CC BY
31
УДК 622.272.5:552.124:553.04(26)
Г.Г. Пивняк1, В.П. Франчук', А.П. Зиборов1, В.П. Надутый1, А.И. Егурнов1
О НЕОБХОДИМОСТИ НАУЧНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗРАБОТОК, СВЯЗАННЫХ С СОЗДАНИЕМ МОРСКОГО ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Представлен состав оборудования для подводной добычи, транспортировки и обогащения полиметаллических конкреций. Приведены результаты предварительных испытаний некоторых видов оборудования. Намечены проблемы и задачи, требующие решения при создании морского горно-металлургического комплекса.
Мировой океан в последние десятилетия, как потенциальная база обеспечения минеральным сырьем на долгосрочную перспективу различных отраслей промышленности, является объектом интенсивных исследований развитых стран.
В океанических месторождениях запасы металлоносного, энергетического и агрохимического сырья огромны [5], интерес к их освоению у мирового сообщества, по мере истощения месторождений на суше, растет. Однако сырье из морских месторождений относится, в основном, к разряду нетрадиционных, т.е. не применяемых ранее в промышленности. Для обеспечения его эффективного использования необходимы технологии и техника, соответствующие новым (морским) горнотехническим условиям, которые можно отнести к экстремальным (большие глубины, высокое гидростатическое давление, агрессивная среда и т.п.). Создать технику для этих условий возможно только при соответствующем уровне развития науки и техники.
За последние три десятилетия мировым сообществом был достигнут, с одной стороны, значительный прогресс в области разработок новых технологий и проведения испытаний по добыче, в т.ч. глубоководной, полезных ископаемых различными группами ученых — исследователей и инженеров в США, Канаде, Франции, Германии, Японии, России, СО Интероке-анметалл (Польше и др. странах — участниках), Индии, Корее, Китае, Украине, с другой — выявлено большое количество вопросов, остающихся пока что без ответа, и проблем, требующих упреждающего решения перед началом коммерческой (промышленной) добычи [5].
Мировые научные центры активно работают над поиском и созданием новых экологически щадящих технологий и технических средств для морского горного и горно-металлургического производства, решают при поддержке государства задачи финансирования, так как уверены, что прогнозируемый дефицит сырья вынудит ведущие горнорудные и энергетические компании мира продолжить инвестирование этих работ. Формируется перспективная и емкая ниша рынка по наукоемким технологиям, машинам и оборудованию, рыночная ситуация, которая, наряду с оборудо-
©Г.Г. Пивняк1, В.П. Франчук1, А.П. Зиборов1, В.II. Надутый1, А.И. Егуриов1:
1 Национальный горный университет, Днепропетровск.
ван нем и сырьем на начальном этапе, во многом будет определять потребность в интеллектуальной собственности в этой сфере.
Эйфория быстрых глобальных многомиллиардных проектов рубежа 90-х годов прошлого века проходит [1]. Проблема в своем решении входит в необходимый, но не столь эффективный период поиска, создания и отработки технических средств и технологий для промышленной добычи, обогащения и переработки морского минерального сырья, не имеющих аналогов в традиционных технологиях.
Рассмотрим сложившуюся ситуацию на примере морского горно-металлургического комплекса (МГМК) для промышленной добычи полиметаллических конкреций (ПМК), который включает в себя ряд взаимосвязанных в едином технологическом цикле производств (добычное, обогатительное, транспортное, металлургическое), действующих как в акватории Мирового океана, так и на суше, разделенных друг от друга тысячами морских миль (рис. 1).
Такой комплекс, но современным представлениям, должен состоять из плавучего средства (судна или платформы) 1, на котором базируется технологическое оборудование, необходимое: для отработки подводного забоя и подъема экскавируемой горной массы на борт плавсредства (добыч-
Рпс. I. Морской горио-металургический комплекс
ное), для обезвоживания сырья и утилизации отходов обогащения, возможно с получением промежуточного концентрата (обогатительное), для перегрузки в транспортные суда, которые доставляют концентрат на береговые базы, перегрузки в транспорт суши (транспортное) и оборудование металлургического передела на предприятиях суши.
Система трубопроводного транспорта 2 включает систему подъема полезного ископаемого, систему подачи энергоносителя, трубопровод возврата транспортной жидкости, кабели энергоснабжения и управления добычным оборудованием. В донной части к нему примыкает установка 3 загрузки полезного ископаемого, назначение которой — прием полезного ископаемого от агрегатов сбора 4, подготовка к виду, пригодному для транспортирования системой 2. Подготовленный к транспортированию продукт доставляется транспортными судами 5 к комплексу предприятий металлургического передела б, расположенных на суше.
1. Добычное оборудование
Разработка месторождений ПМК производится с помощью установленного на плавсредстве добычного технологического оборудования, включающего агрегат сбора (АС) — 4 и систему подъема (СП) — 2, (см. рис. 1).
Производительность единичного ПДК в настоящее время оценивается в 1,5 млн т влажных конкреций в год (предприятия — до 4 млн т/год). ПМК залегают на поверхности морского дна в основном в один слой со средней плотностью 10 кг/м2 в слабых донных осадках (жидкотекущие грунты с несущей способностью в пределах 7 кПа) на глубинах 5-7 км [1].
Для обеспечения принятой производительности ПДК за год должен
1,5 • 106 - К)3 , с 1л8 2
отработать площадь морского дна ------—----= 1,5 10°.«% а с учетом ожидае-
мых потерь ПМК при выемке (25-30%) эта площадь соответственно должна быть увеличена в 1,25 4-1,3 раза.
Система будущей разработки подводного забоя должна обеспечивать не только эксплуатационную производительность, но и требования экологической безопасности, связанные с сопутствующим процессу отработки забоя взмучиванием донных осадков и изменением рельефа дна.
Ограничивающими внешними факторами в данном случае могут являться: поле распределения скорости придонного течения (потока) и его направление, что определяет направление сноса вмещающих конкреции осадков из зоны забоя (естественно, желательно, чтобы они относились в выработанное пространство); гидродинамическое сопротивление среды (ограничивает скорость перемещения АС но дну); наличие кинематической и технологической связи между АС и последующей транспортной системой (ограничивает маневренность АС в забое) и т.п.
В общем случае производительность добычного оборудования единичного ПДК определяется зависимостью
Ода — 0твхнР1р*
где С)г,сх„ — техническая производительность, т/сутки; р — вероятность сохранения (^.ехн в рассматриваемом промежутке времени; 1Р — время непосредственной работы ПДК в течение года, сут.
Реально достижимая С}-» в условиях конкретного добычного участка — главный показатель, определяющий основную эксплуатационную характеристику ПДК в целом.
Система будущей разработки подводного забоя должна:
обеспечивать с минимальными потерями отработку значительной площади морского дна;
— обладать высокими показателями надежности с учетом минимальной возможности проведения технического обслуживания на морском дне;
— обеспечивать экологические ограничения, определенные правилами Международного органа по морскому дну (МОМД) при проведении добычных работ.
Видимо, не требуется особых доказательств того, что создать такой комплекс, не располагая соответствующими ресурсами и новейшими технологиями, практически невозможно. Следует также учитывать, что:
прошлого опыта создания и эксплуатации горного оборудования для рассматриваемых горно-технических условий нет, что, естественно, усугубляет ситуацию;
состояние знаний (научно-технического потенциала) в данной сфере деятельности объективно оценить весьма сложно, т.к. страны-разработчики практически закрывают всю техническую информацию по новым технологиям.
Предложен целый ряд альтернативных вариантов как АС (от автономных до жестко связанных с плавсредством через систему подъема) так и СП (гидротранспорт, ковшовая цени, скипы и т.п.) [1]. Наиболее перспективной на данном этане представляется конструктивно-кинематическая схема добычного технологического оборудования с автономным АС (6, рис. 2), гибкой связью 5, гидротраиспортиой системой подъема СГ12-4, базирующейся на плавсредстве 1.
По своему назначению, сложности создания и эксплуатации — это наиболее ответственный и
Рис. 2. Система сбора и подъема конкрайни
наименее подготовленный к промышленной эксплуатации (несмотря на многочисленные предложенные варианты) комплекс оборудования.
На наш взгляд создание АС для отработки донного забоя с учетом перечисленных выше основных ограничений - задача не только сложная в постановке, но и комплексная, требующая одновременного рассмотрения взаимоувязанных в едином технологическом процессе операций, проведения сопутствующих исследований, включая постановку эксперимента в условиях, шах, приближенных к промышленной эксплуатации.
Предварительный анализ параметров АС, проведенный в ИГТМ НАН Украины и НГУ показывает, что прогнозируемую производительность единичного ПДК возможно обеспечить минимум при двух агрегатах сбора, работающих на общую гидротранспортную систему.
В качестве одной из перспективных схем представляется конструкция АС с подборщиком конкреций в виде наклонного вибрационного лотка, имеющего возможность изменять глубину погружения в донные осадки. Конструкция такого АС предложена ИГТМ НАН Украины с участием НИПИокеанмаш и НГУ (рис. 3).
Отличительной особенностью данного тина АС является: простота конструкции, технологичность ее изготовления, высокая ремонтопригодность, отсутствие традиционных цепных, винтовых, карданных, ременных и ленточных трансмиссий, при работе которых проявляются интенсивный износ, вытяжка и низкая надежность. Применение виброподборщика позволяет: снизить взмучивание донных осадков непосредственно в забое
Рис. 3. Экспериментальный образец агрегата сбора конкреинй
за счет локализации отделяемых илов в придонной области; преодолевать препятствия высотой до 0,3 м, выступающие над слоем донпого ила; расширить полосу сбора конкреций при незначительных энергетических затратах привода; уменьшить механическое и гидравлическое сопротивление движению подборщика за счет вибрационного взаимодействия рабочего органа с донными отложениями и уменьшения габаритов по высоте. Экспериментальный образец устройства сбора с таким подборщиком был изготовлен и испытан в ИГТМ НАН Украины и на полигоне института НИГШОкеанмаш. Получены положительные данные о его работе.
Следующим важным и достаточно сложным звеном в технологическом оборудовании при добыче ПМК является система трубопроводного транспорта. Вопросы внешней и внутренней гидромеханики трубопровода при исследовании движения трехфазных смесей с учетом воздействия морских течений достаточно предметно рассмотрены в работах ученых НГУ [4]. Необходимо учитывать, что рассмотренные звенья добычной системы (АС и СП) достаточно жестко взаимосвязаны в технологическом плане. Конструктивно-технологические параметры добычного оборудования, включающего АС, гибкую связь, транспортную систему нельзя рассматривать изолированно от маневренности плавсредства и возможностей системы управления, от технологических схем отработки подводного забоя (выемочных единиц в целом), от экологических ограничений и ряда других параметров. Поэтому выбору рациональных конструктивно-технологических параметров должны предшествовать серьезные научные исследования.
2. Обогатительное оборудование
ПДК представляет собой энергонасыщенный комплекс ограниченных параметров. Учитывая ограниченность площадей и энергопотребления, оборудование для переработки полезного ископаемого производительностью 300—500 т/час по исходному продукту должно быть максимально энергетически экономичным и малогабаритным (модульного исполнения). С этой
точки зрения рациональна технологическая схема (рис. 4), предусматривающая после отделения исходной пульпы, поступающей по транспортному трубопроводу 1 от воздуха в устройстве 2, выделение твердою продукта на грохотах 3 со сложным движением рабочей поверхности, слабо чувствительных к качке судна). Одновременно на этих грохотах выделяются остатки ила в подрешетный продукт. Поскольку в настоящее время сведения о степени измельчения конкреций в процессе их транс-
1^. Воздух на утилизацию Вола на утилизацию
5
Газ на очистку
І 4
Исходная
пульпа
Готовый
продукт
Рис. 4. Схема подготовки материала к транспортированию
портирования по длинному трубопроводу предварительные, возможно, придется в технологической схеме предусмотреть сгущение подрешетного продукта в гидроциклонах с выделением ценного компонента. На этой операции могут эффективно работать гидроциклоны 5 и песковые насосы 4 конструкции института Гипромашобогащение (г. Днепропетровск). Дальнейшее обезвоживание материала после сгущения в гидроциклонах эффективно может быть осуществлено в пульсирующих центрифугах 6 конструкции института Гипромашуглеобогащение (г. Луганск). Отдельные системы, которые могут включать процессы сушки и затаривания (напр., утилизация воды и воздуха), требуют дополнительных исследований. Из сущест-вующих конструкций сушильных аппаратов наиболее компактной, экономичной и экологически щадящей является вибрационная сушильная установка конструкции Национального горного университета (г. Днепропетровск), состоящая из вибрационного конвейера 7 закрытого типа, имеющего перфорированную перегородку, и теплогенератора 8. Экономичность установки обеспечивается тем, что процесс сушки в ней осуществляется как за счет нагрева при контакте с горячей рабочей поверхностью, так и за счет омывания продукта горячими газами при прохождении их сквозь слой виброкипящего материала. В то же время следует отметить, что набор перечисленных технологий и технических средств зависит от требований, предъявляемых к сырью, загружаемому в транспортные суда, которые еще предстоит разработать.
3. Комплекс предприятий по переработке и металлургическому переделу Г1МК в сегодняшнем представлении включает в себя обогатительную фабрику и металлургические предприятия. Учитывая сложный многокомпонентный состав ПМК, механические способы передела и обогащения могут быть применены только для предварительного разделения минералов. Процесс получения металлов в этом случае проводится с использованием гидро- и (или) пирометаллургического способов. Работы в этом направлении проводятся в Национальной металлургической академии Украины (г. Днепропетровск) [2].
Изложенный материал свидетельствует о сложности проблемы технического оснащения морского горно-металлургического комплекса, необходимости научного и технического обеспечения разработок, формирования новых идей. Кооперация и международное сотрудничество в рамках совместных проектов может стать основой для получения реальных результатов.
1. Железомарганцевые конкреции Индийского океана /Е.Ф. Шнюков, Г.Н. Орловский, С.А. Клещснко, В.П. Резник, Л.II. Зиборов, Л.Л. Щипцов.— К.: ОМГОР НАНУ, 2001.— 329 с.
2. Зиборов А.П.. Нефедов ЮЛ. На пути к рудным богатствам...Мирового океана // Украина, Металл. Бюллетень, 2005,— № 2 (92).— С. 68-73.
3. Кругляков В.В. Эколоогические проблемы освоения железомарганцевых конкреций океанических котловин и задачи исследований // II Международная конференция и выставка по разработке новых технических средств и технологий для работ на шельфе и в Мировом океане. Тезисы. Геленджик, НИПИокеангеофизика, 2001.— С. 329-332.
4. Франчу к В.П.. Кириченко ЕЛ., ЗиборовА.П. Исследования напряженно-дефор-мированного состояния транспортного трубопровода гидроподъема// Геотехническая механика. Межвед. сборник научных трудов. ИГТМ НАН Украины, 1999. Выи. 13.
С. 57-65.
5. The Proceedings of The Fourth (2001) ISOPE OCEAN MINING SYMPOSIUM. Szczeecin, Poland, 2001.— 189 c.
Подано склад устаткування для підводного видобування, транспортування і збагачення поліметалічних конкрецій. Наведені результати попередніх випробувань деяких видів устаткування. Окреслені проблеми та задачі, що потребують вирішення при створенні гірничо-металургійного комплексу.
Composition of equipment for submarine booty, transportation and concentration of polimetalUch nodulesis is submitted. The results of preliminary tests of some types of equipment are given. Problems and tasks demanding solution when creating a marine mining-and-metallurgical complex are projected.
УДК 621.785:552.124
Ю.А. Нефедов1, Л.И. Анелок1, С.Н. Килессо1, Е.В. Крюков1
ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ОКЕАНИЧЕСКИХ КОНКРЕЦИЙ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПЕРЕДЕЛУ
Исследованы и экспериментально опробованы процессы подготовки железомарганцевых конкреций (ЖМК) к плавке агломерацией, брикетированием, оком-кованием и восстановительным обжигом.
Установлена низкая спекаемость аглошихт из ЖМК при агломерации их по известным технологическим схемам. Для окускования мелких фракций ЖМК (5-0 мм ) целесообразно применять брикетирование при давлении 0,25 0,5 т/см2, а для пылеватых фракций (<250 мкм ) — окомкование увлажненных шихт (28 327с Н20) с последующим обжигом брикетов и окатышей при 850-900 С. Показана принципиальная возможность получения металлизированного огарка в процессе восстановительного обжига конкреций при 850-900°С.
В настоящей статье приведены результаты экспериментального опробования подготовки железомарганцевых конкреций (ЖМК) к плавке агломерацией, брикетированием, окомкованием и восстановительным обжигом.
Исследования проводили на усредненной пробе ЖМК, содержащей (в%п): 25,6 Мп, 4,50 Ге; 1,30 Си; 1,54 N1; 0,21 Со; 0,17РЬ; 0,12 %п; 7,39 СаО; 2,43 М£0; 10,65 ЭЮа; 4,66 АЬ03; 0,50ТЮ2; 2,57 N3*0; 1,14 К20; 0,24 С; 014 Р; 0,003 Б; 4,6 Н20; 20,1 П.П.П.
©Ю.А. Нефедов1, Л.И. Анелок1, С.Н. Килессо1, Е.В. Крюков1:
1 Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск.
