Куриленко Николай Александрович

Институт горного дела и геологии
Кафедра обогащения полезных ископаемых
Специальность: Обогащения полезных ископаемых

Тема магистерской работы:

Исследование параметров осадков углеобогащения, которые определяют показатели его обезвоживания

Научный руководитель: д.т.н., проф. Назимко Е.И.

Введение

На сегодняшний день в обогатительной практике назрела проблема повышения качества угольного концентрата и эффективной переработки тонких классов угля.

К товарным продуктам обогащения предъявляются определенные требования не только по качественным показателям, но и по содержанию влаги в них. Наиболее трудоемким и имеющим высокие энергетические расходы является удаление влаги из тонкодисперсных осадков. Количество мелких и тонких частиц в перерабатываемом сырье постоянно увеличивается. В частности, в рядовом угле содержание класса 0-1 мм увеличилось с 20 до 28% при одновременном повышении его зольности. Одним из наиболее распространенных процессов обезвоживания шламов и флотационных концентратов является фильтрование.


Актуальность темы

Общие затраты на обезвоживание могут быть снижены при переходе с термических методов обезвоживания на механические. Уменьшение влажности флотоконцентрата и тонкого шлама может быть достигнуто за счет совершенствовании имеющихся способов и технологий обезвоживания, создании новых типов обезвоживающего оборудования. Поэтому на данный момент является актуальным проведение исследований, направленных на поиск эффективных методов воздействия на осадок для повышения скорости удаления влаги.


Цель работы

Целью данной работы является исследование механических свойств тонкодисперсных осадков углеобогащения, имеющих значение при обезвоживании.


Практическая ценность результатов работы

Результаты исследований подобного рода могут дать ответы на вопросы, касающиеся усовершенствования и повышения эффективности технологии обезвоживания тонких классов концентратов, отходов флотации, угольных шламов с постепенным замещением термических методов обезвоживания механическими.


Основная часть

Микроструктура осадка определяется не только его гранулометрическим составом, но и параметрами динамического воздействия на осадок. Повышение эффективности обезвоживания труднофильтруемых осадков может быть достигнуто за счет использования динамического воздействия на осадок, являющегося наиболее простым и дешевым механическим методом. Это будет способствовать ускорению процесса переформирования каналов и агрегатов в осадке и как следствие повысит скорость перемещения жидкости. Одним из направлений использования динамического воздействия на осадок может быть наложение деформаций сдвига или сдвиговых полей.

Стандартным подходом для исследования различных сложных процессов является использование так называемых идеальных сред. В данном случае возможно рассмотрение идеальной среды осадка, сформированного сферическими частицами. При разных способах укладки частиц друг относительно друга получается осадок с различными свойствами пористого пространства [2]. Теоретически таких способов укладки можно набрать девять разновидностей. При этом пористость порового пространства будет изменяться в довольно широком интервале - от высокого значения n = 0.78 до низкого n = 0.26. В первом случае каждая сферическая частица касается трех соседних частиц, во втором касание обеспечивается с двенадцатью частицами и осадок соответственно имеет более плотную упаковку и капиллярные каналы меньшего диаметра.

Основным параметром, определяющим пористость осадка, является расположение шаровидных частиц друг относительно друга, т.е. способ их укладки. При различной упаковке частиц в осадке имеем капилляры, отличающиеся радиусом в 2.64 раза.

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.

Схема изменения сложной структуры осадка при наложении сдвиговых деформаций к осадку при его гексагональной (наиболее плотной) упаковке показана на рисунке.

Рисунок 1 – Схема процесса разуплотнения упаковки частиц при наложении сдвиговых полей (анимация: размер 33 КБ, 17 кадров, 5 повторов, редактор Adobe EmageReady)

Сплошными линиями показана гексагональная упаковка сферических частиц в осадке. При приложении сдвиговых усилий происходит перемещение частиц 1 и 2 в положение 1' и 2', показанное пунктиром. Размер капилляров между частицами увеличивается от 3 до 3', (пунктир). При этом высота осадка также повышается на ΔН за счет увеличения капилляров. Происходит разуплотнение осадка при наложении сдвигающих усилий при наиболее плотной упаковке осадка.

Питанием фильтрования под действием перепада давления являются суспензии. С повышением концентрации твердой фазы в суспензии ее частицы (особенно при наличии тонких размокаемых глинистых пород) образуют сложные объемные структуры из агрегатированных частиц. Когда агрегаты имеют достаточную устойчивость и сохраняют свою форму при образовании осадка на фильтровальной ткани, удаление жидкости происходит по межагрегатным каналам. При этом выделяют два вида пор: межагрегатные поры и поры в самих агрегатах. Размер сечения межагрегатных каналов зависит от крупности агрегатов и их гранулометрического состава. Размер пор в самих агрегатах обусловлен крупностью складывающих их частиц и порозностью агрегатов.

При продолжении процесса фильтрования вероятно сминание и разрушение агрегатов вследствие удаления влаги из них.

Осадки, содержащие в основном угольные частицы, относятся к несжимаемым зернистым, тонкие глинистые осадки относятся к связанным. Частицы здесь и агрегаты связаны между собой. Эти связи могут быть пластичными (водно-коллоидными) и жесткими (цементационно-кристаллизационными). При этом от связанности частиц в осадке зависит его сопротивление сдвигу, определяемое силами сцепления.

При свободном удалении жидкости любое внешнее давление, прилагаемое к водонасыщенным связанным осадкам, значительно изменяет их влажность и плотность, что в свою очередь влияет на общее сопротивление сдвигу. Параметры сопротивления сдвигу зависят от приложенного давления и условий в точках контакта частиц.

Исследование сложных процессов взаимодействия фаз при обезвоживании углей при различных способах воздействия на них позволяет определить пути повышения эффективности использования шламов в промышленности.

В процессе обезвоживания и формирования осадка возможны несколько основных режимов их деформирования. Первый - режим компрессионного сжатия, когда в осадке развиваются (увеличиваются) только нормальные деформации сжатия, в результате чего жидкая фаза выдавливается из пор и ловушек в режиме фильтрации. Второй режим чистого сдвига, когда возможны три проявления объемной деформации: сжатия в случае сдвига в недоконсолидированном осадке, разуплотнения в случае переконсолидированного осадка и сдвиг без изменения объема в пограничном случае. Третий режим смешанный, когда возможен сдвиг со сжатием. Перечисленные режимы характерны не только для ленточных пресс- или вакуум-фильтров, но и для осадительных центрифуг.

Любые режимы или подрежимы со сдвигом положительно влияют на процесс фильтрации, поскольку они разрушают тупиковые поры и активно перестраивают структуру осадка, что повышает проницаемость и увеличивает скорость удаления жидкой фазы. Из механики грунтов известно, что испытания на сдвиг производят после предварительного уплотнения (консолидации) образца. Кроме того, сам режим консолидации осадка представляет интерес с практической точки зрения, поскольку такие режимы повсеместно встречаются во многих аппаратах, применяемых в технологии обогащения и обезвоживания. В связи с этим необходимо испытать осадки обогащения в этих режимах.

Компрессионные испытания осадков, которые необходимо обезвоживать в технологических схемах обогащения, ранее не проводились, однако такие испытания широко применяются в механике грунтов. Эти испытания позволяют оценить сжимаемость осадков, зависимость их пористости и водопроницаемости от давления и другие важные показатели, которые дают возможность правильно регулировать процесс обезвоживания.


Испытания материала на нормальное сжатие

Первый этап компрессионных испытаний заключается в установлении зависимости скорости фильтрации осадка от нормальной деформации. С этой целью мой научный руководитель д.т.н., проф. кафедры ОПИ Назимко Е.И. разработала установку для испытания водопроницаемости осадка, получившую название «Испытательная ячейка» (рис.2).

1 – основание; 2 – крышка; 3 – сборная рама; 4 – образец осадка; 5 – поршень; 6 – прижимной болт; 7 – патрубок для подвода жидкости; 8 – патрубок для отвода фильтрата.

Рисунок 2 – Испытательная ячейка; а) внешний вид установки; б) Установка в разрезе


Данная установка использует принцип испытания прочности материала на двухосное сжатие. Т.е. образец подвергается воздействию нормальных деформаций в двух плоскостях, перпендикулярно направленных друг относительно друга. За величину сжимающей нагрузки по оси абсцисс отвечает прижимной болт поршня 1, по оси ординат – прижимной болт поршня 4. Величина давления, оказываемого поршнями на грани образца, рассчитывается через момент затяжки соответствующего прижимного болта.

По результатам компрессионных испытаний рассчитывается скорость фильтрации жидкости через образец осадка и приложенное давление. Также можно определить степень деформации образца. Полученные данные используют при построении графиков зависимости скорости фильтрации от приложенного давления, компрессионных кривых.

Рисунок 3 – а) график зависимости скорости фильтрации от приложенного давления, б) компрессионная кривая

Проанализировав графики можно судить о максимальном давлении и нормальной деформации, при которых фильтрация жидкости через осадок прекращается. По результатам полученных давлений можно оценивать величину максимальных или критических деформаций, определять степень консолидированности или переконсолидированности осадка.


Исследование водопроницаемости тонкодисперсного материала
от скорости приложения сдвиговых деформаций

Параметры сопротивления сдвигу зависят от приложенного давления и условий в точках контакта частиц. Граничное сопротивление сдвигу при прямом плоском сдвиге определяется путем испытаний осадков на том же приборе, что использовался при испытаниях осадка на нормальное сжатие, но претерпевший некоторые изменения.

В приборе, сдвиговое касательное нагружение прикладывают до тех пор, пока не произойдет сдвиг и одной части осадка относительно другой. Одновременно с приложением нагрузки производятся измерения перемещений осадка в результате его разуплотнения с помощью датчиков часового типа.

Испытания на сдвиг производят после предварительного уплотнения (консолидации) образца.

Компрессионные испытания позволяют оценить сжимаемость осадков, зависимость их пористости и водопроницаемости от давления, и другие важные показатели, которые дают возможность оценить и правильно регулировать процесс обезвоживания. В ходе компрессионных испытаний получают стандартную компрессионную кривую.

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

Выводы


При помощи полученных графиков можно определить значения консолидационных параметров: относительную усадку и момент времени, соответствующий ей, консолидационный параметр при различных значениях нагружения.

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

Дальнейшие исследования могут быть направлены на экспериментальное определение ряда механических свойств осадков углеобогащения при их фильтровании.

Список литературы

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

2. Бирюков Н.С. и др. Методическое пособие по определению физико-механических свойств грунтов. М.: Недра. 1975. – 178с.

3. Гарковенко Е.Е. Моделирование процесса вакуумного фильтрования угольных шламов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва. – 2004. – №1. – с. 317-319.

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

5. Жужиков В.А. Фильтрование, теория и практика разделения суспензий. М.: Издательство «Химия». 1971. – 440 с.

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

7. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Интенсификация процессов фильтрации тонкодисперсных угольных шламов импульсными полями // Горный информационно-аналитический бюллетень. М: Издательство Московского государственного горного университета. – 2003. – № 2. – с. 48-50.

8. Науменко В.Г. Методика исследования и экспериментальная установка для определения параметров тонкодисперсных осадков // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Вип. 15(131), серія гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ. – 2008. – с. 127-133.

9. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Вища школа. – 1983. – 288 с.

10. Nazimko E., Corchevsky A., Druts I. Kinetics of Phases Interaction during Mineral Processing Simulation // Proceedings of XV International Congress of Coal Preparation. China. 2006. pр. 775-781.