Development of Perspective Schemes of Centrifugal Pneumatic Separators due to Intensification of Centrifugal Forces at Separation of Minerals of Different Density and Coarseness

В современном мире остро стоит вопрос экологической безопасности горнодобывающей промышленности и высокие требования к сфере недропользователей, в т.ч. при добыче золота. Сухие методы переработки и обогащения полезных ископаемых являются более экологичными, так как не используют в технологической схеме воду для переработки рудных материалов. Воздух, наиболее подходит для применения в регионах с дефицитом воды. Кроме этого, воздух обладает низкой вязкостью, и, следовательно, высокой способностью транспортировки минералов по плотности. Применение пневмосепараторов подходит, также, в регионах с продолжительными отрицательными температурами.

Во многих золотодобывающих предприятиях последней операцией по очистке шлихового золота от примесей является отдувка. При этом применяются очень низкие скорости воздушного потока, что сдерживает повышение производительности. При увеличении скорости воздушного потока образуется аэропесчаная суспензия, с высокой транспортирующей способностью, которая практически полностью исключает эффект пневматической сепарации. Объясняется тем, что возрастание скорости воздуха увеличивает в квадратичной пропорциональности транспортирующую способность потока. Увеличение пропускной способности оборудования за счет площади рабочего пространства приводят к затруднению регулирования аэродинамического потока. Становится практически невозможной регулировка песчаных «завалов», где прекращается перемещение минеральной смеси и коридоров «пробоя» между ними, по которым интенсивно выносятся полезный компонент и крупные обломки. В связи с этим перед исследователями ставится задача, как управлять газодинамической средой и уменьшить массогабариты пневмоустановок.

В лаборатории «Обогащение полезных ископаемых» ИГДС СО РАН на протяжении многих лет разрабатывались технологии сухой (безводной) пневмосепарации, использующие гравитационные, центробежные и аэродинамические силы

Основной целью работы является усовершенствование конструктивных и технологических параметров новых модульных обогатительных оборудований, где одним из наиболее востребованных и перспективных, для мобильных аппаратов, является уменьшение массогабарита.

Из применяемых на практике установок интерес представляет пневматический аппарат ПОС-2000, в том числе в мобильном варианте исполнения, в составе, модульной передвижной рудообогатительной установки (МПРОУ) (см. рис. 1), который прошел успешные испытания в натурных условиях при переработке руд в горнодобывающей отрасли Республики Саха (Якутия)

[2]

,

[6]

.

Рисунок 1 - Общий вид установки

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.1

Эта установка предназначена для переработки и обогащения золотосодержащих руд и небольших месторождений, которые в настоящее время не осваиваются из-за нерентабельности производства. Установка рассчитана для применения технологии двух стадийного дробления на роторной дробилке многократного динамического воздействия среднего дробления (РД-МДВ-900) (см. рис. 2) и дробилке комбинированного действия (ДКД-300) (см. рис. 3), измельчения на центробежном измельчителе встречного удара (ЦМВУ-800) (см. рис. 4) и обогащения на пневматическом сепараторе (ПОС-2000) (см. рис. 5).

Рисунок 2 - Роторная дробилка многократного динамического воздействия

Примечание: РД-МДВ-900

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.2

Краткая техническая характеристика РД-МДВ-900. Производительность до 120 т/ч, диаметр бил 1000 мм, исходное питания -450 мм, энергопотребление 150 кВт, крупность продукта на выходе -16 мм, масса 12 т

Рисунок 3 - Дробилка комбинированного действия

Примечание: ДКД-300

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.3

Краткая техническая характеристика дробилки. Производительность 6-15 т/ч, мощность двигателя 15 кВт, крупность питания до 150 мм, крупность готового продукта 2 мм, диаметр роторов 300 мм, масса 1,5 т.

Рисунок 4 - Центробежная мельница встречного удара

Примечание: ЦМВУ-800

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.4

Краткая техническая характеристика измельчителя. Производительность 6 т/ч, мощность электродвигателя 7 кВт, диаметр роторов 790 мм и 820 мм, крупность питания -2 мм, масса 0,9 т.

Рисунок 5 - Пневмосепаратор

Примечание: ПОС-2000

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.5

Краткая техническая характеристика пневматического сепаратора. Производительность до 6 т/ч, мощность 7,5 кВт, сокращение материала до 16 раз, масса 2 т. 

Производственные испытания пневмосепаратора ПОС-2000 проведены на одном из золотосодержащих месторождений Амурской области, рудное месторождения состояло в основной массе из серицит-мусковитовых сланцев в них присутствовало относительно свободное крупное золото. Испытания сепаратора ПОС-2000 проводились наряду с изготовленными установками дробления и измельчения. При сепарации измельченного геоматериала крупностью менее двух миллиметров на ПОС-2000 сокращение составило 14-16 раз, при влажности до 7% измельченного материала достигается наилучшее разделение в рабочей зоне сепаратора без снижения производственной мощности и извлечения полезного компонента, извлечение составило до 98% полезного компонента, что подтверждает возможность внедрения в горное производство пневматических методов обогащения драгоценных металлов.

Пневмосепаратор так же испытывался при сегрегации геоматериалов средней плотности. Для технологических исследований возможности сухого обогащения флюоритовых руд использовалась руда доставленная из месторождения средней Азии с разным содержанием флюорита с общим весом 0,65 т. Крупность рудных кусков примерно варьировалась в пределах 250-300 мм. Руда состояла из прокварцованного и брекчированного песчаника охристо-светлосерого цвета. С мелкими обломками аргиллита со следами скольжения на поверхности. С видимыми признаками тонких (0,2 -1,0 мм) и тончайших прожилков кварца и опала (20-30 µк) с флюоритом и охристым материалом. В некоторых рудах присутствовали чистые линзы и шлифы флюорита размером до 2×4 см. Мелкообломочная масса руды состояла из гидроокиси железа и глинистых материалов (10-12%). В составе которого виднелись небольшие минералы монтморилонита. В целом, состав руды отражает брекчированное штокверковое месторождение, подвергнутое выветриванию до гётит-монтморилонитового состава.

На рисунке 6 представлен график извлечения флюорита в зависимости от ее содержания.

Рисунок 6 - График извлечения флюорита от выхода продукта при разных содержаниях:

1 – при содержании до 3,5%; 2 – расчетное извлечение при содержании <1%; 3 – при содержании 9,8%

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.6

Опытно-промышленные испытания показали, что пневмосепаратор громоздкий для транспортировки по гористой местности.

Как показывает проведенный инженерный анализ, уменьшение массогабарита пневмосепаратора ПОС-2000 достигается только при повышении сил, действующих на процесс разделения, когда для разделения геоматериалов в аэродинамической среде используются центробежные и газодинамические силы.

Модификация при этом состоит в том, что сводится к минимуму действие гравитационных сил, имеющих физическое ограничение. При этом повышается точность учета газодинамической несущей и рабочей многофазовой среды с минералами, для которой необходимо моделирование при помощи современных компьютерных программ

Проводятся лабораторные экспериментальные изучения особенностей поведения газовоминеральных взвесей в многокомпонентных средах, в ламинарных, и вихревых потоках

Для проведения этих исследований изготовлена аэродинамическая труба из прозрачной полиуретановой гибкой трубы, изогнутая в виде спирали. (см. рис. 7). Лабораторная модель трубы включает в себя металлические стержни, с возможностью регулирования рабочей полости для изменения высоты, угла и шага витка. Воздушный поток подавался при помощи промышленного компрессора. Регулировка скорости воздуха осуществлялась ручным затвором.

Рисунок 7 - Общий вид лабораторной установки

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.7

На рисунке 8 представлена схема аэродинамической трубы с распределением зон движения измельченных геоматериалов различной плотности в разрезе.

Рисунок 8 - Схема аэродинамической трубы с распределением зон движения измельченных геоматериалов

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.8

По проведенным исследованиям, выявлены максимальные углы подъёма разных материалов по рабочей поверхности аэродинамической трубы, скорости страгивания и витания частиц в зависимости от плотности и размеров, максимальные углы зависания и витания частиц в зависимости от разной скорости нагнетающего воздуха.

Наблюдения за распределением измельчённого геоматериала в радиальном сечении аэродинамической трубы на различных участках, показали разные угловые зависимости распределения частичек в зависимости от соотношений центробежной и гравитационных сил, при разных скоростях воздуха и кривизны загиба трубы.

Исходя из соотношения центробежной силы к силе тяжести, изменялось и распределение движение минеральных частиц по квадрантам в поперечном сечении трубы, которое фиксировалось видео, фотосъёмкой. Результаты наблюдений доказали высокую эффективность применения центробежной силы в дополнение гравитационным.

По проведенными экспериментальными лабораторными исследованиями определены зависимости разделения минеральных частиц в несущей воздушной среде:

- скорость витания и гидравлическая крупность частиц находятся в прямой зависимости;

- скорость витания и гидравлическая крупность частиц можно выразить через плотность и толщину, что значительно упрощает расчеты;

- наличие в несущем потоке воздуха мелкообломочных песчаных частиц существенно повышает миграционную способность частиц с высокой плотностью;

- смещение частиц на определенный угол подъема по аэродинамической трубе при разных скоростях потока воздуха позволяет оценивать их способность волочением при меньших скоростях их витания.

- гравитационных силы можно заменить инерциальными (центробежными).

Дальнейшие исследования были направлены на выявление детализованной картины обтекания быстро вращающихся объектов плотных газопылевых смесей. Исследованы характеристики областей, в т.ч. в квазиравновесных, приповерхностных и турбулизованных областях. Большое внимание уделено опытным установкам и данным от них.

В пневмосепараторах, в отличие от известных воздушных классификаторов, применяемых в отраслях горной промышленности, используется не только эффект разделения по крупности (линейным размерам) частиц, но и по плотности. Более того, весьма значимым является так же и геометрия мелких частиц. Аэродинамическое сопротивление микрочастиц так же, как и макроскопические тела, зависит от характерных чисел, учитывающих форму. Особенно это важно при моделировании в областях сгущения частиц, когда размерами частиц уже нельзя пренебречь, и лагранжев формализм уже неточно работает.

В разрабатываемой установке пневмосепарации, кроме того, должны учитываться не только траектории движения частиц в зонах камеры, но и характер – виды самого движения – в том числе переходные завихренные области, с замкнутыми линиями тока, на границах которых могут наблюдаться интенсивные турбулентные явления, переходные процессы и прочие.

Особое внимание должно быть уделено приповерхностным областям быстро вращающихся рабочих элементов, содержащих в том числе криволинейные грани и поверхности.

В отечественной и зарубежной научной литературе к сожалению, по этим явлениям не находятся развитых теорий, за исключением отдельных частных случаев теоретических предпосылок в начальном состоянии.

При расчете турбулизованных потоков, как и отмечается в специальной литературе приходится учитывать свойства континуальности, нерегулярности, нелинейности вихревой природы, диссипативности, диффузиозности

Несмотря на интенсивное развитие в последнее время средств компьютерного моделирования, для моделирования многофазных смесей ведущими методами изучения явлений пневмосепарации остаются экспериментальные методы.

Конструктивно пневмосепараторы по известной классификации Р.Нагеля могут быть реализованы на нескольких различных типов. Центробежные пневмосепараторы в свою очередь разделены на три группы: с вращающейся и с неподвижной зоной сепарации; с вращающимися тарелками. По принципу действия современные центробежные классифицирующие устройства делятся на две группы:

а) воздушно-проходные классификаторы;

б) воздушно-замкнутые (циркуляционные) классификаторы.

В результате проведенного литературного анализа опытов пневмосепарации и применяемых в технологическом процессе обогащения полезных ископаемых конструкций пневматических аппаратов, нами разработана конструкция нового модифицированного многоступенчатого пневматического сепаратора, в котором более точно учитываются:

1) физические размеры геоматериалов подлежащих разделению и классификации в несущей воздушной среде;

2) оптимизация действующих на частицы сил, путем подбора наиболее лучших конструктивных параметров аппарата (форма рабочих деталей, направления действующих физических сил и т.д.);

3) динамика и структура образования областей для разных фракций, в т.ч. в ступенях конструкции, на основе физико-математической модели.

4) характер динамики поведения пылевых и газопылевых смесей в условиях непрерывного потока, подбор технических режимов для поддержания скоростей несущих воздушных потоков, рабочих сечений и кривизны движения частиц.

На рисунках 9, 10 представлена схема разработанного усовершенствованного центробежного пневмосепаратора. В ходе проведения исследований на новой модифицированной установке будут проведены различные вычисления (гидромеханики, механики газа, газовая динамика и т.д.) и корректировки установки

[20]

,

[21]

,

[22]

,

[23]

Рисунок 9 - Схема лабораторной установки модифицированного пневмосепаратора:

1 - основание шасси; 2 - ось ротора; 3 - входной патрубок; 4 - электродвигатель грубого очистителя; 5 - центробежный очиститель крупных фракций; 6 - статор с камерой 1-ступени; 7 - электродвигатель 1-ступени; 8 - ротор 1-1 ступени; 9 - щелевидные каналы 1-й ступени; 10 - камеры 1-а ступени; 11 - регулятор высоты ротора 1-й ступени; 12 - каналы 2-й ступени; 13 - электродвигатель 2-ступени; 14 - камеры 2 - 2 ступени; 15 - ротор 2 - 2 ступени; 16 - центробежный очиститель крупных фракций; 17 - регулятор высоты ротора 2-й ступени; 18 - выходные патрубки по фракциям; 19 - тороидальный эвакуатор остаточной газопылевой смеси

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.9

Рисунок 10 - Разрез лабораторной установки модифицированного пневмосепаратора

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.88.10

В разработанном и изготовленном модифицированном лабораторном центробежном пневмосепараторе будут проведены исследования многофазного течения мелкоструктурированных потоков в камерах с криволинейными объемами и поверхностями с использованием цифрровых и математических моделей. На основе экспериментальных исследований создается физико-математическая модель, описывающая турбулентные потоки воздушной среды в рабочем пространстве пневматических центробежных сепараторов, физико-математическое моделирование движения минеральных частиц и процессы разделения тонкодисперсных порошкообразных материалов в турбулентном пылевоздушном потоке в рабочих элементах центробежных сепараторов. Проведенные научные исследования позволят выявить основные физические параметры и критерии, воздействующие на процесс разделения полезных минералов по размерам и плотностям. Разработанная физико-математическая модель поведения различных минералов турбулентном песчано-воздушном потоке, позволит разработать новые модели центробежных пневматических сепараторов с высокой эффективностью процесса обогащения и классификации минеральных частиц по необходимым размерам и плотностям. Что в свою очередь позволит разработать и внедрить инженерные методики для расчета граничного размера разделяемого тонкоизмельченного геоматериала и определения кривой разделения мелкодисперсных частиц по размерам и плотностям в рабочих органах центробежных пневмосепараторов

В результате изготовления модифицированного пневмосепаратора ожидается достижение следующих целей и решение задач:

1) уменьшение массогабаритных и технических характеристик аппаратов;

2) обеспечение модульности, взаимозаменяемости и дополнительности узлов;

3) значительное повышение эффективности извлечения полезных минералов по диапазону крупности;

4) уменьшение себестоимости и увеличение технологичности процессов изготовления пневматических сепараторов.