CC BY
155
Соеершенстоеание технологии формирования намывных хвостохралищ
Мельников И.Т., Кутлубаев И.М., Голяк С.А. и др.
гам». На основании выполненных модельных условий был разработан аналитический метод прогноза основных технологических параметров намывных хвосто-хранилищ [6]. Без больших капитальных затрат появляется возможность оперативно управлять состоянием тела ограждающих дамб в процессе их эксплуатации путем уменьшения расхода фильтрационного потока через намытый массив и снижения высотного положения кривой депрессии. Шаг по вертикали между ярусами дренажей на границе между пляжной и прудковой зонами определяется с учетом возможного снижения водозахватной способности низовых противофильтрационных устройств и состояния внешних откосов.
Список литературы
1. Сухорученков А.И. Железорудное сырье: прогноз на завтра // Металлы Евразии. 2005. №1. С. 32-34.
2. Основы проектирования, строительства и эксплуатации хвостохранилищ большой вместмюсти / Л.К. Ангоненко, В.Г. Зотеев, А.И. Коваленко, А.М. Иваненко, Т.К. Костерова // Горныйжурнал. 1990. № 11. С.43-45.
3. Антоненко Л.К., Зотеев В.Г. Проблемы безопасной эксплуатации хвосто-
хранилищ и пути их решения // Горныйжурнал. 1998. № 1. С.65-67. Трубецкой К.Н., Уманец В.Н., Никитин М.Б. Классификация техногенных месторождений, основные категории и понятия // Горный журнал. 1989. № 12. С. 6-9.
А.с. 1301911 РФ, МКИ Е02В 7/06. Способ возведения хвостохранили-ща / Мельников И.Т., Лаушкин Б.А. (РФ).
Мельников И.Т. Математическое описание технологии возведения намывных хвостохранилищ равнинного и нагорного типов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 3-9.
Bibliography
Syhoruchencov A.I. Ore material: forecast on tomorrow // Metals Europe Asia. 2005. №1. p. 32-34.
Bases of designing, building and operation of tail-storing хвостохранилищ the big capacity // Antonenko L.K., Zoteev V.G., Kovalenko A.I., Ivanenko A.M., Rosterova T. K // Mining magazine. 1990. № 11. p. 43-45. Antonenko L.K., Zoteev V.G. Problems to safe usage tail-storing and way of their decision // Mining magazine. 1998. № 1. p. 65-67. Trubetskoj K.N., Umanets V.N, Nikitin M.B. Classification of technogenic deposits, the basic categories and concepts// Mining magazine. 1989. 0№ 12. p. 6-9. The copyright certificate 1301911, MKI E02B 7/06. A way of erection of tail-storing. Inventors Melnikov I.Т., Laushkin B.A. Melnikov I.T. Analytical method for determining the technogical parameters of plain and upland of tail-storing // the Bulletin of MGTU of G.I. Noso-va, Magnitogorsk, № 1, 2007, S.3-9.
УДК 622.012:658.5
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
Статья посвящена решению актуального вопроса - снижению энергоёмкости и металлоёмкости гидротранспортирования отходов обогащения железорудных горно-обогатительных предприятий. На основе результатов выполненных промышленных экспериментов предложена методика определения основных технологических параметров гидротранспорта - критических гидравлических уклонов, расходов транспортируемой пульпы и диаметров пульпопроводов.
Ключевые слова: хвосты, горно-обогатительные производство, гидротранспорт, энергоемкость, металлоёмкость, пульпопровод, гидравлический уклон, хвостохранилище.
The article is devoted to solving the urgent problem - reducing the energy and metal during hydrotransportation of tailings of iron ore mining and processing enterprises. Based on the results of experiments proposed a method of industrial identify of the main technological parameters of hydraulic transport - critical hydraulic gradients, the cost of the transported slurry and slurry pipelines diameters.
Key words: tailings, mining-treatment manufacture, hydro transport, energy capacity, meta capacity l, slurry pipeline, hydraulic gradient, tailing.
Для горной промышленности характерно ухудшение горно-геологических условий разработки полезных ископаемых. По мере эксплуатации! месторождений увеличивается глубина горных работ, высота внешних отвалов и хвостохранилищ, а также дальность транспортирования огходов горно-обогатигель- ного производства. В настоящее время разрабатываются месторождения, содержание железа в которых не превышает 40%, а годовой выход хвостов на разных предприятиях варьирует от 0,876 до 38,67 млнт. Динамика работы крупнейших железорудных горно-обогатительных предприятий России, Украины и Казахстана приведены в табл. 1.
Горно-обогатительные комбинаты чёрной металлургии России эксплуатируют свыше 35 крупных хвостохранилищ, в которые уложено более 2,5 млрд м3 хвостов. Только на трёх ведущих предприятиях железорудной отрасли, являющихся объектами исследований, к 2010 году в хвостохранилищах Качканарского (ОАО «Ванадий»), Соколовско-Сарбайского («АО
УРПО ССГПО») и ГОП ОАО «ММК» накоплено соответственно 757, 335 и 102 млнм3 отходов обогащения. В Приднепровском регионе, являющимся основным поставщиком железорудного сырья на Украине, аккумулировано более 3,5 млрдм3 хвостов. В настоящее время в связи с увеличением высоты хвостохранилищ и дальности транспортирования пульпы затраты на складирование 1 т хвостов соизмеримы с затратами на добычу 1 т железной руды.
Процесс обогащения руды связан с большим потреблением воды. Удельный расход технологической оборотной воды на 1т руды или концентра, являющий интегральным критерием качества и обогатимо-сти полезного ископаемого, для различных ГОКов представлен в табл. 2.
В связи с невысоким содержанием железа в сырой руде и вовлечением в разработку труднообога-тимых руд объёмы перекачиваемой пульпы достигают 20-90 тыс. м3/ч. Гидротранспорт хвостов обога-
щения с весовой консистенцией К=Ж:Т более 15-20 м3 на 1 т твёрдого приводит к транспортированию больших объёмов пульпы и, как следствие, к необходимости подачи значительных объёмов оборотной! воды из прудков-отстойников хвостохранилищ на обогатительные фабрики (ОФ). Поэтому существующие системы гидротранспорта являются энергоёмкими, тру-дозатратными, а данные показатели неуклонно возрастают по мере наращивания хвостохранилищ и вовлечения в эксплуатацию новых, более удалённых накопителей отходов обогащения.
Таблица 2
Удельные расходы технологической воды на обогатительной фабрике на 1 т руды или концентрата, весовая консистенция транспортируемой руды
* Расчётные показатели. ** По данным практики.
Большие объёмы перекачиваемой пульпы вызывают необходимость применения стальных пульпопроводов большого диаметра от 500 до 1200 мм, срок службы которых не превышает 3-5 лет из-за большого абразивного износа и суммарная длина которых составляет десятки километров. Это является причиной высокой металлоёмкости процесса удаления отходов обогащения. Реализация внутрифабричного сгущения однозначно обеспечивает снижение энергозатрат и металлоёмкости, но приводит к увеличению гидравлического уклона и необходимости подключения сгустительных установок и дополнительных последовательно включённых гидромашин.
Эффективность работы горно-обогатительной комбинатов в значительной мере зависит от того, насколько рационально спроектированы их хвостовые хозяйства. Основным вопросом при расчете гидротранспорта является определение удельных и общих потерь напора в пульпопроводе, пропускной способности гидротранспортной системы и её энергоёмкость. Поэтому целью данной работы явилась разработка методики для определения рациональной степени сгущения пульпы с учётом подключения дополнительных гидромашин из-за увеличения гидравлических потерь при транспортировании сгущенных пульп и затрат на сгустигельные установки.
Скорость движения двухфазных потоков, соответствующая наименее энергоёмкому режиму гидротранспортирования, называется одними авторами критической [1, 2], скоростью на границе выпадения осадка [3] или первой критической скоростью [4, 5]. Гидравлический уклон, отвечающий критической скорости, принято называть критическим или наивыгоднейшим [6, 7].
К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом проведено множество экспериментальных исследований по гидротранспорту гидросмесей и твердого материала с самыми различными физико-механическими характеристиками в трубах малого и большого диаметра и предложено большое количество эмпирических и полуэмпирических формул для определения гидравлического уклона пульповодов. Детальный анализ существующих расчетных формул позволяет большинство из них представить общим выражением в функции диаметра грунтопроводов и скорости движения пульпы [8]:
Таблица 1
Показатели работы горно-обогатительных комбинатов России, Украины и Казахстана в период 1970-2010 гг.
Горнообогатительный комбинат Содержание Fe в руде, % Объём добычи сырой руды Gp, млн т Выход хвостов Gxb, млн т
Сырая Товар вар-ная 1970 1980 1990 2000 2010 1970 1980 1990 2000 2010
Качканарский 15,67 61,16 22,49 40,06 45,07 39,86 47,35 18,16 32,24 36,92 32,14 38,67
Лебединский 32,69 68,45 - 25,65 43,65 44,99 47,56 - 16,04 25,22 25,07 28,70
Михайловский 40,80 61,95 - 17,69 38,06 41,30 44,96 - 17,69 18,50 21,33 26,73
Соколовско -Сарбайский 34,30 65.73 24,11 28,67 27,30 30,13 40,22 12,99 16,60 13,80 16,75 23,43
Ингулецкий 32,59 63,79 26,01 33,13 35,23 27,92 31,44 15,65 20,08 20,29 16,42 18,47
Полтавский 30,50 63,32 6,17 25,73 28,11 16,30 28,55 3,74 15,44 17,01 9,786 17,98
Костомукшский 29,59 68,00 - - 23,55 19,17 26,61 - - 14,32 12,11 16,75
Северный 35,37 65,39 31,71 40,02 42,46 14,73 28,39 18,06 23,85 23,80 8,752 15,01
Ковдорский 24,12 64,91 6,98 14,00 16,39 9,14 16,51 4,05 8,87 10,61 5,918 10,94
Оленегорский 27,34 65,71 11,04 14,14 15,76 10,69 14,75 6,52 8,74 9,86 6,818 10,08
Южный 34,66 65,23 33,52 33,92 35,62 18,72 16,74 19,11 18,41 18,45 10,37 9,180
Коршуновский 30,07 62,4 12,86 17,75 13,93 8,83 11,29 7,47 10,74 8,32 5,355 7,082
Центральный 33,2 66,77 - - 15,78 10,11 11,73 - - 10,13 6,080 6,007
Лисаковский 40,16 49,25 - 8,89 11,74 1,85 3,12 - 2,71 5,25 0,872 1,353
ГОП «ММК» 34,18 61,78 16,46 8.30 2,63 1,64 2,51 8.46 4,93 1,01 0,474 0,876
Средневзвешенное арифметическое 31,15 63,18
Всего 189,34 307,95 395,28 295,38 371,73 114,21 196,34 233,49 178,26 231,99
Горнообогатительный комбинат Удельный расход воды*, м3/т Весовая консистенция пульпы** 1!=Ж:Т, м3/т
концентрата 1т = R'Ухв 1 Ук РУДЫ 1т = R-Ухв
Лебединсккий 35,90 16,87 31,84
Михайловский 20,65 17,85 30,10
Стойленский 34,80 17,40 34,80
Соколовско-Сарбайский 22,64 9,87 17,5
Качканарский 42,36 10,9 9,0
Магнитогорский 28,19 13,11 24,6
Лисаковский 20,83 14,0 42,5
Ковдорский 44,80 11,52 15,5
Средневзвешенное арифметическое 29,58 13,01 23,1
Снижение энергоемкости гидротранспорта хвостов.
Мельников И.Т., Пыталев И.А., Корнилов С.Н. и др.
/п = J0 + Д/ = A'V + B'D, (1)
п 0 В V
где / - гидравлический уклон пульпопровода при движении чистой воды, м/м; / - дополнительные потери напора на взвешивание твердого в потоке, м/м; А'и В'-переменные коэффициенты пропорциональности, которые являются функциями А'=/(А)}; В'=/(А, аср, Зг, 5п).
Заменим в формуле (1) скорость выражением V = Q■ (900-п-В2), после преобразования получим формулу гидравлического уклона при Я=сопб1
/п = /0 + Д/ = А-Я-+ В-Я-—, (2)
п 0 В Q
где /0 и /п - гидравлический уклон на чистой воде и пульпе, м/м; А/ - дополнительные потери напора, обусловленные наличием твердых частиц в потоке жидкости, м/м; Я - коэффициент сопротивления пульпопровода; Q - расход транспортируемой пульпы по трубопроводу, м3/ч; В - обычный (стандартный) диаметр пульповода, м; ^=(164,52-106)-1 м-1-ч2; В - параметр, не зависящий от скорости (расхода) и диаметра трубопровода и являющийся функцией различных характеристик гидросмеси, а также ее жидкой и твердой составляющих, рассчитывается по формуле, м0,5 • ч4 : В = 2826 • К • {8П -1) • ар • (8Т -1)у, (3)
для ламинарной области в диапазоне крупностей 0,010 < аср < 0,15 мм
К = 1045 м-1'75 • ч-1; х = 2,25; у = 1,25; для переходной области в интервале частиц диаметром 0,15 < йср < 1,5 мм
К = 91,2 м~°'25 • ч~\ х = 0,75; у = 1,25; для турбулентной области с геометрической крупностью зерен 1,5 < аср < В мм
К = 207 м°'5 • ч_1; х = 0; у = 0,5;
§ и § = - относительная плотность
п г0 г П
пульпы и твердых частиц (безразмерные); у0 = 1,0 - плотность воды, т/м3. аср - средневзвешанная геометрическая крупность транспортируемых частиц (при установлении размерности подставляется в метрах, а при расчетах следует подставлять в мм);
Плотность транспортируемой пульпы связана с весовой консистенцией Я следующей зависимостью:
дп = (1 + Я)*(Я + 5"1)"1. (4)
Используя функциональную зависимость Я = / (Яе) проф. Конакова П.К. [8] и учитывая замечания проф. Дюранда [9], нами получена зависимость коэффициента сопротивления пульповодов с установившейся шероховатостью [10]:
Я = 0,308• т • <2п • В-1)]"2, (5)
где т; - внутренний диаметр пульпопровода, м, т = 35,386; <п- расход пульпы, м3/ч.
Выражение (5) графически представлено номограммой на рис. 1, из анализа которой следует, что коэффициент сопротивления пульпопровода Я уменьшается с увеличением количества транспортируемой по трубопроводу пульпы при В=сот1 и с увеличением диаметра пульпопровода при <=сот1.
Коэффициент сопротивления, X О 0.007 0,008 0,009 0,010 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 0,017 0,018
О 5000 ЮООО 15000 20000 25000 ЗОООО
Пропускная способность трубопровода Qп, м/ч
Рис. 1. Номограммадля расчёта коэффициента сопротивления пульпопровода X в зависимости от расхода транспортируемой пульпы и диаметра пульповода
После подстановки уравнения (5) в зависимость (2) получим уравнение гидравлического уклона пульпопровода (м/м) при переменном значении Л*сот£
/п = 0,308 • (т • <2п • В"5 + В • В2'5 • )]. (6)
Продифференцируем функциональную зависимость (6) по одной из двух переменных. Решая уравнения ^/п — 0 ПРИ В=const и —>п — 0 при <=сот1,
получим два уравнения:
А • <пп •[ 2 • \%(т • <п • В-1) - 0,8686 ]-- В • В25 • [^(т • <п • В-1) + 0,8686 ] = 0; А • <<3 • [0,8686 - 5 • т • <п • В4)] + +В • В7'5 • [2,5 • т • <п • В-1) + 0,8686] = 0.
Оба уравнения трансцендентные, для их решения можно использовать математические методы оптимизации с помощью ЭВМ и производить поиск корней <пкр по зависимости (7) и Вкр по зависимости (8).
Подставляя найденные корни в уравнения (5), (6), можно определить критический гидравлический уклон и коэффициент сопротивления пульпопровода.
Критические весовые расходы пульпы и твёрдого материала (т/ч) определяются по формуле
GnKp QnKp У n .
(9)
GTv = Q,IV -Го ■ (Sn -1) А • А -1)
Весовая консистенция (%) транспортируемой пульпы по отношению к весу пульпы рассчитывается из нижеприведённого соотношения
P = 100. ^. (10)
G„,
Расчет удельных затрат энергии (на доставку 1 т хвостов гидротранспортом на расстояние 1 км) производили по следующему выражению, кВт-ч/т-км:
Яо = 500. -^. (10
ZKP
Металлоёмкость систем гидротранспорта отходов обогащения в основном определяется весом стальных труб. Это объясняется тем, что чаще всего используются трубы большого диаметра 0 500-1200 мм, протяженность которых достигает десятков километров. Учитывая тот факт, что от надёжности работы систем гидроудаления хвостов зависит бесперебойная работа горнодобывающих предприятий и обогатительного производства, на одну рабочую нитку в проектах закладывается дополнительно одна резервная и одна ремонтная. Масса одного погонного метра стальных труб М (кг/м) разного диаметра в зависимости от толщины стенки А рассчитывается по формуле
М = 0,02465-А- (D -А), (12)
где D иД - наружный диаметр трубы и толщина стенки, мм.
По предложенной методике выполнены расчёты основных технологических параметров напорного гидротранспорта доя следующих условий: количество транспортируемых хвостов Gxe=500 т/ч, уг=3,0 т/м3 и средневзвешенный диаметр хвостов изменялся в пределах dcp=0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 мм. Результаты расчетов по предложенной методике представлены на рис. 2 и 3.
Анализ результатов расчёта по предлагаемой методике показывает, что сгущение пульпы приводит к значительному увеличению гидравлических уклонов, снижению энергоёмкости транспортирования и уменьшению диаметров пульпопроводов при обеспечении наиболее экономичных незаиляющих режимов гидротранспортирования.
Рис. 2. Зависимость критического диаметра пульпопровода и веса 1 м стальной трубы от весовой консистенции пульпы R и средневзвешенной крупности транспортируемого материала
Рис. 3. Зависимости гидравлического уклона Jn и удельного расхода электроэнергии до от весовой консистенции пульпы R и средневзвешенной крупности транспортируемого материала Сер
Выводы
Коэффициент сопротивления пульпопровода X не является величиной постоянной, а уменьшается с увеличением количества транспортируемой пульпы при В=сот1 и увеличением диаметра пульпопровода при Q=const.
Расчёты показывают, что крупность хвостов оказывает влияние на величину гидравлического уклона. При dcp = 0,1 мм при консистенции Я = 20 гидравлический уклон J = 0,004, а при dcp = 0,5 мм и Я = 20 гидравлический уклон J = 0,018, т.е. почти в 5 раз больше. Поэтому технология внут-рифабричного сгущение пульпы на ОФ должна производиться параллельно с процессом предварительной пульпоподготовки - удаления крупных фракций хвостов. При этом должно соблюдаться требование гидротехников по обеспечению необходимой крупности для возведения хвостохранилищ намывным способом.
Снижение энергоемкости гидротранспорта хвостов..
Мельников И.Т., Пыталев И.А., Корнилов С.Н. и др.
На энергоёмкость процесса гидротранспортирования большое внимание оказывает консистенция пульпы. При консистенции R = 20 и для dcp = 0,5 мм энергоёмкость составляет qo = 1,89 кВт ч/т км, а при R = 5 энергоёмкость снижается до qo = 1,456 кВтч/ткм, т.е. почти в 5 раз.
Сгущение пульпы с R=20 до R=5 при dcp=0,1 мм приводит к уменьшению требуемого диаметра пульповодов с 1,34 до 0,66 м, а при dcp=0,5 мм с 0,99 до
0.49.м. Уменьшение диаметра для рассматриваемых условий приводит к снижению металлоемкости соответственно на 200 и 110 кг на 1 п.м длины трассы.
Увеличение гидравлического уклона при сгущении пульпы приводит к необходимости эксплуатации центробежных или объёмных гидромашин с развиваемым напором более 20-30 МПа.
Список литературы
1. Холин Н.Д. Основные проблемы гидромеханизации // Строительная промышленность. 1937. № 16.
2. Кнороз B.C. Движение гидросмесей в напорных трубопроводах и метод их расчёта // Известия ВНИИГ. 1941. Т. 30.
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. Иванов А.Е. Перемещение грунта напорными и безнапорными потоками. М.: Речиздат, 1952.
6. Евдокимов П.Д. Анализ существующих методов и формул для гидравлического расчёта пульпопроводов и практические рекомендации // Известия ВНИИГ. 1952. Т. 48.
7. Мельников Т.И. Анализ существующих формул для определения критических скоростей и гидравлических уклонов в пульпопроводах // Труды МГМИ. 1959. Вып. 15. С. 69-109.
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., Мельников Т.И., Горбатов А.И. Критический гидравлический уклон пульпопровода // Изв. вузов. Горный журнал. 1997. № 7-8. С. 143-146.
Bibliography
1. Choline ND The main problems jetting. Construction Industry, 1937, № 16.
2. Knorozov VS The motion of slurry in the pressure pipe and method of their calculation. // Proceedings of VNIIG, volume 30, 1941.
3. Roer GN Stable regimes and pressure drop during discharge the motion of the slurry in a slurry pipeline. // Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR, OTN, 1939, № 8.
4. Yufin AP The motion of an inhomogeneous fluid in horizontal steel pipe nezailennym. // Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR, OTN, 1949, № 8.
5. Ivanov AE Moving the soil pressure and pressure flow, Rechizdat, 1952.
6. PD Evdokimov Analysis of existing methods and formulas for calculating the hydro-ravlicheskogo slurry pipelines, and practical advice. // Proceedings of VNIIG, v.48, 1952.
7. Melnikov TI Analysis of existing formulas for determining the critical velocity and hydraulic gradient in the slurry pipeline. // Proceedings of MGMI, issue 15, 1959, p. 69-109.
8. Konakov PK The new formula for the drag coefficient for smooth pipes // Dokl. 1946. t. 10. S. 70-77.
9. Durand R., Condolios E. Donnes techniques surle refulement hydrauligue des materiaux solides tn Condite. Congres du centenaire de Sosiete de l'industrie minerale, Paris, Juin, 22F, 1955.
10. Mel'nikov IT, Mel'nikov TI, AI Gorbatov The critical hydraulic gradient slurry pipeline. / / Mountain Journal of Math. Universities, 1997, № 7-8, p. 143-146.
