Підвищення ефективності усереднення руд у накопичувальних бункерах збагачувальних фабрик

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК (622.795.2:622.646.023.6):51.001.57

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УСЕРЕДНЕННЯ РУД У НАКОПИЧУВАЛЬНИХ БУНКЕРАХ ЗБАГАЧУВАЛЬНИХ ФАБРИК

Спеціальність 05.15.08 - Збагачення корисних копалин

ІСАЄНКО ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Качан Юрій Григорович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

Младецький Ігор Костянтинович, доктор технічних наук, професор кафедри збагачення корисних копалин Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

Дзюба Олег Іванович, кандидат технічних наук, доцент кафедри металургійних технологій Криворізької філії Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа - Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра збагачення корисних копалин.

Захист відбудеться "18" лютого 2005 р. о 14-15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ - 27, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Автореферат розісланий "15"січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, канд. тех. наук, доцент В.В. Панченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досвід експлуатації збагачувальних фабрик і численні дослідження показують, що стабілізація гранулометричного складу руди, що переробляється, забезпечує поліпшення умов управління процесом подрібнювання, підвищення якості здрібненого продукту й, в кінцевому рахунку, зростання техніко-економічних показників збагачення в цілому.

Основними джерелами коливань гранулометричного складу руди на збагачувальних фабриках є дробарки й накопичувальні бункери. Причому, на виході останніх формуються великі за амплітудою й тривалістю сегрегаційні коливання крупності руди. Так, наприклад, частка фракції +25мм у руді, яка поступає на шарові млини із бункерів, змінюється в межах від 14 % до 48 %, а частка класу +100 мм у руді на вході млинів самоподрібнювання - від 25 % до 73 %. Настільки значна варіація крупності не може бути усунена шляхом усереднення руди тільки на збірних конвеєрах через необхідність її розподілу у млини і невеликої кількості (2-6) об'єднуваних потоків руди.

Одним із шляхів підвищення ефективності усереднення руд на збагачувальних фабриках може бути поліпшення технологічних характеристик накопичувальних бункерів через удосконалення їх конструктивно-компоновочних схем. Відомі рекомендації з поліпшення технологічних характеристик бункерів в основному спрямовані на усунення тільки однієї зі складових спектра коливань - сегрегаційної, й зводяться до необхідності організації масового плину сипкого матеріалу за рахунок максимально можливого розкриття площі днища бункеру. Однак, такі конструктивні рішення розвантажувальних вузлів мають побічний негативний технологічний ефект - у вихідному потоці руди збільшується дисперсія коливань гранулометричного складу, що генеруються апаратами попередньої стадії технологічного переділу.

У зв'язку із цим дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі, що полягає у розкритті закономірностей процесів розділення й змішування руд за крупністю в накопичувальних бункерах і технологічному обґрунтуванні їхніх параметрів з метою підвищення ефективності усереднення руд.

Зв'язок роботи з науковими програмами й планами. Дисертаційна робота виконана згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки й техніки в галузі підвищення конкурентоспроможності продукції гірничо-металургійного комплексу України відповідно до планів науково-дослідних робіт Запорізької державної інженерної академії (номер державної реєстрації 01890015560, 0103U000948).

Мета роботи - технологічне обґрунтування параметрів накопичувальних бункерів збагачувальних фабрик, що забезпечують підвищення ефективності усереднення руд за крупністю.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації були поставлені та вирішені такі задачі:

1) установити механізм розділення руди за крупністю й розробити фізичну концепцію процесу гранулометричної сегрегації руди при завантаженні бункера;

2) виявити закономірності розподілу швидкостей часток сипкого матеріалу в бункерах ящикового й силосного типів;

3) розробити математичну модель перетворення гранулометричного складу потоків руди при переміщенні їх через накопичувальні бункери;

4) розробити методику, алгоритми й програмні засоби розрахунку гранулометричного складу руди на виході бункера, які дозволяють прогнозувати якість вихідної руди процесу подрібнення;

5) дослідити й оцінити усереднювальні властивості типового накопичувального бункера збагачувальної фабрики;

6) запропонувати й обґрунтувати технічні й технологічні рішення щодо підвищення ефективності усереднення руд у накопичувальних бункерах збагачувальних фабрик.

Об'єкт дослідження - процес усереднення руд на збагачувальних фабриках.

Предмет дослідження - закономірності усереднення руд за гранулометричним складом у накопичувальних бункерах.

Ідея роботи полягає в зміні характеру змішування руди при її донному випуску шляхом зміни якісно-кількісних характеристик бункерів для підвищення ефективності процесу усереднення.

Методи досліджень. У роботі виконаний комплекс теоретичних і експериментальних досліджень на основі узагальнення відомих сучасних досягнень науки й технології усереднення руд. Для розробки моделей процесів розділення й змішування руд за крупністю використані теорія випуску руди, теоретичні положення механіки сипких матеріалів, теорія ймовірностей, теорія й методи диференціальних рівнянь математичної фізики. У сфері експериментальних досліджень застосовувалися: лабораторне моделювання процесів перемішування й розділення руд за крупністю, лабораторні методи встановлення критичних умов фільтрації. При проведенні й обробці даних обчислювальних і промислових експериментів використовувалися такі методи: цифрового моделювання, планованого експерименту, кореляційного аналізу, математичної статистики й фотопланіметрії для контролю гранулометричного складу руди.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) уперше розроблена модель гранулометричної сегрегації руди при човниковому режимі завантаження бункера, яка відрізняється тим, що взаємозв'язок між розподілом швидкостей часток і гранулометричним складом руди здійснюється на основі рівняння нерозривності з урахуванням середньостатистичних сил, які діють у товщині потоку, що дозволило встановити просторовий розподіл вмісту вузьких класів крупності в об'ємі бункера;

2) уперше розв'язана тривимірна задача розподілу швидкостей сипкого матеріалу при донному випуску із призматичних бункерів ящикового й силосного типів з довільною кількістю й розташуванням щілиновидних розвантажувальних отворів;

3) уперше розроблені імітаційна модель перерозподілу сипкого матеріалу на вільній поверхні розвантаження й ітеративний метод розрахунку її якісно-кількісних характеристик для складних режимів відвантаження, що дозволило встановити границі й гранулометричний склад розподілених поверхневих джерел і стоків сипкого матеріалу;

4) уперше вирішена нестаціонарна задача масоперенесення при гравітаційному випуску сипкого матеріалу з бункера з урахуванням закономірностей формування джерел і стоків на рухливій граничній поверхні сипучого матеріалу, що дозволило вдосконалити методику розрахунку якісних характеристик потоків руди на виході бункера;

5) установлені нові закономірності зміни ефективності усереднення гранулометричного складу руди в бункерах ящикового і силосного типів залежно від зміни середньоквадратичного відхилення крупності (частки розрахункового класу крупності +100мм) у потоці руди, яка завантажується, і ступеня розкриття площі днища бункера, що покладені в основу обґрунтування запропонованих методів поліпшення їхніх технологічних характеристик.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Довжина прямокутного випускного отвору бункера, яка не є критичним параметром склепо- та трубоутворення, повинна визначатися положенням точки максимуму на кривої залежності ступеня усереднення розрахункового класу крупності від ступеня розкриття днища бункера в напрямку орієнтації отвору. Положення цієї точки визначається фізико-механічними властивостями, сегрегації й амплітудно-частотними характеристиками коливань гранулометричного складу руди, що завантажується. Причому, зменшення амплітуди й частоти коливань, погіршення сипких властивостей матеріалу й сегрегація приводять до зсуву точки максимуму в область більших значень ступеня розкриття днища бункера з одночасним зменшенням максимуму ступеня усереднення.

2. З технологічної точки зору бункери можуть працювати в режимі генерування коливань гранулометричного складу руди, що розвантажується, або його усереднення. Основним фактором зміни режиму роботи накопичувальних бункерів збагачувальних фабрик із самоподрібнюванням є середньоквадратичне відхилення частки класу +100мм у шарах руди, що завантажується. У накопичувальних бункерах режим усереднення встановлюється, якщо середньоквадратичне відхилення даного параметра більше 4 % і сягає максимуму своєї ефективності (ступінь усереднення 6-8) при 8 % і знакозмінному чергуванні відхилень частки класу +100 мм у шарах руди, що завантажується, за рахунок взаємокомпенсації міжшарових і сегрегаційних відхилень гранулометричного складу руди в розвантажувальному вузлі бункера.

Достовірність наукових положень і результатів забезпечується коректним застосуванням методів дослідження, підтверджується результатами перевірки адекватності розроблених моделей реальним процесам масоперенесення у бункерах, результатами апробацій роботи на наукових конференціях, успішним упровадженням результатів роботи в практику діяльності проектних інститутів.

Практичне значення роботи полягає в:

1) розробці методики й програмних засобів розрахунку гранулометричного складу руди на виході бункерів;

2) технологічному обґрунтуванні параметрів і конструктивно-компоновочних схем накопичувальних бункерів збагачувальних фабрик із самоподрібнюванням;

3) обґрунтуванні можливості зниження середньоквадратичного відхилення вмісту класу +100мм у вихідному живленні млинів до 1 % за рахунок усереднення руди в накопичувальних бункерах;

4) технологічному обґрунтуванні обмежень на зміни вихідних якісних характеристик процесу дроблення;

5) розробці методики вибору раціональних профілів твірних воронок масового витікання.

Реалізація результатів роботи. Методика розрахунків, що прогнозують якісні характеристики руди (гранулометричний склад) у потоці на виході бункерів, її математичне й програмне забезпечення прийняті до використання Державним проектним інститутом "Кривбаспроект" для розрахунку технологічних схем і проектування об'єктів рудопідготовки на збагачувальних фабриках Кривбасу (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 30.01.2004р.).

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети, основної ідеї, наукових положень і завдань досліджень; розробці комплексу математичних моделей масоперенесення, що відображають перетворення гранулометричного складу потоків руди в бункері; проведенні лабораторних і промислових експериментів з метою ідентифікації їх параметрів; розробці методики розрахунку гранулометричного складу руди на виході бункера; технологічному обґрунтуванні параметрів і конструктивно-компоновочних схем накопичувальних бункерів; установленні нових закономірностей усереднення руди в бункерах; впровадженні результатів досліджень в практику діяльності проектних інститутів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на таких науково-технічних конференціях і семінарах: зональній науково-технічній конференції "Стан і напрямок розвитку техніки й технології рудопідготовки в чорній металургії" (м. Бєлгород, 1985), семінарі наукової ради АН УРСР "Теорія й практика моделювання й керування" (м. Запоріжжя, 1989), IV міжнародному конгресі хімічної інженерії "Стратегія 2000" (м. Карлсруе, 1991), міжнароднії науково-технічної конференції "Комп'ютерні технології в освіті й промисловості" (м. Дніпропетровськ, 2001), науково-практичної конференції "Проблеми збагачення руд розсипних родовищ і шляхи їх вирішення" (м. Дніпропетровськ, 2003).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових праць, в тому числі: статті у провідних фахових виданнях - 8; доповіді на науково-технічних конференціях - 2.

Структура й обсяг роботи. Зміст дисертаційної роботи (вступ, п'ять розділів, висновок) викладений на 159 сторінках машинописного тексту й супроводжується 41 рисунком, 8 таблицями, списком літератури з 164 найменувань і 5 додатками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі, об'єкт та предмет дослідження, відображені наукова новизна отриманих результатів і основні практичні результати, наведені положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації і публікації основних результатів досліджень.

У першому розділі "Сучасний стан, резерви й шляхи поліпшення технології усереднення руд у бункерах збагачувальних фабрик" розглянута теоретична сутність усереднення у бункерах, проаналізовані особливості використання й експлуатації зазначених бункерів; дана загальна характеристика їхніх технологічних властивостей і обґрунтована необхідність поліпшення останніх.

Теоретичні основи усереднення закладені в роботах Е.И. Азбеля, В.Н. Зарайського, П.П. Бастана, Ф.Г. Грачова, М.Г. Новожилова, Л.П. Шупова та ін. Однак, використані в цих роботах методи аналізу перетворення якісних характеристик потоків руди в бункерах не враховують закономірностей її руху при завантаженні й розвантаженні і базуються на спрощених теоретико-ймовірносних схемах процесу усереднення та лінійних моделях ідеального змішування. Внаслідок цього вони не дозволяють адекватно оцінити усереднювальні властивості бункерів, у яких одночасно протікають фізичні процеси розділення й змішування руд за крупністю.

Значний внесок у теорію усереднення внесли Ю.В. Панич, М.З. Пайкин, М.Г. Фіалко, розробивши основи побудови динамічних моделей перетворення якісних характеристик потоків руди на складах з донним випуском. Однак, припущення стосовно форми фігур руху (конус, еліпсоїд), роблять їх малопридатними для аналізу й оптимізації процесу усереднення в найпоширеніших на збагачувальних фабриках бункерах ящикового й силосного типів із щілиноподібними отворами.

Аналіз результатів досліджень сегрегації руд і динаміки руху сипких матеріалів на похилих поверхнях дозволив виділити три можливих механізми розділення за крупністю: розбіжність в кінетичній енергії часток, просівання дрібних часток, нормальне відштовхування між частками. Однак не зрозуміло, який з механізмів домінує при завантажуванні бункерів. Відсутність чіткої фізичної концепції процесу гранулометричної сегрегації не дозволяє встановити вплив гранулометричного складу вхідного потоку руди на ефективність усереднення.

Аналіз сучасного стану технології усереднення руд на збагачувальних фабриках показав, що в умовах сегрегації руди при завантаженні відомі методи й способи усереднення втрачають свою ефективність. Це пов'язано з наявністю сегрегаційного тренду якості матеріалу на виході бункера, який виникає через те, що відбір матеріалу в початковій фазі розвантаження здійснюється за висотою завантаженого штабеля та з його центральної частини, а в кінцевій фазі розвантаження - з периферійних частин бункера. Ця особливість гравітаційного розвантаження обумовлює відсутність внутрішарового змішування і, як наслідок, низьку ефективність усереднення руди в умовах її сегрегації при завантаженні.

Проаналізовані відомі методи визначення геометричних параметрів накопичувальних бункерів і вузлів їх розвантаження. Технологічна сутність розрахунку цих параметрів полягає в забезпеченні безупинної й стабільної подачі руди в основні апарати в умовах розбіжності режимів роботи окремих цехів. Особливістю проектування накопичувальних бункерів для збагачувальних фабрик є також необхідність урахування технологічних вимог до однорідності гранулометричного складу вихідних потоків руди, що живлять дробарки й млини. Проведений аналіз показав відсутність методів визначення параметрів бункерів, що забезпечують зниження дисперсії коливань гранулометричного складу руди.

На основі результатів виконаного аналізу обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, обґрунтовані методи досліджень.

У другому розділі "Розробка математичних моделей перетворення гранулометричного складу руди при завантаженні й розвантаженні бункерів" за допомогою теорій руху сипких матеріалів із застосуванням відомого рівняння нерозривності отримані динамічні рівняння матеріального балансу процесів сегрегації та змішування руд і їх розв'язки, які покладені в основу прогнозування просторових і тимчасових змін гранулометричного складу руди при завантаженні й розвантаженні бункерів.

Для опису процесу гранулометричної сегрегації прийняті наступні типові умови завантаження бункерів збагачувальної фабрики: човниковий режим пересування завантажувального пристрою з постійною швидкістю; постійна продуктивність завантаження; незмінність гранулометричного складу руди, що завантажується протягом одного проходу завантажувального пристрою. Для даного способу завантаження рух потоку руди по укосу є двовимірним і стисненним, про що свідчать отримані оцінки співвідношень товщини потоку, що рухається, і характерних розмірів часток різних типів руд. Внаслідок цього, інерція часток не може розглядатися як вирішальний фактор сортування. Проведені експериментальні дослідження дозволили встановити критичні умови виникнення фільтрації (як одного з механізмів сортування часток за крупністю) для полідисперсних сумішей. Перевірка цих умов для руд із гранулометричною характеристикою продуктів дроблення, яку виконано з використанням моделі розподілу розмірів порожнеч, показала, що даний механізм сортування не домінує.

Теоретичний аналіз взаємодії часток при їх зіткненні показав, що в потоці матеріалу, який рухається укосом, на частки вузького класу діють неврівноважені нормальні сили. Середньостатистична результуюча цих сил пропорційна різниці розмірів часток вузького класу та середнього розміру частин у поперечному перерізі потоку. Ця сила сегрегації сприяє рухові крупних часток до вільної поверхні потоку, а дрібних - до основи потоку. Тут - середній розмір часток в перерізі потоку.

З урахуванням степеневої залежності горизонтальної швидкості руху часток від відстані від основи потоку, яка отримана Р. Бегнолдом і підтверджена експериментально, а також середньостатистичних сил сегрегації, опору руху та градієнтної сили, котрі діють у потоці матеріалу, запропоновано описувати процес сегрегації у декартових координатах рівнянням (1):

де - диференціальна функція розподілу розмірів часток руди,; - рухлива система координат, пов'язана з поточним розташуванням поверхні завантаження й джерелом живлення; - час, що відраховується від початку руху руди укосом, с; - безвимірний коефіцієнт степеневої залежності; - середня швидкість транспортування часток униз укосом; - товщина потоку, м; ' - відстань від основи потоку, м; D - коефіцієнт макродифузії; - коефіцієнт сегрегації,; - коефіцієнт опору руху,; - розмір часток вузького класу, м; - середній розмір часток у перерізі, м; - дельта-функція,; - гранулометричний склад руди, що завантажується,; - порядковий номер шару.

Граничні й початкові умови визначались з умов відсутності вертикальної швидкості в основі й на поверхні потоку, ідеального змішування на фронті руху потоку й відсутності матеріалу на поверхні завантаження в початковий момент часу.

Опис руху дробленої руди при гравітаційному випуску виконувався, виходячи з припущення про дискретність будови даного сипкого матеріалу й урахування його стохастичних властивостей. Останні враховувались функцією ймовірності зсуву часток. На основі визначення даної функції, запропонованого В.В. Куликовим, отриманий дискретний розподіл ймовірності зсуву для моделі ідеального сипкого матеріалу у вигляді сукупності куль однакового розміру, який обмежений двома вертикальними стінками (двовимірна задача). Послідовне застосування теорем Муавра-Лапласа і множення ймовірностей дозволило здійснити перехід до безперервної функції ймовірності зсуву часток у призматичному бункері ящикового, силосного типів у вигляді суперпозиції нормальних розподілів.

Модель поля швидкостей ідеального сипкого матеріалу заснована на законі великих чисел у вигляді. Тут - вертикальна складова вектору швидкості; - функція ймовірності зсуву часток; - швидкість витікання з випускного отвору. При визначенні горизонтальних компонентів вектора швидкості враховувалося, що рух часток відбувається в напрямку до осі випуску, тобто убік найбільшого збільшення ймовірності зсуву часток. Застосовувалась найпростіша нетривіальна форма цього взаємозв'язку - пропорційна залежність між горизонтальними складовими вектора швидкості й градієнтом ймовірності зсуву часток, коефіцієнти якої визначались з умови нестисливості ідеального матеріалу. В результаті були отримані наступні рівняння в системі координат, яка пов'язана з днищем бункеру (2):

де - швидкість витікання з випускного отвору,; - площа випускного отвору,; - розміри щілиноподібного випускного отвору, м;; - показник сипкості ідеального матеріалу, м; a, b - відстані між центрами часток по горизонталі й вертикалі відповідно, м;,;, - відстані від днища бункера до гіпотетичних точечних стоків, м; - і-ий член ряду; - і-ий член ряду; - відстані від осі випуску до стінок бункера.

У загальному випадку показник сипкості розглядається як параметр моделі, що настроюється і це дозволило здійснити перехід від ідеального сипкого матеріалу до реального. Отримані функції розподілу швидкостей задовольняють умові нестисливості, що дозволило використати метод Гріна для одержання розв'язання рівняння нерозривності у вигляді (3):

де - гранулометричний склад руди на виході j - ого випускного отвору; - площа j - ого випускного отвору; - гранулометричний склад руди в штабелі на момент початку розвантаження; - гранулометричний склад руди на поверхні воронки розвантаження; - час утворення джерел; - множина точок області j - ого випускного отвору.

Для кожного моменту часу розвантаження оператор (3) здійснює відбір на лініях струму точок внутрішньої області штабеля й поверхні розвантаження, що одночасно перемістяться до випускного отвору й осереднення їх - функцій на множині точок випускного отвору. Координати цих точок x(t), y(t), z(t) визначаються розв'язком системи диференціальних рівнянь інверсного руху при початкових умовах. Рівняння для визначення невідомої виходять з умови перетинання траєкторій руху часток з поверхнею розвантаження (4):

де - динамічне рівняння поверхні розвантаження.

У третьому розділі "Методика розрахунків гранулометричного складу потоків руди на виході бункера" розроблена цифрова модель прогнозування, що дозволила оцінити ефективність усереднення руди в бункері з урахуванням спільного впливу конструктивних і технологічних факторів, а також фізико-механічних властивостей руди. Загальна схема прогнозування містить три основних блоки: завантаження, моделювання поверхні воронки випуску, розвантаження.

У блоці завантаження розраховуються геометричні характеристики штабеля, - висота гребеня, товщина шару, що завантажується, довжина укосу, як функції номера шару руди; формується масив значень координат його поверхні у вузлах сітки бункера на початковий момент розвантаження. Сітка будується в області із кроком Тут - ширина прольоту й довжина секції бункера відповідно. Процес гранулометричної сегрегації моделювався шляхом численного розв'язку нелінійного диференціального рівняння (1) скінченно-різницевим методом з урахуванням граничних і початкових умов. У результаті багаторазового (для кожного номера шару) інтегрування в блоці завантаження формувався початковий розподіл гранулометричного складу в штабелі у вигляді масиву усереднених за товщиною шару значень у вузлах сітки укосу.

Основне призначення блоку моделювання поверхні воронки випуску - розрахунок рівня й гранулометричного складу поверхні. Для розрахунку цих характеристик поверхні розроблений ітеративний метод, що базується на наступних фізичних передумовах: а) сумарна продуктивність поверхневих джерел і стоків дорівнює нулю; б) скочування рудних часток на поверхні розвантаження відбувається в напрямку найшвидшого зменшення її рівня, тобто в напрямку антиградієнта поверхні; в) кут, утворений нормаллю до поверхні й віссю випуску в будь-якій точці поверхні не більше кута природного укосу.

Алгоритм запропонованого ітеративного методу полягає в наступному:

1. Для моменту часу визначаються нульові наближення рівня й гранулометричного складу поверхні у вузлах сітки у вигляді матриць значень з умови відсутності перерозподілу сипкого матеріалу:

Тут - інтервал дискретності часу розвантаження.

2. Послідовно здійснюється сканування вузлів поверхні розвантаження. На кожному k - ом такті сканування відбираються ті з трикутних апроксимуючих поверхню елементів, для яких кут між нормаллю до їхньої площини й віссю випуску перевищує кут природного укосу. Для таких елементів відбувається перерахунок характеристик одночасно в трьох вузлах відповідно до зазначених вище передумов а) і б) за формулами (5):

де - уточнені характеристики; - коефіцієнт пропорційності; східчаста функція.

Коефіцієнт визначається з умови, яка полягає в тому, що в результаті елементарного акту перерозподілу сипучого матеріалу, кут між нормаллю трикутного елемента й віссю випуску повинен прийняти значення, яке дорівнює куту природного укосу (6):

де - кут природного укосу.

3. Умова закінчення ітераційного процесу розрахунку характеристик задається нерівністю, при виконанні якої остаточно приймається: Порівняння значень рівнів поверхні на початку й у кінці процесу послідовних наближень дозволяє виділити дві множини для яких (7):

де - область розподілених поверхневих джерел; - область поверхневих стоків. накопичувальний бункер усереднювальна самоподрібнювання

Шляхом аналізу дискримінанта квадратного рівняння (6) установлене співвідношення між кроком сітки й інтервалом дискретності часу розвантаження, що забезпечує збіжність запропонованого методу.

Основне призначення блоку розвантаження - розрахунок гранулометричного складу руди на виході бункера в дискретні моменти часу з кроком. З цією метою в даному блоці організуються числові процедури: розв'язання рівнянь інверсного руху, рівнянь виду (4), інтегрування - функцій.

Практична реалізація моделі прогнозування виконана у вигляді комплексу програм з використанням Visual Basic 6.0. Настроювання параметрів моделі здійснено за результатами промислових експериментів на ЛебГЗКі з використанням розроблених програмних засобів. У результаті отримані значення параметрів:

Перевірка адекватності моделі для вказаних значень проведена за результатами промислового експерименту, що складався з повного завантаження і розвантаження бункера та синхронного контролю: гранулометричного складу руди, що завантажується і координат поверхні завантаження; гранулометричного складу руди, що розвантажується і координат воронки випуску. Для контролю гранулометричного складу руди використовувався метод фотопланіметрії. Перевірка здійснена за критерієм Фішера при 95 % рівні надійної ймовірності для шести класів: 0-100 мм; 100-150 мм; 150-200 мм; 200-250 мм; 250-300 мм; 300-350 мм. Її результати свідчать про те, що модель є адекватною за всіма компонентами вектора і може використовуватися для прогнозу масової частки вузьких класів руд на виході бункера.

У четвертому розділі "Дослідження й оцінка усереднювальних властивостей типових бункерів" розроблена методика й наведені результати обчислювальних експериментів з визначення ефективності усереднення гранулометричного складу руди в накопичувальному бункері, який є складовою технологічної схеми крупного дроблення. Дослідження виконані на цифровій моделі прогнозування.

В основу моделювання гранулометричного складу руди, що завантажується, покладена теоретико-ймовірнісна схема, яка враховує особливості характеристик крупності продуктів дроблення і є більш точна порівняно з рівняннями Розина-Раммлера й Андреєва-Шумана (8)

де - вихід вузького класу, %; - номінальна крупність продуктів дроблення, мм; - незалежні нормально розподілені випадкові величини (); - нижня границя верхнього вузького класу.

Відхилення виходу окремих вузьких класів від їхніх середніх значень моделювалися шляхом генерування нормально розподілених випадкових чисел, а міжшарова зміна номінальної крупності задавалася у вигляді типової гармонійної функції.

Моделювання розподілу швидкостей руху часток руди при випуску дозволило виділити чотири характерні області в бункері з вертикальними стінками: застійну, збіжного плину, перехідну й поршневого руху. Основними конструктивними факторами, які впливають на розподіл швидкостей і розміри цих областей, є ступінь розкриття площі днища бункера й орієнтація щілиноподібного розвантажувального отвору щодо напрямку руху завантажувального пристрою. Методом планованого експерименту були визначені оптимальні значення цих параметрів бункера, амплітуди й частоти (періоду) коливань номінальної крупності, при яких ступінь усереднення за вмістом класу + 100 мм досягає максимального значення.

При відсутності гранулометричної сегрегації в процесі завантаження найбільша ефективність усереднення руди досягається у випадку, коли фігура випуску охоплює більше число горизонтальних шарів руди з різним вмістом класу + 100 мм. Ця умова виконується при мінімальних значеннях ступеня розкриття площі днища й періоді коливань номінальної крупності, що дорівнює = n_sm. Тут n_sm - кількість шарів руди в штабелі, - час завантаження одного шару руди.

Процес гранулометричної сегрегації при завантаженні приводить до виникнення значних неоднорідностей у поперечному перерізі штабеля. Моделювання цього процесу показало, що відносна зміна частки класу + 100 мм за довжиною укосу складає 107-127 %. У цьому випадку, для ефективного усереднення руди в бункері необхідно забезпечити змішування руди з периферійних і центральних частин штабеля, що досягається за рахунок збільшення ступеня розкриття площі днища. Внаслідок особливостей розподілу швидкостей, одночасно зі збільшенням області руху руди зменшується кількість горизонтальних шарів, охоплюваних фігурою випуску. Це приводить до значного (в 3-5 разів) зниження ступеня усереднення й зменшення оптимального періоду коливань номінальної крупності до мінімально можливого (). На рис. 1 наведені отримані результати моделювання впливу ступеня розкриття площі днища бункера на ефективність усереднення в умовах сегрегації руди та її відсутності.

Для знайдених оптимальних розмірів випускних отворів побудовані експлуатаційні характеристики бункера. (рис. 2,3,4). Встановлено, що стабілізація коливань номінальної крупності продуктів дроблення перед бункером приводить до зниження ефективності усереднення руди, до звуження смуги згладжування й зміні режиму усереднення на режим генерування коливань крупності руди.

Рис. 1. Залежності ступеня усереднення від ступеня розкриття площі днища бункера: 1) без сегрегації; 2) в умовах сегрегації руди при завантаженні.

Рис. 2. Залежності ступеня усереднення від частоти коливань номінальної крупності продуктів дроблення: 1) без сегрегації; 2) в умовах сегрегації руди при завантаженні.

Рис. 3. Залежності ступеня усереднення від рівня завантаження штабеля: 1) без сегрегації; 2) в умовах сегрегації при завантаженні.

Рис. 4. Залежності середньоквадратичного відхилення вмісту класу + 100 мм на виході бункера від середньоквадратичного відхилення у потоці руди, що завантажується.

Проаналізовано вплив технології випуску на якість підготовки руди до процесу подрібнювання. Встановлено, що спільне відвантаження руди з двох бункерів на конвеєр, який живить один млин, забезпечує додаткове зменшення середньоквадратичного відхилення вмісту класу + 100 мм у вихідному живленні млина на 59 % при зсуві фаз потоків на одну й три чверті об'єму завантаженого штабеля. На основі проведених експериментів сформульовані перше та друге наукові положення.

У п'ятому розділі "Конструктивні методи поліпшення технологічних властивостей типових бункерів збагачувальних фабрик" здійснена постановка задачі технологічного проектування накопичувальних бункерів у вигляді оптимізації їхніх конструктивних параметрів на множині, що задається умовами забезпечення нормативних запасів руди, її вільного витікання й уніфікації типорозмірів бункера (9):

де - осереднене на множині реалізацій середньоквадратичне відхилення частки класу +100 мм на виході бункера в обсязі партій руди, що відповідають оперативним запасам сировини (критерій оптимізації проектування); - нижня й верхня границі зміни розмірів випускних отворів відповідно; - висота бункера; - дискретні множини розмірів бункера, що задаються єдиною системою модульних координат України.

Загальна схема визначення конструктивних параметрів бункера включає такі блоки: імітації гранулометричного складу й рівня руди, що завантажується; прогнозування гранулометричного складу руди на виході бункера; осереднення вихідних даних прогнозування; оптимізації. На основі даної схеми для умов ЛебГЗКу визначені оптимальні розміри і орієнтація випускних отворів для шістьох конструктивно-компоновочних схем бункерних секцій, що живлять млини самоподрібнювання. З альтернативних компоновочних схем секцій обрана найкраща в технологічному відношенні з характеристиками: трибункерна секція розмірами 24х12 м зі східчастою схемою завантаження й розвантаження зі зсувом фаз; розміри бункера 8х12х14 м; розташування отворів - уздовж ліній руху завантажувального пристрою; оптимальні розміри розвантажувальних отворів - 1,5х2 м; ступінь усереднення у класі +100 мм - 8,45; середньоквадратичне відхилення частки класу +100 мм у вихідному живленні млина 0,6 %. Запропонована схема бункерування руди дозволяє за рахунок зниження коливань частки класу +100 мм у вихідному живленні млинів збільшити їхню продуктивність на 1,63 % від проектної. Для даної схеми бункерування визначені припустимі границі мінливості частки класу +100 мм у руді, що завантажується, які забезпечують стабільну роботу бункера в режимі усереднення. Установлено, що відхилення частки класу +100 мм у дробленій руді від середнього значення не повинні бути менше 6 %, що забезпечує виконання умови з 95 % рівнем імовірності. У діапазоні доцільна організація масового випуску руди, що досягається за рахунок максимально можливого ступеня розкриття днища бункера або застосування розвантажувальних вузлів у вигляді воронок масового витікання.

Розроблено методику розрахунку й вибору воронок масового витікання сипкого матеріалу з бункеру, де критерієм розрахунку обрано ступінь наближення розподілу ймовірностей зсуву часток у верхньому шарі воронки до теоретичного рівномірного розподілу, що забезпечує поршневий рух матеріалу. Виділено три характерних інтервали відношення висоти воронки до діаметра її випускного отвору за мінімумом обраного критерію для кожного з розглянутих типів воронок: з гіперболічної, показової й прямолінійною твірної.

ВИСНОВКИ

У дисертації, яка є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена й вирішена актуальна науково-практична задача, що полягає у встановленні закономірностей процесів розділення й змішування руд за крупністю в накопичувальних бункерах збагачувальних фабрик і технологічному обґрунтуванні їхніх параметрів з метою підвищення ефективності усереднення шляхом удосконалення конструктивно-компоновочних схем бункерів.

Найбільш важливі наукові і практичні результати та рекомендації:

1. На основі детального аналізу сучасного стану, напрямків розвитку та тенденцій удосконалення технології усереднення руд на збагачувальних фабриках визначено, що усереднення руд за гранулометричним складом у накопичувальних бункерах характеризується низькою та нестабільною ефективністю, а конструкції типових накопичувальних бункерів не відповідають вимогам та умовам усереднення.

2. Основним механізмом сортування часток за крупністю в потоці руди, що рухається вниз по похилій поверхні завантаження, є дія сил відштовхування, котрі виникають у результаті зіткнення між собою часток, і градієнт швидкостей часток товщиною потоку.

3. Отримані аналітичні залежності розподілу швидкостей сипкого матеріалу при донному випуску із призматичних бункерів ящикового й силосного типів із щілиноподібними розвантажувальними отворами.

4. Розроблені математичні моделі процесів завантаження й розвантаження бункера, які відрізняються від відомих тим, що взаємозв'язок між гранулометричним складом руди й кінематичними характеристиками сипкого матеріалу здійснюється на основі рівняння нерозривності. Це дозволило встановити закономірності часово-просторових й просторово-часових перетворень гранулометричного складу потоків руди в бункері в широкому діапазоні змін конструктивних, технологічних факторів і фізико-механічних властивостей руди.

5. Відомі методики розрахунку якісних характеристик потоків руди на виході бункера, які базуються на обчисленні середньої якості руди на гіпотетичних поверхнях усереднення (конус, еліпсоїд) втрачають свою доцільність при складних режимах розвантаження й обмеженнях області руху руди конструктивними елементами бункера. Для розрахунку гранулометричного складу руди на виході бункерів ящикового й силосного типів доцільно використовувати розроблену в дисертації методику, в основу якої покладено новий ітеративний метод розрахунку ?-функцій джерел і стоків на рухливій граничній поверхні сипкого матеріалу й методи чисельного інтегрування диференціальних рівнянь інверсного руху часток руди для визначення просторових змінних ?-функцій, що усереднюються у площині випускного отвору.

6. Основним фактором, який впливає на гранулометричний склад дробленої руди, котра завантажується, є номінальна крупність продуктів дроблення. Запропонована теоретико-ймовірнісна схема моделювання гранскладу руди, що базується на встановлених регресійних залежностях виходу вузьких класів від номінальної крупності, дозволяє вилучити систематичну помилку моделювання, котра виникає при використанні відомих залежностей Андреєва-Шумана й Розіна-Рамлера.

7. Установлено, що бункер може працювати в режимі генерування коливань гранулометричного складу руди, що розвантажується, або його усереднення. Причому основним чинником зміни режиму роботи бункера на збагачувальній фабриці з самоподрібнюванням є середньоквадратичне відхилення частки класу +100 мм у шарах руди, що завантажуються.

8. В умовах сегрегації руди при човниковому режимі завантаження бункера раціональна з технологічної точки зору орієнтація щілиноподібного випускного отвору щодо напрямку руху пересувного завантажувального пристрою визначається співвідношенням ширини прольоту й довжини секції бункера, а довжина такого отвору - положенням точки максимуму на кривій залежності ступеня усереднення розрахункового класу крупності від ступеня розкриття днища бункера в напрямку орієнтації отвору.

9. Розроблено метод визначення розмірів бункера і його розвантажувальних отворів, що полягає у формуванні цільової функції проектування та її оптимізації (критерій - середньоквадратичне відхилення частки класу +100 мм на виході бункеру) на припустимій множині змінних, що належать до конструктивних параметрів бункера, шляхом організації й проведення обчислювальних експериментів на розроблених моделях процесів завантаження й розвантаження бункера. Проведений аналіз шістьох конструктивно-компоновочних схем бункерної секції для умов Лебединського ГЗКу показав практичну можливість поліпшення технологічних характеристик накопичувальних бункерів і скорочення втрат продуктивності млинів, підключених до секції бункерів, на 1,87 т/г за рахунок стабілізації вмісту класу +100 мм на вході млинів самоподрібнення.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ Й РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Качан Ю.Г., Исаенко А.Н. Распределение диаметров отверстий гипотетических ёмкостей сыпучей среды // Изв. вузов. Горный журнал. - 1987. - № 6. - С. 13-16.

2. Исаенко А.Н. Моделирование поля скоростей частиц дробленого материала при истечении из технологических бункеров // Изв. вузов. Горный журнал. - 1989. - № 9. - С. 114-121.

3. Качан Ю.Г., Исаенко А.Н. Модели фильтрации в сыпучей среде // Обогащение полезных ископаемых: Научно-технический сборник. - К.: Техника. - 1989. - Вып. № 39. - С. 47-52.

4. Исаенко А.Н., Качан Ю.Г., Мешок С. В. Расчёт геометрических параметров разгрузочного узла бункера // Металлургия: Сб. научных трудов ЗГИА. - Запорожье: ЗГИА, 1999. - Вып. 2 - С. 21-26.

5. Исаенко А.Н., Качан Ю.Г. Распределение гранулометрического состава руды при её движении по наклонной плоскости // Збагачення корисних копалин: Наук. -техн. зб. - 2000. - Вип. 10 (51). - С. 37-47.

6. Исаенко А.Н., Качан Ю.Г. Математическая модель прогнозирования гранулометрического состава руды на выходе бункеров // Металлургия: Сб. научных трудов ЗГИА. - Запорожье: ЗГИА, 2001. - С. 5-15.

7. Исаенко А.Н., Качан Ю.Г. Подсистема автоматизированного проектирования накопительных бункеров обогатительных фабрик // Сб. научных трудов НГА: Материалы международной научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, образовании и промышленности", г. Днепропетровск, 22-24 мая 2001 г. - Днепропетровск, 2001. - № 11. - Т. 2. - С. 148-152.

8. Исаенко А.Н., Качан Ю.Г. Идентификация модели прогнозирования гранулометрического состава руды на выходе бункеров // Металлургия: Сб. научных трудов ЗГИА. - Запорожье: ЗГИА, 2003. Вып. 8 - С. 15-19.

9. Исаенко А.Н., Качан Ю.Г. Оценка усреднительных свойств бункеров на основе вычислительных экспериментов // Збагачення корисних копалин: Наук. -техн. зб. - 2004. - Вип. 19 (60). - С. 84-90.

10. Исаенко А.Н. Повышение эффективности усреднения руд в накопительных бункерах обогатительных фабрик // Збагачення корисних копалин: Наук. - техн. зб. (По материалам Научно-практической конференции "Проблемы обогащения руд россыпных месторождений и пути их решения", г. Днепропетровск, 14-16 мая 2003 г.). - 2004. - Вип. 20 (61). - С. 132-135.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві:

[1] - математична модель розподілу розмірів порожнеч у сипкому матеріалі, методика й результати експериментальних досліджень;

[3] - модель фільтрації, установлення критичних умов фільтрації, методика й результати експериментів;

[4] - дослідження диференціального коефіцієнта звуження воронок випуску, моделювання розподілу швидкостей у розвантажувальних воронках, критерій вибору, результати розрахунків;

[5] - математична модель сегрегації, результати обчислювальних досліджень розподілу гранулометричного складу руди по укосу;

[6] - математична модель прогнозування гранулометричного складу руди на виході бункерів, ітеративний метод розрахунку характеристик поверхні розвантаження, результати обчислювальних експериментів;

[7]- постановка задачі технологічного проектування накопичувальних бункерів збагачувальних фабрик, програмний продукт;

[8]- методика ідентифікації моделі, результати настроювання її параметрів, перевірка моделі на адекватність;

[9]- методика проведення обчислювальних експериментів, результати.

АНОТАЦІЯ

Ісаєнко О.М. Підвищення ефективності усереднення руд у накопичувальних бункерах збагачувальних фабрик. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.08 - "Збагачення корисних копалин". Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005 р.

Дисертація присвячена розробці методів підвищення ефективності усереднення гранулометричного складу руд у накопичувальних бункерах збагачувальних фабрик. Розроблено математичні моделі масоперенесення руди у бункерах. На підставі обчислювальних експериментів досліджені усереднювальні властивості типових накопичувальних бункерів збагачувальних фабрик із самоподрібнюванням. Встановлені нові закономірності зміни ефективності усереднення руди за гранулометричним складом в бункерах ящикового та силосного типів залежно від зміни середньоквадратичного відхилення вмісту розрахункового класу крупності +100 мм у потоці руди, що завантажується, і ступеня розкриття площі днища бункера. На підставі отриманих залежностей технологічно обґрунтовані параметри й конструктивно-компоновочні схеми накопичувальних бункерів. Теоретично обґрунтована можливість зниження середньоквадратичного відхилення вмісту класу +100 мм у вихідному живленні млинів до 1 % за рахунок усереднення руди в накопичувальних бункерах.

Ключові слова: збагачувальні фабрики, бункер, технологія, сегрегація, усереднення.

АННОТАЦИЯ

Исаенко А.Н. Повышение эффективности усреднения руд в накопительных бункерах обогатительных фабрик. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 - "Обогащение полезных ископаемых". - Национальный горный университет, Министерство образования и науки Украины, Днепропетровск, 2005 г.

В условиях неконтролируемого процесса гранулометрической сегрегации руды при загрузке накопительных бункеров известные методы и способы усреднения руды малоэффективны вследствие наличия на выходе бункеров значительных по амплитуде и длительности колебаний крупности руды, имеющих четкую детерминированную сегрегационную составляющую, и небольшого количества (2-6) объединяемых потоков руды. Известные конструктивные решения, направленные на исключение сегрегационной составляющей качества руды на выходе бункера, имеют один общий технологический недостаток - в выходном потоке руды увеличивается дисперсия колебаний крупности руды, которые генерируются аппаратами предыдущей стадии технологического передела, т.е. дробилками.

Диссертация посвящена вопросам разработки методов повышения эффективности усреднения руд по гранулометрическому составу в накопительных бункерах обогатительных фабрик. В работе рассматриваются процессы разделения и смешивания руды по крупности при загрузке и разгрузке бункеров, обуславливающие изменение закономерностей колебаний гранулометрического состава руды в технологической линии: дробилка - бункер - мельница. Разработка методов повышения эффективности усреднения руды базируется на идее использования эффекта изменения характера смешивания руды за счет использования технологических, компоновочных и конструктивных решений на бункерах, которые влияют на характер смешивания.

Разработана модель гранулометрической сегрегации руды при челночном режиме загрузки бункера, в которой взаимосвязь между распределением скоростей частиц и гранулометрическим составом руды осуществлена на основе уравнения неразрывности с учетом действующих по толщине потока среднестатистических сил. Предложен вариант решения трехмерной задачи гравитационного выпуска для дискретного сыпучего материала с учетом его стохастических свойств. В результате установлены аналитические зависимости распределения скоростей частиц в призматическом бункере произвольной высоты с щелевидными отверстиями в виде бесконечной суммы нормальных распределений и их производных. Показано, что безразмерный конструктивный параметр - степень раскрытия площади днища является основным фактором, влияющим на характер распределения скоростей частиц в бункере. Предложена имитационная модель перераспределения сыпучего материала на свободной поверхности воронки разгрузки и разработан итеративный метод расчета ее качественно-количественных характеристик. На этой основе получено численное решение нестационарной задачи массопереноса при гравитационном выпуске сыпучего материала из бункера с учетом закономерностей формирования источников и стоков на подвижной граничной поверхности сыпучего материала.

С помощью разработанного комплекса моделей исследованы усреднительные свойства накопительных бункеров, являющихся частью технологических схем дробления. Установлены новые закономерности усреднения руды по гранулометрическому составу, получены зависимости степени усреднения содержания класса +100 мм в руде от среднеквадратического отклонения крупности в потоке загружаемой руды, степени раскрытия площади днища, уровня загрузки. Показано. что бункер является широкополосным сглаживающим фильтром с амплитудно-частотной характеристикой экстремального вида, который уменьшает среднеквадратическое отклонение содержания класса +100 мм в руде в диапазоне частот в 8,5-25 раз при отсутствии сегрегации и в 1,2-8 раз при ее наличии. - время формирования одного слоя руды загрузочным устройством. Уменьшение среднеквадратического отклонения колебаний номинальной крупности дробления в условиях сегрегационных процессов приводит к постепенному ухудшению усреднительных свойств бункера, сужению полосы сглаживания и изменению режима усреднения на режим генерирования колебаний крупности руды.