Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние физико-механических свойств рудных концентратов на конструктивные параметры внутренних устройств барабанных сушилок

ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Влияние физико-механических свойств рудных концентратов на конструктивные параметры внутренних устройств барабанных сушилок"

Субботин Михаил Юрьевич

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РУДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВНУТРЕННИХ УСТРОЙСТВ БАРАБАННЫХ СУШИЛОК

Специальность - 25.00.13 «Обогащение полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЙ 2015

Чита-2015

005569051

005569051

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»).

Научный руководитель: Храмов Анатолий Николаевич, кандидат технических наук, Забайкальский государственный университет, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья

Официальные оппоненты: Матвеев Андрей Иннокентьевич, доктор технических наук, Институт горного дела Севера СО РАН, заведующий лабораторией обогащения полезных ископаемых

Гуляшинов Анатолий Никитич, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук», старший научный сотрудник лаборатории химии и технологий минерального сырья

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Защита состоится 16 июня 2015 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Забайкальском государственном университете (г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний диссертационного совета).

Факс: +7 (3022) 41-64-44, E-mail: kafedraopiivs@mail.ru

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЗабГУ, ученому секретарю совета Д212.299.01, И.А. Бондарь.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет» по адресу: 672000, г. Чита, ул. Кастринская, 1 и на сайте ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет» по электронному адресу:

http://ww\v.zabgu.ru/php/page.plip?querv=subbotin mixail yur'evich

Автореферат разослан 24 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^— Д 212.299.01, канд. техн. наук, доцент И. А. Бондарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Термическая сушка применяется в подавляющем большинстве технологических схем получения продуктов обогащения полезных ископаемых. Несмотря на то, что сушка это одна из самых энергоемких операций в технологии переработки минерального сырья, она остаётся недостаточно изученным процессом.

Согласно анализу результатов обзора сушильных отделений на работающих фабриках и библиографического поиска, в настоящее время весьма актуальным вопросом в эксплуатации барабанных сушилок является неэффективное протекание конвективного теплообмена между горячим топочным газом и частицами высушиваемого концентрата. Это повышает расход тепла, влажность высушенного концентрата, увеличивает количество уноса концентрата с отходящими газами и сокращает срок службы многих узлов сушильных установок. Убытки, причиняемые нерешённостью этих проблем, достигают миллионов рублей в год.

Причиной неэффективного конвективного теплообмена в барабанной сушилке является неравномерное и неполное распределение завесы сушимого концентрата по сечению барабана. Неэффективное распределение завесы по сечению барабана в свою очередь является следствием несовершенства внутренних устройств сушильного барабана.

Основным недостатком разработанных к настоящему времени конструкций внутренних устройств сушильного барабана является то, что при их конструировании не учитывались физико-механические свойства конкретных рудных концентратов. Но физико-механические свойства высушиваемых концентратов горнопромышленной отрасли колеблются в весьма широком диапазоне. Поэтому в настоящее время снижение энергозатрат на сушку рудных концентратов путём усовершенствования внутренних устройств барабанных сушилок с учётом физико-механических свойств высушиваемых концентратов является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. В России в области изучения термической сушки наибольшую известность получили работы В.Б. Сажина, К.Г. Руденко, М.М. Шемаханова, М.Ф. Казанского, В.И. Коновалова, A.B. Лыкова, С.Т. Антипового, М.О. Долматовой, В.А. Кудрявцева, Ю.И. Шишацкого, А.Н. Храмова и др.

Известно, что основным свойством, влияющим на конструкцию внутренних устройств сушильного барабана, является сыпучесть рудного концентрата, наиболее показательно отражаемая его углом естественного откоса. Величина угла естественного откоса рудного концентрата, имеющего переменную влажность, существенно превышает величину угла естественного откоса сухого концентрата, и меняет своё значение на протяжении сушки. Следовательно, изучение факторов, влияющих на величину угла естественного откоса рудного концентрата, имеющего переменную влажность, является актуальной задачей, требующей решения.

Идея работы состоит в повышении эффективности конвективного теплообмена путём учёта физико-механических свойств рудного концентрата при конструировании внутренних устройств барабанной сушилки.

Цель работы - исследовать особенности физико-механических свойств рудных концентратов, влияющие на конструктивные параметры внутренних перемешивающих устройств барабанных сушилок.

Для достижения цели потребовалось решить следующие основные задачи:

- исследовать и проанализировать факторы, влияющие на величину угла естественного откоса, образуемого на внутренних лопатках сушильного барабана;

- изучить основные зависимости и характеристики взаимодействия поверхности частиц рудного концентрата и жидкости;

- используя экспериментальные и справочные данные, научные статьи и отчёты о НИР, изучить влияние температуры сушильного агента, размера частиц, плотности, удельной поверхности на единицу массы и гидрофильности сушимого рудного концентрата на его угол естественного откоса;

- усовершенствовать методики и аппаратуру для экспериментального изучения кинетики сушки и сыпучести рудных концентратов в лабораторных условиях;

- оценить экономическую эффективность использования результатов исследовательской работы для усовершенствования внутренних устройств промышленных барабанных сушилок.

Методы исследований. Применен комплекс современных методов исследований: анализ и обобщение ранее выполненных исследований по интенсификации термической сушки рудных концентратов; лабораторные исследования (гранулометрический анализ, лазерная дифрактометрия на анализаторе МаяЮгятег 2000, исследование кинетики сушки при помощи подовой печи, определение краевого угла смачивания и угла естественного откоса, определение плотности); физическое моделирование; математическое моделирование; геометрическое моделирование; статистическая и математическая обработка экспериментальных данных на ЭВМ; технико-экономический прогноз.

Объект исследования. Сыпучие минеральные пробы концентрата (НШК) и измельчённой руды (НШИ) Ново-Широкинской обогатительной фабрики, слюдяной (МСК) и полевошпатовый (МПК) концентраты Малышевской обогатительной фабрики, флюоритовый концентрат (КК) Кличкинской обогатительной фабрики (Гарсонуйское месторождение), гравитационный концентрат (МК) касситеритовой руды месторождения Гардунайское.

Предмет исследования. Физико-механические свойства рудных концентратов, влияющие на конструктивные параметры внутренних устройств барабанной сушилки для рудных концентратов.

Научные положения:

1. Угол естественного откоса рудного концентрата, определяющий конструктивные параметры внутренних устройств барабанной сушилки, является статическим, причём его величина зависит от влажности концентрата в соответствии с линейной функцией.

2. Величина приращения угла естественного откоса на единицу влажности зависит от средневзвешенного размера частиц рудного концентрата, его краевого угла смачивания и температуры сушильного агента.

Научная новизна:

1. Установлено, что угол естественного откоса рудного концентрата, образуемый на лопатках барабанной сушилки, является статическим.

2. Установлен ряд частных зависимостей угла естественного откоса различных рудных концентратов от их влажности. Выявлено, что все данные зависимости являются линейными и характеризуются коэффициентом, отражающим зависимость угла естественного откоса рудного концентрата от его влажности.

3. Установлено, что величина коэффициента изменения угла естественного откоса рудного концентрата зависит от средневзвешенного размера частиц, краевого угла смачивания рудного концентрата и температуры сушильного агента, и при этом не зависит от плотности частиц рудного концентрата.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается: -высокими значениями коэффициентов корреляции (R>0,87), полученными при статистической обработке экспериментальных данных;

-применением стандартизированных методик экспериментальных исследований: пикнометрического метода определения кажущейся плотности, метода измерения кривизны пузырька при определении краевого угла смачивания, дифракционного и ситового анализа для определения гранулометрического состава, методики изучения кинетики сушки в подовой печи;

-сходимостью результатов теоретических и лабораторных экспериментальных исследований;

-значительным объёмом проведённых экспериментальных исследований. Практическая значимость. Результаты исследований позволяют проектировать внутренние устройства промышленных барабанных сушилок, с учётом угла естественного откоса высушиваемого рудного концентрата и его изменения в течение сушки с целью повышения эффективности конвективного теплообмена между тепловым агентом и частицами рудного концентрата, что снижает расход топлива, температуру отходящих газов, износ уплотнений барабана и унос рудного концентрата.

Дополнительной областью применения полученных зависимостей является расчёт угла откоса, высоты и объёма отвалов и рудных штабелей.

Разработан лабораторный аппарат для исследования кинетики сушки рудных концентратов (патент №2492397). Усовершенствована конструкция барабанной сушилки (подана заявка на предполагаемое изобретение).

Результаты работы внедрены в процесс проектирования в филиале ЗАО "ТОМС инжиниринг" в Чите (акт №29-ЗФ от 4 марта 2015г.), приняты к внедрению на обогатительной фабрике ОАО «Малышевское рудоуправление» для модернизации барабанных сушилок (протокол заседания научно-технического совещания № 5/15 286 от 22 февраля 2013г.), внедрены в процесс проектирования в ЗАО «РИВС-проект» (протокол заседания научно-технического совещания № 5/15 286 от 22 февраля 2013г.), а также в учебный процесс кафедр: «Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья» (акт № 14.1-822 от 16.03.2015) и «Открытые горные работы» (акт № 14.1-823 от 16.03.2015) ЗабГУ.

Настоящая работа выполнялась в рамках научного направления ЗабГУ по госбюджетной теме № 9 «Разработка экологически безопасных ресурсосберегающих и комплексных технологий переработки труднообогатимого минерального сырья» на период с 01.07.2007 г. по 30.06.2012г., научно-исследовательского проекта НИЦИТ ЗабГУ по теме «Научное обоснование и разработка инновационных технологий извлечения ценного компонента из бедных руд и техногенных образований в условиях Забайкалья» и договора №06/11ЮШ от 16.06.12 г. "Реконструкция обогатительной фабрики ОАО "Малышевское рудоуправление" для переработки руд Южно-Шамейского месторождения".

Личный вклад автора: состоит в определении цели работы и постановке задач исследования; проведении теоретического и математического анализа; определении методики и проведении экспериментальных исследований; проведении математического анализа статистических данных на ЭВМ; разработке аппарата для исследования кинетики сушки рудного концентрата при режимах сушки, близких к барабанной сушилке; усовершенствовании и изготовлении прибора, моделирующего условия образования естественного откоса на лопатках барабанной сушилки;

изготовлении аппаратов для измерения угла естественного откоса; разработке и изготовлении установки, моделирующей образование завесы падающего рудного концентрата в сечении сушильного барабана.

Апробация. Основные результаты работы и отдельные положения докладывались и обсуждались на следующих научно-практических мероприятиях:

- Международная молодёжная научная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». Москва, ИПКОН РАН, 2012г.;

- Молодёжь и наука Забайкалья: III молодёжная научная конференция. Чита, ИПРЭКРАН, 2013г.;

- Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья (Плаксинские чтения 2013).г. Томск, 2013г.;

- Кулагинские чтения: Межународная научно-практическая конференция. Чита, ЗабГУ, 2011, 2012, 2013, 2014 гг.;

- Научно-практическая конференция студентов, магистрантов и аспирантов Забайкальского государственного университета. Чита, ЗабГУ, 2012-2015гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК Минобр-науки России. Получен один патент на изобретение.

Объем и структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка - 136 наименований, включает 174 с. машинописного текста, 25 таблиц, 77 рисунков и 6 приложений.

В первой главе приведен анализ состояния науки и техники в области сушки рудных концентратов в настоящее время. Излагается основа идеи работы, формируются задачи.

Во второй главе формулируется в развёрнутом виде идея работы. Излагается теоретическое решение задач работы и теоретическое доказательство защищаемых научных положений.

В третьей главе представлены порядок и результаты экспериментальных исследований, а также результаты математической обработки экспериментальных данных.

В четвёртой главе освещён порядок и укрупнённая экономическая оценка внедрения результатов работы при усовершенствовании сушильных барабанов обогатительной фабрики Малышевского рудоуправления.

В заключении обобщены основные результаты исследований, полученные в соответствии с поставленными задачами.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, Храмову А.Н., профессорам, док. техн. наук: В.П. Мязину, Л.В. Шумиловой, A.B. Фатьянову, док. геол.-минер. наук, Ю.В. Павленко, и всему коллективу кафедры "Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья" ЗабГУ, а также канд. техн. наук Д.С. Гончарову, за конструктивные предложения и поддержку при проведении теоретических, экспериментальных исследований, их практической реализации и внедрении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первое защищаемое положение

При решении вопросов, связанных с сыпучестью дисперсного материала различают статический угол естественного откоса сыпучих материалов, образованный при разрушении слоя частиц после удаления подпорной стенки, и динамический, образованный при падении частиц на плоскость. При этом известно, что величина

динамического угла естественного откоса всегда превышает величину статического угла естественного откоса того же сыпучего материала. Очевидно, что для точного учёта свойств сыпучего материала, подлежащего сушке, необходимо выяснить, какой именно угол естественного откоса образуется на лопатках барабанной сушилки. Но, исходя из одних лишь определений статического и динамического углов естественного откоса, угол, образуемый рудным концентратом, ссыпающимся с поворачивающейся лопатки, нельзя однозначно отнести к одной из этих двух категорий (величин).

Для определения вида угла естественного откоса, образуемого на лопатках сушильного барабана, проведён теоретический анализ факторов, определяющих величину статического и динамического углов естественного откоса.

Разместим частицу рудного концентрата в состоянии предельного равновесия на наклонной поверхности того же минерального состава, имеющей максимальный угол наклона относительно горизонтали (статический угол естественного откоса

фст)-

В данном случае на частицу действуют следующие силы: вес Р; сила реакции опоры, N; сила, стремящаяся сместить частицу вниз по склону Р'; сила трения покоя F,p.

Р' = Ftp = Р cosec <рст (1)

При условии, что частица упала на данную плоскость, и остановилась под действием силы тяжести (динамический угол естественного откоса фд„„) то к вышеупомянутым силам прибавляется сила инерции.

I + Р' = F^ =Р cosec фд„„. (2)

Поскольку (I + Р') > Р', получаем

Р cosec (рдпн. >Р cosec <рст. (3)

cosec фдин. > cosec фст. (4)

фдин < фст. (5)

Исходя из вышеперечисленного, фактором, обуславливающим увеличенное значение динамического угла естественного откоса, является наличие инерции, сообщаемой частицам при образовании динамического угла естественного откоса.

В таком случае динамический и статический углы естественного откоса могут быть охарактеризованы следующим образом:

1. динамическим углом естественного откоса является угол, образованный частицами, имеющими в начале ссыпания по склону дополнительно сообщённую инерцию;

2. статическим углом естественного откоса является угол, образованный частицами, перед началом ссыпания по склону находящимися в состоянии покоя относительно образуемого склона.

Поскольку частицы рудного концентрата перед ссыпанием с лопатки сушильного барабана находятся на ней в состоянии покоя, предполагается, что угол естественного откоса рудного концентрата, образуемый на поворачивающихся лопатках сушильного барабана, имеет значение, соответствующее статическому углу естественного откоса.

Для экспериментальной проверки этой гипотезы по образцам апробированных приборов, указанных в стандартных методиках и ГОСТах, изготовлены два прибора для измерения динамического угла естественного откоса (приборы №№ 1, 2) и два прибора для измерения статического угла естественого откоса (приборы №№ 4,

5). Для моделирования условий образования угла естественного откоса во

Рис. 1. Изготовленные приборы для определения угла естественного откоса сыпучих

материалов

На каждом приборе выполнена серия тестов по пять измерений угла естественного откоса воздушно-сухого свинцового концентрата Ново-Широкинской обогатительной фабрики (НШК 1.0) в идентичных условиях. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Табл. 1 - Результаты измерения угла естественного откоса пробы НШК 1.0

Прибор замер №1 замер №2 замер №3 замер №4 замер №5

№1 (стат. угол ест. отк.) 38 41 39 39 38

№2 (стат. угол ест. отк.) 40 38 39 39 40

№3 (моделирование угла в сушилке) 48 49 47 48 49

№4 (динам, угол ест. отк.) 50 47 49 48 49

№5 (динам, угол ест. отк.) 42 38 44 49 40

Некоторые из результатов измерений на приборе №5 оказались заниженными по причине разрушения вершины образуемого склона в силу конструктивных особенностей прибора.

Кроме того, проведена серия экспериментов на аттестованной согласно ГОСТ 27802-93 установке для измерения статического угла естественного откоса. Полученное на данной установке значение динамического угла естественого откоса (39°) соответствует значению, полученному при помощи изготовленных приборов для измерения статического угла естественного откоса.

На основании полученых данных построена диаграмма, показывающая разницу между показаниями приборов (рис. 2).

-

------

18 13 3 ° § теза Р те «Э « О * р 8,1 а § к н 5 ё

-

...

динамический угол естественного откоса -1111" В а&г- " о статический угол естественного откоса

12 3 4 5 приборы

Рис. 2. Результаты измерений угла естественного откоса

По показаниям приборов видно, что угол естественного откоса, образуемый на поворачивающейся лопатке прибора № 3 действительно имеет величину, идентичную статическому углу естественного откоса (приборы №№ 4, 5). Это

позволяет определить угол, образуемый на лопатках барабанной сушилки, как статический.

Известно, что угол естественного откоса влажного концентрата превышает угол естественного откоса воздушно-сухого рудного концентрата. Это обусловлено тем, что на частицы влажного концентрата действуют связующие капиллярные силы.

Следовательно, для точного учёта свойств сушимого концентрата в конструкции сушилки, необходимо установить, как меняется величина угла естественного откоса данного концентрата в зависимости от его влажности.

Так как интенсивность капиллярных сил пропорциональна влажности данного рудного концентрата, предполагается существование зависимости величины угла естественного откоса от влажности данного рудного концентрата.

Для исследования данной зависимости проведена вторая серия экспериментов. Пробы рудных концентратов и измельчённой руды замачивались до появления свободной влаги над поверхностью, после чего проводилась их сушка в сушильном шкафу при температуре 120 градусов по цельсию. При этом периодически производилось перемешивание и замер угла естественного откоса каждой пробы при помощи прибора №3 с фиксированием температуры пробы. После каждого замера статического угла естественного откоса часть пробы, на которой был произведён замер, взвешивалась и высушивалась с целью определения её влажности. Всего исследовано 13 проб влажных рудных концентратов и измельчённой руды. Химически связанная влага не удалялась, так же, как и при промышленной сушке в барабанных сушилках. По этой причине она не учитывалась, и высушенная до постоянной массы проба условно считалась имеющей нулевую влажность.

Математической обработкой полученных экспериментальных данных установлено, что с учётом капиллярных сил зависимость угла естественного откоса рудного концентрата от его влажности подчиняется линейной функции имеющей вид:

9ст.маж=В^+фст., (6)

где фст.ВлаЖ и фст - соответственно статический угол естественного откоса влажного и воздушно-сухого рудного концентрата, град.

В - коэффициент, изменения угла естественного откоса рудного концентрата от его влажности, устанавливаемый опытным путём для каждого рудного концентрата, ед;

- влажность рудного концентрата, %.

Причём, обнаружено, что при повышении температуры влажного рудного концентрата, по причине увеличения количества свободной энергии на границе раздела фаз жидкость/газ/твёрдое увеличивается и интенсивность действия капиллярных сил. На рис. 3 приведено 4 из 23-х полученных зависимостей углов естественного откоса от влажностей рудных концентратов. Полный перечень полученных зависимостей приведён в табл. 2.

Таким образом, установлено, угол естественного откоса рудного концентрата, определяющий конструктивные параметры внутренних устройств барабанной сушилки является статическим, причём его величина зависит от влажности концентрата в соответствии с линейной функцией. Эта зависимость позволяет рассчитать угол естественного откоса рудного концентрата и определить

для него оптимальные параметры сушильного аппарата. Вышеизложенным доказывается первое научное положение.

- 10,00 ¡5. 75,00 [ 70,00 ) 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00

78*^+47,79

В.* =0,8

0,00

1.50

3,00 % 4,50

*И

&80 «70

К

50 40

'*'' I

.. ' г ^ -

1- '

■ = 7 00 '«■+48 л

/ 1 11* = 0. !

0,00

1Д1 3,00 у,. % 4.50

(НШК 1.0) 22°С

(НШК 1.0) 100°С

¡Г

&90

*

я

Г

70 60 50 40

_ *

. -Т

„ - . „ '

, * -

гГ -8,5: 2,93

1 . 1.7

1

4

100

3

£.90 5 80 |?0 <0 30 40

- Л /

у = 18.11*«'+51.76

4. -' ^=0.7

0,00

1.50 % ЗЛО

(МСК 1.0) 22°С

(МСК 1.0) 100°С

Рис. 3. Зависимости углов естественного откоса от влажностей рудных концентратов Табл. 2 - Результаты экспериментального исследования зависимостей углов

Наименование пробы Температура сушильного агента, °С Коэффициент изменения угла естественного откоса, ед Угол естественного откоса сухого материала, град Зависимость угла естественного откоса от влажности

1 2 3 4 5

НШИ 1.0 22 9,32 40 Фст.влаж — 6,78 • \У+ 36,78

НШИ 2.0 22 9,47 40 Фст.влаж= 7,99 • 38,08

100 10,21 40 Фст.влаж = 10,21 ■ 41,39

НШИ 3.0 22 8,93 40 фст.влаж =8,93 41,86

100 9,8 40 Фст.влаж = 9,8 40,13

НШИ 4.0 22 8,43 40 Фст.влаж = 8,43 • \У+ 39,81

100 9,78 40 Фст.влаж = 9,78 ■ -\У+ 40,72

НШИ 5.0 22 10,03 40 фст.влаж = 10,03 ■ 40,33

100 11,83 40 Фст.влаж = 11,83 "\У+ 38,7

НШИ 6.0 22 8,23 40 Фст.влаж =8,23 ■ 41,28

100 9,92 40 фст.влаж = 9,92 ■ 41,32

НШК 1.0 22 6,78 47 Фст.влаж = 6,78 ' 47,79

100 7,99 47 Фст.влаж =7,99 ■ \У+ 48,6

Окончание табл. 2

1 2 3 4 5

МК 1.0 22 15,12 35 фст.влаж = 15,12- 35,6

100 20,51 35 Фет = 20.51 ■ \У+ 35,97

МСК 1.0 22 8,57 50 Фст.влаж = 8.57 • \У+ 52,93

100 18,11 50 Фсгвлаж = 18,11 • 5 1,76

МПК 1.0 22 21,52 45 Фет „лаж = 21,52 45,17

100 41,52 45 Фс.влаж= 41,52 • \У+ 44,84

МПК 2.0 22 21,52 45 Фст.влаж = 21,86 • 45,62

МПК 3.0 22 21.52 45 Ф„влаж= 21,9 -\У+ 44,18

КК 1.0 22 5,14 44 Фст»лаж= 5,14 -\У+ 46.83

100 8,13 44 Фст.влаж = 8,13 • \У+ 44,88

Второе научное положение

Для снижения объёма экспериментальных работ при проектировании внутренних устройств сушильного барабана необходимо выявить факторы, влияющие на величину коэффициента изменения угла естественного откоса рудного концентрата.

Так как приращение величины угла естественного откоса обусловлено действием капиллярных сил, а увеличение суммарной поверхности частиц ведёт к увеличению количества влаги, необходимой для обеспечения их смачивания, предполагается наличие зависимости коэффициента изменения угла естественного откоса от средневзвешенного размера частиц рудного концентрата.

Поскольку при проведении второй серии экспериментов замечено, что величина коэффициента изменения угла естественного откоса рудного концентрата возрастает с увеличением температуры сушильного агента (табл. 2), предполагается наличие зависимости данного коэффициента от температуры сушильного агента. Кроме того, интенсивность действия капиллярных сил в массиве рудного концентрата находится в прямой зависимости от гидрофильное™ его частиц. На основании этого предполагается, что величина коэффициента изменения угла естественного откоса зависит от гидрофильности концентрата.

Кроме того предполагается, что вес, и как следствие плотность частиц, не оказывают существенного влияния на величину коэффициента изменения угла естественного откоса. Это объясняется тем, что капиллярные силы проявляются только тогда, когда размер капиллярных полостей настолько мал, что сила тяжести не играет существенной роли.

Таким образом, теоретически установлено, что величина коэффициента изменения угла естественного откоса зависит от температуры сушильного агента, средневзвешенного размера и гидрофильности частиц рудного концентрата, и при этом не зависит от его плотности.

Для экспериментальной проверки данного утверждения определялись краевой угол смачивания, плотность и гранулометрический состав исследуемых проб.

Для гранулометрического анализа выбрано два метода: ситовой анализ и лазерная дифракция. На основании данных гранулометрического анализа статистическими методами определено значение средневзвешенного диаметра частиц.

Анализ на гидрофильность проводился по следующей методике. На цифровую фотокамеру фотографировались пузырьки воздуха на поверхности гидрофильных проб, помещённых под воду в стеклянную кювету и капли воды на поверхно-

сти гидрофобных проб. Полученные фотографии обрабатывались на ЭВМ для измерения краевого угла смачивания.

Плотность определялась пикнометрическим методом. Результаты всех тестов рудных проб приведены в табл. 3.

Табл. 3 - Результаты тестов рудных проб

Наименование пробы 32 ас к 3 сч я к 3 я к 3? ас ы 3 1П ас к 3 ЧО ас к з 5 ас и Е и я 2 - « Я ьг _ « Я « <ч « О ьг ^

Размер средневзвешенной частицы, мм 10 сГ гч сГ <4 чо о" о" оо гн о' (Ч го о СП о" <ч о" ЧО о' оо о о" Оч оо о о~ ОС ОС о о'

Плотность частиц пробы, г/см3 «о оо сч V) 00 С-Г 1Г> ОС ГЧ V-) оо VI оо <ч" »о оо г-Г о о 1Л сч" •о о! СП 'V. 04 СП гч сн см СП

Величина краевого угла смачивания, град. о го о СП о ГО о т о СП о сп «о ■я- оо г-сч О) о г- о г- о

Проведена математическая обработка полученных гранулометрических данных, и данных исследования угла естественного откоса исследуемых проб (рис.

4).

03' 12 11

ю

9 8

6

♦ при темп Воздуха 22СС ■ при темп. Воздуха 100°С '

Рис. 4. Зависимость коэффициента изменения угла естественного откоса В исследуемых проб НШИ от размеров их средневзвешенных частиц О

Согласно выявленным в результате математической обработки экспериментальных данных зависимостям, величина коэффициента изменения угла естественного откоса рудного концентрата пропорциональна размеру его средневзвешенной частицы.

Результаты экспериментального определения краевого угла смачивания испытуемых проб математически обработаны на ЭВМ. Выявлены зависимости коэффициента изменения угла естественного откоса исследуемых проб от размеров их краевого угла смачивания (гидрофильности) (рис. 5).

Выявленные в результате математической обработки экспериментальных данных зависимости показывают, что величина коэффициента изменения угла

естественного откоса рудного концентрата снижается при снижении его краевого

Рис. 5. Зависимость коэффициента изменения угла естественного откоса В исследуемых проб от размеров их краевого угла смачивания б (гидрофильности) при температуре окружающего воздуха а)22° С и 6)100° С

Результаты экспериментального определения удельной поверхности на единицу массы исследуемых проб обработаны математически на ЭВМ. Выявлены зависимости коэффициента изменения угла естественного откоса исследуемых проб от их удельной поверхности на единицу массы (рис. 6).

V, м-.'кт

♦ прнтемп Воздуха22°С ■ при темп Воздуха 100°С Рис. 6. Зависимость коэффициента изменения угла естественного откоса В исследуемых проб НШИ от их удельной поверхности на единицу массы V

Полученные в результате математической обработки экспериментальных данных зависимости показывают, что величина коэффициента изменения угла естественного откоса рудного концентрата обратно пропорциональна его удельной поверхности на единицу массы. Но при этом легко заметить, что данные зависимости имеют меньшие коэффициенты корреляции, чем зависимости коэффициента изменения угла естественного откоса исследуемых проб НШИ от размеров их средневзвешенных частиц, так как на величину размера средневзвешенной частицы не оказывает влияния плотность частиц, снижающая точность зависимости. Следовательно, для исследования механических свойств рудных концентратов рациональнее использовать зависимость коэффициента

изменения угла естественного откоса исследуемых проб от размеров их средневзвешенных частиц.

Далее проведен математический анализ всего объёма экспериментальных данных с целью определения зависимости коэффициента изменения угла естественного откоса от трёх характеристик рудного концентрата: гидрофильности, средневзвешенного размера частиц и плотности. Причём обработка проводилась для двух массивов данных: при температуре проб 22°С и 100°С.

Для обработки массива полученных экспериментальных данных использовался программный продукт «Microsoft Office Excel». В процессе обработки получены функции зависимости коэффициента изменения угла естественного откоса от гидрофильности и средневзвешенного размера частиц исследуемых проб для температур рудного концентрата 22°С и 100°С. Они имеют следующий вид:

z= 10+22 *0.77(022*у+"0"5)-4.5*0.02<009*х) (7)

для температуры 22°С,

z= 10+100*0.77(1*у+~2)-4.5*0. Ю<0 09 *х) (8)

для температуры 100°С,

Зависимости были аппроксимированы в одну с выявлением значения, соответствующего температуре испытуемой пробы. Полученная единая функция зависимости коэффициента изменения угла естественного откосаот гидрофильности, средневзвешенного размера частиц и температуры рудного концентрата имеет следующий вид:

~ " --(9)

где В - коэффициент изменения угла естественного откоса, ед;

D - средневзвешенный размер частицы, мм;

9 - краевой угол смачивания сыпучего материала, град;

Т - температура окружающего воздуха, °С. Коэффициент корреляции составил 0.9.

Графическое отображение данной функции для температур рудных концентратов 22 и 100°С в виде поверхностей представлено на рис. 7.

а б

Рис. 7. Зависимость величины коэффициента В от размера средневзвешенного зерна и краевого угла смачивания рудного концентрата при его температуре а)22°С и б)100°С

Для проверки результатов исследований с помощью функций (6) и (9) рассчитан угол естественного откоса влажного свинцового концентрата Новоши-рокинского ГОКа (НШК 1.0) при его влажности 4% и температуре окружающего

воздуха 50°С. Расчётный угол естественного откоса составил 75,8°. После этого угол естественного откоса данного концентрата в заданных условиях измерен экспериментально при помощи прибора №3. Экспериментально измеренный угол естественного откоса составил 78°. Расхождение расчётного и экспериментального результатов составило 3%.

Следовательно, величина приращения угла естественного откоса на единицу влажности зависит от средневзвешенного размера частиц рудного концентрата, его краевого угла смачивания и температуры сушильного агента. Вышеизложенным доказывается второе научное положение.

Применение полученных результатов исследований Для максимально эффективного конвективного теплообмена внутренние устройства сушильного барабана должны проектироваться в соответствии с изменяющимся углом естественного откоса рудного концентрата, который может быть рассчитан по формулам (6) и (9).

Конструкция предлагаемых внутренних устройств показана на рис. 8. Лопатки, расположенные ближе к центру сечения барабана, обеспечивают завесу рудного концентрата в правой части сечения барабана (рис. 8 а). Лопатки же, расположенные ближе к периферии сечения барабана, обеспечивают завесу рудного концентрата в левой части сечения барабана (рис. 8 б). Такое расположение лопаток барабана обеспечивает полное покрытие сечения барабана завесой высушиваемого рудного концентрата (рис. 8 в).

сушилки

При проектировании данных внутренних устройств угол наклона лопаток должен выбираться в соответствии с углом естественного откоса высушиваемого влажного рудного концентрата с поправкой на поворот барабана (рис. 9).

барабана

Угол наклона лопаток 1 основанию лопастей 3 (рис. 9а) равен

Р= 45 + ф ст.влаж ? град, (10)

угол наклона лопаток 1 основанию лопастей 3 (рис. 96) равен

а= 90 + фст. шаж, град, (11)

Угол естественного откоса определяется на основании выражений (6) и (9). Изменяющаяся в течение сушки влажность определяется на основании кинетики сушки. Для проверки эффективности лопаток, усовершенствованных с учётом физико-химических свойств рудного концентрата, путём физического масштабного моделирования на кафедре ОПИ и ВС ЗабГУ была сконструирована установка, моделирующая движение сушимого рудного концентрата в сечении сушильного барабана.

На данной установке была проведена серия опытов на пробе МПК 1.0 при влажности от 0,0 до 10,98% с использованием стандартных лопаток, сдвоенных лопаток, и сдвоенных лопаток, усовершенствованных с учётом физико-химических свойств рудного концентрата. Причём усовершенствованные лопатки были спроектированы согласно формулам (6, 9, 10 и 11).

Моделирование движения сушимого рудного концентрата в сечении сушильного барабана проводилось на барабане диаметром 320 мм и лопатках в количестве 12 штук при загрузке барабана 20% по образцу барабанных сушилок БН 1,6-10НУ-01, действующих на обогатительной фабрике Малышевского рудоуправления (масштаб 1:5). Результаты моделирования для стандартных и усовершенствованных сдвоенных лопаток приведены на рис 10 и 11 соответственно.

Рис. 10. Моделирование завесы сушимого рудного концентрата на пробе МПК 1.0 при использовании стандартных лопаток

при

влажности 4,1%

при

влажности 0,38%

при

влажности 10,98%

при

влажности 2,25%

при

влажности 6,56%

при

влажности 0,61%

Согласно анализу результатов опыта, стандартные лопатки показали минимальное значение площади завесы (0%) при влажности пробы 10,98%, а максимальное (70%) при влажности пробы 0,38% (рис. 10). Сдвоенные лопатки показали минимальное значение площади завесы (0%) при влажности пробы 10,71%, а максимальное (84,9%) при влажности пробы 0,31%. Сдвоенные лопатки, усовершенствованные с учётом изменения угла естественного откоса показали минимальное значение площади завесы (69,5%) при влажности пробы 7,97%, а максимальное (87,8%) при влажности пробы 0,22% (рис. 11).

Рис. 11. Моделирование завесы сушимого рудного концентрата на пробе МПК 1.0 при использовании усовершенствованных сдвоенных лопаток

при

влажности 10,3 %

при

влажности 2,09 %

при

влажности 7,97 %

при

влажности 1,07 %

при

влажности 3,95 %

при

влажности 0,22%

На основании математического анализа (рис. 12) полученных экспериментальных данных сделан вывод, что наименьшую эффективность имеют стандартные лопатки, так как при их использовании площадь завесы при повышении влажности концентрата снижалась наиболее значительно.

Сдвоенные лопатки показали высокую площадь завесы только при влажности пробы 0-2,25%, так как приспособлены именно для данной сыпучести рудного концентрата. При этом лопатки, усовершенствованные с учётом изменения сыпучести рудного концентрата показали высокую равномерность и полноту заполнения сечения барабана завесой падающего материала при всех значениях влажности.

Следовательно, учёт изменяющейся сыпучести рудного концентрата согласно формулам (6, 9, 10 и 11) позволяет увеличить площадь завесы падающего рудного концентрата в сечении сушильного барабана, эффективность конвективного теплообмена, и как следствие, снизить расход топлива.

Рис. 12. Изменение площади завесы падающего рудного концентрата в зависимости от его

влажности,

1 - сдвоенные лопатки, усовершенствованные с учётом изменения сыпучести рудного концентрата; 2 - сдвоенные лопатки; 3 - стандартные лопатки

На примере сушильного отделения обогатительной фабрики Малышевского рудоуправления, проведён укрупнённый расчёт технико-экономических показателей модернизации барабанных сушилок (табл. 4). Общие затраты на модернизацию на шести барабанов составят 1 512 ООО рублей.

Табл.4 - Технико-экономические показатели усовершенствования сушилок

Наименование параметра Числовое значение

до усовершенствования после усовершенствования

Угол поворота барабана с момента выхода лопасти из завала до момента полного ссыпания материала с лопасти, рад 3,174 2,1

Количество потребляемого топлива, кг/с 0,056 0,044

Затраты на топливо, руб./мес. 65318,4 51321,6

Общая экономия от усовершенствования шести барабанов, руб/год. - 1007770

Предотвращённые затраты на ликвидацию дефектов дымоходов составят около - 30 000

Общий доход от усовершенствования шести барабанов, руб/год. - 1 037 770

Дисконтированный доход от усовершенствования сушильных барабанов, руб. - 2 639 080

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для развития горно-перерабатывающей отрасли: повышение эффективности энергоёмкого процесса термической сушки рудных концентратов на основе интенсификации конвективного теплообмена.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Установлено и доказано, что угол естественного откоса рудного концентрата, образуемый на лопатках барабанной сушилки, является статическим.

2. Установлены зависимости угла естественного откоса от влажности для следующих рудных проб: концентрата и измельчённой руды Ново-Широкинской обогатительной фабрики, слюдяного и полевошпатового концентратов Малышев-ской обогатительной фабрики, флюоритового концентрата Кличкинской обогатительной фабрики (Гарсонуйское месторождение), касситеритового концентрата (Гардунайское месторождение).

3. Разработана математическая модель для расчёта изменяющегося угла естественного откоса влажного рудного концентрата (фствлаж, град.) в процессе сушки в виде линейной функции: <рст.влаж =9CT.cyx+W*B, град, зависящей от ряда параметров: влажности (W, %), угла естественного откоса сухого материала (фС| Сух, град.), коэффициента изменения угла естественного откоса (В, ед), позволяющая определять рациональные конструктивные параметры при проектировании внутренних устройств барабанной сушилки.

4. Установлена зависимость величины коэффициента изменения угла естественного откоса рудного концентрата (В, ед) от средневзвешенного размера частицы (D, мм), краевого угла смачивания (0, град.) и температуры (Т, °С) су-

LlLa 1) Т (0'l W шильного агента В = 10 + Т • 0 77 5<Az" Ч — 4 5. - ед> позволяющая со' ' 1000 ' кратить объём исследований свойств рудного материала перед проектированием внутренних устройств барабанной сушилки.

5. Разработан лабораторный сушильный аппарат, обеспечивающий соотношение конвективного и контактного теплообмена близкое к условиям в промышленной барабанной сушилке при изучении кинетики сушки рудного концентрата (патент РФ №2492397), что повышает точность измерений и применимость полученных результатов при проектировании усовершенствованных внутренних устройств барабанных сушилок.

6. Разработана, создана и экспериментально апробирована лабораторная установка, физически моделирующая процесс образования завесы сушимого рудного концентрата в сечении сушильных барабанов разных диаметров, и оснащённых различными внутренними устройствами с целью изучения и усовершенствования конструкции последних.

7. Установлена зависимость площади завесы падающего рудного концентрата в рабочей зоне сечения барабана от влажности для стандартных, сдвоенных и усовершенствованных сдвоенных внутренних устройств барабана при сушке полевошпатового концентрата Малышевской обогатительной фабрики.

8. Доказано влияние кинетики сушки, влажности, гранулометрического состава, гидрофильности рудного концентрата и температуры сушильного агента на конструктивные параметры внутренних устройств барабанных сушилок, что подтверждает практическую значимость полученных результатов.

9. Разработаны усовершенствованные сдвоенные внутренние устройства сушильного барабана, учитывающие кинетику сушки и зависимость угла естественного откоса рудного концентрата от влажности. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 2639080 руб.

10. Результаты научно-исследовательской работы внедрены: в проектные бюро ЗАО «ТОМС-Инжиниринг» (акт №29-ЗФ от 4 марта 2015г.) и ЗАО «РИВС-проект» (протокол № 5/15 286 от 22 февраля 2013г.); на обогатительной фабрике ОАО "Малышевское рудоуправление" (протокол № 5/15 286 от 22 февраля 2013г.);

в учебный процесс в ФГОУ ВПО ЗабГУ на кафедрах ОПИ и ВС (акт № 14.1-822 от 16.03.2015) и ОГР (акт № 14.1-823 от 16.03.2015).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Субботин М.Ю. Обоснование конструктивных параметров барабанных сушилок физико-механическими свойствами сыпучих материалов / М.Ю. Субботин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - Москва: Горная книга, 2014. - №12. - С. 218-223.

2. Субботин М.Ю. Повышение эффективности сушки сыпучих материалов за счет интенсификации конвективного теплообмена / М.Ю. Субботин // Вестник Иркутского гос. техн. ун-та. - Иркутск: ИрГТУ, 2014. - № 6 (89). - 304с. -С.161-165.

3. Храмов А.Н. Влияние зависимости угла естественного откоса сыпучего материала от его влажности на конструкцию сушильных аппаратов / А.Н. Храмов, М.Ю. Субботин // Вестник Забайкальского гос. ун-та. - Чита: ЗабГУ, 2013. -№ 1 (92). - 170с.-С. 39-45.

4. Храмов А.Н. Выбор внутренних устройств барабанных сушилок при сушке флотационных концентратов / А.Н. Храмов, М.Ю. Субботин, В.П. Хамья-нов, Б.А. Кутлин // Горный журнал, 2014. - № 11(2208). - 116с. - С. 88-90.

- в прочих изданиях:

5. Субботин М.Ю. Библиографическое исследование процесса сушки продуктов обогащения полезных ископаемых / М.Ю. Субботин // Кулагинские чтения: XI Междунар. науч.-практ. конф. - Чита: ЗабГУ, 2011. - Ч. III. - 263с.

6. Субботин М.Ю. Апробация методик оценки физико-механических свойств рудных концентратов с целью интенсификации их термической сушки / М.Ю. Субботин // Междунар. молодёжная науч. школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». Т.2. 19-23 ноября 2012 г. - Москва: ИПКОН РАН,

2012.-544с.-С. 374-377.

7. Субботин М.Ю. Оценка методик определения угла естественного откоса сыпучего материала / М.Ю. Субботин // Кулагинские чтения: ХНМежунар. науч.-практ.конф. - Чита: ЗабГУ, 2012. - Ч. VI. -161с. - С. 83-85.

8. Субботин М.Ю. Разработка лабораторного аппарата для сушки сыпучих материалов (тезисы доклада) / М.Ю. Субботин // Материалы XXXIX науч.-практ. конф. студ., магистрантов и аспирантов Забайкальского государственного университета. - Чита: ЗабГУ, 2012. - С. 318.

9. Храмов А.Н. Значимость угла естественного откоса мелкодисперсного материала в вопросе его термической сушки / А.Н. Храмов, М.Ю. Субботин // Молодёжь и наука Забайкалья: материалы III молодёжной науч. конф. - Чита: ЗабГУ,

2013. - 116с.-С. 74-79.

10. Храмов А.Н. Изучение сыпучих свойств рудных концентратов с целью интенсификации их термической сушки / А.Н. Храмов, М.Ю. Субботин // Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья (Плаксинские чтения 2013): Материалы Междунар. совещ. Томск, 16-19 сентября 2013 г. - Томск: 15 августа 2013. - 535с. - С. 369-371.

11. Субботин М.Ю. Коэффициент приращения угла естественного откоса влажного сыпучего материала / М.Ю. Субботин // Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов: XIII Междунар. науч.-практ.конф.: сб. ст. в 5 ч. - Чита: ЗабГУ, 2013. - Ч. III. - 203 с. - С. 52-56.

12. Субботин М.Ю. Результаты исследований угла естественного откоса концентратов обогатительной фабрики Малышевского рудоуправления / М.Ю. Субботин // Материалы XL науч.-практ. конф. студентов, магистрантов и аспирантов Забайкальского государственного университета в рамках Молодёжной научной весны - 2013. - Чита: ЗабГУ, 2013. - 167 с. - С. 83-84.

13. Субботин М.Ю. Методика проектирования модернизированных внутренних устройств для барабанной сушилки / М.Ю. Субботин // Молодёжная научная весна - 2014: XLI Научно-практ.конф. студ., магистрантов и аспирантов Забайкальского государственного университета: сб. материалов: в 2 ч. 4.1 / ЗабГУ; ред.-сост. Т.Б. Бердникова, A.B. Шапиева. - Чита: ЗабГУ, 2014. - 264 с. - С. 133-136.

14. Субботин М.Ю. Значение угла естественного откоса влажного материала при его термической сушке / М.Ю. Субботин // Новые технологии в науке о Земле: материалы III Всерос. науч.-практ. конф. - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2013. - С.143-147.

Получен патент на изобретение

15. Пат. 2492397 Российская Федерация, МПК F26B17/14. Аппарат для сушки сыпучих материалов / А.Н. Храмов, М.Ю. Субботин; патентообладатель: Забайкальский гос. ун-т. - № 2012113768/06, заявл. 06.04.2012; опубл. 10.09.2013, 3 е.: ил.

16. Подана заявка на предполагаемое изобретение, МПК F 26 В 17/12. Сушильный барабан / М.Ю. Субботин, А.Н. Храмов патентообладатель: Забайкальский гос. ун-т.

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97 Подписано в печать 08.04.2015 г. Формат 60x84x1/16 Усл. печ. л. 1.1_Тираж 100 экз._Заказ № 21

ул. Александро-Заводская 30, г. Чита, 672039 РНК ЗабГУ