Сербиненко Анна Александровна 

Факультет: Энергомеханики и автоматизации

Специальность: Обогащение полезных ископаемых

Тема выпускной работы: «Исследование влияния механических свойств осадков углеобогащения на показатели обезвоживания»

Руководитель: д.т.н., проф. каф. ОПИ Назимко Елена Ивановна

АВТОРЕФЕРАТ 

В топливно-энергетическом комплексе Украины, а также в коксохимической и металлургической отраслях промышленности уголь еще длительное время будет оставаться одной из основных составляющих.

Важнейшим путём снижения себестоимости угля является развитие механизации угледобычи и автоматизации производства. Однако механизация добычи неизбежно сопровождается повышением зольности, влажности углей, а также увеличением доли мелких классов в угледобыче.

Решение задач повышения качества товарных концентратов при одновременном увеличении объемов обогащения угля неразрывно связано с переработкой мелких и тонких классов, количество которых в рядовом угле постоянно растет.

Транспортабельность и стоимость таких продуктов зависит от их влажности, высокие значения которой снижают эффективность использования этих материалов.

Совершенствование технологий, связанных с тонкими частицами и шламами, является важной задачей производства.

Наибольшие трудности вызывает обезвоживание тонких и мелких частиц. Пористость и проницаемость этих сред обычно низкая. Обезвоживание таких осадков выполняется в несколько стадий. Чаще применяют сочетание механического и термического обезвоживания.

При сравнении этих принципов обезвоживания с позиций их экологической и стоимостной оценки предпочтение отдается, как правило, первому методу. Повышение эффективности удаления влаги из тонких осадков с целью снижения их влажности механическими методами позволяет экономить энергию, расходуемую при термической доводке продуктов до товарной влажности.

Цель работы – исследовать влияние физических явлений на увеличение проницаемости осадков.

В данной работе при моделировании поведения осадков и их пористой среды в различных условиях обезвоживания ставится целью найти подходы к исследованию и моделированию структуры осадков и их физико-механических свойств; исследовать возможные варианты состояния осадков; выполнить испытания плотностных и пластических свойств осадков, компрессионные испытания осадков, испытания фильтрационных свойств осадков; провести испытания осадков на сдвиг.

Полученные результаты данной работы дадут возможность обосновать момент времени приложения сдвига для интенсификации процесса обезвоживания, а также выбирать рациональные режимы обезвоживания в сдвиговых деформационных полях.

Часто стандартным подходом для исследования различных сложных процессов является использование так называемых идеальных сред. В данном случае возможно рассмотрение идеальной среды осадка, сформированного сферическими частицами.

Основным параметром, определяющим пористость осадка, является расположение шаровидных частиц друг относительно друга, т.е. способ их укладки.

На анимации (рис. 1) представлены некоторые теоретически описанные способы укладки сферических частиц в идеализированном осадке. При гексагональной укладке частиц в осадке может быть получена среда с наиболее низкой пористостью и соответственно проницаемостью (см. рис. 1, б). Пористость имеет минимальное значение n = 0.26.

Рис. 1. Способы укладки сферических частиц в идеализированном осадке - Анимация (mp_gif_animator): 5 кадров, 5 циклов

Поровая среда даже в случае идеализированного рассмотрения имеет довольно сложную форму.

При кубической системе укладки частиц осадок получается наиболее рыхлым. При такой системе укладки пористость осадка составляет n = 0.48.

В реальных условиях формирование осадков носит случайный характер, т.к. форма частиц самая разнообразная и способы их укладки тоже. Соответственно случайным получается количество точек контакта и форма и размеры образующихся капилляров. Поэтому поровая среда реальных осадков имеет сложную структуру. Для характеристики состояния осадка в процессе его обезвоживания используют значительное число параметров.

Определение предела пластичности выполняют для глинистых осадков, при этом стандартным является метод раскатывания в шнур.

После рассыпания шнура на кусочки их собирают и определяют влажность, которая соответствует пределу пластичности. Если из подготовленного осадка не получается раскатать шнур диаметром 3мм (осадок при раскатывании рассыпается), то считают, что такой осадок не обладает пластичностью (не имеет границы раскатывания).

Число пластичности данного осадка определяют по разнице между влажностями, соответствующими пределу текучести и пределу пластичности.

Для глинистых осадков определяют предел текучести.

Результаты испытаний физико-механических свойств продуктов обогащения углей и некоторых других ископаемых приведены в табл.1.

Таблица 1

Продукт	Плотность, кг/м3	Общая пористость, %	Предел пластичности, %		Число пластичности, %	Средний диаметр частиц, мм
			нижний	верхний
Отходы флотации после фильтрпресса (ЦОФ Чумаковская, уголь марки ОС)	1800	35	22	48	26	0,21
Сгущенный продукт гидроциклонов (ЦОФ Луганская)	1620	45	-	-	-	0,8
Шлам из илонакопителя ЦОФ Калининская	1660	40	17	31	14	0,25
Концентрат флотации ЦОФ Комсомольская	1530	52	-	-	-	0,3
Сгущенный продукт гидроциклонов ЦОФ Комсомольская	1620	41	-	-	-	0,65
Пески Вольногорского ГГМК	3560	55	-	-	-	0,3
Сгущенный продукт гидроциклонов ЦОФ Киевская	1650	47	-	-	-	0,7
Отходы флотации ЦОФ Киевская	1800	39	18	45	27	0,3
Концентрат флотации ЦОФ Киевская	1510	51	-	-	-	0,35

Как следует из представленных данных исследований, отходы флотации, а также шламы илонакопителей обладают пластичностью и способны уменьшать пористость до 35% при приложении давления, что близко к поведению глинистых грунтов. Зернистые тонкодисперсные продукты с более высоким содержанием углистых частиц не обладают пластическими свойствами и имеют высокую остаточную пористость даже при сжатии. Такое поведение ближе к пескам.

Тонкодисперсные концентраты и сгущенные продукты гидроциклонов не имели выраженной пластичности, что характеризует свойства песков.

Таким образом, предварительные испытания плотностных и пластических свойств отобранных осадков свидетельствуют о широком диапазоне показателей, что говорит о представительности выбранного материала для последующих испытаний.

Позволяют оценить сжимаемость осадков, зависимость их пористости и водопроницаемости от давления, и другие важные показатели, которые дают возможность оценить и правильно регулировать процесс обезвоживания.

Испытания проведены с использованием одометра, в ходе которых получены кривые компрессии и консолидации.

В ходе компрессионных испытаний получают стандартную компрессионную кривую, общий вид которой показан на рис. 2.

Рис. 2. Построение компрессионной кривой на базе компрессионных испытаний осадка при различной нагрузке

На этой кривой для данного осадка определяют значения структурной прочности осадка при компрессионном сжатии σ_стр. Компрессионная кривая показывает зависимость относительной деформации образцов ε или его пористости m от величины прилагаемой в условиях компрессионного сжатия нагрузки σ.

В ходе измерений обеспечивается нагружение с последовательным увеличением, ступенями.

Время консолидации осадков на разных стадиях уплотнения изменяется в несколько раз, а период консолидации для разных материалов отличается на порядок. При этом более длительная консолидация отвечает образцам, содержащим глинистые частицы. Период консолидации некоторых зернистых осадков длится минуты, что соизмеримо с временем пребывания осадков в обезвоживающих аппаратах. Время полной консолидации глинистых осадков достигает сотен минут. Это значит, что большинство сгустительных и обезвоживающих аппаратов (за исключением шламонакопителей) будут обезвоживать глинистые осадки в режиме неполной консолидации.

Для исследования фильтрационных свойств осадков применяют компрессионно-фильтрационные приборы различных конструкций. Однако, методика определения коэффициента фильтрации глинистых осадков в компрессионно-фильтрационных приборах имеет ряд неточностей и несовершенств.

Недостатки по большей части устранены в приборе Ю.М. Абелева и А.Н. Озерецковского. Принципиальная схема прибора показана на рис. 3.

1 – измерительный сосуд прибора, 2 – слой осадка, 3 – цилиндр, 4 – перфорированный штамп, 5 – фильтровальная сетка, 6 – поддерживающая перегородка, 7 – парафин, 8 – шарик, 9 – приемная воронка, 10 – штуцер для присоединения к вакуум-насосу, 11 - штуцер для соединения с измерительным сосудом

Рис. 3. Прибор для исследования водопроницаемости глинистых осадков

Скорость выжимания воды и соответственно скорость уплотнения осадка зависят от его водопроницаемости. Поэтому процесс уплотнения осадка как и удаление влаги длится некоторое время, которое называется гидродинамическим отстаиванием. У зернистых материалов это время измеряется минутами, иногда часами. Для глинистых осадков это время может составлять сутки и более.

В соответствии с вышесказанным коэффициент фильтрации для глинистых осадков, какими являются отходы флотации, шлам из илонакопителей, может быть определен по времени, необходимому для их уплотнения заданной нагрузкой. Этот метод еще называют методом консолидации.

Исследованиями установлено, что при постоянной скорости деформирования осадок достигает определенного значения пористости, называемой критической пористостью при сдвиге. Для плотных (консолидированных осадков) пористость при сдвиге увеличивается, а для осадков в недоконсолидированном состоянии – уменьшается.

1 – груз, 2 – фильтр, 3 – образец осадка

Рис. 4. Схема срезывательного прибора

При выполнении исследований осадков на сдвиг необходимо учитывать, что сопротивляемость осадков сдвигу существенно зависит от длительности и характера действия прилагаемой нагрузки, т.е. имеет выраженный реологический характер. При этом методика испытания должна учитывать влияние изменения структуры осадка в ходе эксперимента. Сопротивляемость осадка сдвигу определяется не только нормальными напряжениями на поверхности сдвига, но и содержит ряд параметров, которые зависят от влажности и пористости осадка.

Выполненные экспериментальные исследования физических процессов, способствующих увеличению проницаемости осадков, являющихся объектами механического обезвоживания в горной промышленности, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. При воздействии давления на осадок общая пористость и плотность его увеличивается. Также при увеличении давления изменяется коэффициент фильтрации

2. Осадки обогащения оказывают заметное сопротивление сдвигу, превышающее значение 0,5 кПа.

3. Резкое увеличение сопротивления осадка движению жидкости наступает в момент времени, равный 0,7-0,8 полного цикла обезвоживания.

4. При наложении полей сдвиговых деформаций переконсолидированные осадки разуплотняются на 5-18%.

5. Степень разуплотнения переконсолидированного осадка при сдвиге зависит от его плотности при консолидации. Чем выше плотность консолидации, тем больше степень разуплотнения переконсолидированного осадка при уменьшении величины нормального сжатия и повышении скорости сдвига, что дает возможность выбирать рациональные режимы обезвоживания в сдвиговых деформационных полях.

1. Бейлин М.И. Теоретические основы процессов обезвоживания углей. – М.: Недра, 1969. – 240 с.

2. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. М.: Недра. – 1990. – 328 с.

3. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Совершенствование работы систем осветления оборотных вод углеобогатительных фабрик. Днепропетровск: НАНУ ИГТМ, 2000. – 174с.

4. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Выща школа. – 1979. – 272 с.

5. Денисов Н.Я. Инженерная геология. М.: Госстройиздат, 1960. – 404 с.

6. Гарковенко Е.Е. Особенности обезвоживания тонких труднофильтруемых осадков // Сб. Трудов НГУ. – 2003. - № 17. – т.1. – С. 88-93.

7. Гарковенко Є.Є. Особливості нормальних деформацій ущільнених осадів при активізації об’ємного зсуву // Вісник Криворізького технічного університету. – 2005. - вип.7. - С. 89-93.

8. Бирюков Н.С., Казарновский В.Д., Мотылев Ю.Л. Методическое пособие по определению физико-механических свойств грунтов. М.: Недра. – 1975. – 178 с.

Translate to English

К началу страницы