Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сегрегация мелкозернистых материалов при гравитационном обогащении

ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Сегрегация мелкозернистых материалов при гравитационном обогащении"

На правах рукописи ВАСИЛЬЕВ Антон Михайло:

Ои^--

СЕГРЕГАЦИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ГРАВИТАЦИОННОМ ОБОГАЩЕНИИ

Специальность 25.00.13- Обогащение полезных

ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007

003057828

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Тахопов О.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Блехман И. И.,

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация - ОАО «Институт Гипро-никель».

Защита диссертации состоится 16 мая 2007 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 2205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 16 апреля 2007 г.

Федотов П.К.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., доцент

В.Н.БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость совершенствования процессов гравитационного обогащения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов обусловлена вовлечением в добычу все более сложных по вещественному составу объектов, а также требованиями по снижению энергоемкости, уменьшению себестоимости переработки сырья и обеспечению экологической чистоты обогатительного передела Особенно остро стоит проблема вовлечения в переработку мелкозернистых россыпей и тонковкрапленных руд Практически все известные исследователи гравитационного обогащения отмечают существенное влияние сегрегации на эффективность разделения частиц Однако до сих пор изучение процесса сегрегации ограничивалось качественными наблюдениями без попыток экспериментального определения интенсивности этого процесса. В таких условиях одним из важнейших направлений развития гравитационных методов обогащения является теоретические и экспериментальные исследования разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов, на базе которых возможна разработка новых высокопроизводительных обогатительных аппаратов и технологических схем, в полной мере учитывающих не только особенности гидравлического разделения, но и эффекты сегрегации

Цель работы - повышение эффективности разделения минералов и техногенных продуктов на основе процесса сегрегации по крупности, плотности и форме частиц

Методы исследований. При проведении исследований использовались современные методы минералогического, гранулометрического, фазового, пробирного, спектрального, химико-аналитического анализов В частности, широко использовался полуавтоматический анализатор микроизображенй МОП-Videoplan (ФРГ) в иммерсионной жидкости

При выполнении исследований применялись математические методы планирования экспериментов, ортогональное центральное рототабельное униформпланирование второго порядка с оценкой значимости коэффициентов при факторах по критерию Стьюдента

Математическое моделирование процессов сегрегации велось с использованием электронных таблиц Microsoft Excel 7 О

Научная новизна работы:

- выведена формула, отражающая зависимость силы сегрегационного сопротивления от относительного расстояния между частицами при их стесненном падении,

- разработан метод и сконструировано устройство, и выполнены измерения скоростей сегрегации частиц различной крупности, плотности и формы в воздушной и водной средах,

- получены экспериментальные данные позволяют оценить роль процесса сегрегации при обогащении на различных гравитационных аппаратах,

- в полупромышленных условиях на оптимизированной гравитационной технологической схеме на базе винтовых шлюзов показано, что главными факторами, определяющими извлечение тяжелых минералов являются не их гидравлические крупности, а интенсивность их сегрегации, зависящая от крупности, формы и от распределения формы частиц

Практическое значение работы:

- разработана методика и устройства изучения процессов сегрегации мелкозернистых материалов с целью определения скорость сегрегации частиц в зависимости от их крупности, плотности и формы, а также от интенсивности их разрыхления,

установлена во многом определяющая роль сегрегации при разделении мелкозернистых материалов в тонких потоках пульпы, что позволило оптимизировать работу винтовых шлюзов и в целом схемы получения гравитационного концентрата из редкометальных песков, выявить причины дополнительных потерь ценных компонентов, связанных с влиянием формы минеральных зерен,

разработана технологическая схема обогатительной фабрики на песках Бешпагирского месторождения,

получены результаты исследований процессов сегрегации будут использованы при разработке новых гравитационных обогатительных аппаратов и технологических схем гравитационного разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и техногенных материалов

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях студентов и молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2004-2007 гг), Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и

экологии" (Санкт-Петербург, 2004 г ), Молодежной научно-практической конференции проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2005 г, 2006 г ), X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2006 г ), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых "Леоновские чтения" (Иркутск, 2004 г, 2006 г ), 2-ой научно-технической конференции "Гравитационные методы обогащения Современное обогатительное оборудование и новые технологии для переработки минерального сырья" (Новосибирск, 2004 г), Ежегодной конференции-семинаре "Асеевские чтения Цветная металлургия" (Санкт-Петербург, 2006 г), Международном совещании "Плаксинские чтения" (Иркутск, 2004 г, Санкт-Петербург, 2005 г, Красноярск 2006 г ), Международной конференции-семинаре-выставке "Восток-Запад" (2004-2006 гг )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных

работ

Общая структура диссертации Диссертация изложена на 185 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников из 136 наименований, 31 таблицы, 65 рисунков и приложения

Автор выражает благодарность директору по научно-исследовательской работе ЗАО "Механобр инжиниринг", д-ру техн наук А В Богдановичу за ценные советы, постоянную поддержку при проведении исследований, а также работникам научно-технической библиотеки ЗАО "Механобр инжиниринг" И M Царевой и H H. Белобородько за помощь в работе с технической литературой

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту

Первый раздел посвящен анализу литературных источников процесса сегрегации при обогащении полезных ископаемых Рассмотрены подробно теоретическая база и эксперименты по изучению процессов расслоения частиц Выявлены и сформулированы основные направления исследований

Во втором разделе теоретически выведена и проанализирована формула для силы сегрегационного сопротивления в стесненных условиях падения частиц

В третьем разделе рассмотрены устройства и методика для изучения процесса сегрегации мелкозернистых материалов и измерения вязкости грубодисперсных пульп при высоком содержании твердого

В четвертом разделе приведены результаты исследований по изучению процесса сегрегации частиц различной крупности и плотности в воздушной и водной средах

Пятый раздел содержит результаты изучения особенностей разделения мелкозернистых материалов на гравитационных аппаратах (концентрационный стол, центробежные концентраторы, винтовые сепараторы)

В шестом разделе приведены результаты оптимизации схемы гравитационного разделения на винтовых шлюзах в полупромышленных условиях, а также особенности сегрегации тяжелых минеральных частиц различной крупности и формы, непосредственно влияющих на эффективность их обогащения

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выделение силы сегрегационного сопротивления частиц в результате комплексного воздействия факторов (т числа которых наиболее значимые - крупность, плотность и форма частиц, частота колебаний, вязкость среды), определяет скорость движения частиц и является существенным при разделении минеральных зерен гравитационным методом обогащения

Для воссоздания экспериментальной базы скоростей стесненного падения мелких частиц шаровой формы различной крупности и плотности в воде, использовалась общепринятая формула П В Лященко

УГю = УГшт", где у - скорость стесненного падения частицы шаровой формы, Ум- скорость свободного падения частицы шаровой

формы, т - разрыхление (ш=Ув/( Ув+ Утв), то есть объем воды, отнесенный к сумме объемов воды и твердого, в относительной форме ш - доля объема воды, 1-т - доля объема твердого), п - коэффициент, зависящий от числа Яе при Ке<2 п>3,45 (Б В. Кизевальтер)

Скорость свободного падения рассчитываем по формуле А В Богдановича

Ar

_____ где критерий Архимеда дг _ , V

¿(174 + 0 5/Аг + О ПЧаг)' РУ

- кинематический коэффициент вязкости воды, (1 - диаметр частицы; рч

- плотность частицы, рв - плотность воды, £-ускорение силы тяжести

Скорость движения воды в каналах образованных частицами относительно этих частиц обратно пропорциональна разрыхлению ш

V =-

' еаш

Значение числа Re в каналах будет равно Re

т

Это дает нам возможность определить коэффициент гидродинамического сопротивления в каналах (А В Богданович)

. Зтг 2 и силу гидродинамического

Re гшйг"5

сопротивления движения частицы в канале

Ч-р^Г*

Архимедова сила (плотность воды -1 г/см3) лсР(р_ -1)^ и равна сумме сил сопротивлений

равна

вниз Если бы не было то она была бы равна в каналах (Реаше В заметно

падении частиц существуют другие силы

Эта сила заставляет частицу двигаться взаимодействия частиц друг с другом, гидродинамической силе сопротивления действительности РАг при стесненном

превышает Р1аш1 аш Это означает, что сопротивления, которые определяются взаимодействием частиц друг с другом, их столкновениями, лежащие в основе процессов сегрегации

Таким образом РАг - Р*шае аыл можно считать силой сегрегационного сопротивления РШй = РАг - Ре"ш ¿¡ш

Рассмотрим

элементарный единичный объем, в котором находится шаровая частица Все пространство состоит из набора таких элементарных объемов (рис 1)

п . 0 „ , ,, Если разрыхление равно ш,

Рис 1 Элементарный объемы (с!-диаметр г г г

частицы, I- расстояние между частицами) т0 Для единичного

элементарного объема (доля объема твердого)

уу*оЛ = 1 _= 6(1-от) ^ д = 3<6(1-от) Относительное

—6—100 мкм —о— 50мкм и 110 мкм

расстояние между шаровыми частицами I _ _ 1 ^ / _ I л

а а а ' а \б(1-ж)

Таким

образом, мы связали относительное расстояние, между частицами выраженное в долях диаметра шаровой частицы с разрыхлением т В результате вычислений по выше приведенным формулам для частиц шаровой формы,

плотностью 2,7 г/см3, была получена

зависимость представленная на рис 2 Аналогичные расчеты и построения были выполнены для частиц с другими плотностями

Математическ ая обработка данных

Рис 2 Зависимость доли сегрегационного ДЛЯ яровых ЧЗСТИЦ

сопротивления от относительного расстояния между крупностью от 10 ДО частицами с плотностью 2,7 г/см3 100 МКМ различной

плотности позволила определить коэффициенты экспериментальных уравнений кривых для сегрегационной силы сопротивления, представленных в табл 1 Из табл 1 следует, что сила сегрегационного сопротивления для мелких частиц (Яесв<2) с достаточной точностью может быть описана общей формулой

РсаМ - РЛг 0 8е а Таким образом, сила сегрегационного

сопротивления связана экспоненциальной зависимостью с относительным расстоянием между частицами (/) и не зависит ни от крупности, ни от плотности частиц При со сила сегрегационного сопротивления стремиться к нулю и РАг - Раеад, что соответствует случаю свободного падения частиц

Для изучения процесса сегрегации мелкозернистых материалов предложена ячейка, которая состоит из 7 одинаковых металлических колец, зажатых между двумя прямоугольными пластинами из оргстекла, с помощью 4-х металлических болтов (рис 3, 4, 5, 6) Внутренний цилиндр,

Таблица 1

Силы сегрегационного сопротивления для шаровых частиц

различной крупности и плотности_

Плотность частиц, г/см3 Диаметр шаровой частицы, мкм

10 50 100

2,7 7,0 РАг 0 75е « -1 63— РАг 0 75с « Р^О 78е " -1 62— РАг0 80е а 621 РАг 0 81е * -1 (А- РАг 0 82е л

образованный кольцами, служит для помещения в него исследуемого материала

Данная конструкция, дает возможность послойного разделения материала, разгружаемого кольцо за кольцом, "срезая" каждый слой в отдельности (рис 4), что позволяет изучить интенсивность проникновение исследуемых частиц сквозь постель в слои на различной глубине Зная время наложения вынужденных колебаний и глубину проникновения исследуемых частиц в постель, можно определить скорость их сегрегации

Для наложения вертикальных колебаний на ячейку была сконструирована установка, представленная на рис 7 и 8 Установка состоит из станины, на которой закреплена доска, совершающая вертикальные колебания С одной стороны она соединяется со станиной шарниром С другой стороны через кривошипно-шатунный механизм доске придается вертикальные колебания двигателем, закрепленным под станиной Кривошипно-шатунный механизм соединяется с

двигателем накладкой, которая позволяет устанавливать различный размах колебаний одного из концов доски (0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 см) Закрепляя ячейку на различных расстояниях от края доски, также можно плавно изменять размах колебаний Частота колебаний доски с закрепленным устройством для изучения процесса сегрегации регулировалась путем изменения скорости вращения асинхронного двигателя при помощи преобразователя частоты Кроме того, между доской и основанием установки закреплена болтом пружина (рис 7), возвращающая доску в верхнее положение, уровень которого также можно регулировать, что позволяет кроме чисто гармонических колебаний накладывать колебания с обрезанной верхней частью гармоники

Таким образом, данная установка позволяет

1) изучить явление сегрегации в различных средах,

2) обеспечивать различные значения амплитуды и частоты колебаний,

3) создавать гармонические и частично-гармонические колебания доски

Предварительными экспериментами было определено, что в качестве постели удобно применять кварц крупностью -1+0,5 мм, а в качестве сегрегирующего материала кварц крупностью -0,2+0,1 мм Такая разница в крупности, позволяла обеспечить надежное и эффективное их разделение на ситах При изучении влияния плотности на сегрегацию использовались также порошки гранулированного ферросилиция (5=7 г/см3) и металлического вольфрама (6=19 г/см3)

Основным откликом в экспериментах по исследованию процесса сегрегации была выбрана скорость перемещения центра масс сегрегирующих частиц, то есть глубина проникновения 50% частиц Определялась она следующим образом

После рассева исследуемого материала в каждом кольце с выделенной мелкой составляющей, определялся выход сегрегирующих частиц в каждом слое По этим данным графически находилась глубина проникновения 50% исследуемых частиц Зная время наложения колебаний I и глубину проникновения частиц Ь, можно определить скорость перемещения центра масс V у=ЬЛ

При проведении опытов в жидкой среде (вода) ячейка помещалась внутрь тонкой резиновой перчатки, открытый конец которой завязывался Затем ячейка, помещенная в жидкую среду, устанавливалась на доске вибратора

Основной трудностью при выполнении измерений вязкости грубодисперсных пульп с высоким содержанием твердого капиллярным

методом является то, что приходится работать на капиллярах большого диаметра, чтобы избежать их забивки. 15 то же время а таких капиллярах скорость воды, которая используется как эталонная жидкость, слишком велика, что не позволяет обеспечить ей истечение и ламинарном режиме.

В СПбГГИ совместно с ЗЛО "Механобр инжиниринг" для измерения коэффициента вязкости пульп была собрана установка, представленная на рисунке ч. Созданная установка, представляет собой быстроходную мешалку, из которой взвешенная пульпа подаётся но резиновому шлангу н цилиндр с коническим дном, куда могут вставляться стеклянные трубки различных диаметров. Рядом с верхним срезом измерительной трубки имеется отверстие большего диаметра для перелива пульпы обратно в мешалку по шлангу с ¡ажимом, для поддержания уровня пульпы в цилиндре нп уровне верхнего среза

...........Т^'-л

ч

54 Ь ..... \ Г

РЬ гг-т.. - н. V

■Чг ■ —

4 л Г

■У, --' " г

Рис. -1 Схема устройства дяя ИКЁдедовалия Pi 10 4 I Jut дойная pa прутка материала процессов се г pci ации

Put 5, Устройство для исследования процессов Рис, 6. Ячейка в сборе

сегрегации

I I

Рис, 7 Схема установки для создания колебаний Рис. X Установка ;ия сотдання

ячейке (вид сбоку) колебаний ячейке

капилляра. Для измерения вязкости грубодисперсиых пульп нами разработана следующая методика. На капилляре, диаметр н длина которого такойы, что обеспечивают на дистиллированной воде при температуре 20 'С значение критерия РеЙнольдса Ко < 1000. измеряются скорости истечения поды и раствора пищевого сахара. На основе полученных данных определяется эффективная высота столба напора воды в капилляре (вязкость воды принимается табличная). После этого

рассчитывается коэффициент кинематической вязкости раствора

сахара. используя

найденную эффективную высоту водяного столба Н для данного капилляра. Затем капилляр

заменяется, вместо него устанавливается стеклянная трубка такого диаметра, чтобы Ко для раствора сахара не превышал 1000. Это позволяет, зная коэффициент кинематической вязкости раствора сахара, вычислить эффективную высоту столба напора для этой трубки и затем определять с её помощью вязкость пульп с высокой концентрацией твёрдого.

т -.V к ■ л.

—т

—\ 0 0

ч ^ □ |

\ /

_____1 [ -

Е

Рис 9. Схема ус (а конки для измерения вязкости пульп

вода

раствор сахар 17% раствор сахар 29% раствор сахар 40 %

Желательно, чтобы вязкость расгпора сахара и вяжоеть исследуемых пульп были близки Предлагаемый метод измерения

___ _ . ______ _ ^ кинематического

коэффициента вязкости позволип определять вязкость пучьп

содержащих твердые частицы размером до 0,5 мм и достигать для них весовой

концентрации твердого в пульпе до 30%

(рис 10) При изучении скорое i cu ceipuanmi мсчких частиц

различной крупности и плотности в постели крупных зерен кварца выявлено следующее С увеличением дочи сегрегирующих мелких частиц в

nocí ели крупных скорость cei регаиии центра масс мелких час huí уменьшается, вплоть до нучя 2

Максимальная интенсивность cei регацни имеет место при некоюром оптимальном разрыхлении постели При и запишем

£2 61 Д-¿Г—Л-*5-"**

о ! i

§2 11

О 10 20 30 40

Содержание частиц кварца крупностью

О 2+0 1 мм %

Pul И) Зависимо!, гь пя жостн tpt.ui <>i концентрации intp ioio (кырц-0 2-tO l мм)

--Г о

I л

3 о

№ 1 | = 4 мм •№2 1=6 мм "№3 1-8 мм *№4 1 = 10 мм

i Максимальное ускорение a/g |

Рис II Зависимость скорости проникновения частиц мсш>го к масса скво», иоететь в BonYiunoii cpcic от максима 1Ыюго \скорения евоботного падения при рамнчных размахах ко тебанни ячейки (I-11Ос 15% меткого ктасса)

разрыхлении процессы перемешивания подавляют се1регацто частиц (рис II)

3 Обнаружено, что при увеличении частоты колебании ячейки скорость сегрегации мелких частиц достигает максимальных значении при час юге Гц, снижается в пол юра раза при частоте около 1Ч8 Гц, а затем вновь возрастает, что возможно, связано с какими-то эффектами взаимодействия мелких и крупных частиц др>1 с другом, обнаруженное явление представляет значительный научный интерес и требует дальнейшего изучения(рис 12)

4 При увеличении плотности частиц скорость их сегрегации в кварцевой постели растет На скорость сегрегации значительное влияние оказывает форма частиц, при низких значениях коэффициента формы частицы даже с очень высокой плотностью (вольфрам) могут иметь пониженные скорости сегрегации

5 В водной среде при гармонических колебаниях ячейки скорости сетрегации частиц значительно меньше, чем в воздухе, при этом общие закономерности влияния различных факторов на сегрегацию частиц в воде и в воздухе аналогичны Значительное увеличение скоростей сегрегации в воде могут быть лосинную при использовании колебаний ячейки с обрезанной верхней гармоникой

4 50 5 00 5 50 6 00 6 50 7 00 7 50 8 00 8 50 9 00 | Частота Гц

Рис 12 Зависимое и. скорости проникновения части кварца (плотностью 2 65 1/см') к 1асса -0 24-0 I мм скво!Ь кварцевую носить Н! кварт (1 +0 5мм) от часипы в во1л> шнои срече (1=6 мм Г" 110 с до 1Я к псса -0 2+0 1 мм-15%)

6 Существенное влияние на скорость сегрегации частиц оказывает вязкость жидкой фазы и вязкость пульпы Увеличение вязкости снижает скорость сегрегации частиц

2. Учет сил сегрегационного сопротивления частиц

при построении технологических схем на базе винтовых шлюзов обеспечивает улучшение показателей гравитационного обогащения при переработке минерального сырья и техногенных продуктов, в том числе редкометальных россыпей.

Процесс сегрегации частиц разного размера и плотности наблюдается при разделении пульп на гравитационных сепараторах различных типов, включая центробежные концентраторы

Опираясь на данные исследований процесса сегрегации, полученные при разделении искусственных смесей на винтовом шлюзе в лабораторных условиях, были проведены полупромышленные испытания на обогатимость песков редкометальной россыпи, содержащий тяжелые минералы (циркон, ильменит и рутил), Бешпагирского месторождения

При выполнении полупромышленных испытаний на обогатимость гравитационными методами были определены оптимальные производительности основных обогатительных аппаратов,

при которых

достигались наиболее высокие технологические результаты и

одновременно минимизировалось суммарное количество винтовых шлюзов Установлено, что производительность винтовых шлюзов по твердому при

одинаковом количестве витков и одинаковом профиле спиралей прямо пропорциональна квадрату диаметра

•^~Циркон & Ильменит

•р У ГИ1 -

-

/| )

■н / /

П 1

0,2 0,4 0,6 0,8 1

Коэффициент удленности

Рис 13 Распределение зерен (%) циркона, ильменита и рутила зависимости от коэффициента удлененности

спиралей Благодаря процессу сегрегации при гравитационном разделении мелкие изометричные тяжелые частицы минералов (циркон) извлекаются в гравитационные концентраты эффективнее, чем более крупные, но более вытянутые по форме (ильменит, рутил) Уровень извлечения тяжелых частиц различных минералов не соответствует скоростям их свободного падения (табл 2, рис 13)

Технологические показатели гравитационного разделения минеральных смесей прямо связаны со средним коэффициентом удлиненности извлекаемых тяжелых частиц, а также с относительными среднеквадратичными отклонениями коэффициента удлиненности от среднего, которые характеризуют вариации последнего

Наиболее эффективно разделение мелкозернистых материалов в тонких потоках идет при некоторой оптимальной вязкости жидкой фазы (воды), сильно зависящей от температуры, контроль за которой в производственных условиях может помочь избежать дополнительных потерь полезных компонентов, особенно в зимнее время (табл 3)

Таблица 2

Сопоставление характеристик форы зерен циркона, ильменита и рутила

в концентратах полученных из Бешпагирского месторождения

Минералы 1 Извлечение в гравитационный 1 концентрат, % | Средний размер частицы, приведенный к шару, мм Средний коэффициент формы Относительное среднеквадратнч еское отклонение от среднего для коэффициента | удлинения Скорость свободного падения шаровой частицы, см/с

Циркон 95,9 0,071 0,931 0,1432 0,8556

Ильменит 83,4 0,085 0,924 0,1720 1,2068

Рутил 73,5 0,094 0,912 0,1760 1,2592

Таблица 3

Зависимость извлечения ферросилиция (крупностью Збмкм) из

кварцевого песка (крупностью -0,2+0 мм) от кинематического коэффициента вязкости воды (содержание твердого в пульпе 40 %, _выход концентрата шлюза ВШ-350 около 15%)_

Значение кинематического коэффициента вязкости, см2/с Температура воды, "С Извлечение Ре51, %

1,567 4 66,0

0,800 31 74,0

0,556 50 71,5

Выполненные в полупромышленных условиях исследования по оптимизации схемы гравитационного обогащения песков

Бешпагирского месторождения позволили получить данные для технико-экономического обоснования строительства обогатительной фабрики

Выводы

1 В процессе выполнения исследований была разработана конструкция ячейки и изготовлена установка, позволяющие изучать явление процесса сегрегации твердых частиц

2 При изучении скоростей сегрегации в воздушной среде мелких частиц различной крупности и плотности в постели крупных зерен кварца, выявлено следующее

- скорость сегрегации центра масс сегрегирующих частиц в первые секунды проведения опыта максимальна и в дальнейшем снижается,

- увеличением размаха гармонических колебаний ячейки скорость сегрегации центра масс возрастает до максимума в районе 6-7 мм, при дальнейшем увеличении размаха колебаний, скорость сегрегации убывает,

- обнаружено, что при увеличении частоты колебаний ячейки скорость сегрегации мелких частиц достигает максимальных значений при частоте 1=7 Гц, снижается в полтора раза при частоте около (=8 Гц, а затем вновь возрастает

3 При увеличении плотности частиц скорость их сегрегации в кварцевой постели растет На скорость сегрегации значительное влияние оказывает форма частиц, при низких значениях коэффициента формы частицы даже с очень высокой плотностью (вольфрам) могут иметь пониженные скорости сегрегации

4 В водной среде при гармонических колебаниях ячейки скорости сегрегации частиц значительно меньше, чем в воздухе, при этом общие закономерности влияния различных факторов на сегрегацию частиц в воде и в воздухе аналогичны Значительное увеличение скоростей сегрегации в воде может быть достигнуто при использовании колебаний с обрезанной верхней гармоникой

5 Существенное влияние на скорость сегрегации частиц оказывает вязкость жидкой фазы и вязкость пульпы Увеличение вязкости среды снижает скорость сегрегации частиц

6 Экспериментальные исследования разделения частиц на винтовом шлюзе, позволили установить следующее

- наиболее высокие результаты обогащения имеют место при некоторой оптимальной производительности по твердому, при которой

наблюдается наиболее интенсивная сегрегация мелких тяжелых частиц, особенно в крайней зоне концентратной части веера,

- извлечение частиц высокой плотности возрастает с увеличением их крупности, пока их размеры не становятся сопоставимыми со средней крупностью всех частиц в пульпе, после этого имеет место некоторое снижение извлечения крупных тяжелых частиц, связанное с ухудшением их сегрегации,

- наиболее эффективно разделение мелкозернистых материалов в тонких потоках идет при некоторой оптимальной вязкости жидкой фазы (воды), сильно зависящей от температуры, контроль за которой в производственных условиях может помочь избежать дополнительных потерь полезных компонентов, особенно в зимнее время

7 При выполнении полупромышленных испытаний на обогатимость гравитационными методами установлено, что производительность винтовых шлюзов по твердому при одинаковом количестве витков и одинаковом профиле спиралей прямо пропорциональна квадрату диаметра спиралей

8 Подробное изучение особенностей гранулометрических характеристик и формы частиц различных тяжелых минералов (циркон, ильменит, рутил) позволило установить следующее

- благодаря процессу сегрегации при гравитационном разделении мелкие изометричные тяжелые частицы минералов (циркон) извлекаются в гравитационные концентраты эффективнее, чем более крупные, но более вытянутые по форме (ильменит, рутил),

- оценку формы зёрен минералов при отсутствии выраженно плоских частиц удобно и просто вести по коэффициенту удлиненности, представляющем собой отношение минимального размера частицы к максимальному,

- технологические показатели гравитационного разделения минеральных смесей прямо связаны со средним коэффициентом удлиненности извлекаемых тяжелых частиц, а также с относительными среднеквадратичными отклонениями коэффициента удлиненности от среднего, которые характеризуют вариации последнего

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1 А М Васильев, А В Богданович// Исследование влияния различных факторов на показатели обогащения мелкозернистых материалов на винтовом шлюзе Записки Горного институту Полезные ископаемые России и их освоение СПГГИ, СПб, 2004 С 108-111

2 А М Васильев, А В Богданович// Исследование работы гравитационных сепараторов для обогащения тонкозернистых материалов Обогащение руд 2005 №1 С 12-15

3 А М Васильев // Сегрегация мелкозернистого материала при гравитационном обогащении Записки Горного институту Полезные ископаемые России и их освоение СПб СПГГИ, 2006 С 207-209

4 А М Васильев, А В Богданович// Влияние вязкости воды на процесс гравитационного обогащения Обогащение руд 2005 № 4 С

5 А М Васильев, А В Богданович// Измерение вязкости пульп различного состава Материалы Уральской горнопромышленной декады Екатеринбург УГГУ, 2006 С 78-82

6 А М Васильев// Основные направления по изучению явления сегрегации Материалы международной научно-технической конференции "Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья " Екатеринбург АМБ, 2006 С 78-82

7 А М Васильев// Анализ изучения феномена процесса сегрегации Записки Горного институту Полезные ископаемые России и их освоение СПб СПГГИ, 2006 С 89-92

8 А М Васильев// Теоретические аспекты явления внутрислоевой сегрегации Записки Горного институту Полезные ископаемые России и их освоение СПб СПГГИ, 2006 С 93-96

9 А М Васильев// Исследования влияния факторов вязкости воды и явления сегрегации на показатели обогащения полезных ископаемых Записки Горного институту. Полезные ископаемые России и их освоение СПб СПГГИ, 2006 С 97-100

18-19

РИЦСПГГИ 13 04 2007 3 141 ТЮОэкз 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д 2

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Васильев, Антон Михайлович

Введение.

Глава 1. Обзор работ по изучению сегрегации зернистых материалов в средах различной вязкости при гравитационном обогащении с целью определения направлений исследований.

1.1. Современное состояние изученности процесса сегрегации зернистых материалов.

1.2. Теоретические исследования явления сегрегации при гравитационном обогащении.

1.3. Влияние вязкости пульп на сегрегацию мелкозернистых материалов при гравитационном разделении.

1.4. Выводы.

1.5. Определение направлений исследований.

Глава 2. О некоторых особенностях стесненного падения частиц.

Глава 3. Разработка устройства и метода для исследования процесса сегрегации мелкозернистых материалов в воздушной и водной среде различной вязкости при наложении вертикальных колебаний.

3.1. Конструкция устройства для изучения процесса сегрегации.

3.2. Разработка методики исследования сегрегации зернистых материалов и определения скоростей перемещения разнородных частиц относительно друг друга.

3.3. Разработка устройства для измерения вязкости грубодисперсных пульп.

3.4. Выводы.

Глава 4. Результаты исследований процесса сегрегации частиц различной крупности и плотности, разрыхление которых осуществляется путем наложения вертикальных колебаний.

4.1 Метод определения скорости сегрегации исследуемых частиц.

4.2 Сегрегация частиц по крупности в воздушной среде.

4.3. Сегрегация частиц по плотности в воздушной среде.

4.4. Сегрегация частиц по крупности в водной среде.

4.5. Сегрегации частиц различной плотности в водной среде.

4.6. Влияние вязкости среды на процесс сегрегации.

4.7. Выводы.

Глава 5. Изучение особенностей гравитационного разделения мелких зернистых материалов.

5.1. Концентрационный стол.

5.2. Центробежные концентраторы.

5.3. Винтовые сепараторы.

5.4. Выводы.

Глава 6. Оптимизация схемы гравитационного разделения на винтовых шлюзах в полупромышленных условиях и изучение особенностей сегрегации тяжелых минеральных частиц различной крупности и формы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Сегрегация мелкозернистых материалов при гравитационном обогащении"

Гравитационные процессы обогащения в настоящее время являются основными для обогащения многих полезных ископаемых.

К минеральному сырью, перерабатываемому частично или полностью гравитационными технологиями, относятся: уголь, барит, флюорит, касситерит, вольфрамит, шеелит, танталит, золото, серебро, металлы платиновой группы, алмазные, железные, марганцевые и хромовые руды, сульфидные руды цветных металлов, многие техногенные материалы и т.д. При гравитационном разделении не используются токсичные реагенты, этот метод обогащения является экологически чистым и во многих случаях наиболее дешевым из всех существующих. Принципы гравитационного разделения широко используются не только при непосредственном обогащении различных руд и материалов, но и в рудоподготовительных переделах при классификации и обезвоживании продуктов.

Гравитационный метод обогащения получил также распространение и в различных сочетаниях с другими процессами: флотацией, флотогравитацией, магнитной, электрической и рентгенолюминесцентной сепарацией.

Большой вклад в развитие теории и практики гравитационного процесса обогащения внесли Б.В. Кизевальтер, И.М. Верховский, Е.А. Непомнящий, В.А. Олевский, И.И. Блехман, В.Н. Шохин, М.Ф. Аникин, A.M. Базилевский, В.Д. Иванов, A.B. Богданович, А. Таггарт, А. Годэн, Т.Нессе и многие другие.

В двадцатом веке большая часть месторождений наиболее богатых и легкообогатимых руд была отработана, и перед обогатителями остро встала проблема вовлечения в переработку тонковкрапленных руд сложного вещественного состава, что потребовало создания аппаратов и технологий, способных обеспечить эффективное разделение продуктов тонких классов. Кроме того, значительно возросло требования к экологической безопасности технологий переработки руд, обогатительные фабрики переводились на полностью замкнутый водооборот. В этих условиях основным направлением развития гравитационных методов разделения стало теоретическое обоснование и разработка технологий и аппаратов для обогащения мелкозернистых и тонкодисперсных материалов.

Несмотря на богатую историю, теория гравитационного метода обогащения еще далека от завершения, в частности, значительные пробелы имеют место в исследовании процессов сегрегации минеральных частиц по крупности, плотности и форме.

Актуальность работы: Необходимость совершенствования процессов гравитационного обогащения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов обусловлена вовлечением в добычу все более сложных по вещественному составу объектов, а также требованиями по снижению энергоемкости, уменьшению себестоимости переработки сырья и обеспечению экологической чистоты обогатительного передела. Особенно остро стоит проблема вовлечения в переработку мелкозернистых россыпей и тонковкрапленных руд. Практически все известные исследователи гравитационного обогащения отмечают существенное влияние сегрегации на эффективность разделения частиц. Однако до сих пор изучение процесса сегрегации ограничивалось качественными наблюдениями без попыток экспериментального определения интенсивности этого процесса. В таких условиях одним из важнейших направлений развития гравитационных методов обогащения является теоретические и экспериментальные исследования разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов, на базе которых возможна разработка новых высокопроизводительных обогатительных аппаратов и технологических схем, в полной мере учитывающих не только особенности гидравлического разделения, но и эффекты сегрегации.

Основная научная идея работы: Эффективность разделения при гравитационном обогащении непосредственно связано с процессом сегрегации частиц различных минералов; изучение этих процессов позволит определить пути дальнейшего совершенствования и оптимизации работы гравитационных аппаратов и технологических схем.

Цель исследования: повышение эффективности разделения минералов и техногенных продуктов на основе процесса сегрегации по крупности, плотности и форме частиц.

Основные задачи работы:

- выполнить теоретический анализ сил сопротивления при стесненном падении частиц в жидкой среде с выделением сегрегационной составляющей;

- разработать метод и изготовить устройства для изучения процесса сегрегации;

- получить экспериментальные зависимости скорости сегрегации частиц в воздушной и водной средах от различных факторов;

- оценить роль процесса сегрегации при разделении тонкозернистых материалов на различных гравитационных аппаратах;

- на основе полученных экспериментальных данных процесса сегрегации оптимизировать в полупромышленных условиях гравитационную технологическую схему на базе винтовых шлюзов и подтвердить существенное влияние сегрегации частиц на показатели обогащения тонкозернистых материалов в гравитационном переделе.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Выделение силы сегрегационного сопротивления частиц в результате комплексного воздействия факторов (из числа которых наиболее значимые -крупность, плотность и форма частиц, частота колебаний, вязкость среды), определяет скорость движения частиц и является существенным при разделении минеральных зерен гравитационным методом обогащения.

2. Учет сил сегрегационного сопротивления частиц при построении технологических схем на базе винтовых шлюзов обеспечивает улучшение показателей гравитационного обогащения при переработке минерального сырья и техногенных продуктов, в том числе редкометальных россыпей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточно хорошей сходимостью полученных зависимостей с данными экспериментов при проведении лабораторных исследований, широким применением современных математических методов планирования экспериментов, а также тщательной оптимизаций режимов работы аппаратов и схем при полупромышленных испытаниях, использованием современных методов изучения вещественного состава и формы минеральных частиц высокой плотности.

Научная новизна работы:

- выведена формула, отражающая зависимость силы сегрегационного сопротивления от относительного расстояния между частицами при их стесненном падении;

- разработан метод и сконструировано устройство, и выполнены измерения скоростей сегрегации частиц различной крупности, плотности и формы в воздушной и водной средах;

- получены экспериментальные данные позволяют оценить роль процесса сегрегации при обогащении на различных гравитационных аппаратах;

- в полупромышленных условиях на оптимизированной гравитационной технологической схеме на базе винтовых шлюзов показано, что главными факторами, определяющими извлечение тяжелых минералов являются не их гидравлические крупности, а интенсивность их сегрегации, зависящая от крупности, формы и от распределения формы частиц.

Практическая ценность работы:

- разработана методика и устройства изучения процессов сегрегации мелкозернистых материалов с целью определения скорость сегрегации частиц в зависимости от их крупности, плотности и формы, а также от интенсивности их разрыхления;

- установлена во многом определяющая роль сегрегации при разделении мелкозернистых материалов в тонких потоках пульпы, что позволило оптимизировать работу винтовых шлюзов и в целом схемы получения гравитационного концентрата из редкометальных песков, выявить причины дополнительных потерь ценных компонентов, связанных с влиянием формы минеральных зерен;

- разработана технологическая схема обогатительной фабрики на песках Бешпагирского месторождения;

- получены результаты исследований процессов сегрегации будут использованы при разработке новых гравитационных обогатительных аппаратов и технологических схем гравитационного разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и техногенных материалов.

Личный вклад автора:

- постановка целей и задач исследований;

- теоретический анализ сегрегационных сил, действующий на частицы в условиях их стесненного падения;

- проведение на специально разработанной аппаратуре экспериментов по измерению скоростей сегрегации частиц в воздушной и водной среде;

- изучение особенностей сегрегации частиц тяжелых минералов в зависимости от их крупности, плотности и формы при разделении в гравитационных аппаратах и при обогащении мелких песков по оптимизированной замкнутой схеме;

- разработка рекомендаций и технических решений по оптимизации гравитационной технологической схемы.

Реализация результатов работы:

Полученные результаты использованы при проведении полупромышленных испытаний на обогатимость песков месторождения Бешпагир (Тамбовской области) и при разработке технико-экономического обоснования постоянных разведочных кондиций для подсчета запасов титано-циркониевых песков и целесообразности строительства обогатительной фабрики на этом месторождении.

Методы исследования:

При проведении исследований использовались современные методы минералогического, гранулометрического, фазового, пробирного, спектрального, химико-аналитического анализов. В частности, широко использовался полуавтоматический анализатор микроизображенй МОП-Videoplan (ФРГ) в иммерсионной жидкости.

При выполнении исследований применялись математические методы планирования экспериментов, ортогональное центральное рототабельное униформпланирование второго порядка с оценкой значимости коэффициентов при факторах по критерию Стьюдента.

Математическое моделирование процессов сегрегации велось с использованием электронных таблиц Microsoft Excel 7.0.

Апробация работы:

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях студентов и молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2004-2007 гг.), Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии" (Санкт-Петербург, 2004 г.), Молодежной научно-практической конференции проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2005-2006), X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2006 г.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых "Леоновские чтения" (Иркутск, 2004 г., 2006 г.), 2-ой научно-технической конференции "Гравитационные методы обогащения. Современное обогатительное оборудование и новые технологии для переработки минерального сырья" (Новосибирск, 2004 г.), Ежегодной конференции-семинаре "Асеевские чтения. Цветная металлургия" (Санкт-Петербург, 2006 г.), Международном совещании "Плаксинские чтения" (Иркутск, 2004 г.; Санкт-Петербург, 2005 г.; Красноярск 2006 г.), Международной конференции-семинаре-выставке "Восток-Запад" (2004-2006 гг.).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа содержит 185 страницы основного текста, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников из 136 наименований и приложения, включает 65 рисунков и 31 таблицу.

Заключение Диссертация по теме "Обогащение полезных ископаемых", Васильев, Антон Михайлович

5.4. Выводы

1. Процесс сегрегации частиц разного размера и плотности наблюдается при разделении пульп на гравитационных сепараторах различных типов, включая центробежные концентраторы.

2. При обогащении на концентрационном столе следует проводить предварительную классификацию по крупности, причем особенно нежелательно наличие в грубозернистых продуктах мелких классов частиц.

3. При разделении на винтовом шлюзе частиц различного размера и одной плотности (кварц) из-за сегрегации наблюдается перемещение мелких частиц при их малых содержаниях в зону концентрата. Если же мелких частиц подавляющее количество, то в зону концентрата начинают смещаться крупные частицы. Винтовой шлюз менее чувствителен к неоднородности в крупностях разделяемых частиц, чем концентрационный стол.

4. Значительно сказывается процесс сегрегации при обогащении материалов на центробежных аппаратах. Центробежные концентраторы, в которых разрыхление постели производится механическим путем без подачи ожижающей воды, лучше улавливают и удерживают в концентрате тонкие тяжелые частицы.

5. Экспериментальные исследования разделения частиц различного размера и плотности, включая процесс их сегрегации на винтовом шлюзе, позволил установить следующее:

- наиболее высокие результаты обогащения имеют место при некоторой оптимальной производительности по твердому, при которой наблюдается и наиболее интенсивная сегрегация мелких тяжелых частиц, особенно в крайней зоне концентратной части веера;

- интенсивность процесса сегрегации мелких тяжелых частиц и эффективность их выделения в концентрат возрастает при повышении содержания твердого в пульпе;

- извлечение частиц высокой плотности возрастает с увеличением их крупности, пока их размеры не становятся сопоставимыми со средней крупностью всех частиц в пульпе; после этого наблюдается некоторое снижение извлечения крупных тяжелых частиц, связанное с ухудшением их сегрегации;

- наиболее эффективно разделение мелкозернистых материалов в тонких потоках идет при некоторой оптимальной вязкости жидкой фазы (воды), сильно зависящей от температуры, контроль за которой в производственных условиях может помочь избежать дополнительных потерь полезных компонентов, особенно в зимнее время.

Глава 6. Оптимизация схемы гравитационного разделения на винтовых шлюзах в полупромышленных условиях и изучение особенностей сегрегации тяжелых минеральных частиц различной крупности и формы.

В настоящее время винтовые сепараторы широко используются для переработки руд цветных, редких и благородных металлов. Эффективность их достаточно высока. Имеются фабрики, на которых установлены сотни таких аппаратов. Одними из лидеров по производству винтовых сепараторов и шлюзов в России, является фирма "Спирит", за рубежом, фирмы Outokumpu, Roche Mining, Humboldt и др.

В зависимости от профиля спиралей на винтовых сепараторах могут обогащаться как грубозернистые материалы (до 3-5 мм), так и тонкодисперсные смеси, из которых удаётся извлекать частицы высокой плотности размерами 2030 мкм, а иногда и меньше. При этом производительность винтовых аппаратов с выполаживанием профиля поперечного сечения спиралей и уменьшением толщины потока пульпы падает, но зато эффективность разделения тонких частиц растёт. Обогащение тонкоизмельченных руд и мелких песков ведут на винтовых сепараторах, у которых поперечное сечение спиралей в рабочей зоне представляет почти прямую линию. Такие аппараты в России носят название винтовых шлюзов. Большое влияние на эффективность обогащения мелкозернистых продуктов оказывает вязкость пульпы, которая во многом определяется гранулометрической характеристикой разделяемых смесей, особенно наличием в них глин и шламов. Это приводит к необходимости для каждого конкретного обогащаемого материала экспериментально подбирать профиль спиралей, если есть такая возможность, а также устанавливать оптимальную производительность винтовых аппаратов. Последний параметр является одним из самых важных. Стремление минимизировать количество винтовых аппаратов на обогатительной установке сдерживается возможными дополнительными потерями полезных компонентов. Поэтому всегда необходимо проведение подробных и глубоких исследований на обогатимость с учётом реальных возможностей доводки получаемых гравитационных концентратов. Трудно извлекаемые гравитацией тяжёлые частицы обычно плохо извлекаются и в доводочных операциях. Оптимизация схемы гравитационного передела и определение требуемых производительностей, в частности, винтовых аппаратов является сложной многофакторной задачей.

Нами такого рода исследования выполнены в полупромышленных условиях на примере россыпных редкометальных песков Бешпагирского месторождения на пробе весом 10 тонн [32,55]. При проведении испытаний на обогатимость имели место колебания в содержании полезных компонентов в исходном питании схемы, несмотря на проведенное предварительное перемешивание всех песков. Ситовая характеристика песков при сухом рассеве лабораторной пробы с распределением полезных компонентов (ТЮ2, Zr02) приведена в табл. 6.1. При этом следует отметить, что при сухом рассеве выход класса +1 мм был повышенным из-за недостаточно интенсивной дезинтеграции агрегатов.