автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Сепаратор кипящего слоя

На правах рукописи

Харламов Евгений Владимирович

СЕПАРАТОР КИПЯЩЕГО СЛОЯ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород -2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шарапов Рашид Ризаевич

Официальные оппоненты: Кондратьев Александр Владимирович

доктор технических наук, профессор, «Тверской государственный технический университет», заведующий кафедрой строительных, дорожных машин и оборудования

Жулай Владимир Алексеевич доктор технических наук, профессор, «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой строительная техника и инженерная механика

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

политехнический университет».

Защита диссертации состоится 20 марта 2015 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте http://eos-att.bstu.ru федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат диссертации разослан 13 февраля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.А. Семикопенко

! РОССИЙСКАЯ 1 г 1СУДЛРСТ0 ЕН НАЯ

: Г./Г-ЛИОТПКА 3 П I 5_

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В производстве строительных материалов все большую долю составляют отходы техногенных производств, которые загрязняя окружающую среду, снижают пространство для жизнедеятельности человека.

Одним из крупнейших производств дающий максимальный загрязняющий эффект является металлургическое производство. Его отходы загрязняют как воздушный бассейн, так и огромные территории вокруг железопроизводящих предприятий.

Для снижения нагрузки на экологию вокруг ГОКов целесообразнее применять сухую схему переработки, при которой разделение руды может происходить в воздушной среде.

Немагнитный продукт железистых кварцитов является ценным сырьем для получения строительных материалов широкой номенклатуры: стеновые, тепло- и звукоизоляционные силикатные строительные материалы, материалы для производства красок, в качестве компонентов для приготовления закладочных смесей при добыче руды.

Однако низкая эффективность схем сухой переработки отходов железорудного производства требует стадийности такой переработки, что, во-первых, удорожает этот процесс, во-вторых, увеличивает его металлоемкость, что в современных условиях делает применение такой схемы неконкурентоспособной.

В связи с вышеизложенным одной из важнейших задач по переработке отходов железорудного производства с целью получения как продуктов для металлургического производства, так и для строительной отрасли, является разработка аппаратов снижающих как негативное влияние на окружающую нас природу, так и позволяющие получать качественные материалы для строительства.

Цель работы - разработка сепаратора кипящего слоя для сухого разделения хвостов обогащения, обеспечивающего эффективность разделения более 90 %.

Задачи исследований.

1. Разработать конструкцию сепаратора кипящего слоя для разде-ленияхвостов обогащения, обеспечивающего повышение эффективности более 90 %.

2. Исследовать свойства частиц разделяемого сыпучего материала и параметры кипящего слоя, установить зависимость основных физико-механических и технологических параметров от действия магнитного поля.

3. Установить закономерности расхода, давления и скорости восходящего потока воздуха для возникновения кипящего слоя смеси.

4. Разработать математическую модель процесса разделения хвостов обогащения для дальнейшего использования в качестве компо-

нентов при производстве строительных материалов и найти зависимости для определения коэффициента извлечения магнитной составляющей сыпучего минерального сырья.

5. Получить аналитические выражения для коэффициента извлечения частиц, с помощью которого можно будет проанализировать влияние на качество разделения основных конструктивно-технологических параметров.

6. Разработать инженерный метод расчета сепаратора кипящего слоя, позволяющий по его заданным конструктивно-технологическим параметрам прогнозировать коэффициент извлечения и основные характеристики продуктов разделения тонкодисперсной смеси.

7. Разработать методику и аппаратурное оформление, для проведения экспериментальных исследований сепаратора кипящего слоя согласно принятому плану эксперимента.

8. Исследовать многофакторное воздействие параметров сепаратора кипящего слоя на его выходные характеристики.

9. Подтвердить эффективность применения хвостов обогащения в качестве компонентов при производстве строительных материалов.

Научная новизна работы заключается:

- в аналитическом обосновании магнитно-аэродинамического способа сухого разделения хвостов обогащения, находящихся в состоянии кипящего слоя и исследовании физико-технических свойств частиц и параметров кипящего слоя;

- в теоретическом и экспериментальном исследовании параметров магнитной системы сепаратора кипящего слоя и характеристик разделяемого материала, учитывающего также его зерновой состав;

- в обосновании уравнений движения частиц разделяемого материала, на базе которых определены: их траектории движения, соотношения для параметров активного участка зоны сепаратора кипящего слоя и скорости осаждения извлекаемых частиц на транспортную зону конвейера;

- в обосновании закономерностей массопереноса частиц, на основании которых предложено аналитическое выражение для коэффициента их извлечения, позволяющее прогнозировать качество разделения от основных конструктивно-технологических параметров сепаратора кипящего слоя;

- получены уравнения регрессии, позволяющие определить рациональные режимы работы сепаратора кипящего слоя.

Практическая значимость работы. Разработан магнитно-аэродинамический способ разделения материала, находящегося в состоянии кипящего слоя, сочетающий в себе магнитное извлечение частиц и воздушное ворошение разделяемого материала. Созданная кон-

струкция сепаратора кипящего слоя обеспечивает повышение эффективности сухого разделения хвостов обогащения более 90 %.

Внедрение результатов работы. Результаты работы апробированы на технологии получения различных строительных материалов. Комплект чертежей, технологические режимы работы установки и результаты экспериментальных исследований переданы для внедрения на ОАО «Лебединский ГОК» и ООО «Евромонтаж».

Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания», г. Губкин, 2007 г.; Международной научно-практической конференции «Интерстроймех-2010», г. Белгород, 2010 г.; Научно-практическая конференция «Белгородская область: прошлое, настоящее, будущее», п. Майский, Белгородский р-он, 2011 г.; Межкафедральный научный семинар о современном состоянии развития строительно-дорожной техники, г. Харьков, 2011 г.; Международная научно-практическая конференция «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений», г. Белгород, 2013 г., Международной научно-практической конференции «Интерстроймех-2014», Юбилейная международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и инновации», посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем работы 191 страница, в том числе: 71 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 156 наименований и приложения на 9 страницах.

Автор защищает следующие основные положения:

1. Модель кипящего слоя разделяемого материала, учитывающую его дисперсный состав, пористость, скорость осаждения, толщину кипящего слоя, а также расход и давление подводимого воздуха.

2. Аналитические выражения для расчета магнитного поля сепаратора кипящего слоя, учитывающие параметры применяемых магнитов и свойства разделяемых частиц.

3. Математические зависимости движения частиц в рабочей зоне сепаратора кипящего слоя, позволяющие определить конструктивно технологические параметры сепаратора кипящего слоя и прогнозировать коэффициент извлечения и производительность сепаратора кипящего слоя в целом.

4. Результаты экспериментальных исследований, проведенных на сепараторах кипящего слоя.

5. Патентно-чистую конструкцию сепаратора кипящего слоя.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено основное технологическое оборудование для разделения тонкодисперсных материалов.

На основании приведенного анализа оборудования и технологий для разделения тонкодисперсных материалов сделан вывод о том, что повышение эффективности сухого разделения хвостов обогащения металлургического производства возможно за счет совмещения процессов магнитного извлечения металлических частиц и воздушного ворошения разделяемого материала.

Предложена конструкция сепаратора, позволяющая обеспечивать эффективность разделения более 90 % (рисунок 1), который состоит из следующих основных элементов: ленточного конвейера 6, скребкового конвейера 5, транспортирующего лотка 4, бункера 7, вибрирующего лотка 2 и системы стабилизации 3. Стенки бункера 1, дно вибрирующего лотка 2 и транспортирующего лотка 4 выполнены в виде полого короба, причем, контактирующие со смесью поверхности, изготовлены из воздухопроницаемого металлокерамического материала. Ленточный конвейер 6 предназначен для извлечения магнитных частиц из смеси. Внутри тягового контура ленточного конвейера вдоль нижней ветви транспортирующей ленты шарнирно закреплен блок из магнитов с постоянным магнитным полем. Ленточный конвейер 6 установлен под углом по отношению к транспортирующему лотку 4. Такое положение ленточного конвейера 6 создает, по отношению к движущейся в транспортирующем лотке 4 смеси, переменную напряжённость магнитного поля - от минимальной в начале извлечения до максимальной у концевого барабана. Соответственно, процесс извлечения частиц происходит в течение всего периода движения смеси под активным участком ленточного конвейера 4, в начале которого извлекаются сильномагнитные частицы и далее - по убывающей намагниченности частиц. Извлечённые частицы, удерживаемые магнитным полем, перемещаются с лентой к зоне перегрузки.

Сепаратор кипящего слоя сухого разделения работает следующим образом. Через патрубки в полые элементы бункера 1, вибрирующего лотка 2 и транспортирующего лотка 4 сепаратора кипящего слоя сухо-

го разделения и загрузочного устройства подается рабочий агент -воздух, который проходит через пористый материал и создает в зоне контакта материала с пористым материалом слой сжатого воздуха, который снижает коэффициент сцепления в 3-6 раз и обеспечивает устойчивое перемещение материала. Исходная смесь магнитных и немагнитных частиц загружается в бункер 1. Далее смесь поступает через не закрытые шибером пазы в передней стенке бункера / на вибрирующий лоток 2. Вибрирующий лоток 2 совершает возвратно-поступательные движения, направленные перпендикулярно движению смеси. На нем исходная смесь равномерно распределяется по ширине загрузки. Распределенная исходная смесь поступает в транспортирующий лоток 4 сепаратора кипящего слоя сухого разделения и перемещается скребками скребкового конвейера 5 к зоне немагнитных частиц. Нижняя ветвь ленточного конвейера 6 движется в противопотоке смеси. Извлеченные частицы, удерживаемые магнитным полем, перемещаются с лентой к зоне перегрузки. Немагнитные частицы транспортируются далее к зоне разгрузки немагнитных частиц.

Рисунок 1 - Сепаратор кипящего слоя сухого разделения: 1 - бункер; 2 - вибрирующий лоток; 3 - система стабилизации; 4 - транспортирующий лоток; 5 - конвейер скребковый; б - ленточный конвейер

По результатам проведенного в диссертационной работе анализа научно-технических разработок поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе рассмотрен процесс разделения хвостов обогащения в сепараторе кипящего слоя.

Сущность разработанного аэродинамического способа разделения продуктов железорудного производства состоит в том, что извлечение частиц тонкоизмельченного исходного материала происходит за счет перечистки, создаваемой восходящим потоком воздуха. Воздух проходит через воздухопроницаемое металлокерамическое днище транспортирующего лотка. Размещение магнитной системы и ленточного транспортера под углом к транспортирующему лотку повышает селективность извлечения частиц, что способствует повышению чистоты

получаемого кварцевого песка. Разделяемый материал представляет собой двухкомпонентную механическую смесь частиц магнетита и немагнитных частиц кварцита (песка).

В разработанном сепараторе кипящего слоя сухого разделения слой сыпучего материала формируется в лотке прямоугольного сечения, днище которого выполнено из воздухопроницаемого металлокерами-ческого материала. Нагнетаемый через перегородку воздух создает однородный поток, которой проходит через слой сыпучего материала. Отношение объемного расхода воздуха к площади пористой перегородки 5 называется скоростью фильтрации (фиктивной скоростью) и'ф:

Воздушный поток, проходя через зернистый слой материала, оказывает лобовое аэродинамическое давление на отдельные частицы и на весь слой в целом. Зерна материала витают в воздухе, пульсируют, но не покидают пределов слоя.

Критическую скорость восходящего потока воздуха, при которой возникает кипящий слой смеси, находим по формуле:

и-„ =0,0736^Н.

/ 3 Л

Я^смРсмР

0,625 ^ ^0,375

(2)

Расход и давление воздуха, необходимого для создания кипящего слоя разделяемой смеси, определяются по формулам:

0=^, (3)

Р = (4)

где 5, ^им, - площадь и коэффициент местного сопротивления металло-керамической перегородки-днища транспортного лотка сепаратора. По значениям 0,'тлр подбирается вентилятор установки.

Магнитные силы Ам, направленные по силовым линиям к магнитной системе сепаратора:

= ЦоМегеиШ = \iaSgradH , (5)

где Н - модуль напряженности внешнего магнитного поля; V - объем частицы.

Кроме магнитной силы на частицы действует сила тяжести:

Ц- = > (6)

где £ - вектор ускорения силы тяжести, а также сила сопротивления воздушной среды:

Iас = "^ФМСа'5'ч.Мр(У ~ "О • |у - М>\.

(7)

Здесь р - плотность воздуха, 5ч.м — площадь миделевого сечения частицы; V,- векторы скорости частиц и воздуха; С, - коэффициент аэродинамического сопротивления, который для тонкодисперсных частиц магнитита может быть записан в стоксовском приближении:

24

с=-

Яе

(8)

Рабочая зона сепаратора кипящего слоя сухого разделения находится между кипящим слоем материала и ленточным конвейером, проходящим над панелью постоянных магнитов (рисунок 2).

Движение магнитных частиц в рабочей зоне сепаратора кипящего слоя сухого разделения плоское, т.е. зависит лишь от двух пространственных координат х и г и происходит одинаково во всех продольных сечениях рабочей зоны, параллельных плоскости хОг.

г |

Рисунок 2 -- Схема рабочей зоны сепаратора кипящего слоя

Система дифференциальных уравнений, описывающих движение магнитных частиц, имеет вид:

(¿V - _ -

-7- = /м+£+/ас> Ш

с/Р _

(9) (10)

где г - радиус-вектор магнитной частицы.

Движение извлекаемых частиц становится одномерным, параллельным оси Ог, а его скорость будет определяться уравнением:

аг

где А - расстояние от днища транспортирующего лотка до плоскости полюсов магнитной системы. Для извлечения магнитных частиц маг-

нитно-движущая сила должна, прежде всего, преодолевать их вес, т.е. правая часть уравнения (11) должна быть положительной. Отсюда следует ограничение на величину А:

А <5 ——1п—. с 2с М

(12)

Максимальная скорость осаждения магнитных частиц на ленту транспортного конвейера определяется по формуле

■Я

(ехр(-2с8л)-ехр(-2С(А-8кс)))-£(А-5л-8кс) (13)

Обработка результатов численных расчетов показывает, что протяженность активного участка рабочей зоны 1А, на котором происходит извлечение магнитных частиц не зависит от их размера и составляет:

1А=1мсоъа„-хА, (14)

где хА - координата начала активного участка, которая с точностью до 10 % может быть аппроксимирована зависимостью:

1п

ЦоХч^о

(15) 2сзта

Скорость осаждения магнитных частиц на ленту транспортного конвейера с такой же точностью аппроксимируется формулой:

А0хчсЯ02ехр (16)

18ФМЦд

Коэффициент извлечения частиц т| определяется соотношением их массопотоков на входе в активную зону С(хА) и на выходе из нее С(хв) (рисунок 3):

С(хА)

(17)

г

вГ __ 1 II ш [¿2

Уг

0 'к X Ах х+Дх ХВ X

и

Рисунок 3 - Расчетная схема для вывода коэффициента извлечения частиц

Уравнение материального баланса магнитных частиц для выделенной части рабочей зоны:

G(x)-G(x + Ах) = xC(x)V<xb-^- = х C(x)VocAjC . (18)

cosaH "(x)vk cosaH

Здесь Дх/cosa - отрезок ленты транспортирующего конвейера, соответствующий Ддс, G(x) - массопоток магнитных частиц, проходящий через поперечное сечение рабочей зоны, соответствующее координате х.

Соотношение для фракционного коэффициента извлечения частиц:

. %"ос

= 1 -

h2+lAtga„)

Длина активного участка рабочей зоны 1Л равна:

= h2-1,1155 1 lnfpMgcosaH

(19)

¡a=-

tgo«

v =4,472-10

(21)

, • С20)

16цн 2сзтан ^ ц0хчсЯ02

Параметр 1А и скорость осаждения частиц на ленту транспортного конвейера принимают вид:

0,015-1,1155 1п(0,183 со5ан) 52,34 мпан

(22) где ё в мкм.

С учетом формул (20) и (22) выражение (17) можно переписать в виде:

4.47210-4</2%

л(<0 = 1-

0,015

1,1158-

ln(0,183cosaH) 52,34 cos a

vts,naii

(23)

Н У

В результате обработки экспериментальных данных получена следующая зависимость:

Х(с) = 5 ОБ2 -0,155+0,0224. (24)

Подставив формулу (24) в (22) получим окончательное выражение для фракционного коэффициента извлечения частиц в экспериментальном сепараторе кипящего слоя сухого разделения:

4,47210~* d1 (508г -0.155+0,0224)

0,015

1,1155-

ln(0,183cosa) 52,34 cos a

Для исследования зависимости полного коэффициента извлечения магнитных частиц от толщины исходного слоя разделяемой смеси, положим в формуле (25) с1 = 29,8 мкм, ос = 15°, \'к = 0,02 м/с. Тогда получим:

/ Л Л,/Г \ 76,72(5082-0,158+0,0224)

л=1-

0,015

(26)

ч 1,1158 + 0,034 у

Из формулы (26) следует, что с увеличением толщины слоя разделяемой смеси коэффициент извлечения возрастает (рисунок 4). Это объясняется как увеличением магнитодвижущей силы, так и повышением концентрации частиц в зоне осаждения.

0,95

0,9 0,85 0,8 0,75 0,7

-*- 2

5

11

13

7 9 8, мм

Рисунок 4 - Зависимость коэффициента извлечения частиц от толщины слоя разделяемой смеси: / - значения, определяемые по формуле (26); 2 - экспериментальные значения

Зависимость коэффициента извлечения магнитных частиц от скорости движения скребкового конвейера следует из формулы (25) при с/ = 29,8 мкм, о = 0,008 м, ан = 15°:

0,037

Л = 1-0,347 . (27)

Согласно формуле (27) коэффициент извлечения магнитных частиц с увеличением скорости перемещения скребкового конвейера падает (рисунок 5), что объясняется уменьшением времени пребывания смеси в активной зоне сепаратора кипящего слоя сухого разделения.

Зависимость коэффициента извлечения от угла а вытекает из формулы (25):

0,479

1 = 1"

0,015

0,009-

1п(0,183соаа„) 52,34 соя ан

(28)

С?

0,9 0,85 0,8

0,75

—1

0,012 0,0134

0,02 V, м/с

0,0266 0,028

Рисунок 5 — Зависимость коэффициента извлечения частиц от скорости движения скребкового конвейера: 1 - значения, определенные по формуле (27); 2 - экспериментальные значения

Зависимость (формула (28)) носит экстремальный характер. В начале при увеличении угла наклона магнитной системы до а = 13° значение коэффициента извлечения магнитных частиц возрастает, дальнейшее увеличение угла наклона магнитной системы а ведет к снижению коэффициента извлечения магнитных частиц (рисунок 6).

о4

Е?

0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 0,78 0,76 0,74

-х-

"А.,

у

/ Л

А ч

У N N

ж к

10 11 12 13

14 15 а,"

16 17 18 19 20

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента извлечения частиц от угла наклона магнитной системы: 1 - значения, посчитанные по формуле (28); 2- экспериментальные значения

Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных значений коэффициента извлечения не превышает 9,0 %.

В третьей главе описаны план, программа и методики проведения экспериментальных исследований, описана лабораторная установка, представлены характеристики исследуемого материала.

Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность работы сепаратора кипящего слоя и установлены их уровни варьирования.

В качестве плана эксперимента выбран план полного факторного эксперимента ЦКОП 24. В таблице 1 представлены основные факторы и уровни их варьирования.

Таблица 1 - Исследуемые факторы и уровни варьирования ПФЭ ЦКОП 24__

Параметр Обзна-чение Уровни варьирования

-1,414 -1 0 + 1 +1,414

Толщина слоя разделяемого материала 6, мм X, 2 4 8 12 14

Скорость перемещения разделяемого материала V, м/с хг 0,011 0,0134 0,02 0,0266 0,029

Угол наклона ленточного конвейера а, град X, 9 11 15 19 21

Напряженность магнитного поля Н, кА/м X, 16 23 40 57 74

В качестве функций отклика, характеризующих процесс разделения хвостов обогащения в разработанном сепараторе кипящего слоя приняты:

- эффективность разделения г| сепаратора кипящего слоя сухого разделения, %;

- производительность Q сепаратора кипящего слоя сухого разделения, кг/ч.

В качестве материала, подлежащего разделению в разработанном сепараторе кипящего слоя, использовались хвосты обогащения Лебединского месторождения.

На рисунке 7 представлена фотография экспериментального сепаратора кипящего слоя сухого разделения, на котором проводились работы по плану экспериментальных исследований.

Рисунок 7 - Фотография экспериментальной установки: / - конвейер ленточный; 2 - конвейер разгрузки магнитных частиц; 3 - конвейер скребковый; 4 - лоток; 5 - устройство загрузочное; 6 - система стабилизации; 7-пультуправления; 5-зонаразгрузки магнитных частиц; 9- зона разгрузки немагнитных частиц

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, получены и проанализированы уравнения регрессии, осуществлен выбор рационального режима процесса разделения хвостов обогащения в сепараторе кипящего слоя.

В ходе экспериментальных исследований и статистической обработки их результатов влияния исследуемых факторов на эффективность разделения т] сепаратора кипящего слоя получено уравнение регрессии в кодированном виде, %:

Т] = 85,77 +10,87X - 0,235*, -0,345*, - 7,2*4 -3,1 IX,Х3 -

(29)

-2,4*2*4 -5,26*? -2,235Х\ -10,27*| -14,3*?

Уравнение регрессии, выражающее производительность Q сепаратора кипящего слоя в зависимости от исследуемых факторов в кодированном виде имеет вид, кг/ч:

0 = 412,5 + 168,43*, +111,17ЛГ2 +2,91X1 + + 5,63*4 +12,5^*2 + 17,5*,*4 -25,4*2*4

По уравнениям регрессии (29) и (30) были построены графические зависимости влияния варьируемых факторов на функции отклика.

На основании экспериментальных данных, полученных на базе уравнения регрессии (29), для зависимости т| = / (5, V, а, Н) сделаны следующие выводы:

- с увеличением величины 5 наблюдается повышение эффективности разделения в сепараторе кипящего слоя сухого разделения;

- возрастание фактора V в области 0,012 < V < 0,02 при любых значениях уровней факторов вызывает увеличение эффективности разделения т|, а при значениях 0,02 < V < 0,028 эффективность разделения снижается, что выражается снижением производительности сепаратора кипящего слоя сухого разделения;

- с увеличением параметра а до значения 13... 14° при любых значениях 6 и V происходит увеличение параметра т), а при увеличении а больше значения 15° наблюдается снижение эффективности разделения в сепараторе кипящего слоя сухого разделения - это подтверждается также видом функции т\ =/ (а); т.е. с увеличением угла наклона ленточного конвейера интенсивность извлечения магнитных частиц падает;

- возрастание фактора Н в области 16 < V < 32 при любых значениях уровней фактора 6 вызывает увеличение эффективности разделения г), при значениях 32 < V < 74 эффективность разделения снижается, а при возрастании фактора Я в области 16 < V < 48 при любых значениях

уровней фактора V, а вызывает возрастание эффективности разделения ц, при значениях 48 < V < 74 эффективность разделения снижается, что выражается снижением производительности сепаратора кипящего слоя сухого разделения.

По результатам анализа выражения (30) установлено, что:

- с увеличением величины 6 при любых значения параметра у наблюдается повышение производительности сепаратора кипящего слоя сухого разделения;

- рост параметра у при любых 8 вызывает повышение выхода готового продукта, определяемого параметром ();

- возрастание фактора а в области 9° < а < 15° при любых значениях уровней факторов Вызывает уменьшение производительности сепаратора а с ростом параметра а до 21 ° производительность увеличивается, что выражается повышением производительности сепаратора кипящего слоя сухого разделения;

- с увеличением параметра Н до значения 40 кА/м при любых значениях а происходит уменьшение параметра Q, а при увеличении Я больше значения 40 кА/м наблюдается повышение производительности сепаратора кипящего слоя сухого разделения.

В пятой главе приведены данные промышленной апробации применения тонкомолотых хвостов обогащения в производстве строительных материалов в сертифицированных лабораториях ООО «Це-ментавтобан» и лаборатории органических вяжущих и асфальтобетона БГТУ им. В.Г. Шухова.

В качестве добавки в мелкозернистый бетон вводились хвосты обогащения тонкостью 2 % остатка на сите 0,315 мм. Минеральные наполнители вводились в состав бетона в количестве 5, 10 и 15 % от массы цемента. Введение большего количество оказалось неэффективным и прочность образца снижалась. Наполнители показали положительные результаты в сравнении с образцами из контрольной серии при введении их в количестве 5 и 10 %, при этом увеличение прочности отмечено для бетонов с использованием наполнителей из исследуемых материалов. Прочность на растяжение при изгибе и при сжатии увеличилась на 20 % соответственно. При введении 10 % наполнителя наблюдается аналогичное распределение прочностей при меньшем приросте прочности. Использование 15 % наполнителя эффективно для отходов хвостов обогащения, при этом прочность получаемого материала практически равна прочности материала без наполнителя и эффективность достигается за счёт экономии цемента.

В качестве минерального порошка в состав асфальтобетонной смеси добавлялась, полученная в сепараторе кипящего слоя, немагнитная часть хвостов обогащения. Результаты испытаний образцов асфальтобетона представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов асфальтобетона

Показатель Нормы ГОСТ Минеральный порошок

Известняк Исследуемый

Средняя плотность, г/см3 - 2,24 2,27

Водонасыщение, % 1,5-4 2,98 3,09

-Набухание, % - 0,50 0,32

Прочностные характеристики: Л2о, МПа Не менее 2,2 3,85 3,97

Л», МПа Не менее 1,2 1,7 1,6

До, МПа Не более 12 8,80 8,55

К., МПа Не менее 0,85 0,90 0,98

По данным таблицы 2 можно констатировать, что показатели исследуемых образцов удовлетворяют требованиям ГОСТ и не уступают характеристикам образцов асфальтобетона на минеральном порошке из известняка. Также следует отметить довольно высокий коэффициент водостойкости опытных образцов, что может быть обусловлено наличием небольшого количества оксидов железа в порошке их отхода.

Основные результаты и выводы

1. На основе анализа направлений развития и совершенствования техники и технологии для разделения хвостов обогащения установлено, что с высокой степенью эффективности могут быть применены установки, работающие на магнитном принципе извлечения частиц. Показано и установлено, что наиболее перспективным способом разделения в сепараторах является сухой способ по совмещенной технологии, когда разделяемый материал находится в поле действия магнитных сил и сил давления воздушного потока.

2. Предложена патентно-чистая конструкция сепаратора кипящего слоя сухого разделения, предназначенного для хвостов обогащения.

3. Аналитически обоснован магнитно-аэродинамический способ сухого разделения материалов, находящихся в состоянии кипящего слоя (псевдоожиженного состояния), позволяющий извлекать магнитные частицы из хвостов обогащения.

4. Получены:

- аналитические выражения для параметров кипящего слоя, учитывающие конструктивно-технологические параметры сепаратора и характеристики магнитного поля, на основании которых определены основные параметры сепаратора кипящего слоя сухого разделения;

- на основе уравнений движения частиц определены их траектории движения, выведены соотношения для параметров активного участка

рабочей зоны сепаратора кипящего слоя сухого разделения и скорости осаждения извлекаемых частиц на ленту транспортного конвейера;

— аналитическое выражение для определения коэффициента извлечения магнитных частиц, с помощью которого проанализировано влияние на качество разделения основных конструктивно-технологических параметров предложенного сепаратора. Предложенные зависимости согласуются с экспериментальными с точностью до 9,0 %.

5. В качестве основного плана эксперимента выбран центральный композиционный ортогональный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКОП 24. На основе поисковых экспериментов определены исследуемые факторы: толщина 5 слоя разделяемого материала, скорость V перемещения разделяемого материала, угол а установки ленточного конвейера с магнитной системой, напряженность магнит-ногфгполя Я и уровни их варьирования; для исследования процесса разделения хвостов обогащения разработана экспериментальная установка омвдттора кипящего слоя сухого разделения.

6. ИссДЬдрвано влияние варьируемых факторов на производительность и качество разделения хвостов обогащения в сепараторе кипящего слоя. Получено уравнение регрессии для Q,x\ = i^Ь,v,a, Н) описывающее работу* сепаратора кипящего слоя сухого разделения.

7. Установлены рациональные режимы работы сепаратора кипящего слоя сухого разделения для 5, V, а и Я, при которых достигается максимальные значения т], и которые соответственно равны 8= II..13 мм, V = 0,018.. .0,022 м/с, а = 13..150 и Я= 32...48 кА/м.

8. В сертифицированных лабораториях ООО «Цементавтобан» и лаборатории органических вяжущих и асфальтобетона БГТУ им. В.Г. Шухова практически подтверждена эффективность применения тонкомолотых хвостов обогащения в производстве строительных материалов: при вводе в объеме 5... 15 % вместо портландцемента при производстве мелкозернистого бетона рост прочности составил 1...18 %; в качестве минеральной добавки в асфальтобетон в количестве 5 %, которая позволила достигнуть следующие показатели: среднюю плотность - 2,27 г/см3; водонасыщение - 3,09 %; набухание -0,32 %; прочностные характеристики Л20, Язо> Я0 и Кв - 3,97, 1,6, 8,55 и 0,98 МПа соответственно, что лучше сравнительного образца на базе тонкомолотого известняка.

9. На ОАО «Лебединский ГОК» и ООО «Евромонтаж» передан комплект чертежей сепаратора кипящего слоя производительностью 6 т/ч и рекомендации для осуществления его промышленного внедрения.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

а) монографии:

1. Шарапов P.P. Сепаратор кипящего слоя: монография / P.P. Шарапов, Е.В. Харламов. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. - 128 с.

б) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

2. Покушалов М.П. Влияние режима загрузки на качество сепарации тонкодисперсных смесей / М.П. Покушалов, Е.В. Харламов // Строительные и дорожные машины. - 2007. - № 5. - С. 43-45.

3. Покушалов М.П. Совершенствования технологии обогащения железных руд на основе проницаемой металлокерамики и оптимизации режима загрузки сепаратора / М.П. Покушалов, Е.В. Харламов // Горное оборудование и электромеханика. - 2007. -№ 6. - С. 25-28.

4. Харламов Е.В. Агрегат для получения строительных материалов из отвалов горно-обогатительных комбинатов КМА / Е.В. Харламов, P.P. Шарапов, В.Г. Шаптала, В.В. Шаптала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова.-2013.-№3.-С. 82-85.

5. Харламов Е.В. Моделирование процесса разделения в магнитно-аэродинамическом сепараторе / Е.В. Харламов, Р.Р. Шарапов,

B.Г. Шаптала, В.В. Шаптала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013. -№4.-С. 91-95.

6. Харламов Е.В. Метод разделения железосодержащего минерального сырья / Е.В. Харламов, P.P. Шарапов, М.А. Степанов // Научное обозрение. -2013. -№ 12. - С. 99-101.

7. Харламов Е.В. Методика расчета аппарата для разделения железосодержащего минерального сырья / Харламов Е.В., Шарапов P.P., Степанов М. А. // Механизация строительства. 2014. - № 6 (840). -

C. 28-32.

в) в других изданиях:

8. Харламов Е.В. Анализ влияния параметров процесса загрузки на качество сепарации / Е.В. Харламов, А.И. Марковский // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: сб. студ. докл. Международного конгресса. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. - Ч. 1. - С. 78-80.

9. Харламов Е.В. Методика исследования влияния параметров процесса загрузки на качество сепарации / Е.В. Харламов, М.П. Покушалов // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии: сб. студ. докл. Международного конгресса. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. - 4.1. - С. 81-84.

10. Бережной A.B. Система стабилизации параметров загрузки сепараторов / A.B. Бережной, Е.В. Зайцев, М.П. Покушалов, Е.В. Харламов // Образование, наука, производство: сб. тез. докл. II Междуна-

родного студенческого форума. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004.-Ч. 6.-С. 11.

11. Харламов Е.В. Электродвигатель возвратно-поступательного движения / Е.В. Харламов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2005. -№ 11.-С. 247-250.

12. Харламов Е.В. Исследование параметров оптимизации подготовки материала к разделению / Е.В. Харламов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2005. - № 11. - С. 250-252.

13. Покушалов М.П. Оптимизация параметров режима загрузки как средство повышения качества полезных ископаемых / М.П. Покушалов, Е.В. Харламов // Проблемы создания и совершенствования строительных и дорожных машин: сб. докл. Международной науч,-практич. Интернет-конференции. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. - С. 67-70.

14. Покушалов М.П. Влияние режима загрузки на качество сепарации тонкодисперсных смесей / М.П. Покушалов, Е.В. Харламов // Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания: сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции. - Губкин: Интерфейс, 2007. - Ч. 1. -С.72-74.

15. Харламов Е.В. Совершенствование технологии обогащения тонкодисперсных смесей / Е.В. Харламов // Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений: сб. докл. Междунар. на-уч.-практ. конф. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. -С. 413-415.

16. Харламов Е.В. Технология обогащения тонкодисперсных смесей на основе проницаемой металлокерамики / Е.В.Харламов // Интер-строймех-2010: сб. докл. Междунар. научно-практ. конференции. -Белгород. БГТУ, 2010. - Т. З.-С. 108-110.

17. Харламов Е.В. Сепаратор для обогащения тонкодисперсных смесей / Е.В. Харламов // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвуз. сб. ст. под ред. В.С. Богданова. - Белгород, 2010. - Вып. IX. -С. 404-406.

18. Харламов Е.В. Электродвигатель для приведения в действие вибрационной установки / Е.В. Харламов // Мехатроника транспортных средств и технологических машин: 1 - Международная Интернет-конференция, Губкин, 01.09.-30.11. 2010 г. / Губкинский институт (филиал) Московского государственного открытого университета. - Губкин, 2010.-90-91 с.

19. Харламов Е.В. Исследование сепарации смесей в совмещенной технологии / Е.В. Харламов // Белгородская область: прошлое,

настоящее и будущее: областная научно-практическая конференция 22 декабря 2011 г. / Белгородская сельскохозяйственная академия имени В.Я. Горина. - Белгород, 2011. - С. 113-117.

20. Харламов Е.В. Разработка экспериментальной установки для разделения отходов переработки магнитных руд / Е.В. Харламов // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвуз. сб. ст. под ред.

B.C. Богданова. - Белгород: БГТУ, 2012. - Вып XI. - С. 484-486.

21. Харламов Е.В. К вопросу о разделении железосодержащего мине-рального сырья / Е.В. Харламов, P.P. Шарапов // Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород: БГТУ, 2013. - Т. II. - С. 286-289.

22. Харламов Е.В. О разделении железосодержащего минерального сырья / Е.В. Харламов, P.P. Шарапов // Интерстроймех-2014: материалы Междунар. научно-практ. Конференции, 9-11 сентября 2014 г. -Самара, Самарск. гос. арх.-строит. ун-т, 2014. - С. 172-176. - ISBN 978-5-9585-05-92-0.

23. Харламов Е.В. Теория и практика использования сепаратора кипящеего слоя / Е.В. Харламов, P.P. Шарапов, В.В. Харламова // Наукоемкие технологии и инновации: сб. докладов Юбилейной Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 9-10 окт., 2014 г.). - Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. - 4.4.

C. 175-180.

24. Ядыкина В.В. Использование отхода обогащения магнетито-вых кварцитов в качестве минерального порошка при производстве асфальтобетонных смесей / В.В. Ядыкина, P.P. Шарапов, Е.В. Харламов, P.P. Тагарифуллин // Наукоемкие технологии и инновации: сб. докладов Юбилейной Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 9-10 окт., 2014 г.). - Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. - 4.5. С. 129-133.

г) изобретения:

25. Пат. 2309518 Российская Федерация, МПК Н 02 К 33/12. Линейный электродвигатель возвратно-поступательного движения / М.П. Покушалов, Е.В. Харламов; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. -№ 2006100423/09; заявл. 10.01.06; опубл. 27.10.07, Бюл. № 30.

26. Пат. 93785 Российская Федерация, МПК7 В 65 G 29/00. Сепаратор / Е.В. Харламов; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. -№2009147741/22; заявл. 22.12.09; опубл. 10.05.10, Бюл. № 13.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

/ж - удельная сила сопротивления воздушной среды, Н/кг;

/м _ удельная сила сопротивления магнетита, Н/кг; # - вектор ускорения силы тяжести; г - радиус-вектор магнитной частицы; V - вектор скорости частицы; й" - вектор скорости воздуха; Ъ - ширина магнитной системы сепаратора кипящего слоя, м; с - коэффициент неоднородности магнитного поля; С„ - коэффициент аэродинамического сопротивления; С(х) - концентрация магнитных частиц, проходящий через поперечное сечение рабочей зоны, соответствующее координате х; с1 - размер частицы, мкм; ¿„ж - максимальный размер частиц разделяемой смеси, м; ¿/см - средний размер частиц разделяемой смеси, мкм;

— магнитная (магнитодвижущая) сила, Н; С(х) — массопоток магнитных частиц, проходящий через поперечное сечение рабочей зоны; С(хА) - массопоток на входе в активную зону; 0(хв) - массопоток на выходе в активную зону; g - ускорение свободного падения, м/с2; А -расстояние от днища транспортирующего лотка до плоскости полюсов магнитной системы, м; Я - напряженность магнитного поля, Тл; Я0 -напряженность магнитного поля в центре магнита, Тл; И, - расстояние от днища транспортирующего лотка до верхнего конца магнитной системы, м; И2 - расстояние от днища транспортирующего лотка до нижнего конца магнитной системы, м; ./ - намагниченность частиц, Тл; К, - водостойкость образца, МПа; /А - протяженность активного участка рабочей зоны, м; /м - длина магнитной системы, м; М - магнитный момент тела, Ам2; р - давление воздуха, Па; <2 - производительность сепаратора, кг/ч; О1 - объемный расход воздуха, м3/с; Л0 - предел прочности при сжатии при температуре О °С, МПа; Я2о - предел прочности при сжатии при температуре 20 °С, МПа; Л50 - предел прочности при сжатии при температуре 50 °С, МПа; Яе - число Рейнольдса; 5 -площадь пористой перегородки, м2; 5Ч М - площадь миделевого сечения частицы, м2; V - объем частицы, м3; V - скорость перемещения разделяемого материала, м/с; у« - скорость осаждения магнитных частиц, м/с; Vк — скорость движения скребкового конвейера, м/с; V™" -максимальная скорость осаждения магнитных частиц на ленту транспортного конвейера, м/с; м'.ф - первая критическая скорость, м/с; м>ф -скорость фильтрации (фиктивная скорость), м/с; Х\ - кодированное значение толщины слоя загрузки; Х2 - кодированное значение скорости скребкового конвейера; Х3 - кодированное значение угла наклона ленточного конвейера; Х4 - кодированное значение напряженности магнитного поля; хА - координата начала активного участка; а - угол наклона ленточного конвейера, град; а„ - угол наклона магнитной сис-

темы, град; 5 - толщина слоя разделяемого материала, мм; - толщина кипящего слоя материала, м; 8Я - толщина ленты, м; т^ - эффективность разделения, %; ро - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума), (кг-м)/(с2А2); цд - коэффициент динамической вязкости воздуха, Па-с; ^ыкп - коэффициент местного сопротивления ме-таллокерамической перегородки-днища транспортного лотка сепаратора; р - плотность воздуха, кг/м3; р„ - плотность магнетита, кг/м3; Рем - плотность частиц разделяемой смеси, кг/м3; х ~ магнитная восприимчивость, Тл; Хч — магнитная восприимчивость частиц, Тл; Фм — геометрический коэффициент формы частиц магнетита.

Научное издание

Харламов Евгений Владимирович

СЕПАРАТОР КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Формат 60*84/16 Тираж 110 экз.

Подписано в печать 14.01.15 Усл. печ. л. 1,3.

Заказ № 3?

Отпечатано в БГТУ им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

15-- 1 5 0/

2014251041