М., 1979. - Сер.2. - Вып.2.

- С.2-4.

7. Кулешов Г.Г., Леванов В.В., Комлев A.M. Полупромышленные испытания технологии .обогащения мелких классов хромитовой руды в гидроциклонах с тяжелей суспензией //Бюл. ЦНИИТЭИ "Черная металлургия".

- М., 1979. - Вып.22. - С.12-17.

8. Кулешов Г.Г., Леванов В.В. Исследование технологии суспензионного обогащения в гидроциклоне хромитовой руды //Интенсификация подготовительных магнитных и гравитационных процессов обогащения: Тез. докл. науч.-техн. конф.- 28-30 мая 1980 г. - М., 1980. - С.220-222.

9. Кулешов Г.Г., Леванов В.В. Исследование технологии суспензионного обогащения хромовых руд в гидроциклоне //Исследование и

промышленное применение гидроциклонов: Тез. докл. всес.симпозиума. - Горький. 1981. - С.80-84.

10. Кулешов Г,Г., Леванов В.В. Трехпродуктная сепарация трудно-обогатимых хромовых руд в тяжелосредном гидроциклоне //Бюл. ЦНИИТЭИ "Черная металлургия". - М., 1985. - Вып.23/1. - С.12-16.

11. Кулешов Г.Г., Леванов В.В. Повышение эффективности обогащения мелких классов хромовых руд //Ин-т "Черметинформация". Сер. Обогащение руд: Обзорная информация. - М., 1987. - Вып.1. - 19 с.

12. Шохин В.П., Леванов В.В. Суспензионный гидроциклон как альте натива отсадке при сепарации труднообогатимых руд черных металлов // Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона: Тез. докл. межгос. науч.-техн. конф. 1621 мая 1994 г. - Магнитогорск: МГМИ, 1994. - С.113-114.

13. Шохин В.Н., Леванов В.В. О корректировке механизма разделения в тяжелосредных гидроциклонах //Развитие сырьевой базы промыш-ленних предприятий Урала: Тез. докл. межгос. науч.-техн. конф. 16-20 мая 1995 г.' - Магнитогорск: МГМА, 1995. - 0.121-122.

Подписано в печать Формат 60x64 1/16 Бумага тип.№2

Плоская печать Уч.-изд.л.1,00 Тираж 100 экз. Заказ /Л

Редакцяонно-издательский отдел МГМА им.Г.И.Носова 405000, Магнитогорск, пр.Ленина, 38

Ротапринт МГМА