Куріленко Микола Олександрович

Інститут гірництва і геології
Кафедра збагачення корисних копалин
Спеціальність: Збагачення корисних копалин

Тема магістерскої работи:

Дослідження параметрів осадів вуглезбагачення, які визначають показники його зневоднення

Керівник: д.т.н., проф. Назімко О.І.

Введення

На сьогоднішній день в збагачувальній практиці назріла проблема підвищення якості вугільного концентрату і ефективної переробки тонких класів вугілля.

До товарних продуктів збагачення висуваються певні вимоги не лише за якісними показниками, але і за змістом волога в них. Найбільш трудомістким і таким, що має високі енергетичні витрати є видалення вологи з тонкодисперсних осадів. Кількість дрібних і тонких часток в сировині, що переробляється, постійно збільшується. Зокрема, в рядовому вугіллі вміст класу 0-1 мм збільшився з 20 до 28% при одночасному підвищенні його зольності. Одним з найбільш поширених процесів зневоднення шламів і концентратів флотацій є фільтрування.


Актуальність теми

Загальні витрати на зневоднення можуть бути понижені при переході з термічних методів обезводнення на механічні. Зменшення вологості флотоконцентрату і тонкого шламу може бути досягнуте за рахунок вдосконаленні наявних способів і технологій зневоднення, створення нових типів зневоднюючого обладнання. Тому на даний момент є актуальним проведення досліджень, спрямованих на пошук ефективних методів впливу на осад для підвищення швидкості видалення вологи.


Мета роботи

Метою даної роботи є дослідження механічних властивостей тонкодисперсних осадів вуглезбагачення, що мають значення при зневодненні.


Практична цінність результатів роботи

Результати досліджень зможуть відповісти на питання, що стосуються удосконалення і підвищення ефективності технології обезводнення тонких класів концентратів, відходів флотації, вугільних шламів з поступовим заміщенням термічних методів обезводнення механічними.


Основна частина

Мікроструктура осаду визначається не лише його гранулометричним складом, але і параметрами динамічної дії на осад. Підвищення ефективності зневоднення важкофільтрованих осадів може бути досягнуте за рахунок використання динамічної дії на осад, що є найбільш простим і дешевим механічним методом. Це сприятиме прискоренню процесу переформовування каналів і агрегатів в осіданні і як наслідок підвищить швидкість переміщення рідини. Одним з напрямів використання динамічної дії на осад може бути накладення деформацій зсуву або зсувуючих полів.

Стандартним підходом для дослідження різних складних процесів є використання так званих ідеальних середовищ. В даному випадку можливий розгляд ідеального середовища осаду, сформованого сферичними частками. При різних способах укладання часток один відносно одного виходить осад з різними властивостями пористого простору. Теоретично таких способів укладання можна набрати дев'ять різновидів. При цьому пористість порового простору змінюватиметься в досить широкому інтервалі - від високого значення n = 0.78 до низького n = 0.26. У першому випадку кожна сферична частинка стосується трьох сусідніх частинок, в другому дотик забезпечується з дванадцятьма частинками і осад відповідно має щільнішу упаковку і капілярні канали меншого діаметру.

Основним параметром, що визначає пористість осаду, є розташування кулевидних часток один відносно одного, тобто спосіб їх укладання. При різній упаковці часток в осіданні маємо капіляри, що відрізняються радіусом в 2.64 разу.

У реальних умовах формування осадів носить випадковий характер, оскільки форма часток найрізноманітніша і способи їх укладання теж. Відповідно, випадковим виходить кількість точок контакту і форма і розміри капілярів, що утворюються. Тому порове середовище реальних осадів має складну структуру.

Схема зміни складної структури осаду при накладенні деформацій зсуву до осаду при його гексагональній (найбільш щільній) упаковці показана на малюнку 1.

Малюнок 1 – Схема процесу ущільнення упаковки часток при накладенні полів зсуву (анімація: розмір 33 КБ, 17 кадрів, 5 повторів, редактор Adobe EmageReady)


Суцільними лініями показана гексагональна упаковка сферичних часток в осіданні. При застосуванні зусиль зсуву відбувається переміщення часток 1 і 2 в положення 1' і 2', показане пунктиром. Розмір капілярів між частками збільшується від 3 до 3', (пунктир). При цьому висота осаду також підвищується на ΔН за рахунок збільшення капілярів. Відбувається ущільнення осаду при накладенні зсовуваючих зусиль при найбільш щільній упаковці осаду.

Живленням фільтрування під дією перепаду тиску є суспензії. З підвищенням концентрації твердої фази в суспензії її частки (особливо за наявності тонких глинистих порід) утворюють складні об'ємні структури з агрегатованих часток. Коли агрегати мають достатню стійкість і зберігають свою форму при утворенні осаду на фільтрувальній тканині, видалення рідини відбувається по міжагрегатних каналах. При цьому виділяють два види пір: міжагрегатні пори і пори в самих агрегатах. Розмір перетину міжагрегатних каналів залежить від великої агрегатів і їх гранулометричного складу. Розмір пір в самих агрегатах обумовлений великою часток, що складають їх, і порозністю агрегатів.

При продовженні процесу фільтрування вірогідне м'яття і руйнування агрегатів внаслідок видалення з них вологи .

Осідання, що містять в основному вугільні частки, відносяться до нестискуваних зернистих, тонкі глинисті осідання відносяться до зв'язаних. Частки тут і агрегати зв'язані між собою. Ці зв'язки можуть бути пластичними (водно-колоїдними) і жорсткими (цементаційно- кристалізаційними). При цьому від зв'язаності часток в осіданні залежить його опір зсуву, визначуване силами зчеплення.

При вільному видаленні рідини будь-який зовнішній тиск, що додається до водонасичених зв'язаних осідань, значно змінюється їх вологість і щільність, що у свою чергу впливає на загальний опір зсуву. Параметри опору зсуву залежать від прикладеного тиску і умов в точках контакту частинок.

Дослідження складних процесів взаємодії фаз при обезводненні вугілля при різних способах впливу на них дає змогу визначити засоби підвищення ефективності використання шламів в промисловості.

В процесі зневоднення і формування осаду можливі декілька основних режимів їх деформації. Перший - режим компресійного стиснення, коли в осіданні розвиваються (збільшуються) лише нормальні деформації стиснення, внаслідок чого рідка фаза видавлюється з пір і пасток в режимі фільтрації. Другий режим чистого зсуву, коли можливі три прояви об'ємної деформації: стиснення у разі зсуву в недоконсолідованому осіданні, ущільнення у разі переконсолідованого осаду і зсув без зміни об'єму. Третій режим змішаний, коли можливий зсув із стисненням. Перераховані режими характерні не лише для стрічкових пресс- або вакуум-фільтрів, але і для осаджувальних центрифуг.

Будь-які режими або підрежими із зсувом позитивно впливають на процес фільтрації, оскільки вони руйнують тупикові пори і активно перебудовують структуру осаду, що підвищує проникність і збільшує швидкість видалення рідкої фази. З механіки грунтів відомо, що випробування на зсув проводять після попереднього ущільнення (консолідації) зразка. Крім того, сам режим консолідації осаду представляє інтерес з практичної точки зору, оскільки такі режими повсюдно зустрічаються в багатьох апаратах, вживаних в технології збагачення і обезводнення. У зв'язку з цим необхідно випробувати осади збагачення в цих режимах.

Компресійні випробування осадів, які необхідно зневоднювати в технологічних схемах збагачення, раніше не проводилися, проте такі випробування широко застосовуються в механіці грунтів. Ці випробування дають змогу оцінити стисливість осадів, залежність їх пористості і водопроникності від тиску і інші важливі показники, які дають можливість правильно регулювати процес зневоднення.


Випробування матеріалу на нормальне тиск

Перший етап компресійних випробувань полягає у встановленні залежності швидкості фільтрації осаду від нормальної деформації. З цією метою мій науковий керівник д.т.н., проф. кафедри ЗКК Назімко О.І. розробила установку для випробування водопроникності осаду, що отримала назву «Испытательная ячейка» (мал.2).

1 – заснування; 2 – кришка; 3 – збірна рама; 4 – зразок осаду; 5 – поршень; 6 – притискний болт; 7 – патрубок для підведення рідини; 8 – патрубок для відводу фільтрату.

Малюнок 2 – «Испытательная ячейка»; а) зовнішній вигляд установки; б) Установка в розрізі


Даний прилад використовує принцип випробування міцності матеріалу на двохосьовий стиск. Тобто зразок піддається впливу нормальних деформацій у двох площинах, перпендикулярно спрямованих одна проти одної. За величину стискаючого навантаження по осі абсцис відповідає притискний болт поршня 1, по осі ординат – болт поршня 4. Величина тиску, надаваного поршнями на грані зразка, розраховується через момент затягування відповідного притискного болта.

За результатами компресійних випробувань розраховується швидкість фільтрації рідини через зразок осаду і прикладений тиск. Також можна визначити ступінь деформації зразка. Отримані дані використовують при побудові графіків залежності швидкості фільтрації від прикладеного тиску, компресійних кривих.

Малюнок 3 – а) графік залежності швидкості фільтрації від прикладеного тиску, б) компресійна крива

Проаналізувавши графіки можна судити про максимальний тиск і нормальну деформацію, при яких фільтрація рідини через осад припиняється. За результатами отриманих тисків можна оцінювати величину максимальних або критичних деформацій, визначати ступінь консолідованості або переконсолідованності осаду.


Дослідження водопроникності тонкодисперсного матеріалу
від швидкості застосування деформацій зсуву

Параметри опору зсуву залежать від прикладеного тиску і умов у містах контакту частинок. Граничний опір зсуву при прямому плоскому зсуві визначається шляхом іспитів осадів на тому ж приладі, що використовувався при іспитах осаду на нормальний стиск, але з деякими змінами у конструкції.

У приладі навантаження прикладають до тих пір, поки не станеться зсув і одній частині осаду відносно іншої. Одночасно з застосуванням навантаження проводяться виміри переміщень осаду в результаті його ущільнення за допомогою датчиків годиннкового типу. Випробування на зсув проводять після попереднього ущільнення (консолідації) зразка.

В ході компресійних випробувань отримують стандартну компресійну криву. На цій кривій для даного осаду визначають значення структурної міцності осаду при компресійному стискуванні. Компресійна крива показує залежність відносної деформації зразків або його пористості від величини навантаження, що додається в умовах компресійного стиснення.


Висновки

За допомогою отриманих графіків можна визначити значення консолідаційних параметрів: відносну усадку і момент часу, відповідний їй, консолідаційний параметр при різних значеннях навантаження.

Отримані результати роботи дадуть можливість обгрунтувати момент часу застосування зсуву для інтенсифікації процесу обезводнення, а також вибрати раціональні режими знезводнення у зсувних деформаційних полях.

Подальші дослідження можуть бути спрямовані на експериментальне визначення ряду механічних властивостей осадів вуглезбагачення при їх фільтруванні.

Література

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.