CC BY
47
© Л.А. Митин, 2003
УЛ К 622.7
Л.А. Митин
О НЕКОТОРЫХ ПАРАЛОКСАХ В ГИЛРОГРАВИТАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ ОБОГАШЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Высказывание, суждение, расходящееся с общепринятыми мнениями, называют парадоксом, от греческого рага^хов-
неожиданный, странный. Они не редкость в жизни. Парадоксальную форму имеют, например, такие философско-этические
обобщения, как «Люди жестоки, но человек добр» (Тагор) или «Твои взгляды мне ненавистны, но всю жизнь я буду бороться за твое право отстаивать их» (Вольтер).
Такие противоречия встречаются не только в чисто дедуктивных науках, но и в физике. Так, выводами, противоречащими многовековой научной традиции, изобилуют и теория относительности, и квантовая механика. Парадоксы - не редкость в технических областях. В механике, например, повышенный интерес сохраняется к результатам эксперимента Челомея В.Н. с вибрирующими жидкостями и твердыми телами. Если в статике центр
Таблица 1______________________
тяжести механической системы стремится занять положение, при котором потенциальная энергия минимальна, то в опытах Челомея В.Н. центр тяжести может занимать динамически устойчивое положение, когда потенциальная энергия приобретает максимальное значение. Вибровоздействие приводит к необычным результатам: тяжелое тело, находящееся в жидкости, всплывает, а легкое - тонет; «перевернутый» маятник с пульсирующей точкой подвеса занимает устойчивое положение; незакрепленная шайба на вибрирующем стержне с нижней шарнирной опорой остается почти в неподвижном положении, как бы в невесомости, хотя стержень стоит почти вертикально; стержень, подверженный периодическим продольным колебаниям, имеет критическую силу устойчивости, превышающую статическую критическую эйлерову силу [1].
Базовой основой теории гид-
рогравитационного процесса обогащения полезных ископаемых являются положения механики жидкости и газа, т.е. гидроаэродинамики. Парадоксы и эффекты не редкость и в этой -одной из древнейших наук. В 1744 г. Даламбер высказывает утверждение, что тело, двигаясь в жидкости поступательно, прямолинейно и равномерно, не испытывает сопротивления, т.к. лобовое сопротивление уравновешивается давлениями вблизи кормы. Это несоответствие действительности объясняется отличием обтекания тел реальной жидкостью от теоретической схемы обтекания идеальной несжимаемой жидкостью, когда главный вектор сил давления потока получается равным нулю [2].
Из других парадоксальных гидродинамических явлений отметим следующие: устойчивое
положение твердого легкого шарика в вертикальной струе воды; вращение цилиндра в направлении, противоположном набегающей струе воды; образование вихревой воронки при истечении воды через круглое отверстие в бытовой ванне, кумулятивный эффект; образование «султанов» при подводных взрывах; концентрация чаинок на дне в центре стакана после раскрутки чая ложечкой. Объяснение и решение этих эффектов сделано Лаврентьевым М.А. с учениками в Ин-
№ опро- бован ИЯ Наименование продуктов Обогащения Труд-12 МО-416
Выход Содержание золота, г/м3 Извлечение золота, % Выход Содержание золота, Извлечение золота,
м3/ч % м3/ч % г/м3 %
1 Концен- трат 4,87 6,5 3,53 88,5 4,1 3,7 7,900 93,8
Хвосты 128,13 93,5 0,03 11,5 106,9 96,3 0,020 6,2
Исходный 136,00 100,0 0,261 100,0 111,0 100,0 0,312 100,0
2 Концен- трат 8,85 8,7 5,65 93,1 1,7 1,9 20,148 90,5
Хвосты 93,15 91,3 0,04 6,9 88,3 98,1 0,046 9,5
Исходный 102,00 100,0 0,525 100,0 90,0 100,0 0,424 100,0
3 Концен- трат 7,56 7,9 5,56 88,8 3,94 2,4 13,200 86,8
Хвосты 88,44 92,1 0,06 11,2 160,06 97,6 0,049 13,2
Исходный 96,00 100,0 0,495 100,0 164,00 100,0 0,365 100,0
4 Концен- трат 11,02 10,9 5,92 93,1 2,27 2,5 22,010 91,1
Хвосты 89,98 89,1 0,05 6,5 88,73 97,5 0,055 8,9
Исходный 101,00 100,0 0,693 100,0 91,00 100,0 0,604 100,0
Таблица 2
Тип концентратора Фр, оптимальное значение Фр, предельное рекомендуемое значение ЕКэ
OROCON (США) 8 10-15 0,25
KNELSON (Канада) 60 100 0,65
FALKON (Канада) 200 300 0,40
MGS (Великобритания) 5-15 15 1,00
KELSEY (Австралия) 60 100 0,85
ституте гидродинамики СО РАН
[3].
А вот пример несоответствия явления обычным представлениям из области гидрогравитационного обогащения. Общепризнано, что процессы отсадки в машинах с подвижным и неподвижным решетом идентичны, поэтому правомерно ожидать близкие технологические показатели работы этих машин [4, 5].
Между тем, выполненный анализ процесса отсадки в таких аппаратах не позволяет согласиться со сказанным выше.
В отсадочной машине с подвижным решетом твердая фаза поднимается в спокойной воде на высоту размаха колебаний для восполнения потенциальной
энергии, расходуемой в период естественного падения в воде. Вода в процессе выполняет лишь функцию среды. Цикл отсадки в машинах с неподвижным решетом принудительный, т.к. подъем азделяемых частиц водой происходит в противоборстве с естественными силами тяготения. В нисходящем потоке под суммарным действием гидродинамических сил и поля тяготения происходит принудительное ускоренное уплотнение частиц. Водопо-ток движется вверх, а зерна твердой фазы - вниз. Скорость восходящего потока значительно превышает скорость выноса в слив мелких частиц полезного минерала. Пульсирующий поток турбулентен. Все это не адекватно процессу в машине с подвижным решетом, где вода является неподвижной средой, а зерна твердой фазы поднимаются решетом. Поэтому необходим ана-
лиз технологических показателей работы отсадочных машин с подвижным и неподвижным решетом и сравнительные испытания в промышленных условиях.
Одна из первых отсадочных машин с подвижным решетом -это машина ИДМСОСК (Австралия). Среди отечественных широко применялась на марганцевых предприятиях отсадочная машина Рыхальского. Привод через эксцентрик и систему рычагов движет решето вперед и вверх. Материал продвигается к разгрузочному порогу под действием возвратно-поступательного хода камер, расслоение в воде под действием вертикальных (восходящих и нисходящих) составляющих движения. Наличие горизонтальных составляющих негативно сказывается на процессе разделения. Только действие вертикальных сил при отсутствии горизонтальных позволит осуществить естественный (независимый) цикл отсадки.
По заданию объединения «Главалмаззолото» в СКБ ГОМ совместно с заводом «Труд» на конкурсной основе разработан и изготовлен опытно-
промышленный образец отсадочной машины для драг - Труд-12 (рис. 1.). В качестве аналога использовалась наиболее эффективная среди современных дражных машин - отсадочная машина иИС (Голландия). Привод этой машины обеспечивает «пилообразный» цикл отсадки: короткое ускоренное нагнетание и последующее длительное всасывание, что содействует минимиза-
ции потерь тонких частиц металла. Анализ технологических показателей работы отсадочных машин (табл. 1) и сравнительные испытания на обогатительной фабрике «Алданзолото» позволяют отметить следующее:
• среди современных зарубежных отсадочных машин для драг HANSON и JHC - наиболее эффективные машины, «пилообразный» цикл отсадки и круглая форма отсадочного отделения которых создают условия для увеличения извлечения мелкого золота;
• отечественная круглая отсадочная машина Труд-12 обеспечивает более высокие показания извлечения мелких и тонких частиц металла (рис/ 2);
• среди отсадочных машин с подвижным решетом в Труд-12 впервые осуществлен естественный (независимый) цикл отсадки;
- различие в показателях извлечения, особенно тонких частиц металла, на JHC и Труд-12 можно объяснить только неэквивалентностью происходящих в них процессов разделения; принципиальное отличие круглых диафрагмовых с практически одинаковыми размерами отсадочных отделений машин JHC и Труд-12: первая - с неподвижным отсадочным решетом, вторая - с подвижным решетом [6].
Однако, наибольшее число несоответствий общепринятым научно-техническим представлениям можно встретить в области гравитационного обогащения с центробежным принципом разделения, который все чаще применяется для интенсификации процесса извлечения мелких и тонких частиц, например, золота.
Снижение размера золотин в перерабатываемых песках отме-
Рис .1. Отсадочная машина «Труд-12».
чается во всех золотодобывающих регионах России; за последние три десятилетия средняя крупность уменьшилась в 2,5 раза. Потери золота с хвостами промывки песков на промприбо-рах, оснащенных традиционным обогатительным оборудованием, составляют в зависимости от крупности от 1 до 36%. На гидроэлеваторных шлюзовых установках, которые практически не улавливают мелкое и тонкое золото, перерабатывается более 80% золотосодержащих песков. Все это требует применения нетрадиционных технических
средств и технологий переработки песков россыпей и отходов прежних лет деятельности золотодобывающих предприятий. В последние годы многочисленны попытки увеличить гидродинамическую активность наиболее дешевого и обеспечивающего наименьший экологический ущерб гравитационного процесса применением аппаратов на основе центробежного принципа. Растет число зарубежных и отечественных публикаций о центробежных концентраторах. Положительны результаты их применения на извлечении мелкого и тонкого золота, платиноидов, касситерита, железных руд и угля. Все чаще говорится о разделении в центробежных полях как об альтернативе флотации. За десять лет только канадская фирма КИЕЬ-БОИ Лпе реализовала в 70 стран более 1000 центробежных аппаратов, в том числе, каждый седьмой продан в Россию [7].
Берт Р. оценивает традиционную отсадочную машину как «устройство не только сложное для описания гидродинамики, но также как одно из трудных для экспериментальных исследований». Изобретатель центробежного концентратора Кпе!зоп от-
мечает, что «настройка традиционных гравитационных машин на оптимальный режим занимает от нескольких часов до одного-двух дней, тогда как центробежный концентратор требует от нескольких недель до одного-двух месяцев». Видимо поэтому довольно часто при рассмотрении происходящих в центробежном концентраторе процессов можно слышать высказывания, суждения, не совпадающие с общепринятыми.
Вот некоторые из этих суждений или, так сказать, «парадоксов».
При вертикальном расположении оси вращающегося конуса центробежного концентратора замещение легких частиц более тяжелыми приводит к уплотнению материала в канавках сбора концентрата. Авторами [8] рекомендуется горизонтальная или наклонная схема расположения оси вращения конуса, что обеспечит по их мнению активное участие в разрыхлении постели силы тяжести. Но такое возможно, если фактор разделения центробежного концентратора мал. В известных аппаратах он составляет десятки и даже сотни единиц.
Нельзя согласиться с заявлением [9] о доминирующем значении вязкости в процессе центробежной концентрации в водной практически несжимаемой среде. В выступлении [8] представлено весьма упрощенное математическое описание происходящего в центробежном концентраторе процесса, которое не содействует практической сути сложного взаимодействия в аппарате.
Нельзя согласиться с мнением [10], что создание центробежного концентратора с принудительно деформируемой обжимными роликами пластичной стенкой рабочего конуса, позволит иметь аппарат, который по принципу действия способен сочетать в себе признаки центробежной отсадочной машины и цен-
тробежного концентрационного стола, да еще одновременно. При такой конструктивной схеме концентратора этому, прежде всего, противодействует доминирующая роль сил трения в материале малой крупности. Весьма негативно встречено специалистами выступление [11], в котором отмечается, что возможности центробежного и гравитационного силовых полей могут быть неидентичны, что фракционное разделение в центробежном концентраторе и стандартном гравитационном аппарате могут быть неодинаковы, так как это противоречит принципу эквивалентности сил тяготения и сил инерции, принципу, который является отправным пунктом при построении релятивистской теории гравитации. Между тем, Энштейн при построении общей теории относительности принимает, что между силами инерции и силами тяготения существует глубокая аналогия, что все физические явления в поле тяготения происходят совершенно также как и в соответствующем поле сил инерции, если эти поля однородны. Но условие однородности не обеспечивается (или нарушается в большей или меньшей степени в центробежных концентраторах). В них сложное силовое взаимодействие. Например, в концентраторе MGS велика роль сил Багнольда, в аппарате KNELSON, видимо, существенно значение сил Кориолиса [12] и сил трения в материале малой крупности.
Показателем, характеризующим гидродинамический режим работы центробежного концентратора, является фактор разделения (Фр), равный отношению центробежного ускорения, развиваемого в аппарате, к ускорению силы тяжести. Известны центробежные аппараты с Фр = 60000. Для рассматриваемого нами случая одни исследователи считают необходимым получать Фр до 500, другие рекомендуют значения Фр на уровне нескольких десятков, а третьи заявляют, что при Фр = 20 будет обеспечена работа центробежного кон-
Рис. 2. Эффективность извлечения золота на различных типах гравитационного оборудования ( по данным Уанга, Полинга и Ирги-редмета [6]
Таблица 3
Параметры ЦОМ-1М ЦОМ-2 ЦОМ-3 Модуль-1 (ЦОМ-2+ ЦОМ-1М) Модуль-2 (ЦОМ-3+ ЦОМ-1М)
Диаметр ротора, мм 370 630 860 630;370 860;370
Площадь отсадочных отделений, м2 1 2 3 3 4
Производительностьт/ч 20 50 75 75 100
Установленная мощность двигателей, кВт 12,1 32,2 49,5 44,3 61,6
Габаритные размеры, мм 2035х16 30х2370 2770х1950х 2500 3200х2200х 2800 - -
Степень концентрации 10 10 10 100 100
Масса, кг 1700 3000 4500 5000 6500
центратора в оптимальном режиме. Наиболее известные зарубежные концентраторы имеют значения Фр и обобщенного показателя процесса обогащения (Z Кэ), приведенные в табл. 2.
Из результатов работы этих концентраторов следует, что фактор разделения не является определяющим критерием оценки эффективности работы: у MGS, например, наименьшее значение Фр и наибольшее ЕКэ, у концентратора FALCON - наоборот. Влияние центростремительного ускорения на скорость движения частиц (V) является определяющим, при этом, чем меньше частица, тем выше эффект: если диаметр частицы более 1 мм, то V s ^Фр, если менее 10 мкм, то V s Фр. В центробежном поле с Фр = 50 шарообразная частица
плотностью 2,7г/см3 и крупностью 10мкм псевдоукрупняется до размера 70мкм, частица крупностью 40мкм - до 350 мкм [12].
Одновременно в центробежном аппарате возрастает действие антисегрегационной коалиции сил, что меняет разрыхлен-ность постели, она прессуется. С уменьшением размера разделяемых частиц действие сил трения увеличивается. При крупности десятки микрометров силы трения на три порядка больше сил сепарации [13]. Вот почему при обогащении тонкодисперсного минерального сырья в центро-
бежном концентраторе увеличение Фр выше предельного значения не увеличивает, а уменьшает показатель Sfo.
Способы борьбы с запрессовкой постели в центробежных концентраторах различны: в Oro-kon применено механическое рыхление минеральной постели с помощью металлических пальцев, в аппарате «Грант» - вибрацией, в KNELSON и FALKON - с помощью напорной воды, подаваемой через отверстия в основаниях межрифельных канавок, в концентраторе ЦКПП-120 деформация минеральной постели осуществляется обжимом эластичного улавливающего конуса роликами. Наиболее полно условия гравитационного обогащения в статических аппаратах выполняются в MGS (режим концентрационного стола) и KELSEY (режим отсадочной машины). Именно эти аппараты и имеют более высокие показатели обогащения (табл. 2).
Итак, условия создания центробежного концентратора высокой эффективности таковы: обеспечение достаточного уровня псевдоукрупнения разделяемых зерен минерала при минимально необходимом значении фактора разделения и возможно более полное сохранение гидродинамического режима гравитационного обогащения, происходящего в статическом аппарате, например, на концентрационном
столе или отсадочной машине, как в концентраторе MGS и в центробежной отсадочной машине KELSEY.
В СКБ ГОМ разработан параметрический ряд центробежных отсадочных машин типа ЦОМ с использованием в качестве аналога отсадочной машины KELSEY (табл. 3).
В отличие от известных центробежных концентраторов
(KNELSON, FALKON, OROKON и другие) ЦОМ, как и ее аналог KELSEY, с наибольшей полнотой объединяет в себе возможности центробежного и гравитационного силовых полей. В отсадочной машине ЦОМ одновременно происходит центрифугирование и отсадка в пульсирующем восходящем потоке с обеспечением достаточного уровня псевдоукрупнения разделяемых частиц и сохранением гидродинамического режима гравитационного обогащения в статическом аппарате.
Спроектированная на базе серийно выпускаемой отсадочной машины типа МОД отсадочная машина типа ЦОМ отличается надежностью, простотой в обслуживании, обеспечивает при непрерывной разгрузке концентрата как параллельную, так и последовательную работу обогатительных камер, имеет относительно низкую стоимость.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Челомей В.Н. Парадоксы в механике, вызываемые вибрациями // Доклады АН СССР.-1983.-т 270. Вып.1, с. 62-67.
2. Лойцянскпй Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, - 1973, - с. 848.
3. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. - М.: Наука-1973, -с. 416.
4. Лященко П.В. Гравитационные процессы обогащения. М.-Л: Гостоптехиздат, - 1940, -с. 357.
5. Фоменко Т.Г. Гравитационные процессы обогащения - М.: - 1966, - с. 330.
6. Митин Л.А. Интенсификация гравитационного процесса обогащения - эффективный путь извлечения мелкого и тонкого золота из песков россыпных месторождений// Колыма. - 2002. - №4.
7. Митин Л.А. Использование центробежных силовых полей для интенсификации гравитационного процесса извлечения мелкого и тонкого золота.// Колыма. - 2002. - №3.
8. Орлов Ю.А. и др. Теоретические основы центробежной сепарации и практика применения концентраторов «итомак» при золотодобыче.// Тезисы докладов научнотехнического семинара «Гравитационные методы обогащения. Современное обогатительное оборудование и новые технологии для переработки минерального сырья, 22-25 октября 2001 г. - Новосибирск, 2001, - с. 38.
9. Верхотуров М.В. и др. К обогащению золота и алмазов.//Тез.докл. 2-ой международной конференции и выставки. Драгоценные металлы и камни - проблемы добычи и извлечения из руд, песков и вторичного сырья, 25-30 июня 2001, -с. 44-46.
10. Краснов А.А. Динамики центробежного обогатительного конуса с принудительно деформируемой эластичной стенкой.// Обогащение руд. - 2001, - №3, с. 34-38.
11. Митин Л.А. Центробежная отсадочная машина для извлечения мелкого и «тонкого» золота.// Тез.докл. 2-ой международной конференции и выставки. Драгоценные металлы и камни -проблемы добычи и извлечения из руд, песков и вторичного сырья, 25-30 июня 2001, - с. 68-69.
12. Богданович А.В. Интенсификация процессов гравитационного обогащения в центробежных полях. // ГИАБ МГГУ - 1998, - №6.
13. Латкин А.С., Шевкун Е.Б. Перспективы освоения бедных и нетрадиционных видов минерального сырья.// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1997 - №1, с. 83-87.
14. Замятин О.В, Маньков В.М. Центробежная отсадочная машина ЦОМ.// Золотодобыча, инф.-рекламный бюл.-Иркутск, Иргиредмет, 2001, - №35, с. 12-13.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Митин Леонид Алексеевич - кандидат технических наук, главный специалист СКБ ГОМ, лауреат государственной премии СССР, ООО «СКБ ГОМ».
