Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование закономерностей и разработка технических решений турбулизационной центробежной сепарации минерального сырья

ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование закономерностей и разработка технических решений турбулизационной центробежной сепарации минерального сырья"

На правах рукописи

ФАЛ ЕЙ ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТУРБУЛИЗАЦИОННОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 25.00.13 - «Обогащение полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 3 НОЯ 2014

Екатеринбург - 2014

005555358

005555358

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель — Морозов Юрий Петрович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Федотов Константин Вадимович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет»

Алгебраистова Наталья Константиновна,

кандидат технических наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»»

Защита диссертации состоится 25 декабря 2014 г. в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, д. 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» http://science.ursmu.ru/traineeship/dissertacionnve-sovetY/d-212-280-02.html

Автореферат разослан 5 ноября 2014 г. Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В мировой практике обогащения полезных ископаемых широкое распространение получили центробежные сепараторы, в которых разделение минералов происходит под действием центробежных ускорений, в десятки и сотни раз превышающих ускорение свободного падения. Применение центробежных сепараторов позволило существенно снизить предел крупности разделяемых минералов и рассматривать центробежную сепарацию как альтернативу флотационному методу обогащения.

Анализ литературных данных показывает, насколько обширной является область применения центробежных сепараторов. Положительные результаты применения центробежных сепараторов получены при обогащении золотосодержащих руд россыпных и коренных месторождений, текущих и лежалых хвостов обогатительных фабрик, тантал-ниобиевых, гематитовых, хромовых руд, ильменит-цирконовых песков, угольных шламов.

В направлении теоретических исследований центробежной сепарации известны работы Лопатина А.Г., Шохина В.Н., Федотова К.В., Богдановича A.B., Меринова Н.Ф. и других авторов, в которых показано, что в центробежных полях при увеличении центробежных ускорений возрастают коэффициенты рав-нопадаемости частиц, представлены результаты изучения классифицирующего и сегрегационного механизмов разделения минеральных частиц в центробежных сепараторах, предложены формулы для определения скоростей перемещения частиц в центробежном поле, получена численная модель для расчета скоростей гидродинамических потоков в конусе центробежного сепаратора.

Стремление к повышению технологических показателей центробежной сепарации привело к созданию множества различных конструкций центробежных сепараторов, отличающихся способом разрыхления минеральной постели и способом разгрузки тяжелой фракции.

В области центробежного обогащения хорошо зарекомендовали себя тур-булизационные центробежные сепараторы, отличающиеся подачей турбулизи-рующей воды изнутри конуса. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные Морозовым Ю.П., Афанасьевым А.И., Комлевым С.Г., показали эффективность применения турбулизационной центробежной сепарации и необходимость дальнейшего изучения данного процесса.

Таким образом, тема диссертации, направленная на изучение закономерностей и разработку технических решений турбулизационной центробежной сепарации, является актуальной.

Объектом исследований являются турбулизационные центробежные сепараторы.

Предмет исследования - закономерности разделения минералов и формирования пристеночного слоя в турбулизационных центробежных сепараторах.

Цель работы — повышение технологических показателей турбулизаци-онной центробежной сепарации природного и техногенного минерального сырья.

Идея работы заключается в использовании способа импульсной подачи турбулизирующей воды в пристеночный слой центробежного сепаратора для повышения технологических показателей процесса.

Задачи исследований:

1. Теоретические исследования турбулизационной центробежной сепарации в части изучения закономерностей и механизма формирования пристеночного слоя.

2. Разработка технических решений, направленных на повышение технологических показателей разделения минералов в турбулизационных центробежных сепараторах.

3. Разработка технологических решений по переработке различных типов золотосодержащих руд и техногенных продуктов на основе исследования обо-гатимости методом турбулизационной центробежной сепарации.

4. Испытания и внедрение разработанных технических и технологических решений.

Методы исследований. Работа выполнена с применением методов прикладной математики, механики, теоретического анализа, математического и физического моделирования. При изучении состава сырья и продуктов разделения применялись методы химического, минералогического, спектрального, фазового, пробирного, ситового анализов, электронной микроскопии. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований выполнялась в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях.

Защищаемые научные положения:

1. Применяемый в турбулизационных центробежных сепараторах способ подачи турбулизирующей воды изнутри конуса за счет реализации сегрегационного механизма формирования пристеночного слоя, заключающегося в продвижении частиц повышенной плотности между породными частицами, обеспечивает эффективное улавливание тонкодисперсных частиц повышенной плотности в пазах сепаратора.

2. Импульсная подача турбулизирующей воды позволяет повысить технологические показатели турбулизационной центробежной сепарации минерального сырья за счет интенсификации процесса сегрегации материала в пристеночном слое. Длительность временного интервала между импульсами турбулизирующей воды определяется суммарным временем уплотнения пристеночного слоя и максимального продвижения частиц повышенной плотности между породными частицами вглубь пристеночного слоя.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается положительными результатами выполненных исследований, дублированием лабораторных экспериментов, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- раскрыт сегрегационный механизм формирования пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе;

- теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность импульсной подачи турбулизирующей воды при центробежной сепарации;

- установлено влияние частоты вращения конуса и расхода турбулизирующей воды на эффективность извлечения частиц повышенной плотности в турбулизационном центробежном сепараторе;

- разработаны новые технические решения, позволяющие повысить технологические показатели разделения минералов в турбулизационных центробежных сепараторах.

Практическая значимость работы заключается в применении установленных закономерностей турбулизационной центробежной сепарации к выбору оптимальных технологических и конструктивных параметров центробежных аппаратов, разработке технологий обогащения золотосодержащих россыпных и сульфидных руд, техногенного сырья, основанных на применении турбулизационной центробежной сепарации.

Реализация результатов работы. Технология с использованием турбулизационных центробежных сепараторов внедрена в технологический регламент на переработку золотоплатиновой россыпи реки Черной. Турбулизацион-ные центробежные сепараторы К-600П и К-210П внедрены в технологическую линию переработки золотосодержащих пиритных продуктов. Передвижная модульная установка, включающая турбулизационные центробежные сепараторы К-1000 и К-210П, использована для исследования обогатимости шурфовых проб при оценке запасов золотосодержащих техногенных отвалов переработки россыпей реки Винновки.

Практические решения диссертационной работы использованы в учебном процессе при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Гравитационные методы обогащения», курсовых работ по дисциплине «Исследование руд на обогатимость», дипломных работ и выпускных квалификационных работ магистров.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2009-2014 гг.); на международных научных школах молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2009-2011 гг.); на Международном совещании «Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья» (Плаксинские чтения) (г. Томск, 2013 г.); на V Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело, оборудование, технологии» (г. Екатеринбург, 2013 г.); на Международном совещании «Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья» (Плаксинские чтения) (г. Алматы, 2014 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе в 2 работах в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК, и инновационном патенте Республики Казахстан.

Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследования, разработке методик исследований, организации и непосредственном участии в выполнении лабораторных и опытно-промышленных исследований, анализе и обобщении полученных результатов, формулировании выводов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 154 наименований, содержит 175 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 41 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи исследований, представлены защищаемые научные положения, изложены методы исследований, научная новизна и практическая значимость работы, указаны личный вклад автора, реализация и апробация работы.

В первой главе приведен аналитический обзор существующих типов безнапорных центробежных сепараторов, приведены их достоинства и недостатки, определены направления в области совершенствования конструкции центробежных сепараторов. Выполнен анализ теории и практики центробежной сепарации, приведены данные о сравнении работы центробежных сепараторов разных типов. Сформулированы основные направления исследований для повышения технологических показателей турбулизационной центробежной сепарации минерального сырья.

Во второй главе представлены результаты математического моделирования и изучения закономерностей турбулизационной центробежной сепарации.

Проведены исследования по изучению гидродинамики потоков в лабораторном турбулизационном центробежном сепараторе К-160. При различных значениях частоты вращения конуса определены геометрические размеры образующегося параболоида. С увеличением частоты вращения конуса сепаратора происходит смещение вершины образующегося параболоида к дну конуса и возрастает скорость потоков жидкости в конусе.

При помощи установки, принцип действия которой основан на компенсации гидродинамического давления потока, получены данные о слоевой неравномерности скоростей движения потоков вдоль образующей конуса сепаратора, у основания которого установлено наличие циркуляций.

Исходя из гидродинамических особенностей движения пульпы, в конусе центробежного сепаратора выделены зоны горизонтальных и восходящих потоков пульпы, зона движения частиц в пазах центробежного сепаратора.

Выполнен расчет скоростей движения частиц золота и кварца в зонах горизонтальных и восходящих потоков пульпы. Показано, что установленные

экспериментально циркулирующие потоки у основания конуса негативно сказываются на разделении минералов, поскольку способствуют перемешиванию частично расслоившегося материала. В зоне восходящих потоков на уровне нижних пазов величина центробежного ускорения не обеспечивает полного улавливания тонкодисперсных частиц золота, которые выносятся вверх и улавливаются под действием более высоких центробежных ускорений в верхних пазах сепаратора. Показано, что для повышения извлечения тонкодисперсных частиц золота необходима оптимизация конструктивного исполнения улавливающего конуса сепаратора в направлении уменьшения угла конусности сепаратора и увеличения количества и глубины пазов.

Механизм расслоения материала в пазах турбулизационного центробежного сепаратора рассмотрен на примере пристеночного слоя, состоящего из шарообразных частиц кварца крупностью 0,1 мм и частиц золота крупностью 0,01 мм. Перед турбулизацией пристеночный слой находится в уплотненном состоянии и частицы золота прижаты к поверхности частиц кварца (рисунок 1).

Условие перемещения ,,

зона

зона 1 г—

Л/4 //к

1111 /* 1Ют

частицы золота по поверхности кварца в уплотненном состоянии пристеночного слоя:

ЩР^Г, (1)

где (3 - угол отклонения центра масс частицы золота от оси породной частицы, град.; / — коэффициент трения скольжения.

При принятом для расчета коэффициенте трения скольжения / = 0,5 критическое значение угла Р^, , при котором частицы золота получают возможность перемещения вглубь паза по меридианам частицы кварца, составит 27°. По результатам расчета построена линия, разделяющая поверхность породной частицы на две зоны: зона 1, в которой частицы золота прижаты к поверхности кварца без возможности перемещения, и зона 2, в которой у них есть возможность продвижения по поверхности частицы кварца вглубь паза. В реальных условиях вероятность продвижения частиц золота по поверхности породных частиц уменьшается из-за шероховатости поверхности частиц и действия сил сцепления.

1 - положение частицы золота в зоне 1;

2 - положение частицы золота в зоне 2; Ёцб - центробежная сила; Р - сила трения;

N - сила реакции поверхности частицы кварца; Рк - сила Кориолиса; - сила сопротивления

Рисунок 1 — Силы, действующие на частицу золота на поверхности частицы кварца в пристеночном слое центробежного сепаратора

Частицы золота в зоне 1 не могут продвигаться вглубь паза без создания дополнительного воздействия, в качестве которого в центробежном сепараторе выступает турбулизация пристеночного слоя. Подача турбулизирующей воды приводит к разжижению и увеличению объема пристеночного слоя. При этом частицы изменяют свое положение в пространстве паза, и тонкодисперсные частицы золота, находящиеся в зоне I поверхности породных частиц, получают возможность продвижения между крупными частицами вглубь пристеночного слоя.

Таким образом, при формировании пристеночного слоя определяющее значение имеет процесс сегрегации материала, при котором тонкодисперсные частицы повышенной плотности продвигаются внутрь пристеночного слоя между породными частицами, а подача турбулизирующей воды в пристеночный слой изнутри конуса сепаратора создает условия для эффективной сегрегации материала в пазах.

Элементарный объем пристеночного слоя Уж глубиной #эл. после турбу-лизации находится в разрыхленном состоянии (рисунок 2, б), за время совершения конусом центробежного сепаратора одного оборота происходит его уплотнение, после чего он вновь разрыхляется турбулизирующей водой.

Рисунок 2 - Элементарный объем пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе до турбулизации (а) и после турбулизации (б)

Величина изменения элементарного объема пристеночного слоя после турбулизации АУЭЛ:

(2)

а

где ^„. - расход турбулизирующей воды, м3/с; Дг - временной отрезок, с;

а - количество пазов в конусе центробежного сепаратора. Элементарный объем после турбулизации Кэл т. составит:

Кп.г = Кл. + АУзл,: (3)

По мере уплотнения пристеночного слоя величина Уэл_ т. будет уменьшаться. Состояние разрыхленности элементарного объема пристеночного слоя на У-м временном отрезке характеризует значение средней объемной доли твердой фазы:

а,=1---(4)

К,

где Пу - средняя объемная доля твердой фазы в элементарном объеме пристеночного слоя нау-м временном отрезке;

По - объемная доля твердой фазы в элементарном объеме пристеночного слоя до турбулизации;

Рэл. т; ~ элементарный объем пристеночного слоя на у'-м временном отрезке,

м .

Разрыхление происходит неравномерно по глубине элементарного объема Н\,ъ, дальние от дна паза слои после турбулизации всегда находятся в более разрыхленном состоянии. Изменение объемной доли твердой фазы по глубине элементарного объема пристеночного слоя описывается зависимостью следующего вида:

(5)

где - расстояние от дна паза до рассматриваемой частицы на у'-м временном отрезке, мм;

к,- - коэффициент, характеризующий зависимость между объемной долей твердой фазы и глубинои элементарного объема пристеночного слоя на у'-м временном отрезке, мм"1.

Формула для определения коэффициента к/.

*,=-т— («,"«„), (6)

где Я'эл,- - глубина элементарного объема пристеночного слоя нау'-м временном отрезке, мм.

Предложенный математический аппарат использован для выполнения расчета перемещения частицы золота крупностью 0,01 мм в среде частиц кварца крупностью 0,1 мм в пазу турбулизационного центробежного сепаратора. Результаты моделирования процесса уплотнения пристеночного слоя показывают, что при определенных параметрах работы сепаратора пристеночный слой не успевает полностью уплотниться за один оборот конуса сепаратора. Например, при частоте вращения конуса сепаратора 500 мин'1 рассматриваемый элементарный объем пристеночного слоя уплотняется до своего исходного состояния только на седьмом обороте вращения конуса через 0,37 с, при частоте вращения 1000 мин"1 - на втором обороте через 0,09 с после турбулизации (таблица 1). В таком случае тонкодисперсные частицы золота, находящиеся в момент турбулизации на поверхности пристеночного слоя, за один оборот не успевают проникнуть внутрь паза и при следующей турбулизации могут быть вынесены восходящим потоком на уровень следующего паза. При частоте вращения конуса сепаратора 2000 мин" элементарный объем пристеночного слоя уплотняется уже на первом обороте через 0,02 с. Как правило, на практике большие значения центробежных ускорений свойственны промышленным образцам центробежных сепараторов, для которых целесообразным решением для эф-

ал.т./

фективного разделения минерального сырья является установка нескольких турбулизаторов по периметру конуса центробежного сепаратора.

Таблица 1 - Результаты моделирования уплотнения пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе

Расход турбулизирующей воды К., м3/ч Частота вращения конуса сепаратора л, мин Центробежное ускорение gi,s, м/с2 Кол-во оборотов конуса до уплотнения пристеночного слоя Суммарное время уплотнения пристеночного слоя, с

0,5 500 28g 6Л 0,37

1000 112g 1,5 0,09

2000 447g 0,3 0,02

После уплотнения выделенного элементарного объема пристеночного слоя частицы кварца создают плотный каркас, а тонкодисперсные частицы золота под действием центробежной силы имеют возможность продвижения вглубь паза в порах до поверхности следующей крупной частицы.

Следовательно, для более эффективного улавливания тонкодисперсных частиц золота турбулизиругощую воду следует подавать не непрерывно, а им-пульсно, давая возможность для уплотнения и максимального продвижения частиц золота в порах между частицами породы вглубь паза, тем самым обеспечивая эффективную сегрегацию. Необходимый временной интервал между импульсами турбулизирующей воды /имп. складывается из двух составляющих:

^имп. ~ ^у.п.с. (7)

где /у.п.с. - время уплотнения пристеночного слоя, с;

in. - время продвижения тонкодисперсных частиц повышенной плотности в порах между породными частицами, с.

В результате расчетов установлено, что временной интервал между импульсами турбулизирующей воды в зависимости от типоразмера центробежного сепаратора, параметров его работы, характеристик разделяемого материала изменяется в диапазоне от 0,01 до 5 с.

Выполнено экспериментальное моделирование процесса турбулгаацион-ной центробежной сепарации на сепараторе К-80 на искусственных смесях. Изучено влияние технологических параметров работы центробежного сепаратора на технологические показатели процесса при различной крупности частиц извлекаемого компонента. Переменными факторами являлись частота вращения конуса, расход турбулизирующей воды и крупность ценного компонента, в качестве которого использован сплав на основе свинца плотностью 8000 кг/м3 трёх классов крупности: (-0,315+0,160) мм, (-0,160+0,100) мм и (-0,100+0,071) мм.

Установлено, что для каждого значения частоты вращения конуса сепаратора существует оптимальное значение расхода турбулизирующей воды. Для мелких классов крупности ценного компонента максимум извлечения достига-

ется при меньшем расходе турбулизирующей воды (рисунок 3). Для извлечения тонкодисперсных частиц золота оптимальными параметрами работы центробежного сепаратора являются повышенная частота вращения конуса и пониженный расход турбулизирующей воды.

В третьей главе представлены новые технические решения турбу-лизационной центробежной сепарации.

Разработана конструкция конуса турбули-зационного центробежного сепаратора, в которой пазы улавливающего конуса выполнены с увеличением глубины по мере уменьшения диаметра конуса. На основании теоретических расчетов и экспериментального изучения гидродинамики потоков в центробежном сепараторе предложено дно улавливающего конуса выполнить в форме параболоида для исключения образования циркулирующих потоков у его основания.

Лабораторные исследования, выполненные на золотосодержащем пирит-ном продукте, показали, что предлагаемая конструкция центробежного сепаратора по сравнению с известным техническим решением позволяет повысить извлечение золота в тяжёлую фракцию на 2,3 % при повышении в ней массовой доли золота. На данное техническое решение получен Инновационный патент Республики Казахстан № 23686.

Предложен новый турбулизационный центробежный сепаратор, отличающийся возможностью осуществления работы как в режиме с непрерывной, так и с периодической разгрузкой тяжёлой фракции. По предлагаемому техническому решению подана заявка на изобретение № 2013144504/20(068664) от 3.10.2013.

На основании проведенных теоретических исследований предложен способ центробежной сепарации с импульсной подачей турбулизирующей воды, согласно которому минимальный временной интервал между импульсами определяется суммарным временем, необходимым для уплотнения пристеночного слоя до своего состояния перед турбулизацией и продвижения частиц повышенной плотности в порах между породными частицами, и находится в диапазоне от 0,01 до 5 с. Для реализации способа разработано устройство для импульсной подачи турбулизирующей воды, состоящее из гидравлического рас-

Расход турбулизирующей воды, м3/ч

1. Класс крупности ценного компонента -0,315+0,160мм;

у = -379411 + 502,5Ьс+ 82, Ю = 0,97

2. Класс крупности ценного компонента -0,160+0,100 мы;

у = -6263.4.Г3 + 603,09*+ 81,77, Л" = 0,99

3. Класс хрупкости ценного компонента -0,100+0,071 мм;

у = -8302,Ы+ 675,16*+ 82,5, Л} = 0,94

Рисунок 3 - Зависимости извлечения частиц ценного компонента разной крупности в тяжелую фракцию от расхода турбулизирующей воды

пределителя и блока управления, при помощи которого на турбулизадионном центробежном сепараторе К-210П проведены сравнительные испытания по обогащению различных продуктов в режимах с непрерывной и импульсной подачей турбулизирующей воды.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по применению турбулизационных центробежных сепараторов при обогащении золотосодержащих руд и техногенных продуктов.

Исследованы возможности процесса центробежной сепарации при обогащении труднопромывистой золотосодержащей руды россыпного месторождения с массовой долей извлекаемого золота 1 г/т. Предложена технологическая схема переработки данной руды, включающая обогащение в турбулизационных центробежных сепараторах. Чистая прибыль от реализации предлагаемой технологии составляет 154,41 млн. руб. в год, срок окупаемости инвестиций менее одного года.

Проведены лабораторные исследования на золотосодержащем пиритном продукте с массовой долей золота 73 г/т. Центробежной сепарации подвергнуты исходные пробы и пробы после гидроударного измельчения до крупности менее 0,04 мм. Установлено, что после гидроударного измельчения материала показатели центробежной сепарации существенно повышаются. Так, при массовой доле золота в концентрате 798 г/т извлечение его в концентрат составило 86,5%.

На пробах золотосодержащего пиритного продукта крупностью менее 0,04 мм с массовой долей золота 38 г/т поставлена серия опытов в режимах с непрерывной и импульсной подачей турбулизирующей воды при переменных

значениях ее расхода на центробежном сепараторе К-210П. Импульсная подача турбулизирующей воды позволила повысить извлечение золота на 5,7 % при аналогичном качестве тяжелой фракции (рисунок 4). При импульсной подаче расход турбулизирующей воды составил 0,22 м /ч, что в два раза меньше, чем при непрерывной подаче.

Исследованы возможности применения турбулизационных центробежных сепараторов в накопительной технологии переработки медно-золотой руды месторождения Варварин-ское, включающей операции измельчительно-циркуляционной концентрации, циркуляционной концентрации и центробежной сепарации. Опробование схе-

«5 60 55 £ 50 § 45 1 40 5 35 й 30 а 25 20 15 10

1

1 .хТ 1

1 ' У 1"Ы

\ !/

1 /

1 /

\/

А

/1 ^ ■

Г 1 ! 1 1

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 Расход турбулизирующей воды, м3/ч

♦ Импульсная подача турбутазврутощей воды ^Непрерывная подача тзрбулгонрующеЯ воды

Рисунок 4 - Зависимость извлечения золота в тяжелую фракцию от расхода турбулизирующей воды при непрерывном и импульсном способах подачи

мы измельчения показало наличие накопления золота в циркулирующем продукте. Степень концентрации золота в песках гидроциклонов составила более 8. Проведены исследования по обогащению песков гидроциклонов, результаты которых представлены на качественно-количественной схеме (рисунок 5).

94,00 9,33 98,99

34,00 18.65 71,57

1,50 270,52 45,80

0,0001 880000 9,93

Пески

у,% Рли,г/т еАи,%

100,00 8,86 100,00

Грохочение

- 6,00 1,49 1,01

+ 1

Циркуляционная из,?е^яня концентрация

Пески

Слив

60,00

Центробежная сепарация

Тяжелая ^ фракция

Легкая фракция *'

Доводка

1 1,4999 211,89 35,87

Шлиховое Концентрат золото

Хвосты на флотацию

4,05

27,42

32,50 7,03 25,77

92,50 5,10 53,19

Рисунок 5 - Качественно-количественная схема обогащения песков гидроциклонов замкнутого цикла измельчения медно-золотой руды месторождения Варваринское

Установлено, что комбинированная схема обогащения песков гидроциклонов замкнутого цикла измельчения позволяет извлечь около 10 % золота в шлиховой продукт с массовой долей золота 88 % и более 35 % золота в золотосодержащий продукт с массовой долей золота более 200 г/т. Суммарное извлечение золота по отношению к исходной руде составило около 30 %. Извлекаемое в гравитационный концентрат свободное золото на 45 % представлено классом минус 0,05 мм.

Способ импульсной подачи турбулизирующей воды исследован при центробежной сепарации продукта обогащения медно-золотой руды месторождения Варваринское с массовой долей золота 9,4 г/т. Результаты центробежной сепарации представлены в таблице 2.

Импульсная подача разрыхляющей воды позволила повысить извлечение золота в тяжелую фракцию с 39,08 до 45,78 % при повышении массовой доли золота с 237 до 264 г/т. При этом массовая доля свободного золота крупностью менее 50 мкм в тяжелой фракции по сравнению с непрерывной подачей турбулизирующей воды возросла с 45,23 до 53,08 %.

Таблица 2 - Результаты центробежной сепарации медно-золотой руды в режимах с непрерывной и импульсной подачей турбулизируюгцей воды

Способ подачи турбулизирующей воды Расход турбулизирующей воды, м3/ч Массовая доля Аи в тяжелой фракции, г/т Извлечение Аи в тяжелую фракцию, %

Непрерывно 0,51 237,0 39,08

Импульсно 0,22 264,0 45,78

Эксперименты с импульсной подачей турбулизирующей воды выполнены на пробе содового шлака короткобарабанных печей свинцового производства крупностью минус 0,315 мм с массовой долей свинца 13,3 %. Установлено, что по сравнению с непрерывной подачей турбулизирующей воды 1гмпульсная подача позволяет повысить массовую долю свинца в тяжелой фракции с 24,61 до 26,60 % при повышении извлечения с 7,66 до 7,90 %.

Проведенные исследования позволили предложить схему переработки содового шлака, которая включает промывку, измельчение, циркуляционную концентрацию, турбулизационную центробежную сепарацию продуктов циркуляционной концентрации и флотацию хвостов контрольной центробежной сепарации. Комбинированная гравитационно-флотационная технология обеспечивает получение свинцового концентрата с массовой долей свинца более 52 % при извлечении выше 61 %.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что применяемый в турбулизационных центробежных сепараторах способ подачи турбулизирующей воды изнутри конуса обеспечивает эффективное улавливание тонкодисперсных частиц повышенной плотности, а импульсная подача турбулизирующей воды приводит к интенсификации процесса сегрегации материала в пристеночном слое турбулизационного центробежного сепаратора, позволяет значительно снизить расход разрыхляющей воды и повысить технологические и экономические показатели процесса.

В пятой главе приведены результаты промышленных испытаний турбулизационных центробежных сепараторов и примеры их внедрений.

Предложена технология добычи и переработки золотоплатиновой россы-га реки Черной, включающая землесосную добычу размытого материала, дезинтеграцию и грохочение с промывкой добытого материала, циркуляционную концентрацию эфелей и турбулизационную центробежную сепарацию песков циркуляционной концентрации с получением золотого и платинового концентратов. Выполнен технико-экономический расчет, согласно которому капитальные вложения для переработки золотоплатиновой россыпи реки Черной составляют 50,5 млн. руб., срок окупаемости капитальных вложений 7 месяцев. Предлагаемая технология внедрена в технологический регламент на переработку данной россыпи.

По результатам лабораторных исследований разработана и испытана промышленная установка для переработки золотосодержащих пирита ых про-

дуктов с применением турбулизационных центробежных сепараторов. На основании теоретических исследований для повышения извлечения тонкого золота разработан сепаратор К-600П с увеличенной высотой улавливающего конуса и углом конусности 15 градусов. В турбулизационном центробежном сепараторе К-600П реализуются условия для эффективной сегрегации в пристеночном слое, поскольку обеспечивается необходимый временной интервал после тур-булизации для уплотнения пристеночного слоя и продвижения частиц золота в порах между породными частицами.

В результате опытно-промышленных испытаний установки, выполненных на партии золотосодержащего пиритного продукта массой 15 т с массовой долей золота 128 г/т, получен концентрат с массовой долей золота 1291,7 г/т при извлечении 69,33 %. Разработанная установка эксплуатировалась в течение двух лет, за это время полностью переработаны запасы золотосодержащих пи-ритных продуктов и наработано около Ют золотосодержащего концентрата с массовой долей золота 800-1300 г/т.

На техногенных отвалах («головках») переработки золотосодержащих россыпей реки Винновки испытана передвижная модульная установка, состоящая из вашгерда, шлюза, зумпфа с насосом, турбулизационных центробежных сепараторов К-1000 и К-210П (рисунок 6).

Установлено, что турбулизационные центробежные сепараторы эффективно извлекают тонкодисперсное золото, тяжелая фракция центробежной сепарации содержит до 19 % свободного золота крупностью менее 50 мкм. В результате испытаний модульной установки установлено количество извлекаемого золота и утверждены запасы техногенных золотосодержащих «головок». Модульная установка также может быть использована для переработки малообъёмных природных и техногенных россыпных месторождений.

В целом испытания турбулизационных центробежных сепараторов в промышленных условиях показали их высокую эффективность и эксплуатационную надежность.

1 - вашгерд; 2 - шлюз; 3 - турбулизационный центробежный сепаратор К-1000

Рисунок 6 - Установка для переработки золотосодержащих техногенных отвалов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании теоретических и экспериментальных исследований изложены новые научно обоснованные технические и технологические решения по оптимизации турбулизационной центробежной сепарации руд и техногенных продуктов, имеющие существенное значение для развития технологий комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Раскрыт сегрегационный механизм формирования пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе, заключающийся в продвижении частиц повышенной плотности внутрь пристеночного слоя между породными частицами, обусловленном действием турбулизирующей воды. На основе рассмотрения действующих на частицы в пристеночном слое сил определено условие перемещения тонкодисперсных частиц повышенной плотности по поверхности крупных породных частиц внутрь пристеночного слоя в его уплотненном состоянии.

2. Теоретически показано, что для повышения эффективности процесса сегрегации в пристеночном слое после его турбулизации необходимо обеспечить временной интервал для уплотнения пристеночного слоя и максимального продвижения частиц ценного компонента в порах между породными частицами. Предложено техническое решение, заключающееся в импульсной подаче турбулизирующей воды. Экспериментально установлено, что импульсная подача турбулизирующей воды позволяет повысить извлечение золота в тяжелую фракцию центробежной сепарации на 5-7 % и обеспечивает более полное улавливание тонкодисперсных частиц золота. При этом значительно снижается расход разрыхляющей воды и повышаются технологические и экономические ¡то-казатели обогащения.

3. Изучено влияние технологических параметров работы турбулизацион-ного центробежного сепаратора на технологические показатели процесса при извлечении частиц ценного компонента различной крупности. Установлено, что для каждого значения частоты вращения конуса сепаратора существует оптимальное значение расхода турбулизирующей воды. Показано, что оптимальными параметрами работы турбулизационного центробежного сепаратора для извлечения тонкодисперсных частиц ценного компонента являются повышенная частота вращения конуса сепаратора и пониженный расход турбулизирующей воды.

4. Предложены новые технические решения, направленные на увеличение извлечения частиц повышенной плотности в тяжелую фракцию. Разработана усовершенствованная конструкция улавливающего конуса турбулизационного центробежного сепаратора, пазы которого выполнены с увеличением глубины по мере уменьшения диаметра конуса. По предлагаемому техническому решению получен инновационный патент Республики Казахстан № 23686. На основании изучения гидродинамики потоков предложено дно улавливающего кону-

са сепаратора выполнить в форме параболоида. Разработана новая конструкция турбулизационного центробежного сепаратора, который может работать как с' непрерывной разгрузкой тяжелой фракции с возможностью изменения ее выхода в широком диапазоне, так и с периодической разгрузкой. По предлагаемому техническому решению подана заявка на изобретение № 2013144504/20(068664) от 3.10.2013.

5. Исследованы возможности турбулизационной центробежной сепарации при обогащении труднопромывистых руд россыпных месторождений. Разработанная технология обогащения золотоплатиновой россыпи реки Черной внедрена в технологический регламент на переработку данной россыпи.

6. Выполнены исследования по извлечению золота из золотосодержащих пиритных продуктов методом центробежной сепарации после тонкого измельчения, по результатам которых разработана промышленная установка, включающая турбулизационные центробежные сепараторы. Опытно-промышленные испытания установки позволили получить концентрат с массовой долей золота 1291,7 г/т при извлечении 69,33 %. Разработанная установка эксплуатировалась в течение двух лет, за это время наработано около Ют золотосодержащего концентрата с массовой долей золота 800-1300 г/т.

7. Установлено, что накопительная технология, включающая операции измельчительно-циркуляционной концентрации, циркуляционной концентрации и турбулизационной центробежной сепарации, позволяет извлечь из песков гидроциклонов замкнутого цикла измельчения около 10 % золота в шлиховой продукт с массовой долей золота 88 % и более 35 % золота в золотосодержащий продукт с массовой долей золота более 200 г/т. Суммарное извлечение золота по отношению к исходной руде составило около 30 %.

8. Предложена комбинированная гравитационно-флотационная технология обогащения содового шлака короткобарабанных печей свинцового производства с применением турбулизационных центробежных сепараторов. Предлагаемая технология обеспечивает получение свинцового концентрата с массовой долей свинца более 52 % при извлечении выше 61 %.

9. Передвижная модульная установка, состоящая из вашгерда, шлюза, зумпфа с насосом, турбулизационных центробежных сепараторов К-1000 и К-210П, использована для исследования обогатимости шурфовых проб при оценке запасов золотосодержащих техногенных отвалов переработки россыпей реки Винновки. Установлено, что турбулизационные центробежные сепараторы эффективно извлекают тонкодисперсное золото, тяжелая фракция центробежной сепарации содержит до 19 % свободного золота крупностью менее 50 мкм.

10. Турбулизационные центробежные сепараторы К-80 и К-210 с импульсной подачей турбулизирующей воды внедрены в учебный процесс кафедры обогащения полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и используются при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Гравитационные методы обогащения», курсовых работ по

дисциплине «Исследование руд на обогатимость», дипломных работ и выпускных квалификационных работ магистров.

Научные работы, опубликованные в ведущем рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК:

1. Фалей, Е.А. Особенности формирования пристеночного слоя в турбу-лизационном центробежном сепараторе / Ю.П. Морозов, Е.А. Фалей // Известия вузов. Горный журнал. - 2013. -№ 8. - С. 118-123.

2. Фалей, Е.А. Накопительные технологии гравитационного извлечения золота при обогащении сульфидных руд / Ю.П. Морозов, И.Х. Хамидулин, Е.А. Фалей, В.Ю. Черкасов // Известия вузов. Горный журнал. - 2013. - № 7. — С. 102-106.

Патент на изобретение:

3. Инновационный патент № 23686 Республика Казахстан; МКП В03В 5/32, В04В 1/08. Центробежный сепаратор / Ю.П. Морозов, Н.С. Бектур-ганов, Н.К. Тусупбаев, М.М. Игнатьев, Г.Ж. Абдыкирова, А.И. Афанасьев, Е.А. Фалей; заявитель и патентообладатель АО «Центр наук о Земле, металлургии и обогащения». - № 2010/0778.1; заявл. 11.06.2010; опубл. 15.02.2011, бюл. № 2.

Научные работы, опубликованные в других изданиях:

4. Абдыкирова, Г.Ж. Технологические свойства малосульфидной золотосодержащей руды / Г.Ж. Абдыкирова, С.Б. Дюсенова, И.Ю. Мотовилов, Г.А. Тойланбай, Г.С. Рузахунова, Е.А. Фалей // Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения - 2014): мат-лы Междунар. сов., 16-19 сентября 2014 г., г. Алматы. - Караганда: ТОО «Арко», 2014. - С. 479-482.

5. Комлев, A.C. Оптимизация работы центробежного сепаратора с турбу-лизацией пристеночного слоя / A.C. Комлев, Е.А. Фалей, М.Ю. Киселёв // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: мат-лы 6-й Междунар. науч. школы молодых ученых и специалистов, 16-20 ноября 2009 г., г. Москва - М.: ИПКОН РАН, 2009. - С. 286-288.

6. Морозов, Ю.П. Математическое моделирование движения частиц в пристеночном слое турбулизационного центробежного сепаратора / Ю.П. Морозов, Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 13-17 апреля 2010 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2010. - С. 127-130.

7. Морозов, Ю.П. Методика моделирования движения частиц в турбули-зационном центробежном сепараторе / Ю.П. Морозов, Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 6-7 апреля 2011 г., г. Екатеринбург. — Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2011. - С. 255-259.

8. Морозов, Ю.П. Модульная установка для оценки обогатимости при разведке золотосодержащих россыпных месторождений и техногенных россыпей / Ю.П. Морозов, А.И. Афанасьев, Е.А. Фалей // Научные основы и практи-

ка переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 23-24 апреля 2014 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2014. - С. 339-342.

9. Морозов, Ю.П. Совершенствование турбулизационных центробежных сепараторов / Ю.П. Морозов, Е.А. Фалей, P.A. Зайнетдинов // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 18-19 апреля 2012 г., г. Екатеринбург. — Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2012. - С. 209-212.

10. Морозов, Ю.П. Технологические возможности накопительной технологии для извлечения золота из сульфидных руд / Ю.П. Морозов, И.Х. Хамиду-лин, Е.А. Фалей, В.Ю. Черкасов // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 3-4 апреля 2013 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2013. -С. 331-334.

11. Морозов, Ю.П. Эффективность улавливания тяжелых минералов различной крупности в процессе турбулизационной центробежной сепарации / Ю.П. Морозов, Е.А. Фалей // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: мат-лы 7-й Междунар. науч. школы молодых ученых и специалистов, 15-19 ноября 2010 г., г. Москва. -М.: ИПКОН РАН, 2010.-С. 386-389.

12. Фалей, Е.А. Изучение механизма уплотнения пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе / Е.А. Фалей, Ю.П. Морозов // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: мат-лы 9-й Междунар. науч. школы молодых ученых и специалистов, 19-23 ноября 2012 г., г. Москва. - М.: ИПКОН РАН, 2012. - С. 411-416.

13. Фалей, Е.А. Изучение поведения тонкодисперсных частиц золота в пристеночном слое турбулизационного центробежного сепаратора / Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 3-4 апреля 2013 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2013. - С. 278-282.

14. Фалей, Е.А. Исследование центробежной сепарации шламов станции нейтрализации сточных вод / Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 3-4 апреля 2013 г., г. Екатеринбург. — Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2013.-С. 128-129.

15. Фалей, Е.А. Оптимизация работы лабораторного турбулизационного центробежного сепаратора / Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 23-24 апреля 2014 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2014.-С. 210-214.

16. Фалей, Е.А. Повышение извлечения тонкодисперсного золота в турбулизационных центробежных сепараторах / Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 23-24 апреля 2014 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2014. - С. 84-89.

17. Фалей, Е.А. Развитие теории и практики турбулизационпой центробежной сепарации / Е.А. Фалей, Ю.П. Морозов // Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения - 2014): мат-лы Междунар. сов., 16-19 сентября 2014 г., г. Алматы. -Караганда: ТОО «Арко», 2014. - С. 212-215.

18. Фалей, Е.А. Теоретические основы и практика применения турбули-зационной центробежной сепарации / Е.А. Фалей, Ю.П. Морозов // Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья (Плаксинские чтения - 2013): мат-лы Междунар. сов., 16-19 сентября 2013 г., г. Томск. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013.-С. 380-382.

19. Фалей, Е.А. Теоретический анализ разделения минералов в турбули-зационных центробежных сепараторах различных конструкций / Е.А. Фалей // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: мат-лы 10-й Междунар. науч. школы молодых ученых и специалистов, 18-22 ноября 2013 г., г. Москва. -М.: ИПКОНРАН, 2013.-С. 284-288.

20. Фалей, Е.А. Теоретический анализ центробежной сепарации с учетом конструктивных особенностей аппаратов / Е.А. Фалей // Инновационные технологии обогащения минерального и техногенного сырья: мат-лы науч.-техн. конф., проводимой в рамках V Уральского горнопромышленного форума, 1-3 октября 2013 г, г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. -С. 140-144.

21. Фалькович, Е.С. Гидродинамика потоков воды в центробежном сепараторе / Е.С. Фалькович, Е.А. Фалей // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф., 6-7 апреля 2011 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог-Исеть», 2011. -С. 259-261.

Подписано в печать 20 октября 2014 г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 42

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет». 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Издательство VI1У