УДК
622.753: 622.648.24
аспирант
Шевцов Н.С.
ФГБОУ
ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Влияние плотности несущей среды при
гидротранспорте полидисперсных и полиминеральных отходов
обогатительного производства на
энергоёмкость системы
При наличии в хвостах фракций менее 0,15
мм, а в отдельных и даже до 0,25-0,5 мм для частиц с невысокой плотностью, в
смеси с водой образуют несущую среду с плотностью большей, чем вмещающая вода.
При этом снижается доля энергии потока, затрачиваемой на взвешивание крупных
частиц в движущемся потоке несущей среды из-за увеличения архимедовой силы.
Таким образом, возникает перераспределение энергии на перемещение твёрдой фазы.
С одной стороны самопроизвольное взвешивание мелких частиц, на которое практически не затрачивается
энергия, и естественный процесс на взвешивание крупных частиц в более плотной
среде, протекающий при меньшей затрате энергии [1].
Традиционно в качестве несущей жидкости
используется вода. В последние годы обсуждается вопрос о выборе новых видов
носителей, что связано с дефицитом воды в районах добычи минерального сырья и
необходимостью её последующей очистки. Для устранения этих недостатков предлагаются
различные решения. В качестве альтернативы использовать в качестве носителя природные
воды с высоким содержанием солей, непригодные для использования в быту (морскую
воду, засоленные грунтовые воды и т.п.), предварительно повысив в них
концентрацию солей с таким расчётом, чтобы носитель имел плотность до 1,2 т/м3.
Благодаря тому, что разность между плотностью транспортируемых частиц и несущей
среды будет меньше, дифференциация частиц будет затруднена. В Австралии
разработана технология транспортировки угля с водой, маслом и небольшим
количеством присадок и предварительным измельчением транспортируемого материала
[2].
В зависимости от крупности
транспортируемого материала согласно исследованиям многочисленных авторов
существует три области течения гидросмеси [3-6]
1.
Ламинарная область в диапазоне крупности 0,010 мм < dcp < 0,15 мм характерна
для транспортирования хвостов горнодобывающих предприятий цветной
промышленности, содержание частиц в которых менее 40 мкр составляет 70-90%.
Транспортирование гидросмесей с мелкими частицами, образующие гомогенные смеси,
могут происходить при небольших числах Рейнольдса, так как силы тяжести в этом
случае компенсируются силами, обусловленными вязкостью среды. Для каждого вида
хвостов, которые являются полидисперсными и полиминеральными, существуют
граничные значения концентрации твёрдой фазы и вязкости гидросмеси и их течение
подчиняется законам Бингамовской среды [7]. Реализация транспортирования
не-Ньютоновских жидкостей возможно при надёжном сгущении гидросмесей и
применения высоконапорных объёмных гидромашин.
2. Переходная
область в интервале частиц диаметром 0,15 мм < dcp < 1,5 мм характерна для
транспортирования хвостов горнодобывающих предприятий чёрной промышленности. Традиционно в
качестве несущей жидкости используется вода. В последние годы обсуждается
вопрос о выборе новых видов носителей, что связано с дефицитом воды в районах
добычи минерального сырья и необходимостью её последующей очистки. Для устранения
этих недостатков предлагаются различные решения. В качестве альтернативы использовать
в качестве носителя природные воды с высоким содержанием солей, непригодные для
использования в быту (морскую воду, засоленные грунтовые воды и т.п.),
предварительно повысив в них концентрацию солей с таким расчётом, чтобы
носитель имел плотность до 1,2 т/м3. Благодаря тому, что разность
между плотностью транспортируемых частиц и несущей среды будет меньше, дифференциация
частиц будет затруднена. В Австралии разработана технология транспортировки
угля с водой, маслом и небольшим количеством присадок с предварительным
измельчением транспортируемого материала,
содержание частиц в которых менее 40мкр составляет 10-60% [2].
3. Турбулентной области с геометрической крупностью
зерен 1,5мм<dcp<D мм характерна
при разработке песчано-гравийно-валунчатых грунтов средствами гидромеханизации,
гидротранспорте угля и руд черных и цветных металлов
Детальный анализ существующих расчетных
формул позволяет большинство из них представить общим выражением в функции
диаметра грунтопроводов и скорости движения пульпы [8,9]:
(1)
где
J0 - гидравлический уклон пульпопровода при
движении чистой воды;
J -
дополнительные потери напора на взвешивание твердого в потоке;
А¢ и В¢ - переменные
коэффициенты пропорциональности, которые являются функциями А¢ = f(l), В¢ = f(l, dср,
dT, dn);
Заменим
в формуле (1) скорость выражением 
после
преобразования получим формулу гидравлического уклона при l=const
(2)
где
J0 и Jn - гидравлический уклон на чистой воде и
пульпе, м/м;
DJ -
дополнительные потери напора, обусловленные наличием твердых частиц в потоке
жидкости, м/м;
l - коэффициент
сопротивления пульпопровода;
Q
- расход транспортируемой пульпы по трубопроводу. м3/ч;
D - стандартный
диаметр пульповода, м;
B - параметр, не
зависящий от скорости (расхода) и диаметра трубопровода и являющийся функцией
различных характеристик гидросмеси, а также ее жидкой и твердой составляющих и
рассчитывается по формуле
А=(164,52×106)-1,м-1∙ч2;
(3)
для ламинарной
области в диапазоне крупности 0,010 мм < dcp < 0,15 мм
переходной области в интервале частиц диаметром
0,15 мм < dcp < 1,5 мм
турбулентной области с
геометрической крупностью зерен 1,5 мм < dcp < D мм
- относительная плотность пульпы и твердых частиц, когда
несущей средой является суспензия-смесь воды и мелких фракций хвостов , которые
в течение длительного времени не формируют осадка в пульпопроводе (безразмерные);
где
- плотность воды и несущей среды, т/м3.
dcp -
средневзвешенная геометрическая крупность транспортируемых частиц (при установлении
размерности подставляется в метрах, а при расчетах следует подставлять в мм);
Плотность
транспортируемой пульпы δп и несущей
среды 
связана с весовой
консистенцией R
следующими зависимостями
(4)
где ψ-доля частиц
крупностью менее 0,15 мм.
При
наличии в хвостах фракций менее 0,15 мм, а в отдельных и даже до 0,25-0,5 мм
для частиц с невысокой плотностью, в смеси с водой образуют несущую среду с
плотностью большей, чем вмещающая вода. Графическая зависимость плотности
несущей среды в зависимости от содержания мелких фракций
ψ
от 0 до 70 %, изменения плотности твёрдых частиц в диапазоне 2, 0; 2,5…..4,5 т/м3 для двух значений весовой консистенции
представлен на рис. 1. Анализ полученных данных показывает, что плотность
несущей среды зависит от суммарной весовой консистенции пульпы, плотности
частиц и может изменять для принятых условий расчёта от 1,005 до 1,09 т/м3.
Используя
функциональную зависимость 
проф. Конакова П.К.
[8] и учитывая замечания проф. Дюранда [19] нами получена зависимость
коэффициента сопротивления пульповодов с установившейся шероховатостью [10]:
(5)
где
m=35,386; - внутренний
диаметр пульпопровода, м;
Qn–расход пульпы,м3/ч.
После
подстановки (3) в (2) получим зависимость гидравлического уклона пульпопровода
при переменном значении l¹const:
(6)
Расчет
удельных затрат энергии (на доставку 1т хвостов гидротранспортом на расстояние
1 км.) производили по следующему выражению:
, кВт*ч/т*км (9)
где
– массовая
консистенция пульпы к массе (весу) пульпы.
В
работе [11] автором предлагается для более точных расчётов производить детальное исследование по крупности и
плотности твёрдых материалов, перемещаемых гидротранспортом. При этом
рекомендуется в каждой фракции
определять долю частиц с различной плотностью (табл.1).
Рисунок
1 – Зависимость плотности несущей среды от содержания мелкодисперсных частиц и
их плотности γТ=2,0….4,5 т/м3
для весовой консистенции Ж:Т = R = 5 и R = 10
Таблица
1 Гранулометрическая характеристика техногенных россыпей ЦГОКа
|
Класс крупности,
мм |
Доля
фракций с плотностью, т/м3 |
Массовая доля,
% |
Средне-взвешенная
плотность фракций, т/м3 |
||||||
|
5,000 |
4,413 |
3,825 |
3,355 |
2,650 |
|||||
|
Более |
Менее |
|
|||||||
|
0,000 |
0,044 |
9,24 |
0,11 |
0,07 |
0,09 |
8,53 |
18,04 |
3,873 |
|
|
0,044 |
0,070 |
3,69 |
0,66 |
1,10 |
0,58 |
4,54 |
10,66 |
3,735 |
|
|
0,070 |
0,160 |
1,97 |
0,99 |
4,23 |
3,43 |
6,79 |
17,40 |
3,443 |
|
|
Среднеарифметическое
класса +0,160 |
|
46,10 |
3,684 |
|
|||||
|
0,160 |
0,250 |
0,79 |
0,55 |
5,59 |
3,93 |
8,03 |
18,90 |
3,292 |
|
|
0,250 |
0,500 |
0,17 |
0,06 |
6,67 |
7,20 |
4,70 |
18,80 |
3,364 |
|
|
0,500 |
1,000 |
0,00 |
0,00 |
4,20 |
6,26 |
3,93 |
14,40 |
3,297 |
|
|
1,000 |
5,000 |
0,00 |
0,00 |
0,55 |
0,81 |
0,45 |
1,80 |
3,343 |
|
|
Сумма,
% |
15,85 |
2,37 |
22,42 |
22,30 |
37,07 |
100,0 |
3,478 |
|
|
|
Среднеарифметическое
всей пробы |
|
|
|||||||
Согласно
приведенных данных, следует что техногенные породы являются не только полидисперсными,
но и полиминеральными, т.к. их плотность в пределах одной фракции изменяется от
5,0 до 2,65 т/м3. Исследования хвостов обогатительных фабрик
Соколовско-Сарбайского, Качканарского и Лисаковского ГОКов, ГОПа ОАО «ММК» также подтверждают их
полидисперсность и полиминеральность.
Для
рассмотренного случая (табл.1) плотность несущей среды, рассчитанная по формуле
(4) составляет γнс= 1,064 т/м3 при R=5 γнс = 1,032 т/м3 при R=10 для плотности мелких частиц γТ = 3,684 т/м3 и их долевом содержании ψ = 0,461. Интегральные
показатели транспортируемых техногенных россыпей следующие: средневзвешенный
диаметр общей пробы dср=0,301 мм и
средневзвешенная плотность γТ = 3,478 т/м3
. Результаты теоретических расчётов по
предлагаемой выше методике для техногенных россыпей ЦГОка по оценке
гидравлического уклона и удельного расхода электроэнергии с учётом формирования
несущей среды с плотностью выше единицы и увеличения действия архимедовой силы
представлены на рис.2.
Анализ
полученных данных позволяет сделать выводы о том, что формирование несущей
среды за счет образования устойчивой взвеси их частиц крупностью менее 0,15 мм
приводит к снижению гидравлического
уклона и удельного расхода электроэнергии.
|
|
Рисунок 2 -
Зависимости гидравлического уклона Jn и удельного расхода электроэнергии q0
от весовой консистенции пульпы R,
содержания пылеватых частиц ψ = 0,461 с плотностью γТ = 3,684 т/м3 и
средневзвешенной крупности транспортируемого материала dср=0,301мм. |
Выводы
1.
При
гидротранспорте полидисперсных и полиминеральных отходов обогатительного
производства необходимо обращать внимание на содержание мелких фракций менее
0,15 мм. При их содержании более 20-30% от общего веса формируется «тяжёлая»
несущая среда с плотностью больше единицы.
2.
Учет
формирования «тяжёлой» несущей среды за счёт наличия фракций меньше 0,15 мм
приводит к снижению гидравлического уклона и удельного расхода электроэнергии,
что подтверждается результатами практики.
Литература
1.
Каненков
В.В. Снижение энергоёмкости гидравлического транспортирования полидисперсных
гидросмесей на предприятиях горной промышленности: диссертация кандидата
технических наук: 05.05.06 Санкт-Петербург, 2006, 136 с
2. Докукин В.П. Формирование системы
трубопроводного гидротранспорта горных предприятий на основе метода
динамической оптимизации её параметров: диссертация доктора технических наук:
05.05.06. Санкт-Петербург, 2005, 280 с.
3. Роер Г.Н. Устойчивые режимы и потери
напора при напорном движении пульпы в пульпопроводах. - Известия Академии Наук
СССР,ОТН,1939, № 8.
4.
Юфин
А.П. Движение неоднородной жидкости по горизонтальным стальным незаилённым
трубам. - Известия Академии Наук СССР, ОТН, 1949, № 8.
5. Великанов М.А. Обоснование
гравитационной теории движения наносов. -
Метеорология и гидрология. 1938. № 9-10.
6. Маккавеев В.М. К теории
турбулентного режима и взвешивания наносов. - Известия Государственного
гидрологического института (ГГИ), 1931, № 32, С. 5 -26.
7. Александров В.И., Кулешов А.А.
Снижение удельной энергоёмкости гидротранспортных комплексов. - Горные машины и
автоматика, 2004, №6, С. 16-18.
8. Конаков П.К. Новая формула для
коэффициента сопротивления для гладких труб. - ДАН СССР – 1946 – т.10 – С. 70 –
77.
9. Durand
R., Condolios E. Donnes techniques sur le refulement hydrauligue des materiaux solides
tn Condite. Congres du centenaire de Sosiete de l'industrie minerale. - Paris,
Juin, 22F,1955.
10.
Мельников
И.Т., Пыталев И.А., Корнилов С.Н., Кутлубаев И.М., Васильев К.П., Мельников
И.И., Шевцов Н.С. Снижение
энергоёмкости гидротранспорта хвостов обогатительного производства железорудных
горно-обогатительных комбинатов. - Вестник МГТУ им. Г.И. Носова,
г.Магнитогорск, 2012, № 2, С.15–19.
11. Семененко Е.В. Методика расчёта
параметров внутрифабричных систем гидротранспорта. - Горная электромеханика,
Киев, 2008, вып. 15 (131), С.174-179.
References
1. Kanenkov
VV, Reducing energy consumption of hydraulic transportation of polydisperse
slurries in enterprises mining industry: the dissertation of the candidate of
technical sciences: 05.05.06 St. Petersburg, 2006, 136 pp.
2. Dokukin
VP, Formation of the pipeline system mining enterprises on the basis of dynamic
optimization of parameters: the dissertation of the doctor of technical
sciences: 05.05.06. St. Petersburg, 2005, 280 p.
3. G.
Royer, Stable regimes and the head loss in the pressure in the movement of the
pulp slurry pipeline. - Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR,
OTN, 1939, № 8.
4. Yufin
AP, Inhomogeneous fluid movement on horizontal steel pipes. - Proceedings of
the Academy of Sciences of the USSR, OTN, 1949, № 8.
5. Velikanov
MA, Justification of the gravitational theory of motion of nano-owls. - Meteorology
and Hydrology. 1938. № 9-10.
6. Maccabees
VM, The theory of turbulent and weighing sediment. - Proceedings of the State
Hydrological Institute (SHI), 1931, № 32, pp. 5 -26.
7. Alexandrov
V., Kuleshov AA, Reducing energy intensity of hydro facilities. - Mining
Machinery and Automation, 2004, № 6, pp. 16-18.
8. Konakov
PK, The new formula for the drag coefficient for smooth pipes. - Ibid - 1946 -
v.10 - S. 70 - 77.
9. Durand
R., Condolios E. Donnes techniques sur le refulement hydrauligue des materiaux
solides tn Condite. Congres du centenaire de Sosiete de l'industrie minerale. -
Paris, Juin, 22F, 1955.
10. Melnikov
IT, Pytalev IA, Kornilov SN, Kutlubaev IM, Vasilyev KP, Melnikov II, Shevtsov
NS, Reducing energy consumption of hydro-transport iron ore tailings processing
industry Mining and processing plants. - Journal of Bauman. GI Nosov
Magnitogorsk, 2012, № 2, p.15-19.
11. Semenenko
EV, Method of calculating the parameters of hydraulic transport systems intra
fabric. - Mining Electrical Engineering, Kiev, 2008, vol. 15 (131), P.174-179.
УДК 622.753:
622.648.24
РЕФЕРАТ
к
статье «Влияние плотности несущей среды
при гидротранспорте полидисперсных и полиминеральных отходов обогатительного
производства на энергоёмкость системы» //Шевцова Н.С.
При
гидротранспорте полидисперсных и полиминеральных отходов обогатительного производства
в переходной области в интервале частиц диаметром 0,15 мм < dcp
< 1,5 мм, характерной для транспортирования хвостов горнодобывающих
предприятий чёрной промышленности наличие
фракций менее 0,15 мм приводит к формированию «тяжёлой» несущей среды с
плотностью более единицы. Это приводит у росту архимедовой силы на более
крупные фракции и обусловливает снижение гидравлического уклона и удельного
расхода электроэнергии.
Ил.2.
Табл.1. Библиогр.11
Ключевые слова.
Отходы обогатительного производства,
полидисперсные и полиминеральные хвосты, гидротранспорт, «тяжелая» несущая
среда, гидравлический уклон и удельный расход электроэнергии.
UDC 622.753: 622.648.24
ABSTRACT
to the article "The Effects
of the density of the carrier medium in hydrotransport polydisperse and
multimineral waste processing industry in the energy system"
//Shevtsova, NS
During hydro transportation of polydisperse and multimineral waste of
processing industry within the transition region for particles with a diameter
of 0.15 mm <dcp <1,5 mm, which are typical for transporting tailings
mining industry of black existence of factions is less than 0.15 mm leads to
the formation of the "heavy" carrier medium a density greater than
unity. This results in increasing in buoyancy force to the larger fraction and
causes reducing of hydraulic gradient and specific energy consumption.
Il.2. Table 1 below. Bibliogr.11
Keywords. Waste processing industry,
and polydisperse and polymineral tails hydrotransport, "heavy"
carrier medium, hydraulic gradient, the specific energy consumption.
Сведения об
авторах
Шевцов
Николай Сергеевич – аспирант кафедры открытой разработки
месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект
Ленина 38, Тел: 8(3519)298466. E-mail: shevcov.nikolay@gmail.com;
The information about the authors
Shevtcov Nikolay Sergeevich - post-graduate of the department of open mining of
deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University
named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Tel: +7
908 585 4782. E-mail: shevcov.nikolay@gmail.com;