Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование режимов работы и разработка конструкции шаровой вибросушилки для концентратов горно-обогатительного передела

ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кибизов, Спартак Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Современное состояние сушильного оборудования.

1.2. Современные тенденции развития оборудования для сушки.

1.3 Вибрационные сушильные агрегаты. .1В

1.4. Разработка вибросушилки для сушки материалов.

1.5. Научные основы проектирования вибросушилки.

1.6. Направления и задачи исследований.

ВЫВОДЫ:.

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШАРОВОЙ ВИБРОСУШИЛКИ.

2.1. Задачи аналитического исследования.

2.2. Отрыв шара.

2.3. Вырывание шара.

2.4. Граничный размер шаров.

2.5. Определение пропускной способности шаровой вибросушилки.

2.6. Алгоритм расчета пропускной способности шаровой вибросушилки.

ВЫВОДЫ.

3. Экспериментальные исследования закономерностей движения вязких пастообразных материалов через шаровую загрузку вибросушилки.

3.1. Задачи исследований.

3.2. Экспериментальное определение предельного напряжения сдвига и напряжения отрыва.

3.3. Экспериментальные исследования процессов перемещения вязких пастообразных материалов на лабораторной установке.

3.3.1. Методика экспериментальных исследований.

3.3.2. Определение пропускной способности вибросушилки при диаметре шаров 50 мм.

3.3.3. Определение пропускной способности вибросушилки при диаметре шаров 20 мм.

3.4. Проверка сходимости теоретических положений и результатов экспериментов

ВЫВОДЫ.:.

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ШАРОВОЙ ВИБРОСУШИЛКИ.

4.1. Задачи исследований.

4.2. Описание конструкции и анализ результатов испытаний опытной вибросушилки на Урупской ОФ.

4.3. Определение рационального распределения шаров по подам опытно-промышленной шаровой вибросушилки.

4.4. Расчет расхода воздуха и тепла для опытно-промышленной вибрационной установки [44, 45, 46].ЮЗ

4.5. Расчет мощности вибраторов вибросушилки.

4.6. Разработка новой конструкции вибросушилки.1Ю

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование режимов работы и разработка конструкции шаровой вибросушилки для концентратов горно-обогатительного передела"

Актуальность работы. Для Российской Федерации важной государственной проблемой является снижение энергозатрат во всех уровнях производства и, в первую очередь, в таком энергоемком, как переработка и обогащение руд. Оборудование, применяемое в настоящее время для сушки продуктов горно-обогатительного передела, имеет низкие эксплуатационные и конструктивные параметры, что приводит к снижению эффективности его использования.

В настоящее время в России и за рубежом широко применяются различные конструкции устройств для сушки вязкопластичных и пастообразных материалов. Однако эти устройства имеют ряд существенных недостатков: малую площадь контактирования энергоносителя и материала, большие потери тепла с отходящими газами и высокую относительную влажность готового продукта ввиду окомкования и грануляции высушиваемого материала и др.

Перспективным направлением развития аппаратов для обезвоживания является создание агрегатов с вибрационным воздействием на обрабатываемые среды, которые позволяют интенсифицировать тепло- и массообмен между частицами материала и газом за счет турбулизации пограничного слоя и обеспечивает устойчивый гидродинамический режим. К числу таких аппаратов относятся шаровые вибросушилки, разработанные в Северо-Кавказском государственном технологическом университете (СКГТУ) проф. Н.П.Максимовым. Однако отсутствие надежных методик определения основных параметров шаровых вибросушилок существенно ограничивает возможности их практического использования. Необходимо иметь четкое представление о процессах взаимодействия вязкопластичной среды с вибрирующим пористым слоем и о механизме прохождения высушиваемого материала в зазорах между шарами для определения необходимой высоты слоя шаровой загрузки, параметров вибраций и основных соотношений размеров узлов и деталей машины. 5

Разработка высокопроизводительных шаровых вибрационных сушилок, способных выдавать готовый продукт влажностью 3-5%, является важной научной задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, и весьма актуальной для создания экономичной технологии сушки влажных концентратов горно-обогатительного передела.

Цель работы. Обоснование режимов работы и разработка конструкции шаровой вибросушилки для концентратов горно-обогатительного передела.

Идея работы. Установление взаимосвязей между физико-механическими параметрами концентрата, подвергаемого сушке, параметрами вибрации, характеристиками вибрирующего шарового слоя и его пропускной способностью, которая задается скоростью протекания тепло- и массообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Процесс прохождения вязкопластичного материала через вибрирующий слой шаров в вибросушилке определяется соотношением между реальным размером шаров и граничным размером, при котором обеспечивается раздельное вибрирование шаровой загрузки и вязкопластичной среды, величина которого зависит от амплитуды и частоты вибраций, а также начального сопротивления сдвигу и нормального напряжения отрыва для вязкопластичного материала.

2. Разработана математическая модель движения влажного материала через вибрирующий слой шаров вибросушилки с учетом, в определенном диапазоне относительной влажности концентратов, нормального напряжения отрыва, и пульсирующего характера скорости движения материала, определяемого фазой колебания.

3. Оптимальные размеры и число слоев шаров, укладываемых на каждый под шаровой вибросушилки, определяются характерОхМ изменения относительной влажности материала при прохождении с одного пода на другой и соз6 данием идентичных условий для движения сушильного агента в пространстве между подами.

4. Экспериментально установлено, что критический диапазон относительной влажности для концентратов, характеризующий наихудшие условия для прохождения материала через слой шаров вибросушилки, составляет 1214%.

Научное значение и новизна работы.

1. Установлен общий случай взаимодействия единичного шара с вяз-копластичной средой с последующим определением граничного размера, при котором обеспечивается раздельное вибрирование шаровой загрузки и вязко-пластичной среды.

2. Созданное математическое описание механизма прохождения влажного материала через слой вибрирующих шаров вибросушилки учитывает наличие в определенном диапазоне относительной влажности концентратов нормальное напряжение отрыва и пульсирующий характер скорости движения материала.

3. Разработана новая конструкция вибросушилки, обеспечивающая оптимальный подвод тепловой энергии к высушиваемому материалу, отличающаяся тем, что нагрев металлических шаров осуществляется вихревыми токами, создаваемыми электромагнитным индуктором.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением методов, общепринятых в механике сыпучих материалов, гидравлике неньютоновских жидкостей, вибротехнике и математике, экспериментальными исследованиями на лабораторных моделях с последующей обработкой результатов методами математической статистики с применением ЭВМ. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет 8-15%.

Практическое значение работы заключается в установлении критического диапазона относительной влажности концентрата, характеризующегося 7 максимальными значениями начального сопротивления сдвигу и нормального напряжения отрыва, в разработке и создании методики определения рациональных параметров шаровой загрузки вибросушилок, габаритных размеров и расстояния между отдельными подами, основанной на определении параметров движения вязкопластичной среды через слой вибрирующих шаров.

Реализация результатов работы. Разработанная в диссертации методика определения рациональных параметров шаровой вибросушилки и проект пя-типодовой газовой вибросушилки с суммарной площадью подов 5м2 приняты к использованию в ОАО «Кавказцветметпроект».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного воздействия» (Орел 22-24 ноября 2000 г.); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, Акад. наук о Земле, 2001 г.); Международных научно-практических конференциях «Неделя Горняка-2002, 2003» (Москва, МГГУ, 2002, 2003 г.); заседаниях XXII российской школы по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, Уральское отделение РАН, 2002 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России» (Владикавказ, 2002); ежегодных научных конференциях СКГТУ с 1999 по 2003 гг.

Данное направление исследований, ответственным исполнителем которых является автор настоящей диссертационной работы, признано в 2002г. победителем конкурса грантов Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области горных наук по разделу «Проблемы комплексной переработки природного и техногенного сырья».

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 работах, в том числе 9 статьях и 1 патенте РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 66 наименований. Дис

Заключение Диссертация по теме "Обогащение полезных ископаемых", Кибизов, Спартак Геннадьевич

ВЫВОДЫ

1. Для обеспечения одинаковой по подам пропускной способности пятиподо-вой шаровой вибросушилки необходимо подбирать параметры шаровой загрузки для каждого пода в отдельности.

2. Диаметр и количество слоев вибрирующих шаров вибросушилки определяется физико-механическими параметрами высушиваемого концентрата и диапазоном изменения его относительной влажности на данном поде.

3. Максимальное расстояние между смежными подами вибросушилки должно составлять не менее 500 мм, что обуславливается высотой слоя шаров, высотой слоя материала, которая в процессе работы машины устанавливается автоматически естественным образом, и высотой свободного пространства для прохождения сушильного агента.

4. В результате проведенных исследований разработан проект шаровой вибросушилки - для флотационных концентратов производительностью 10 т/ч по сухому продукту.

5. Разработана новая принципиальная схема шаровой вибросушилки с использованием индукционного нагрева шаров, на которую получен патент РФ.

114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основе результатов проведенных исследований изложены научно обоснованные технические решения по обоснованию и выбору режимов работы и конструкции шаровой вибросушилки. Реализация результатов исследований вносит существенный вклад в совершенствование процессов сушки концентратов горно-обогатительного передела.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что усилия отрыва и вырывания единичного шара из вязкопластичной среды зависят от начального сопротивления сдвигу и нормального напряжения отрыва. Эти зависимости носят экстремальный характер. Для концентратов максимум соответствует диапазону влажностей 12^-14 %.

2. Экспериментально установлено качественное различие процессов прохождения вязкопластичного материала через вибрирующий слой шаров диаметром меньше или больше граничного размера. Граничный размер шаров, при котором обеспечивается раздельное вибрирование шаровой загрузки и вязкопластичной среды, определяется амплитудой и частотой вибраций, а также физико-механическими характеристиками среды.

3. Зависимость удельной пропускной способности вибросушилки от амплитуды колебаний, диаметра шаров и высоты слоя материала над шаровой загрузкой имеет монотонный возрастающий характер, а от влажности исходного питания определяется физико-механическими свойствами среды и имеет экстремальный вид. Местоположение экстремума для концентратов соответствует диапазону влажностей 12-И 4 %.

4. Скорость прохождение материала через слой шаров носит пульсирующий характер и определяется фазой колебания.

115

5. Начальное сопротивление сдвигу и нормальное напряжение отрыва для концентратов зависит от влажности материала и имеет два экстремума: минимум соответствует влажности 6-8% - начало перехода от сухого трения к полужидкостному; максимум соответствует влажности 12-14% - начало жидкостного трения.

6. Экспериментально установлено, что при постоянной величине де-балансов инерционного вибратора зависимость пропускной способности вибрирующего слоя шаров диаметром больше граничного размера от влажности, высоты и параметров вибраций носит монотонный убывающий характер.

7. Параметры шаровой загрузки пятиподовой шаровой вибросушилки выбираются для каждого пода в отдельности с целью обеспечения одинаковой по подам пропускной способности. Диаметр и количество слоев вибрирующих шаров вибросушилки определяются физико-механическими параметрами высушиваемого концентрата и диапазоном изменения его относительной влажности на данном поде.

8. Максимальное расстояние между смежными подами вибросушилки должно составлять не менее 500мм, что обуславливается высотой слоя шаров, высотой слоя материала, который в процессе работы машины устанавливается автоматически естественным образом, и высотой свободного пространства для прохождения сушильного агента.

9. В результате проведенных исследований разработаны проект шаровой вибросушилки - для флотационных концентратов производительностью 10 т/ч по сухому продукту, который принят к использованию ОАО «Кавказцвет-метпроект».

10. Разработана принципиальная схема шаровой вибросушилки с использованием индукционного нагрева шаров, на которую получен Патент РФ.

116

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кибизов, Спартак Геннадьевич, Владикавказ

1. Филиппов В.А. Конструкция, расчеты и эксплуатация устройств и оборудования для сушки минерального сырья. М.: Недра, 1969. 256 с.

2. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970. 432 с.

3. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М.: Государственное энергетическое издательство, 1956. 464 с.

4. Басов А.И. Механическое оборудование обогатительных фабрик и заводов тяжелых цветных металлов. М.: «Металлургия», 1974. 526 с.

5. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.

6. Кремнев О.А., Боровский В.Р., Долинский А.А. Скоростная сушка. Киев.: «Киев», 1963.

7. Федоров И.М. Теория и расчет процесса сушки. М.: Госэнероиздат, 1955.

8. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. М.: «Машиностроение», 1978.

9. Лыков М.В. Основные направления развития сушильной техники в химической промышленности. НИИТЭхим, 1964.

10. Членов В.А., Михайлов Н.В. Сушка сыпучих материалов в виброкипящем слое. М.: Стройиздат, 1967.

11. Вибрационная сушилка с непрерывным режимом работы. Патент ФРГ, кл. 82 а, 1/02 №1241365 опубл. 1967 №21.

12. Бабука Г.Л., Рабинович М.И. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзвеси. Киев.: Наукова думка, 1969.

13. Гинзбург А.С. Сушка пищевых продуктов. М.: Пищепромиздат, 1960.

14. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.:

15. Ггл r>vусллттг) ттрт 1 QA1

16. Авторское свидетельство №1313492 (СССР); Бюлл. изобр., 1987, №20.

17. Авторское свидетельство №66.77.80 (СССР); Бюлл. изобр., 1979, №22.

18. Сажин Б.С. и др. Сушилки кипящего слоя с механическими побудителями. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1974.117

19. Варсанофъев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. М.: «Химия», 1985.

20. Максимов Н.П., Стрельцов А.А. патент РФ №2094719 по заявке №95111907 от 27.10.1997, Б.И.№30, 1997.

21. Максимов Н.П., Соколов В.Н. Испытания опытно-промышленной установки вибрационного вакуум-фильтра на Урупском ГОКе. Научно-техническая конференция СКГМИ. Тезисы докладов. Орджоникидзе, 1988.

22. Максимов Н.П., Гегелашвили М.В., Фомин А.Н. к вопросу определения пропускной способности шаровой вибросушилки. Труды СКГТУ, вып. второй, 1996.

23. Максимов Н.П., Афанасенко А.А. Вибрационная установка для разделения промышленных суспензий. Пути развития горного производства. Сборник статей к 100-летию ССЦК. Владикавказ, 1993.

24. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987. 551 с.

25. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. 2-е изд. (под редакцией О.С.Богданова).М.: Недра, 1982.

26. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика перемешивание и теплообмен, (пер. с англ.). М.: Мир, 1964

27. Животовский Л.С., Смойловская Л.А. техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. М.: Машиностроение, 1986.

28. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. 3-е изд. перераб. Л.: Химия, 1982. 288 с.

29. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. 5-е изд. М.: Химия, 1968. 847 с.

30. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергия, 1971. 552 с.

31. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975. 384 с.

32. Бретшнайдер Ст. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета. Пер. с поль. М.: Химия, 1966. 536 с.118

33. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1980. 400 с.

34. Рубинштейн Ю.Б., Волков Л.А. Математические методы в обогащении полезных ископаемых. М.: Недра, 1987. 296 с.

35. Максимов Н.П., Кибизов С.Г. Экспериментальное исследование процессов движения кеков в шаровой вибросушилке. XXII Российская школа по проблемам науки и технологий. Екатеринбург.: Уральское отделение РАН, 2002.

36. Спиридонов А.А., Васильев Н.Т. Планирование эксперимента при исследовании и оптимизации технологических процессов. Свердловск: Изд-во УПИ, 1975.

37. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. М.: Наука, 1971. 192 с.

38. Романенко В.Н., Орлов А.Г., Никитина Г.В. Книга для начинающего исследователя-химика. Л.: Химия, 1987. 280 с.

39. Орлов А.Г. Методы расчёта в количественном и спектральном анализе. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Недра, 1986. 215 с.

40. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами: Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

41. Доерфель К. Статистика в аналитической химии: Пер.с англ. М.: Мир, 1969. 247 с.

42. Налимов В.В. Применение математической статистики при анализе вещества. М.: Физматгиз, 1960.

43. Орлов А.Г. О сравнении экспериментальных данных двух литературных источников статистическими методами // Зав. лаб.,1978.

44. Справочник по обогащению руд./ под ред. Богданова О.С. 2-е изд. М. «Недра», 1982. 381 с.

45. Чернов А.В., Бессребренников К.К., Силецкий B.C. Основы гидравлика и теплотехники. М.: «Энергия», 1975. 416 с.119

46. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. М.: «Химия», 1979. 287 с.

47. Горбис З.Р. Теплообмен и гидродинамика дисперсных сквозных потоков. М.: «Энергия», 1970.

48. Левенсон Л.Б. Машины для обогащения полезных ископаемых их теория, расчёт и проектирование. М.: «Госмашметиздат», 1933. 799 с.

49. Гребеник В.М. и др. Механическое оборудование фабрик окускования и доменных цехов. Киев: «Вища школа», 1985. 312 с.

50. Солоденко А.Б., Евдокимов С.И., Казимиров М.П. Обогащение россыпей золота. Владикавказ: «Мавр», 2001. 368 с.

51. Максимов Н.П., Кибизов С .Г .Патент РФ №2156932 по заявке №99110958 от 17.05.1999, Б.И.№27, 2000.

52. Иориш Ю.И. Измерение вибраций. М.: Машгиз, 1956. 403 с.

53. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машгиз, 1963. 481 с.

54. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. 264 с.

55. Кохан Л.С., Навроцкий А.Г. Механическое оборудование цехов по производству цветных металлов. М.: Металлургия, 1985. 312 с.

56. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1988. 448 с.

57. Максимов Н.П., Афанасенко А.А., Кибизов С.Г. Влияние вибраций на процесс разделения суспензий в фильтре-сгустителе с динамической перегородкой. Владикавказ: Изд-во «Терек», Труды СКГТУ, вып. №6, 1999. -С.161-165.

58. Максимов Н.П., Кибизов С.Г. Разработка конструкции и исследование вибрационной установки для термообработки кеков. Владикавказ: Изд-во «Терек», Труды СКГТУ вып. №7, 2000. С.257-261.

59. Максимов И.П., Кибизов С.Г. Вибрационная установка для термообработки кеков. Владикавказ: Инф. листок СОЦНТИ №68-200-00, 2000 г.120

60. Максимов Н.П., Кибизов С.Г. Разработка конструкции виброагрегата для сушки. Владикавказ: Изд-во «Терек», Труды СКГТУ вып. №8, 2001.1. С.243-246.

61. Максимов Н.П., Кибизов С.Г. Экспериментальные исследования режимов работы лабораторной вибрационной установки для сушки кеков. Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ, 2002, №2.

62. Кибизов С.Г., Максимов Н.П. Экспериментальное исследование процессов движения кеков в шаровой вибросушилке. XXII Российская школа по проблемам науки и технологий. Екатеринбург.: Уральское отделение РАН,2002. С.106-108.

63. Максимов Н.П., Кибизов С.Г. Исследование процессов движения кеков в вибросушилке. Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России». Владикавказ, 2002.-С.299-301.

64. Кибизов С.Г., Максимов Н.П., Гегелашвили М.В. Определение пропускной способности шаровой вибросушилки. Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ, 2003.121

65. Кибизов С.Г., Максимов Н.П., Гегелашвили М.В. Определение граничного размера шаров вибрационной сушилки. Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ, 2003.