Обоснование и разработка метода электродинамической сепарации труднообогатимых металлоносных песков

Актуальность работы.

Металлоносные пески россыпных месторождений России были и остаются значительным резервом получения благородных металлов. Однако в них постоянно растет содержание мелких труднообогатимых классов ценного компонента. Переработка сложных по обогатимости песков классическими гравитационными методами приводит к растущим потерям и высоким затратам. Например, по данным [1, 2], технологические потери труднообогатимых классов крупности — 0,25 мм достигают 50%, при этом потери зерен пластинчатой формы в тех же классах крупности могут быть еще большими. В этой связи актуален поиск и разработки новых нетрадиционных технологий обогащения [1, 2, 3, 4, 5, 6], позволяющих повышать уровень извлечения труднообогатимых мелких классов ценного компонента, с учетом постоянно возрастающих требований экологической безопасности.

Идея способа электродинамической сепарации возникла еще у М. Фарадея. Однако для ее реализации потребовалось открытие вихревых токов Ш. Фуко и изобретение бегущего магнитного поля Н. Теслой [7].

Первыми теоретическими работами по электродинамической сепарации в СССР были работы Сермонса Г. Я., Круминя Ю. К. и Лапицкого В. Н. [8, 9] В настоящее время разработкой, изготовлением сепараторов и внедрением в производство занимаются в многие творческие коллективы Санкт-Петербурге (Шнеерсон Г. А.) [10], в Екатеринбурге (Сарапулов Ф. Н., Коняев А. Ю., Назаров С. Л.) [11, 12, 13, 14, 15], в Москве (Шубов Л. Я.) [16, 17,17] и другие.

В Европе, США, Японии электродинамические сепараторы также используются для сортировки и извлечения цветного металла из бытовых отходов. Разработкой, к примеру, электродинамических сепараторов активно занимаются Bauer J., Lengfelder W. и Neubert К. — в Германии (патент DE.

10 061 698 А1 от 12. 12. 2000 г.) — Wells J. и Rano R. — в США (Патент US 5 626 233 А от 07.03.95 г.).

Первые проработки возможности применения электродинамической сепарации для извлечения мелкого классов крупности полезного компонента в конце 80-х годов предпринимались в России д.т.н. Звегинцевым А. Г. и рядом сотрудников Института физики им. J1. В. Киренского СО РАН (г. Красноярск), Афанасенко С. И. в Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева, (г. Новосибирск), Сочуговым Н. С. в Институте сильноточной электроники СО РАН, (г. Томск). Однако, реализовать принципы электродинамической сепарации для извлечения мелких классов крупности ценного компонента из металлоносных песков до сих пор не удалось.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» (шифр 2007;5−1.5−0001−063), а также при выполнении госбюджетной тематики на кафедре ОПИиВС Читинского государственного университета.

Цель работы.

Обосновать эффективность применения электродинамического метода извлечения труднообогатимых классов ценного компонента металлоносных песков.

Объект исследования.

Искусственные смеси электропроводящих минералов золотосодержащих металлоносных песков прибрежно-морского россыпного месторождения западного побережья Камчатки.

Предмет исследования.

Процесс выделения из массопотоков мелкого труднообогатимого ценного компонента в рабочем пространстве электродинамического сепаратора импульсным бегущим магнитным полем.

Основная идея работы.

Управление траекториями движения частиц электропроводящих минералов в рабочей зоне электродинамического сепаратора воздействием импульсного бегущего магнитного поля.

Задачи исследования:

1. Теоретически обосновать граничные условия эффективности применения процесса электродинамической сепарации для извлечения труднообогатимого ценного компонента металлоносных песков.

2. Разработка математической модели движения минеральных частиц в рабочей зоне электродинамического сепаратора и установление основных технологические факторов, влияющих на процесс извлечения мелких классов крупности ценного компонента.

3. Разработка и изготовление устройств для электродинамической сепарации мелких классов крупности ценного компонента.

4. Разработка методологических принципов построения технологических схем для извлечения мелких труднообогатимых классов крупности электропроводящих частиц из металлоносных песков.

Методы исследований.

Использован комплекс современных методов исследования, включающий математическое моделирование магнитного поля и траекторий движения электропроводящих частиц ценного компонента мелких классов крупности в импульсном бегущем магнитном поле, отбор проб и их подготовка к исследованию, экспериментальные исследования движения частиц минералов мелких классов крупности в импульсном бегущем магнитном поле, лабораторные, стендовые, макетные испытания электродинамических сепараторов, планшетные и статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование условий эффективного применения метода электродинамической сепарации для извлечения мелких классов крупности ценного компонента из металлоносных песков.

2. Способ генерации магнитного поля, позволяющий управлять траекториями движения электропроводящих частиц в рабочей зоне электродинамического сепаратора и реализующий принцип избирательного воздействия на электропроводящие частицы в массопотоке без механического разрушения рабочего узла сепаратора.

3. Устройство, реализующее способ электродинамической сепарации импульсным бегущим магнитным полем, обеспечивающее получение требуемых сепарационных характеристик процесса извлечения мелкого золота из металлоносных песков, позволяющее совершенствовать технологические схемы обогащения полезных ископаемых.

Достоверность научных положений.

Подтверждается сходимостью полученных теоретических соотношений и экспериментальных данных в большом количестве экспериментов с относительной погрешностью ~ 2% и доверительной надежностью ~ 95%- высокой работоспособностью и надежностью экспериментальных электродинамических сепараторов в разных режимах работы.

Научная новизна работы:

1. Теоретически обоснована зависимость силы взаимодействия, действующей на электропроводящую частицу в рабочей зоне электродинамического сепаратора с импульсным бегущим магнитным полемвыведены уравнения движения частиц мелкого золота для разных конфигураций магнитного поля.

2. Обоснован способ генерации импульсного бегущего магнитного поля, обеспечивающий извлечение мелких классов крупности проводящих частиц, и управление их траекториями движения в рабочей зоне электродинамического сепаратора.

3. Выведены уравнения движения электропроводящих частиц золота мелких классов крупности, создана математическая модель их движения в рабочей зоне электродинамического сепаратора и выявлены основные факторы, влияющие на процесс извлечения мелкого золота в зависимости от размера и проводимости минеральных частиц, амплитуды напряженности, скорости изменения и градиента магнитного поля, сдвига по фазе и частоты следования импульсов магнитного поля.

4. Выявлены сепарационные характеристики извлечения проводящих частиц из искусственных смесей при регулировании параметров импульсного бегущего магнитного поля.

Практическое значение работы.

1. Экспериментально определена нижняя граничная области практического применения метода электродинамической сепарации для извлечения труднообогатимого мелкого золота (класса крупности + 50 мкм).

2. Созданы устройства для генерации импульсного бегущего магнитного поля для извлечения из массопотоков мелких проводящих частиц ценного компонента и разработан способ управления их траекториями в рабочем пространстве электродинамического сепаратора.

3. Разработана конструкция сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем, защищенная патентами РФ, позволяющая эффективно извлекать частицы ценного компонента мелких классов крупности.

4. Предложено устройства для реализации технологических линий обогащения с использованием электродинамической сепарации, применительно к континентальным и прибрежно-морским россыпям.

5. Обоснованы методологические принципы построения технологических линий для извлечения мелких электропроводящих частиц из металлоносных песков с помощью электродинамической сепарацией при разработке континентальных и прибрежно-морских россыпей.

Реализация результатов работы.

Созданный лабораторный макет для электродинамической сепарации металлоносных песков на стадии оценки минерального сырья на обогатимость внедрен в учебный процесс кафедры ОПИиВС ЧитГУ при проведении лабораторных работ по дисциплине: «Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых», дипломном проектировании при подготовке горных инженеров по специальности 130 405 «Обогащение полезных ископаемых».

Апробация работы.

Основные результаты работы на разных этапах выполнения докладывались и обсуждались на различных научных конференциях в Камчатском государственном техническом университете (Петропавловск-Камчатский, 1999;2005, 2007) — Читинском государственном университете (Плаксинские чтения, 2002 г.), Институте вулканической геологии и геохимии РАН (Петропавловск-Камчатский, 2004), Институте сильноточной электроники СО РАН (Томск, 2007). Основные результаты работы опубликованы в сборниках научных трудов и рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора.

Выполнены теоретические исследования, разработан способ и устройства генерации импульсного магнитного поля, созданы методики и математический аппарат расчета траекторий разделяемых, частиц. Создан и изготовлен рабочий узел сепаратора. Организация и участие в лабораторных и стендовых испытаниях, обобщение, анализ полученных результатов, подготовка рекомендаций для практического использования.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 3 патента на изобретение.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за постановку задачи и постоянную поддержку при работе над сепаратором профессору, д.т.н. А. С. Латкину, благодарит сотрудников лаборатории прикладной электроники ИСЭ СО РАН (г. Томск), сотрудников кафедры физики Камчатского государственного технического университета, д. ф.-м. н. А. В. Викулина, сотрудников кафедры обогащения полезных ископаемых Читинского государственного университета, научного руководителя д.т.н., профессора Мязина В. П., д.г.-м.н. Павленко Ю. В. Особая признательность автора учредителям ООО «Поиск» Г. А. Григорскому и А. П. Муравьеву, оказывавшим финансовую поддержку при изготовлении и испытаниях образцов сепаратора.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 2 приложений. Объем диссертации составляет 179 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка, 7 таблиц, библиографический список.

5.3 Выводы по главе.

1. Конструкции электродинамических сепараторов должны выпускаться различных типоразмеров для широкого диапазона крупности ценного компонента. Сепараторы, работающие с крупными классами крупности ценного компонента, должны иметь производительность большую, а для мелких фракций меньшую производительность.

2. Отработку месторождения с содержанием 400 мг/м проводить не выгодно по всем трем вариантам технологического процесса. Уровень экономической эффективности выше у электродинамической технологии обогащения золотоносных песков. По всем вариантам отработки все технико-экономические показатели электродинамического обогащения песков превосходят аналогичные показатели обогащения песков шлюзовой и отсадочной технологией.

3. Капитальные затраты, амортизационные отчисления и себестоимость выпуска продукции с использованием электродинамических сепараторов больше аналогичных показателей с использованием шлюзов и отсадочных машин. Это объясняется более высоким извлечением мелкого золота электродинамическим сепаратором, по сравнению с шлюзами и осадочными машинами.