Совершенствование теории вибрационного разделения материалов на вибродеке криволинейной формы

На современном этапе развития промышленности, в связи с вовлечением в переработку труднообогатимых руд сложного вещественного состава, ставится задача совершенствования традиционных методов обогащения и разработок, принципиально новых на базе последних достижений фундаментальных наук.

Переработка минерального сырья осуществляется с помощью ряда последовательных операций, составляющих схему обогащения, включающую методы предварительной обработки, основные процессы обогащения и вспомогательные операции. Основными процессами обогащения являются: гравитационные методы, флотация, электромагнитная сепарация и прочие способы, позволяющие отделять пустую породу от полезных материалов.

В последнее время, особое значение приобретает оптимизация схем обогащения с учетом экологических последствий работы предприятий, а именно: оптимизация с точки зрения водооборота, снижения токсичности отходов, уменьшения потребления токсичных реагентов, воды, энергии, вспомогательных материалов [14,68]. В связи с этим с целью улучшения экологической обстановки на предприятиях горнообогатительного комплекса и удешевления переработки руды в настоящее время во многих странах наблюдается рост интереса к гравитационным методам обогащения [14]. Так в частности, более широкое применение сухих методов обогащения имеет в ряде случаев определенные преимущества, поскольку не требует обезвоживания продуктов переработки. Это особенно важно для районов с суровым климатом, где смерзание концентратов затрудняет их транспортировку и дальнейшее использование.

Таким образом, по-прежнему остается актуальной задача совершенствования традиционных методов переработки и обогащения рудных материалов и, в первую очередь, специальных методов с использованием вибрационного оборудования.

Вибрационные процессы занимают важное место в индустрии обогащения полезных ископаемых [9], причем возможности вибрационной техники еще далеко не исчерпаны [11]. Вибрационные машины позволяют решать задачи обогащения и рудоподготовки в совокупности, т. е. осуществлять различные технологические операции, например, такие как классификация, сепарация, дозирование, транспортирование, сушка, разогрев и многие другие.

С физической точки зрения выдающуюся роль вибрации при организации обогатительных процессов обусловливают следующие факторы [11]:

1. Вибрация преобразует силы типа сухого трения, характерные для взаимодействия частиц материала и препятствующие разделительным процессам под действием слабых факторов, в силы типа вязкого трения, при которых эти факторы проявляются более ярко, приводя к повышению эффективности процессов разделения материалов.

2. В результате действия вибрации возникают некоторые дополнительные силы (так называемые вибрационные силы), которые могут способствовать интенсификации разделительных процессов.

3. При вибрации разнородные компоненты среды приобретают относительную подвижность (совершают колебания относительно друг друга), что способствует интенсификации процессов обмена, в частности, ускорению химических реакции.

4. При определенных условиях вибрация приводит к возникновению в среде хаотических движений, что важно для процессов, в которых эффективное перемешивание играет положительную роль (например, при соответствующей организации процесса грохочения).

Таким образом, в основе различных технологических процессов лежат физические эффекты, возникающие при действии вибрации [11].

Кроме этого вибрационное оборудование имеет ряд достоинств, среди которых можно отметить следующие [71]:

1. Рабочие органы вибрационных машин легко герметизируются, что особенно важно при обработке пылящих и токсичных материалов, они сравнительно легко приспосабливаются для обработки горячих материалов.

2. Износ рабочего органа вибромашины при правильном выборе режима вибрации весьма невелик, даже в случае разделения высокоабразивных материалов.

3. Производительность вибрационных машин легко изменяется на ходу от нуля до максимума. Это позволяет эффективно применять их в автоматизированных технологических линиях, а также в случаях, когда необходима дозированная или легко регулируемая подача материала.

4. Движение материала под действием вибрации удачно совмещается с целым рядом технологических операций, например, с такими как разделение частиц сыпучего материала по их различным свойствам, классификация по крупности, сушка, охлаждение, подогрев, просеивание, перемешивание в вибрационных конвейерах, обезвоживание, выщелачивание на виброгрохотах и грохотах-конвейерах, а также интенсификация различных химических, физико-химических и биологических процессов.

Применительно к схемам обогащения вибрация является важным элементом процесса просеивания, увеличивая при определенных условиях вероятность прохождения частиц мелкой фракции через отверстия. С другой стороны, частицы материала с разными характеристиками движутся по вибрирующим поверхностям по различным траекториям, что лежит в основе способа разделения материалов по определенным свойствам без использования сит. При этом вибрационные силы обеспечивают движение исходной смеси вдоль рабочих поверхностей, а продуктов разделения — к соответствующим приемникам.

Данный способ сухого разделения материалов в вибросепараторах является сравнительно новым. Он и машина для его осуществления был разработан Д. А. Плиссом в 1947 году (а. с. № 94 356). Способ основан на эффекте сепарации (разделении) частиц материала по их свойствам на наклонных вибрирующих поверхностях и позволяет осуществить разделение по крупности, форме, коэффициенту трения упругости и другим физико-механическим характеристикам частиц.

Вибрационные сепараторы могут широко применяться для разделения всех видов тонко измельченных сыпучих. материалов, кроме липких. Они используются в отрасли обогащения полезных ископаемых и порошковой технологии, в промышленности строительных материалов и на предприятиях химической, атомной, фармацевтической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве.

Конструктивно вибросепаратор представляет собой плоскую или криволинейную деку, совершающую колебания по заданному закону и установленную с наклоном в продольном и поперечном направлении. Подаваемый на нее сыпучий материал под воздействием вибрации перемещается, разделяясь на фракции.

К достоинствам вибрационной сепарации относятся хорошая эффективность разделения и низкая себестоимость, высокая чувствительность к ряду параметров частиц, разделение по которым при других способах затруднительно или практически неосуществимо, непрерывность процесса разделения и возможность его совмещения с транспортировкой, малая энергоемкость и металлоемкость, возможность многопродуктового разделения в одном аппарате, непосредственного наблюдения за процессом, точного управления и регулирования, возможность автоматизации и перенастройки процесса, отсутствие пылеобразования и уноса частиц, простота конструкции и достаточно высокая надежность, легкость обслуживания и безопасность эксплуатации, незначительный износ рабочих органов [1,2]. При этом эффективность работы оборудования впрямую определяется правильным выбором основных параметров и режимов работы.

Отличительной чертой вибрационной техники является то, что она требует для своего развития основательной теоретической базы. Такой базой является раздел прикладной теории колебаний — теория вибрационных процессов и устройств. При этом успехи в развитии вибрационной техники и технологии в значительной степени предопределяются обстоятельной разработкой вопросов теории, углубленным изучением физики и механики процессов, протекающих во время взаимодействия материала с рабочим органом вибрационной машины.

Наиболее перспективным методом исследований является аналитический, позволяющий выполнить основной объем работ на ЭВМ путем изучения реального вибрационного процесса с помощью моделей. Поэтому при решении исследовательских и оптимизационных задач особое значение приобретают вопросы математического моделирования рассматриваемых вибрационных процессов.

Данная работа посвящена аналитическому моделированию процессов разделения (сепарации) материалов на вибрирующих поверхностях криволинейной формы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Рассмотрены особенности моделирования процесса движения материала по криволинейной вибродеке, на основе чего предложен комплекс новых оригинальных аналитических моделей движения частиц материала по виброоргану криволинейной формы. Разработаны одномассная и двухмассная механореологические модели движения частиц по криволинейной вибродеке. Получены уравнения движения моделей.

Предложена методика использования традиционных механореологических моделей и методика использования разработанной модели качения для исследования процессов движения частиц материала по виброорганам криволинейной формы.

Выполнено преобразование плоских аналитических моделей к условиям пространственного движения по вибродеке. Получено математическое описание дифференциальных уравнений, разработанного модельного комплекса с использованием численных методов Рунге-Кутта.

Разработан комплекс алгоритмов и программ для исследования на ПЭВМ вибрационных процессов взаимодействия частиц разделяемых материалов с рабочими органами сепараторов.

Выполнен комплекс аналитических экспериментов по исследованию влияния физико-механических характеристик материала, параметров и режимов работы виброоргана на угол вибросепарации а0 и скорость транспортирования частиц у. При выполнении факторных экспериментов в ряде случаев не удалось получить адекватные модели (уравнения регрессии) вследствие значительной сложности исследуемых закономерностей. Поэтому были проведены дополнительные экспериментальные исследования основных закономерностей и построены поверхности отклика искомой функции по точкам. Результаты сопоставления экспериментальных данных показали, что уравнения регрессии, отвечающие требованиям критериальной проверки, не всегда могут обеспечить необходимую точность расчетов вследствие сложного характера исследуемых закономерностей.

В результате экспериментов были исследованы основные закономерности процесса взаимодействия частиц материала с криволинейным рабочим органом сепаратора. Разработанные модели показали высокую эффективность, способность решать разнообразные исследовательские задачи путем глубокого и всестороннего изучения динамики взаимодействия частиц материала с рабочими органами вибрационных сепараторов.

На основе результатов экспериментальных исследований разработаны рекомендации по формированию • исследовательских моделей. Для определения параметров исследовательских моделей, расчета и оптимизации вибрационных сепараторов разработаны соответствующие способы и методики расчета.

На основе разработанной теории были рассчитаны рациональные режимы обогащения мелкоразмерной слюдяной руды класса -1+0 мм на дековом вибрационном сепараторе. Проведенные испытания показали хорошую сходимость расчетных данных с экспериментальными, что подтверждает эффективность аналитических разработок и методик, предназначенных для аналитического исследования рассматриваемых вибрационных процессов с целью расчета вибрационных сепараторов и другого подобного оборудования.

Практические результаты исследований в виде рекомендаций по выбору наиболее эффективных режимов вибрационного разделения пегматитовой руды класса -1+0 мм и методик расчета и оптимизации вибрационных сепараторов с криволинейными рабочими оргснами, на основе которых определены рациональные режимы работы оборудования, .внедрены на ОАО «Нижнеудинская слюдяная фабрика» (приложение 3).

Разработанные математические модели позволили рассчитать рациональные режимы обогащения мелкоразмерной слюдяной руды класса -1+0 мм на вибросепараторе с плоской декой. При этом модель движения среднестатистической частицы слюды хорошо отражает среднюю траекторию веера слюды, а расчетная траектория движения граничной частицы пегматит-слюда отражает верхнюю границу промпродукта. Расчетный угол расхождения траектории Д (рв хорошо отражает эффективность разделения. Пробные эксперименты показали, что отклонение от расчетных режимов вибросепарации приводит к ухудшению качества концентрата и эффективности разделения.

В результате выполнения договора о творческом сотрудничестве с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных исследований достигнута поставленная цель работы: разработана аналитическая модель процесса движения и разделения рудного материала на вибродеке криволинейной формы, позволяющих осуществлять оптимизацию оборудования по режимам вибрации и основным параметрам криволинейного рабочего органа.

Разработанные модели являются новыми и оригинальными, математическое описание выполнено с использование численных методов. Предлагаемые методики и рекомендации разработаны на базе обширных аналитических исследований. рассматриваемых вибрационных процессов, достоверность и адекватность аналитических разработок проверена в результате выполнения натурных экспериментов и испытаний.

Разработанные модели позволяют эффективно решать различные исследовательские задачи по расчету основных параметров вибрационных сепараторов. Выполненные научные разработки отличаются новизной и оригинальностью, практическая реализация показала их высокую эффективность.