Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка высокоэффективной технологии обогащения низкосортного каолинового сырья месторождения "Еленинское"

ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка высокоэффективной технологии обогащения низкосортного каолинового сырья месторождения "Еленинское""

На правах рукописи

Галямов Виктор Шамилевич

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ НИЗКОСОРТНОГО КАОЛИНОВОГО СЫРЬЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «ЕЛЕНИНСКОЕ» 25.00.13 — Обогащение полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2014

005559076

005559076

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Гришин Игорь Анатольевич

Пелевин Алексей Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент кафедры Обогащения полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г. Екатеринбург)

Миненко Владимир Геннадьевич кандидат технических наук, в.н.с. ФГБУ «ИПКОН РАН» (г. Москва)

Ведущая организация: ОАО «Уралмеханобр» (г. Екатеринбург)

Защита состоится «24» декабря 2014 года в 16 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова») по адресу: 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38 и на сайте www.magtu.ru.

Автореферат разослан 6 ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Корнилов С. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Распад СССР привел к значительному сокращению сырьевой базы промышленности России, исключением не стала и каолиновая отрасль. Основные месторождения каолиновых глин находились на Украине, а также на территории Узбекистана и Казахстана. На территории России добыча ведется в небольших масштабах для местных нужд, однако такой подход к добыче каолинов позволяет обеспечить потребности отрасли в сырье лишь на 12-15%, при общем объеме потребления обогащенных каолинов 400-500 тыс. тонн в год, остальное сырье на данный момент импортируется. Крупные месторождения, находящиеся на территории Российской Федерации, сосредоточены на Урале, они относятся к Урало-Мугоджарской каолиноносной провинции, которая простирается по всему восточному склону Урала. Основными предприятиями - производителями каолина в настоящее время являются ОАО «Новокаолиновый ГОК», осваивающее Еленинское месторождение каолинов, и ЗАО «Пласт-Рифей», добывающее каолины месторождения «Журавлиный лог». Годовой объем производства каолина на ОАО «Новокаолиновый ГОК» в 2013 году составил 35 926 тонн обогащенного каолина и 17 521 каолина-сырца марки КС-1 при проектной мощности предприятия 75 тыс. тонн в год. Необходимо отметить, что предприятия, эксплуатирующие данные месторождения, не ведут глубокого обогащения каолинов, ограничиваясь селективной выемкой каолина, пригодного для реализации в природном виде или перерабатываемого по схемам, основанным на операциях классификации по крупности. Такой подход к переработке сырья приводит к образованию значительного количества отвалов-складов из низкосортного сырья, переработка которого на данный момент не ведется. Основной задачей, решение которой позволит коренным образом изменить состояние в каолин-добывающей отрасли, является создание технологий и аппаратов, которые позволят вовлечь в переработку низкосортное сырье, запасы которого накоплены предприятиями.

Необходимость решения проблемы переработки низкосортного каолинового сырья с получением кондиционных продуктов связана с постоянно увеличивающейся потребностью различных отраслей промышленности в каолиновом сырье. И если в бумажной и резинотехнической промышленности имеется возможность перехода от каолина к микрокальциту в качестве наполнителя, то уникальные вязкостные свойства каолина не позволяют отказаться от него при производстве керамики и огнеупорного сырья, объем производства которых с каждым годом увеличивается.

Цель работы: разработка и обоснование технологических решений и создание аппаратного обеспечения процесса обогащения, обеспечивающих комплексную, переработку сырья и получение кондиционного обогащенного каолина из низкосортных каолинов.

Идея работы заключается в том, что использование операции предварительной концентрации, совмещающей промывку, магнитную сепарацию и разделение по крупности, позволит добиться комплексного использования сырья и за счет снижения затрат на переработку сделать рентабельной технологию обогащения низкосортных высокоожелезненных каолинов.

Основные задачи исследований:

1. Изучение вещественного и минерального составов и исследование на обогатимость низкосортного каолинового сырья месторождения "Еленинское" существующими промышленными методами.

2. Создание аппаратного обеспечения для лабораторных исследований операции предварительной концентрации и для промышленной переработки каолинового сырья.

3. Разработка эффективной технологии обогащения каолинов с высоким уровнем выхода основного компонента и возможностью комплексного использования побочных продуктов обогащения в качестве сырья для различных отраслей промышленности.

Методы исследований.

В работе применялись следующие методы исследования:

- микроскопическое визуальное изучение шлифов проводилось на микроскопе МИН-8. Микрофотографии шлифов выполнялись с использованием промышленной системы SIAMS-600. Для анализа изображений: определения количественных соотношений минералов в руде и расчета фактор-формы зерен и сростков использовался анализатор фрагментов микроструктуры твердых тел Минерал С7. Энерго-эмиссионный микроанализ проводился с использованием аппаратного комплекса Oxford Instruments;

- для изучения вещественного состава использовали следующие виды анализа: химический, термогравиметрический на приборе синхронного термического анализа STA (Iupiter 449 F3) фирмы «NETZSCH» и рентгеноструктурный анализ на дифрактометре SHIMADZU XRD-6000;

- для определения магнитных свойств минералов и оптимальных технологических параметров разделения использовались: магнитный анализ, опыты на лабораторных установках.

Научная новизна работы.

1. Впервые получены данные по распределению железосодержащих минералов в каолиновом сырье по фракциям, позволяющие составить их классификацию и обосновать целесообразность применения магнитных методов обогащения каолинов Еленинского месторождения. Определены условия, позволяющие извлекать, до 63,5% магнитных железосодержащих минералов.

2. Разработана математическая модель процесса извлечения магнитных минералов из высокоожелезненных каолинов в процессе предконцентрации, основанная на логарифмической аппроксимации приращения индукции поля, позволяющая с большей точностью прогнозировать показатели процесса разделения. На основании данных, полученных при работе с моделью и экспериментально, разработан режим операции предконцентрации, направленный на максимальное выведение песковой фракции в голове процесса и снижение потерь каолинового продукта с хвостами.

3. Установлено, что для низкосортного каолинового сырья Еленинского месторождения, содержащего не менее 20% А1203, применение обогащения в водной среде позволяет извлекать до 87% А1203.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработана технология, позволяющая получить обогащенный каолин, обеспечивающая повышение комплексности использования сырья за счет дополнительного получения товарного продукта - мытого песка. Указанная технология включает в себя получение песка в процессе предконцентрации, с одновременным выделением магнетитового продукта, классификацию каолиновой суспензии с выделением промежуточных классов крупности, высокоградиентную магнитную сепарацию, для удаления красящих примесей, и обезвоживание каолинового продукта. Ожидаемый экономический эффект от применения предлагаемой технологии для условий Еленинского месторождения составит 45,4 млн. рублей в год.

2. Разработана лабораторная установка для проведения операции предконцентрации и определены оптимальные параметры магнитной системы для извлечения сильномагнитных минералов.

3. Определены причины недостаточной эффективности работы полиградиентных сепараторов при переработке глин месторождения «Еленинское». Предложены способы интенсификации процесса сепарации и подобраны оптимальные варианты исполнения матрицы.

4. Определены зависимости извлечения магнитной фракции от

вещественного состава и гидродинамических параметров работы аппарата. В частности установлены оптимальные параметры процесса предконцентрации на лабораторном аппарате с диаметром барабана 0=0,11 м: скорость вращения барабана - 18 об/мин; угол наклона барабана - 3°; давление дезинтеграционных струй воды - 0,3 МПа; расход промывной воды - 1,55 л/мин; производительность аппарата по пульпе - 0,126 м3/час; содержание твердого в операции - 40%.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Эффективность магнитного обогащения низкосортных каолинов Джабыкского региона Урало-Мугоджарской каолиновой провинции в слабом магнитном поле обусловлена наличием в классах менее 100 мкм частиц с удельной магнитной восприимчивостью более 5*10"4 м3/кг, представленных глобулами и сростками, имеющими в своем составе более 30% самородного железа.

2. Частичная циркуляция магнитного продукта приводит к увеличению индукции поля в рабочей зоне сепарации на 0,6 Тл, что обеспечивает прирост извлечения магнитных частиц крупностью менее 10 мкм на 33,68% по сравнению с расчетным и на 26,96% для материала крупностью -20+10 мкм.

3. Для удаления основной части сильномагнитных частиц ванадийсодержащей шпинели и самородного железа и их сростков из каолинового сырья Еленинского месторождения для повышения качества обогащенного каолина целесообразно применять совмещенную операцию промывки и магнитного обогащения при напряженности поля, не превышающей 144 кА/м.

Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием стандартных методов исследования и применением научно-исследовательского оборудования, прошедшего поверку, а также использованием проб представительного объема и проведением достаточного количества параллельных испытаний, высокой сходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на Межрегиональных научно-технической конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2011, 2012, 2013 гг.), IX Конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2013 г.), XXII международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2014» (г. Москва, 2014 г.), IX Российском семинаре по технологической минералогии (г. Магнитогорск, 2014 г.).

Доклады, выполненные по тематике диссертации, отмечены Дипломом II степени «За лучший доклад» в конкурсе молодых ученых и аспирантов IX Российского семинара по технологической минералогии и Дипломом министерства образования Челябинской области в конкурсе грантов 2013 года для студентов, аспирантов и молодых ученых.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, формулировке задач исследования, проведении обзора и анализа информации по обогащению каолинов, автором были предложены конструктивные решения аппарата для промывки и магнитной сепарации материалов. Организованы и проведены лабораторные и стендовые испытания. Произведена обработка и анализ полученных результатов, а также их апробация и подготовка к публикации.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 работах, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих научных рецензируемых журналов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников из 107 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц и 56 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение. Эффективность магнитного обогащения низкосортных каолинов Джабыкского региона Урало-Мугоджарской каолиновой провинции в слабом магнитном поле обусловлена наличием в классах менее 100 мкм частиц с удельной магнитной восприимчивостью более 5*10 м /кг, представленных глобулами и сростками, имеющими в своем составе более 30% самородного железа.

Проведенный анализ гранулярного состава каолинового сырья Еленинского месторождения указывает на присутствие в пробе каолинов значительной доли (16,13%) материала крупностью -40+20 мкм. Учитывая требования к обогащенным каолинам, предъявляемые потребителями (в каолиновом продукте допускается содержание до 40% частиц крупностью от 20 до 56 мкм), можно сделать вывод, что вовлечение в переработку материала данного класса крупности позволит значительно увеличить выход товарной продукции. Результаты термографического анализа, представленные на рисунке 1, показывают, что нерудная часть исследуемых проб имеет каолиновой состав. Это дополнительно подтверждается результатами термогравиметрического анализа (кривые зеленого цвета на рисунке 1):

изменение массы, связанное с удалением химически связанной воды, составило 14,30 % для материала крупностью -20+0 мм и 14,87% для материала крупностью -40+20 мкм. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о целесообразности классификации материала по классу 40 мкм, что в перспективе увеличит выход каолинового промпродукта на 35,84% без введения дополнительных операций и снизит потери А1203 с хвостами.

Исследование вещественного состава каолиновых глин Еленинского месторождения показало наличие в каолинах рудной фракции. Фотографии аншлифов представлены на рисунках 2-3. Результаты минералогического анализа показали, что рудная фракция представлена самородным железом, мартитом, шпинелидами и их сростками. Для уточнения атомарного состава был проведен энерго-эмиссионный анализ. Фотографии аншлифов представлены на рисунке 4.

Результаты энерго-эмиссионного анализа представлены в таблице 1. Высокие содержания в пробе ионов ванадия (в среднем 16%) и железа (в среднем 13,5 %) позволяют сделать вывод о преобладании в системах твердых растворов ванадиошпинелей (кульсонит) и ферришпинелей (магнетит). Содержания ионов хрома и марганца колеблются от 4 до 5,5 %, титана от 5 до 6%. Следовательно в пробе также присутствуют хромошпинели и титаношпинели ряда хромита и титаномагнетита. На основании минерального состава было выделено несколько сортов сростков. Качественный состав сростков представлен в таблице 2.

Таблица 1 — Элементный состав минеральных включений

Номер спектра

Элемент 48 49 50 51

Содержание

1 2 1 2 1 2 1 2

О - - 45,40 71,92 59,19' 75,76 - -

Мв - - 1,53 1,60 2,98 2,51 - -

А1 - - 1,92 1,80 1,50 1,14 - -

$1 - - - - 19,37 14,12 - -

Са - - - - 1,00 0,51 - -

ТС - - 5,36 2,83 0,84 0,36 - -

V - - 17,76 8,84 0,53 0,22 1,36 1,49

Сг - - 7,59 3,70 - - - -

Мп - - 5,18 2,39 5,80 2,16 - -

Ре 100 100 15,26 6,92 8,80 3,22 98,64 98,51

1 - весовое, %; 2 - атомарное,% 8

Рисунок 1 - Термограмма каолиновой глины Еленинского месторождения класса 40+20 мкм (а) и -20+0 мкм (б)

11111111 1япп мкм 11111111 1япп МКМ Рисунок 2 - Аншлиф рудной фракции (1,2,3,4,5- сорта сростков)

# • ^ Г< ь?■<

V '»Ф* 4 ■ * 1

Рисунок 3 - Состав сростков (1 - включения самородного железа, 2 -ванадиошпинель, 3 - силикатная матрица, 4 - глобула самородного железа)

Таблица 2 - Качественный состав сростков (содержание в %)

—-—Сорт Минерал —------------^ 1 2 3 4 5

Силикатная матрица 60 40 55 35 10

Ванадиошпинель 40 60 40 35 10

Самородное железо 0 0 5 30 80

"к. Я|Н Распределение минералов у ' VI и их сростков по классам

яГ КРУПН0С™ представлено на

, , . Распределение

I характеризуется наличием ' ' ' ~ значительного количества

ЩР" — зерен и сростков минералов

^КТш \ ' ."Ц крупностью свыше 40 мкм.

Яш^ к . ¿ЫВ Стоит отметить, что

самородное железо

свыше 100 мкм и от 80 до Рисунок 4 - Микрофотографии спектров 30 мкм. В остальных энерго-эмиссионного анализа классах крупности оно в

основном находится в составе сростков 4 сорта. В рудной фракции доля самородного железа в виде свободных зерен достигает 12,12%, входящего в состав сростков - 15,7%.

^ <Ь° С? о? лО" ей1"

5 сорт

■ 4 сорт

■ 3 сорт

■ 2 сорт

■ 1 сорт

■ Мартит

■ Железо

Класс крупности, мм

Рисунок 5 - Распределение минералов и их сростков по классам крупности

Для определения удельной магнитной восприимчивости минералов и их сростков был проведен анализ мономинеральных фракций по методу Гюи. Расчет удельной магнитной восприимчивости сростков велся по закону аддитивности Видемана. Результаты анализа и расчета удельной магнитной восприимчивости представлены в таблице 3.

Класс крупности, мкм Удельная магнитная восприимчивость х *Ю"' м^/кг

1 сорт 2 сорт 3 сорт 4 сорт 5 сорт Шпинель Мартит Ре

+40 3134 4710 3598 5493 8107 7850 68 9153

-40+30 3044 4567 3502 5410 8083 7611 68 9153

-30+20 2852 4277 3309 5241 8035 7129 68 9153

-20+10 2490 3735 2948 4925 7945 6225 68 9153

-10+0 2126 3188 2583 4606 7854 5314 68 9153

Полученные данные свидетельствуют о том, что значительная часть магнитной фракции представлена свободными зернами самородного железа и сростками 4 и 5 сортов (до 63,5%), имеющими значительную удельную магнитную восприимчивость (более 5*10" м3/кг), извлечение которых возможно в слабом магнитном поле, что доказывает первое научное положение.

Второе защищаемое положение. Частичная циркуляция магнитного продукта приводит к увеличению индукции поля в рабочей зоне сепарации на 0,6 Тл, что обеспечивает прирост извлечения магнитных частиц крупностью менее 10 мкм на 33,68% по сравнению с расчетным и на 26,96% для материала крупностью -20+10 мкм.

Наличие в глинах Еленинского месторождения магнитожестких примесей (самородное железо, шпинели магнетитового ряда) снижает эффективность применения полиградиентных сепараторов за счет «зарастания» рабочего пространства, что приводит к снижению их производительности. Высокая энергоемкость процесса полиградиентной сепарации делает необходимым проведение операции предварительной подготовки сырья, с целью минимизации затрат.

Для решения этой задачи была создана лабораторная установка (рисунок 7), конструктивные особенности которой позволяют решать следующие задачи в одну операцию: производить дезинтеграцию глинистого материала для освобождения частиц каолина и зерен кварца и минералов магнитной фракции; выделять из потока материала сильномагнитные частицы, снижающие эффективность использования фильтр-сепараторов; выделять песковую фракцию, с размером частиц свыше 0,5 мм.

Для определения требуемой напряженности магнитного поля, достаточной для извлечения магнитной фракции, был проведен магнитный анализ (рисунок 8).

клщхм-!

По его результатам можно утверждать, что оптимальная напря-

женность поля для извлечения материала крупностью свыше 40 мкм не превышает 144 кА/м. Дальнейшее увеличение напряженности не дает значительного прироста извлечения.

Рисунок 7-Зависимосп> извлечения в связи с необходимостью

магнитных минералов от напряженности поля максимального извлечения магнитной фракции и отсутствию требований к чистоте магнитного продукта, в сепараторе созданы условия для максимально полного извлечения магнитной фракции. Расчет параметров магнитного поля проводился в программном комплексе РЕММ 4.2, картина напряженности магнитного поля представлена на рисунке 9. Полученные данные о магнитной индукции поля, в точках принадлежащих радиусу окружности, образованной магнитной системой на различном удалении от магнитного полюса сепаратора, были систематизированы, и на их основе путем аппроксимации была получена статически устойчивая функция, описывающая зависимость величины индукции магнитного поля от расстояния до полюса: у = -0,\5\п(х) + 0,3164(1). Полученная логарифмическая функция (1) отражает данную зависимость с

л* 1---£ ---г» г--д

/

е

с —ы

А - -4=1

* _—— — — »А.

£ • ___в

'А''*

50 100 150 200 250 300 350 400 Напряженность поля, кА/м

0-20 мкм -в- 20-40 мкм

величиной достоверности аппроксимации Я2 = 0,9611 в пределах эффективной рабочей зоны сепаратора (от 0 до 10 мм). На основании полученных результатов проведен расчет коэффициента магнитной силы сепаратора по

формуле: А = Н&аЛН = Н — (2).

dl

1.СiSeKi&S : >i.i?73e*P36 9.б53е-Ч(с5

9.U7eX«!5 : 3.653е*С05 83SU43C5

8.Ь45е ЮС5:5.5$ie*t>05 6.972еЧЮ5 :

S,3&5e+9C-S - 5.89Si+GS5

м.827е*ОС5 3.?Иг>«5:4.»Ое-<Ж5 3.2ISe*<№5:

2.€32*+305: 3-2iSe*OC5 2.14S«+«S: г.ШемЯЪ 1.609е-ЮС5: 2-l4Se*«t;5

:1.6O5e*fi05

<в.8«*-ШХ : 5.363e*G34 ; Напряженность поля H. Лы

Для прогнозирования эффективности работы аппарата и оптимизации параметров разделения разработана

математическая модель. Ее разработка велась на основе синтеза подходов, используемых В.И. Кармазиным и В.В. Кармазиным для расчета извлечения магнитной фракции на основании данных о минеральном и фракционном составе магнитного продукта по уравнению Ерофеева - Колмогорова с использованием подхода для расчета магнитных сепараторов с параллельными полями и уточнениями для предлагаемой конструкции аппарата.

В связи с малой крупностью частиц с плотностью р и удельной магнитной восприимчивостью хм, основными силами, действующими в зоне сепарации будут магнитная (3) и гравитационная (4) силы, векторы которых

параллельны и сонаправлены:FM= %MHgradH = хмН— (3),g0 = pg (4). Также

dlB

влияние на процесс сепарации будут оказывать магнитно- и гравитационно-

Рисунок 8- Картина напряженности магнитного поля аппарата

архимедовы силы (5) и (6): FMc

= ~XcpHgradH = ~ХСрН~~ (5),Fopx=-Pcpg (6). Для

учета влияния коэффициента сопротивления среды на скорость сепарационного массопереноса V при расчете параметра Лященко необходимо учитывать

1

коэффициент разрыхления 0, который равен:0 =

I | Стдрср

(7). В этом случае

формула для

определения

7ld3 Д©3

Re2 (р = ±(FM + g0- F - FMcm_apx)

б//2

Re2 (8).

(8)

Рш

будет

иметь вид: В связи с тем, что диаграмма

Re = /(Re2 /р) построена в логарифмических координатах, определение по ней

13

числа Рейнольдса ведет к неизбежным и довольно значительным по абсолютной величине ошибкам. Поэтому в работе используется предложенная В.А. Смирновым функция (9), применимая в широком диапазоне для расчета 1 еЯеУ+Щ з 2

]?е: Ле = 10°'883+Ю'04718Ке2^ (9). При известном Ке можно определить

скорость движения частицы к полюсу по формуле V = (Ю). В нашем

случае, магнитная система вращается перпендикулярно направлению движения материала по окружности радиуса Я, равной внешнему радиусу барабана. Следовательно, необходимо учитывать это вращательное движение. Сделав допущение о неизменности профиля потока пульпы, можно рассчитать время движения одного магнита шириной Ьм через материальную точку, находящуюся в потоке пульпы:^ = ЬмТ/2лЯ (11), где Т — период вращения барабана. Аналогично рассчитывается время (пр, которое требуется для прохождения зазора Ъпр между магнитами. Количество магнитных полюсов (зон разделения), прошедших через указанную материальную точку, за время её движения в потоке пульпы в пределах длины магнитной системы, будет равно:

= (12). Общее время нахождения материала в зоне сепарации 1р ' будет равно: ¡р = 1мп (13). Подстановкой (11) и (12) в (13) получим: г =-—-(14). Общее время разделения ^ в нашем

Ф„+Ь„Р)

случае будет равно времени нахождения частиц в зоне действия магнитной системы 1]. Подставив рассчитанные по формулам (10) и (14) значения времени разделения и скорости сепарационного массопереноса в уравнение зависимости частного извлечения классов от параметров сепарации (15) рассчитаем частное извлечение для каждого выделенного класса сростков и минералов в каждом

классе крупности отдельно: 11 1] (15), где ГЛ-

коэффициент турбулентной диффузии (01=0,0112иг); и- скорость пульпы; г-радиус кривизны рабочей зоны; у0 — высота рабочей зоны.

Для подтверждения правильности полученных зависимостей был проведен ряд опытов по предконцентрации. Эксперимент проводился при ранее установленных оптимальных параметрах разделения: угол наклона барабана 3°, давление промывной воды 0,3 МПа. В связи с низким прогнозным извлечением мартита, не превышающим 0,6%, при оценке результатов его влияние не учитывалось.

100,00 80,00 I 60,00

V

I

§ 40,00

(п X

20,00 0,00

Результаты расчетных и экспериментальных данных приведены на рисунке 9. Повышенное экспериментальное извлечение тонких классов -20+10 и -10+0 мкм объясняется частичной циркуляцией

магнитного продукта,

возникающей в результате неполного съема магнитной фракции, закрепленной на барабане аппарата.

Сильномагнитные минералы начинают играть роль магнитов-носителей, обеспечивающих дополнительное извлечение слабомагнитных шламистых минералов за счет увеличения градиента напряженности магнитного поля. Для оценки прироста индукции поля на поверхности барабана в рабочей зоне сепарации в программе Ретт 4.2 был проведен расчет индукции (рисунок 10). Расчеты проведены для условий полного съема магнитной фракции и циркуляции слоя высотой 0,5 мм, закрепленного на поверхности барабана (на расстоянии 1,5 мм от полюса).

Класс крупности, мкм

I Расчетное □ Экспериментальное

Рисунок 9 - Сравнение экспериментального и расчетного извлечения в магнитный продукт

Рисунок 10 - Индукция поля в рабочей зоне сепаратора при полном съеме (а) и частичной фиркуляции (б) магнитной фракции

При моделировании слоя материала, было принято допущение, что циркулирующие частицы представлены глобулами самородного железа. Они

имеют сферическую форму и размер от 50 до 100 мкм. Результаты расчета показывают почти трехкратный прирост индукции поля в области разделения при частичной циркуляции магнитного продукта на 0,6 Тл (с 0,32 до 0,92 Тл).

Третье защищаемое положение. Для удаления основной части сильномагнитных частиц ванадийсодержащей шпинели и самородного железа и их сростков из каолинового сырья Еленинского месторождения для повышения качества обогащенного каолина целесообразно применять совмещенную операцию промывки и магнитного обогащения при напряженности поля не превышающей 144 кА/м.

Используя данные о вещественном составе каолинового сырья Еленинского месторождения, распределении магнитных минералов по классам крупности и их свойствах, а также на основании полученных закономерностей процессов предконцентрации и полиграциентной сепарации и результатов математического моделирования процесса предконцентрации была разработана технология обогащения высокоожелезненных каолинов Еленинского месторождения. Качествено-количественная схема полученная при апробации лабораторной установки приведена на рисунке 11.

Исходный материал

100.00 1,55 21.12 59.771

100,00 100.00 100,001

г.% №е203 13А1203 Р5Ю2

йчг'ОЗ «А1203 15102

жидкое стекло

Про концентрация

7,47 6,63 15,81 45,14

31,95 5,59 5,64

1 Пески

28.23 0.62 3,32 86,13

1129 4,44 40.68

Слив

64.30 1,12 29,55 49.90

46,46 59,97 53,68

Классификация

48,18 1,16 35,30 47,07

35,96 80,54 37,94

Фильтр-сепарация

3,75 10,00 16,35 51,19

24,18 2,90 3,21

16,12 1.01 12,36 58,35

1 10.50 9,43 15,74

Пески

44,43 0,77 36,90 46,72

22,07 77,63 34,73

Немагнитный продукт

М 1011 10 г'мЭ

44,43 0,77 36,90 46,72

22,07 77,63 34,73

Обогащенный каолин

Рисунок 11 - Результаты обогащения каолина по рекомендуемой схеме

Извлечение А1203 в готовый продукт по сравнению с магнитно-электролитной схемой выше на 34,41 %. При это'м массовая доля Ре203 в обогащенном каолине выше всего на 0,02%. Белизна полученного каолина не менее 76%, пластичность по Атгербергу 6,2, порог структурообразования 1,251,30.

На основании полученных при проведении лабораторных испытаний зависимостей, была предложена технологическая схема для промышленной переработки низкосортных каолинов Еленинского месторождения, представленная на рисунке 12. В качестве оборудования для операции предконцентрации рекомендуется использовать скруббер С 12 с установленной на его разгрузочном конце магнитной системой и устройством для съема магнитного продукта. Вместо бутары, использованной на разработанной лабораторной установке, рекомендуется применить двухситный вибрационный грохот. Использование двухситного грохота позволит вывести из получаемой песковой фракции органическую составляющую и рудно-галечную фракцию, регулировать верхнюю границу крупности песковой фракции в зависимости от требований потребителей к гранулометрическому составу песков. Остальные технологические решения, аналогичны опробованным при лабораторных испытаниях.

а)

б)

ХШУОР стихло

17

цА/н

Мсхгъе фохр&юе

НласахрихзииР

г-

ВП*. Г Н»гбОО*А/*

ОКб

{ I!

Хек як сцжу /а^згаащгнш хагл.

У"

Хатсл&хатя

ггпг н.хХ8ь а/к

СВезяеет*/ ханш

Рисунок 12 - Технологические схемы с предконцентрацией (а) и магнитно-электролитная (б)

Для сравнения экономической эффективности технологий был проведен укрупненный экономический расчет инвестиционного проекта строительства обогатительной фабрики для переработки каолинового сырья Еленинского месторождения. Расчет проведен для магнитно-электролитной технологии и предлагаемой технологии с использованием операции предконцентрации. При переработке 100 тыс. тонн в год исходного сырья по магнитно-электролитной технологии выпуск обогащенного каолина марки КБЕ-1 составит 24,57 тысяч тонн, стоимостью 39,3 млн. рублей. При использовании технологии с применением предконцентрации кроме 44,5 тысяч кондиционного каолинового продукта, марки КЕ-1, стоимостью 62,3 млн. рублей дополнительно выпускается 26,5 тысяч тонн мытого песка крупностью -5+0,5 мм, стоимостью 22,4 млн. рублей и 16 тысяч тонн отсевов крупностью -0,5+0,040 мм пригодных для использования в строительной отрасли. Окупаемость проекта при использовании предлагаемой схемы составит 3,5 года против 5,8 лет при переработке по магнитно-электролитной схеме. Ожидаемый экономический эффект от применения предлагаемой технологии составит 45,4 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи разработки технологических решений обеспечивающих получение кондиционного обогащенного каолина из низкосортного каолинового сырья Еленинского месторождения. Основные научные и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Впервые изучен вещественный состав и магнитные свойства рудной фракции каолинов Еленинского месторождения средствами магнитного, рентгеноструктурного и энерго-эмиссионного микроанализа. Установлено, что рудная часть представлена свободными зернами самородного железа, мартита и сростками твердых растворов шпинелей с преобладанием ванадио- и ферришипинелей, выделено пять их наиболее часто встречаемых типов. Среди них преобладают сростки самородного железа и ванадиошпинелей с содержанием железа в пределах 30% и сростки, представляющие собой изометричные зерна шпинелей, заключенные в силикатную матрицу. Размер свободных зерен самородного железа достигает 175 мкм и 190 мкм для мартита, крупность сростков достигает 250 мкм.

2. На основании полученных данных о минералах, обладающих магнитными свойствами, сделан вывод о возможности извлечения значительной их части в магнитную фракцию с использованием слабого

магнитного поля за счет удаления слабомагнитного мартита и шгшнелидов с низкой магнитной восприимчивостью в составе сростков и магнитных флокул.

3. При помощи термографического анализа установлено, что возможная граница разделения по крупности для получения высокосортного обогащенного каолина составляет 40 мкм. Классификация по классу 40 мкм делает возможным отказ от введения каких-либо дополнительных операции по удалению кварцевого песка и гидрослюд.

4. Установлено, что для извлечения сильномагнитных минералов, включая материал крупностью менее 40 мкм, оптимальная напряженность поля не превышает 250 кА/м.

5. Определены оптимальные параметры работы полиградиентного сепаратора для выделения слабомагнитной фракции: требуемая крупность шаров для загрузки кассеты полиградиентного сепаратора составляет 3 мм; длина рабочей зоны сепарации 200 мм; напряженность поля при разделении каолинового промпродукта, крупностью -40+0 мкм, полученного после предконцентрации и классификации составляет 1600 кА/м; оптимальное содержание твердого в операции 20%.

6. Установлено, что использование аппарата для предконцентрации позволяет удалять сильномагнитные минералы из питания фильтр-сепараторов, предотвращая снижение эффективности их применения. В частности были определены оптимальные параметры процесса предконцентрации на лабораторном аппарате с диаметром барабана D=0,11 м: скорость вращения барабана - 18 об/мин; угол наклона барабана - 3°; давление дезинтеграционных струй воды - 0,3 МПа; расход промывной воды - 1,55 л/мин; производительность аппарата по пульпе - 0,126 м3/час; содержание твердого в операции - 40%; расход жидкого стекла составил 4 кг/т.

7. Расчетное извлечение сильномагнитных минералов крупностью свыше 30 мкм в процессе предконцентрации достигает 100%, по результатам эксперимента частное извлечение класса -90+80 достигает 98,21%. Частичная циркуляция магнитного продукта позволяет добиться увеличения извлечения магнитных частиц крупностью менее 10 мкм на 33,68% по сравнению с расчетным и на 26,96% для материала крупностью -20+10 мкм.

8. Разработана технология переработки низкосортного каолинового сырья Еленинского месторождения, основанная на применении операции предконцентрации. Полученный каолиновый продукт марки КЕ-1 с массовой долей оксида железа 0,77%, А1203 36,90%, Si02 46,72% % соответствует ТУ 5729-070-00284530-96. Извлечение А1203 составило 77,63%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Галямов, В.Ш. Разработка технологии для комплексной переработки глиноземсодержащего сырья [Текст] / В.Ш. Галямов, И.А. Гришин // Обеспечение безопасного ведения горных работ и повышения качества получаемой продукции: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). -2014. -№2,- С. 3-10.

2. Галямов, В.Ш. Использование комбинированных технологий обогащения для сокращения отвалообразования при отработке месторождений нерудных полезных ископаемых [Текст] / В.Щ. Галямов, И.А. Гришин, В.Б. Чижевский // Обеспечение безопасного ведения горных работ и повышения качества получаемой продукции: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). - 2014. -№2. - С. 32-43.

В других изданиях:

1. Галямов, В.Ш. Совершенствование технологии обезжелезивания нерудных минералов [Текст] // Молодёжь. Наука. Будущее. Вып.11: сб. науч. тр. студентов / под ред. C.B. Пыхтуновой. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. - С. 150-153.

2. Галямов, В.Ш. Развитие технологии обезжелезивания глиноземного сырья [Текст] / И.А. Гришин, В.Ш. Галямов// Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69-й научно-технической конференции. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. - Т. 1. - С. 18-21.

3. Галямов, В.Ш. Аналитическое сравнение магнитных систем для обезжелезнения нерудных материалов [Текст] / И.А. Гришин, В.Ш. Галямов, З.М. Билалова // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71 научно-технической конференции. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. - Т. 1. - С. 38-41.

4. Галямов, В.Ш. К вопросу о расширении сырьевой базы каолинового сырья [Текст] // IX Конгресс обогатителей стран СНГ. Сборник материалов. Том II.-М.: МИСиС, 2013. - С. 699-701.

5. Галямов, В.Ш. Определение требуемой крупности разделения и силовых характеристик магнитной сепарации на основании минерального анализа низкосортных каолинов Еленинского месторождения [Текст] / И.А. Гришин,

B.Ш. Галямов // Рациональное недропользование: сб. науч. трудов/ под ред.

C.Е. Гавришева. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. - С. 80-88.

Подписано в печать 22.10.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага тип № 1

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 800.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»