Агрегат для получения строительных материалов из отвалов горно-обогатительных комбинатов КМА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Харламов Е. В., ст. преп., Шарапов Р. Р., д-р техн. наук, проф., Шаптала В. Г., д-р техн. наук, проф., Шаптала В. В., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

АГРЕГАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТВАЛОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ КМА

[email protected]

Предложен способ сухого обогащения железосодержащих кварцитов. Разработан аппарат для разделения железосодержащего сырья на кварцевый песок и железосодержащие компоненты. Разработана методика определения дисперсного состава получаемых порошков и коэффициента извлечения магнитных частиц из общей массы.

Ключевые слова: разделение, железная руда, кварцит, сепаратор, дисперсный состав, кипящий слой, магнитное поле, коэффициент извлечения.

Обогащение магнетитовых кварцитов на горно-обогатительных комбинатах Курской магнитной аномалии сопровождается накоплением огромных количеств «хвостов» обогащения - нерудных материалов с остаточным содержанием магнита до 7-8% [1].

Образуемые этими материалами отвалы наносят серьезный ущерб окружающей среде и народному хозяйству в целом. Ликвидация и утилизация отвалов горно-обогатительного производства представляет собой актуальную, но очень сложную проблему. Одним из направлений ее решения является использование отходов обогащения железной руды, содержащих до 93% тонкоизмельченного кварцевого песка (кварцита) в строительстве, в частности - дорожном, а также в производстве строительных материалов и изделий. Некоторые технологии использования отвалов требуют предварительного обезжелезивания кварцевого песка, т.е. удаление остаточных магнетитовых частиц. Получаемый при этом железорудный концентрат

может использоваться как наполнитель и пигмент при изготовлении красок специального назначения [2]. Для разделения железосодержащего минерального сырья разработан магнито-аэродинамический сепаратор, в котором магнитное извлечение магнетитовых частиц происходит из кипящего слоя исходного сыпучего материала (рис. 1).

Сущность разработанного аэродинамического способа разделения отходов горнообогатительного производства состоит в том, что извлечение железосодержащей компоненты из тонкоизмельченного и сходного материала происходит из кипящего слоя частиц, создаваемого восходящим потоком воздуха, проходящим через воздухопроницаемое металлокерамиче-ское днище транспортирующего лотка. Размещение магнитной системы и ленточного транспортера под углом к транспортирующему лотку повышает селективность извлечения магнитных частиц, что способствует повышению чистоты получаемого кварцевого песка.

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема магнито-аэродинамического сепаратора: 1 - аэрожелоб; 2 - скребковый конвейер; 3 - транспортирующий конвейер; 4 - магнитная система; 5 - кипящий слой материала; • - частицы магнитита; о - частицы кварцита

Известно [3], что для извлечения сильномагнитных магнетитовых частиц достаточно применения сравнительно слабых магнитных полей с напряженностью Н < 80 кА/м. Поэтому в разработанном сепараторе используется открытая многополюсная магнитная система, собранная из стандартных постоянных магнитов. Рабочим органом сепаратора является транспортирующая лента, проходящая под магнитной панелью.

Магнетитовые частицы, извлекаемые в рабочей зоне сепаратора, притягиваются к ленте, удерживаются на ней и транспортируются к месту разгрузки.

Разработанный способ разделения железосодержащего сыпучего материала имеет ряд существенных преимуществ:

- процесс разделения происходит в воздушной среде (сухое разделение), что позволяет обойтись без сложных систем водоснабжения и шламового хозяйства;

- аэродинамическое псевдоожижение материала из-за отсутствия движущихся деталей намного проще и надежней вибропсевдоожиже-ния;

- простая система управления процессом разделения путем изменения параметров загрузочного устройства, угла наклона магнитной системы и характеристик кипящего слоя;

Использование технологии кипящего слоя позволяет получать сырьё для строительства и лакокрасочной промышленности из отходов горно-обогатительного производства.

Параметры кипящего слоя сыпучего материала тесно связаны с физико-механическими свойствами частиц [4-7]. Разделяемый материал представляет собой двухкомпонентную механическую смесь частиц магнетита и немагнитных частиц кварцита (песка). Магнетит (Fe3O4)-сильномагнитный минерал черного цвета, содержащий 72,4 % железа. Его плотность рп = 5260 кг/м3, а магнитная восприимчивость «10-5. Относительное массовое содержание магнитной и немагнитной составляющих ~ 0,07 и ^ ~ 0,93. Дисперсный состав составляющих исследовался методом лазерной гранулометрии. Результаты этих исследований приведены в таблице 1.

Дисперсные составы частиц магнита и песка

Таблица 1

Фракции частиц (ё/.1, ё), мкм 0-5,37 5,37-11,2 11,2-23,2 23,2-40,2 40,2-69,5

Средние размеры фракции ёг 2,7 8,3 17,2 31,7 55

Относительное массовое содержание фракций магнита, /М1 0,01 0,03 0,11 0,82 0,03

Относительное массовое содержание фракций песка, /т 0,08 0,13 0,17 0,60 0,02

Размеры частиц, указанные в таблице. являются эквивалентными по объему:

^ (1)

ё = ёэу = 31

ж

По дисперсным составам составляющих разделяемого материала определяются средние размеры их частиц [8-9]: - среднеобъемные:

ёмг = 2 ¿'/и, = 29,8 м

ьмкм,

ёПу = 2 ё'/ш = 24,2

I

среднеповерхностные:

мкм

(2)

Здесь ё = (ёг-1 — di )/2 - средний размер

частиц /-ой фракции порошка; /м, /П - относительные по массе содержания /-ой фракции зерен магнетита и песка.

Среднеобъемные размеры частиц используются при определении действующих на них сил. При определении параметров кипящего слоя используются их среднеповерхностные размеры.

Слой сыпучего материала в связанном состоянии характеризуется его толщиной 5 и пористостью е, равной относительной доле части объема слоя, занимаемой воздухом:

Рн

8 = 1 -

Рк

(4)

(3)

где рН - насыпная плотность материала, рК - его средняя кажущаяся, т.е. с учетом микропор частиц, плотность.

Обе составляющие материала состоят из частиц неправильной формы - округлых и угловатых. Отличие формы частиц от сферической характеризуется геометрическим коэффициен-

том формы Ф, равным отношению площади поверхности частицы к площади поверхности шара такого же объема:

V

Ф = ^ (5)

V

° ш

Установлено [5], что для округлых частиц Ф = 1,33, для угловых - 1,52, а для вытянутых -1,72. Коэффициенты формы частиц разделяемого материала определяются по относительному содержанию частиц различной формой и составляют:

Фм = 1,65, Фп = 1,4 (6)

Для учета несферичности формы частиц в соотношениях для кипящего слоя вместо размера й следует брать й/ Ф.

В разработанном сепараторе слой разделяемого сыпучего материала формируется в лотке прямоугольного сечения, днище которого выполнено из воздухопроницаемого металлокера-мического материала ПНС-10. Нагнетаемый через перегородку воздух создает однородный поток, которой проходит через слой сыпучего материала.

Критическая скорость восходящего потока воздуха при которой возникает кипящий слой смеси, определяется по формуле:

™кр = 0,0736

Ид£Кр

ЛсмР

^смРсмР

х

ния:

Ф2(1 ~екр )

= 11.

/п /м

3 =

1 + 8

Здесь ¡лд - коэффициент динамической вязкости воздуха, йтах - наибольший размер частиц разделяемой смеси, 8кр - критическая пористость смеси, соответствующая началу ее псевдоожижения, которую можно найти из уравне-

(8)

где Ф - среднее значение геометрического коэффициента формы частиц смеси:

Ф = /п Фп + /м Фм (9)

Усредненные значения размера частиц ¿см и плотности рсм частиц двухкомпонентной смеси кварцита и магнетита можно найти по формулам [5]:

1

(10) (11)

Рсм рп рм

^ _ (/М рп + /прм dМS

см /м Рп Лт Фм + /пРм ¿шФ п Толщину кипящего слоя разделяемой смеси можно определить с помощью соотношения:

(12)

Найдем параметры кипящего слоя при разделении на экспериментальном сепараторе отвальной кварцито-магнититовой смеси с характеристиками: рп = 2650 кг/м3, рм = 5260 кг/м3, /п = 0,93, /м = 0,07, Ф п = 1,4, Фм = 1,65, 8 = 0,4, = 13,4 мкм, ёму = 29,8 мкм, ^ = 24,9 мкм, р = 1,2 кг/м3, ц = 1,8^10"5Пах, йтах = 69,5 мкм.

По формуле (9) находим: Ф = 1,42. Решив численно уравнение (8), получим пористость

у

V ¿см J

= 0,025м / с

(7)

Р = Е

ъ м

(15)

кипящего слоя смеси: 8кр = 0,462. Толщина кипящего слоя согласно формулы (12) равна:

8т = 1,1153 (13)

Усредненные характеристики разделяемой смеси находи по формулам (1 0) и

(11): р = 2745,4кг/м3, ¿см = 9,7мкм.

Расход и давление воздуха, необходимые для создания кипящего слоя разделяемой смеси, определяются по формулам:

Я = ^ V (14)

где 8, £мкп - площадь и коэффициент местного

сопротивления металлокерамической перегородки-днища транспортного лотка сепаратора. По значениям Q и Р подбирается вентилятор установки.

Магнитная система разработанного сепаратора представляет собой многополюсную неподвижную панель, набранную из стандартных прямоугольных плоских магнитов с размерами 120x80x16 мм (рис. 2)

Материал магнитов - феррит 22БА220 имеет следующие характеристики [7]: НсВ = 215 кА/м, Ны = 220 кА/м, Н = 122 кА/м, Вг = 0,36 Тл, В л = 0,18 Тл.

Экспериментально установлено [3], что уменьшение нормальной составляющей напряженности магнитного поля многополюсной системы при любых допустимых значениях х и у с достаточной точностью подчиняется соотношению:

н = НсР ехрС-сг),

(16)

где Нср - напряженность магнитного поля на по-

верхности магнитной системы,

_ ж

с = V "

коэф-

3

8

кр

фициент неоднородности магнитного поля, -продольный шаг полюсов магнитной системы. Для используемой в разработанном магнитно-

аэродинамическом сепараторе магнигнои системы Нср = Ъ1кА1м.

Рис. 2. Схема магнитной системы сепаратора: (1 - постоянные магниты, 2 - транспортирующая лента)

На основе закономерностей массопереноса магнитных частиц выведено аналитическое выражение для коэффициента их извлечения:

( ( 1 -

h

л

Zo

Xdt)

л

, v sin«

у к У

(17)

V к2 +

где Н2 - расстояние от поверхности кипящего слоя до магнитной системы, 1а - длина активной зоны сепарации, а - угол наклона магнитной системы, уос(<ё,) - скорость осаждения магнети-товых частиц на ленту транспортирующего конвейера, - средний размер частиц /-ой фракции магнетита.

С помощью соотношения (17) проанализировано влияние на качество разделения отвальной смеси основных конструктивно-технологических параметров сепаратора: толщины слоя разделяемой смеси, скорости ее перемещения и угла наклона магнитной системы.

Зависимость (17) хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований и может быть использована при проектировании промышленных сепараторов для получения высококачественного строительного сырья из отвалов горно-обогатительного комплекса.

ницы // ОмскиИ научный вестник. 2006. № 2(35). С.17-19.

3. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные и электромагнитные методы обогащения. М.: Недра, 1988. 304 с.

4. Ржевский В.В., Новик Г.Я Основы физики горных пород. М.: Недра, 1978.

5. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник. / Под ред. И.П. Мухлеванова, Б.С. Самина, В.Ф. Фролова. Л.: Химия, 1986. 352 с.

6. Разумов И.М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов. М.: Химия, 1972. 240 с.

7. Постоянные магниты: Справочник / А.Б. Альтман, А.М. Герберг, П.А. Гладынов и др.; Под ред. Ю.М.Пятина. М.: Энергия, 1980. 448 с.

8. Новый подход к определению параметров зернового состава цемента аналитическим способом / В.С. Богданов, Р.Р. Шарапов, Д.В. Богданов, С.Ю. Кабанов // Цемент и его применение. 2011. № 1. С. 135-140.

9. Шаптала В.Г., Шарапов Р.Р., Алфимова Н.И. Прогнозирование дисперсных характеристик высокодисперсных цементов // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 24-25.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Кармазин В.И., Кармазин В.В.Магнитные методы обогащения. М.: Недра, 1984. 215 с.

2. Уваров В.А. Оптимизация параметров работы пневмоструйной противоточной мель-