Исследование процессов разделения минералов различной плотности в воздушно-песчаном потоке и разработка новых аппаратов пневмосепарации (стр. 2 )

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы, в котором представлена существующая теоретическая база пневматичексого обогащения  и практическое состояние сухих технологий обогащения различного минерального сырья. Дан анализ существующих отечественных и зарубежных аппаратов пневмосепарации.

В решение проблем, связанных с воздушной классификацией в технологии переработки полезных ископаемых большой вклад внесли  выдающиеся ученые , , В. Кайзер, , и другие ученые и специалисты.

Анализ литературных источников показал, что научные исследования, в основном, касаются решения технологической задачи повышения эффективности обогащения существующих пневматических аппаратов. При этом практически все известные методы и аппараты пневматического обогащения копируют «мокрые» аналоги. Эффективность существующих методов и аппаратов пневматического обогащения весьма ограничивает их применение - областью обогащения минералов и материалов низкой плотности. Имеются только единичные случаи применения их в обогащении золота и аналогичных тяжелых минералов.

Прямых аналогов к предложенным в диссертации новых аппаратов пневмосепарации в практике обогащения минералов средней и высокой плотности  не существуют, что подтверждается полученными патентами РФ.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных работ по исследованию скорости витания минеральных частиц различной плотности и крупности в воздушном потоке.

В практике обогащения полезных ископаемых в гидродинамической среде миграционную способность минеральных частиц оценивают через их гидравлическую крупность — ГК, то есть конечной скоростью погружения частиц в жидкости.

Аналогичным показателем миграционной способности минеральных частиц в воздушном потоке является скорость витания частиц.

Экспериментальными работами на основе сравнения скорости витания частиц (СВ) с их гидравлической крупностью (ГК) установлено существование прямой корреляции между ними, что хорошо иллюстрируется графическим построением на рисунке 1, где приводятся результаты собственных экспериментов.

Рис. 1. Зависимость скорости витания минеральных частиц от их гидравлической крупности

Вместе с тем, проведенные экспериментальные работы по изучению поведения частиц золота различной крупности в воздушно-песчаном потоке в аэродинамических трубах разной конфигурации в зависимости от скорости потока и концентрации в нем песка (дебита песка) показали, что существуют сложности при определении миграционной способности частиц в потоке со скоростями в пределах их витания, т. е. волочением, где форма частиц играет важную роль.

В работе и др. (2002 г.)  установлено, что ГК частиц при известной плотности зависит от формы частиц, а именно от толщины, другие параметры (длина, ширина) на ГК практически не влияют. Особое влияние толщины частицы на ГК объясняется тем, что частицы при установившемся режиме погружения рассекают жидкость своим наибольшим сечением, а их толщина с учетом плотности отражает усредненное удельное давление на жидкость.

Аналогичное явление наблюдается и в воздушной среде. В аэродинамической трубе с постепенно расширяющимся сечением диски парят ориентированные наибольшим сечением перпендикулярно направлению воздушного потока. При этом диски одинакового диаметра и плотности располагаются по высоте друг над другом, по мере уменьшения толщины, то есть по мере уменьшения скорости потока за счет постепенного расширения трубы. Следовательно, скорость витания частиц с одинаковой плотностью, как и их гидравлическая крупность, зависит в первую очередь от толщины частиц. Отсюда, относительную оценку СВ (миграционную способность в аэродинамической среде) частиц одинаковой плотности наиболее рационально определять через их толщину, принимая ее как наиболее важный параметр формы частицы.

Практика показывает, что разделение минералов по плотности в воздушной среде, особенно тяжелых частиц, имеет место в области значительно меньшей скорости витания.

Устойчивая возможность разделения минералов разной плотности из воздушно-песчаного потока позволила выявить новую характеристику миграционной способности частиц в воздушно-песчаном потоке.

С целью изучения  миграционной способности  минеральных частиц в воздушном потоке при скоростях меньших скорости витания частиц нами был сконструирован и изготовлен специальный стенд. Основным рабочим органом является аэродинамическая труба, изогнутая по окружности и градуированная от 0О до 90О (рис. 2).

Рис. 2. Схема стенда для изучения способности транспортировки частиц в условиях воздушного потока. 1 – отверстие, 2 – аэродинамическая труба, 3 – отверстие для подачи воздуха, 4 – дозатор песка, 5 – приемная воронка, 6 – сетка, 7 – вибратор

При проведении экспериментов установлено, что для каждой  частицы имеется своя конечная скорость воздушного потока, при которой она отрывается от поверхности трубы и переходит в состояние витания, затем перемещается вертикально и выносится из трубы. Причем, на характер поведения частиц на изогнутой поверхности радиус кривизны практически не влияет.

Полученные данные при замере минералов различной плотности показывают отчетливую зависимость углов смещения (равновесное состояние частиц на кривой поверхности при заданной усредненной скорости потока) испытуемых частиц от величины скорости потока.

Графические построения показывают, что зерна различных минералов имеют свою характерную кривую зависимости величин смещения от скорости потока (рис. 3). Следовательно, эти кривые характеризуют их поведение в воздушном потоке. Причем, они отражают состояние частиц в динамике, то есть от начала страгивания их при малых скоростях и до перехода в состояние витания. В  известных нам работах поведение частиц в воздушном потоке оценивается  лишь одной величиной – СВ.

Угол смещения частицы на вогнутой осадительной поверхности аэродинамической трубы находится в квадратичной зависимости от скорости потока, что согласуется с общей закономерностью расчета силы давления потока на частицу от скорости.

Рис. 3. Зависимость угла смещения частиц от скорости потока

В случае логарифмирования и аппроксимации кривые преобразовываются в прямые (рис. 4). На основе этого выделен новый параметр миграционной способности частиц, который может быть использован для оценки возможности перемещения частиц волочением при скоростях менее СВ.

Эта величина предварительно определена нами как аэродинамическая крупность (АДК) минеральных частиц.

Определяется она по формуле:

где, v — скорость потока в м/с; [α] — абсолютная величина угла смещения частиц, в градусах.

Рис. 4. Зависимость log угла смещения от скорости потока

Как видно из результатов, АДК каждой частицы является величиной постоянной и, в пределах точности измерения, не изменяется при различных скоростях потока вплоть до скорости витания частицы. Следовательно, если известна скорость витания частицы, можно определить её АДК, которая представляет собой частное log[90О] от скорости витания частицы. При необходимости, появляется возможность определения скорости, при которой частица может преодолеть уклон заданной величины:

v=АДК· log[90О]· log[α]

Важность нового параметра АДК заключается в определении особенности миграционной способности частиц в воздушно-песчаном потоке с момента страгивания до момента витания, за которым происходит инициирование лавинообразного движения воздушно–песчаного потока, где и происходит разделение частиц по крупности и по плотности.

Для разделения минералов различной плотности в воздушно-песчаном потоке достаточно поднять в воздух одни легкие минералы для провоцирования движения более тяжелых минералов на осадительной поверхности пневматической обогатительной установки. В результате взвешенные частицы в потоке воздуха набирают соответствующую скорость и сами становятся носителем энергии, т. е. при столкновении с другими частицами перемещают их по направлению потока воздуха, при этом на поверхности наблюдается веерообразное движение частиц, где тяжелые минералы значительно отстают от легких минералов, и происходит последовательное разделение (обогащение).

Таким образом, в результате проведенных исследований определена новая миграционная характеристика минеральных частиц различной плотности, в зависимости от скорости воздушного потока, что является важным параметром при гравитационном разделении минералов в воздушной среде.

В третьей главе приведены результаты исследований по изучению поведения тяжелых минеральных частиц в условиях передува песчаного материала в прямоточных аэродинамических  трубах  разной конструкции.

Исследования по изучению поведения частиц золота в потоке воздушно-песчаной смеси проводилось на разработанном лабораторном стенде, с горизонтальной  аэродинамической трубой с опускающимся днищем (рис. 5).

Рис. 5. Схема установки для моделирования механизма образования эоловых россыпей.

1 — аэродинамическая труба прямоугольного сечения; 2 — подвижное днище трубы; 3 — песчано-гравийный материал; 4 — вход воздушного потока; 5 — выход воздушно-пecчаной смеси; 6 — испытуемые частицы металла; 7 — питатель песка с регулируемым дебитом