Оптимизация работы центробежных концентраторов

© К В. Федотов, В В. Тютюнин, 2013

УДК 622.7Б/.77

К.В. Федотов, В.В. Тютюнин

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ

Рассмотрен метод оптимизации работы центробежных концентраторов с флюиди-зацией минеральной постели водой через отверстия в стенках вращающегося конуса. Оптимизация производиться в два этапа. Первый — определение величины фактора разделения, необходимой для расчета извлечения зерна определенной крупности. Второй — определение давления воды в системе флюидизации центробежного концентратора, необходимого для поддержания минеральной постели в разрыхленном состоянии.

Ключевые слова: гравитационные методы обогащения — центробежная сепарация — центробежные концентраторы — флюидизация — фактор разделения — обогащение золота.

В настоящее время технологии обогащения рудного золота представлены тремя основными методами — флотацией, гравитацией, гидрометаллургией. Подавляющее количество золота из минерального и техногенного сырья извлекается цианированием и флотацией, однако «крупное» золото (крупность частиц более 40 мкм) выгоднее обогащать гравитационными методами.

Одним из эффективных способов гравитационного обогащения является центробежная сепарация, получившая широкое применение на рудных месторождениях золота в связи с относительно низкими капитальными и эксплуатационными затратами, простой технологичностью и экологично-стью. Наиболее широко применяются центробежные концентраторы с разрыхлением постели водой, подаваемой с внешней стороны конуса через отверстия в нём.

С целью оптимизации гравитационного процесса обогащения в центробежных концентраторах был разработан метод, базирующийся на по-

луэмпирической модели, часть параметров которой задается с помощью специальной установки (рис. 1). Данная установка укомплектована аналоговой видеокамерой 1 и радиопередатчиком 2 для трансляции сигнала с видеокамеры, расположенной над объектом исследований в компьютер.

На центральный вал установки одевается прозрачная кювета из оргстекла 3, внутреннее устройство которой полностью моделирует и по масштабам и по конструкции зону флюидизации центробежного концентратора с разрыхлением постели водой, подаваемой с внешней стороны конуса через отверстия в нем. Кювета на 80 % от её объема заполняется смесью минеральных частиц, движение которых требуется изучить в центробежном поле. Вода под давлением нагнетается в полый вал 4 установки через неподвижный штуцер Б с сальниковым уплотнением, откуда она поступает в кольцевой канал 6 кюветы (рис. 2). Из кольцевого канала 6 через флюидизационные отверстия 7 вода поступает в зону флюидизации

Рис. 1. Лабораторная установка для изучения стесненного движения минеральных частиц в центробежном поле:

1 — аналоговая видеокамера; 2 — радиопередатчик; 3 — прозрачная кювета из оргстекла; 4 — полый вал; 5 — штуцер с сальниковым уплотнением для подачи воды

Рис. 2. Кювета из оргстекла: 6 — кольцевой канал с водой под давлением, 7 — флюидизационные отверстия, 8 — зона флюидизации постели; 9 — сетка с ячеёй 40мкм; 10 — камера для сбора воды

постели 8, где находится смесь минералов. Сбор воды происходит в камере 10, откуда она выводится из установки. Для того чтобы минеральная смесь не вымывалась из зоны флюи-дизации постели в кювете установлена сетка с ячеёй 0.040 мм.

Эксперименты по разделению проводились на двух смесях (кварц + магнетит, кварц + вольфрамит). Аналоговая видеокамера позволяет воспроизвести картину процесса разделения минеральных частиц в центробежном поле. При этом в процессе эксперимента изменяется как величина фактора разделения установки (угловая скорость кюветы), так и давление в системе флюидизации кюветы. Полученные изображения динамической картины процесса разделения минеральных частиц позволяют судить о состоянии минеральной постели в зонах флюидизации (рифах) центробежных концентраторов и рассчитать степень разрыхленности минерального слоя.

По результатам эксперимента в зоне флюидиза-ции центробежного концентратора было установлено наличие двух видов течений (рис 3): циркуляционные и локальные, а так же поток Кориолиса.

Образование закрученных турбулентных вихрей в слое минеральной постели (циркуляционные течения) происходит в результате подачи флюидизирующей воды. Эти вихри возникают как следствие наложения друг на друга двух течений — течения воды из флюи-дизационных отверстий и внешнего течения пульпы,

Рис. 3. Течения и потоки в зоне флюидизации центробежного концентратора: 1 - флюидизационные отверстия; 2 - Циркуляционные течения; 3 - минеральные частицы; 4 - Поток Кориолиса

Рис. 4. Эпюра скоростей флюидизи-руюшего потока

проходящего по образующей зоны флюидизации центробежного концентратора.

Локальные течения (не отмечены на рис. 3) вызваны турбулентными пульсациями и столкновениями частиц, они носят случайный и беспорядочный характер.

Поток Кориолиса имеет движение не совпадающее с направлением вращения установки. Видеосъемка показала, что минеральные частицы движутся противоположно внешнему течению. Данная картина наблюдается прежде всего за счет того, что частицы не успевают приобрести скорость потока так как находятся в роторе центробежного концентратора очень малое время, а также потому что большое влияние на движение минеральных частиц оказывает сила Кориолиса, векторная составляющая которой направлена на встречу вращения ротора и наличие которой подтверждено экспериментально видеосъемкой одиночных частиц, свободно падающих в центробежном поле. [1] В результате наблюдения за состоянием минеральной постели в зоне флюидизации центробежного концентратора была построена эпюра скоростей флюидизирующего потока по её периметру, подчиняющуюся синусоидальному закону (рис. 4). Высотой пиков синусоиды Р можно управлять с помощью давления воды в системе флюиди-зации, шаг между пиками Д задается конструктивными параметрами системы флюидизации (шаг между флюидизи-рующими отверстиями на образующей конуса центробежного сепаратора).

Таким образом, степень разрых-ленности постели в центробежных концентраторах, возможно описать при помощи следующей синусоидальной функции:

Я = Р з1п(—• х) (%) с • А

Рис. 5. Образование слоев минеральной постели в зоне флюидизации центробежного концентратора

В нашем случае Р — функция, определяемая давлением воды, Л — расстояние между флюидизационными отверстиями, х — координата точки в которой определяется степень раз-рыхленности (запресованности) минеральной постели, с — эмпирическая константа, задаваемая исходя из конструктивных особенностей установки.

Степень разрыхленности постели — величина представляющая собой массовую долю твердого в объеме постели, то есть:

5

К =

'100

5 +L

где 5 — это количество твердой фазы (г), а L — это количество жидкой фазы(г).

Параметр Р, косвенно определяет высоту пиков, и принимается в расчётах на основе экспериментов проведенных на установке (рис. 1). Параметр Д, определяется конструктивными параметрами центробежного концентратора и является расстоянием от центра одного флюидизационного отверстия до другого в миллиметрах.

Картина распределения минеральных частиц (рис. 5) по слоям в зоне флюидиза-ции центробежного концентратора соответствует картине распределения минеральных частиц в замороженном конусе и в экспериментах, проведенных в работах [3] и [4]. Сформировавшуюся картину распределения минеральных частиц в зонах сбора тяжелых фракций центробежного концентратора можно описать следующим образом (рис. 5): 1 — крупные и средние частицы тяжелых минералов; 2 — крупные частицы легких, средние и тонкие частицы тяжелых минералов; 3 — мелкие частицы тяжелых минералов; 4 — смесь крупных и мелких частиц пустой породы с единичными частицами тяжелых минералов.

В зависимости от величины давления воды в системе флюидизации возможно управлять степенью разрых-ленности минеральных частиц в зонах флюидизации центробежных концентраторов. Если давление воды в системе флюидизации высокое, то наблюдается перемещение крупных частиц легких минералов в сторону флюидизирующих каналов, где образуется слой из крупных легких частиц на поверхности которого концентрируются мелкие частицы тяжелых минералов. Если давление воды в системе флюидизации имеет низкое значение, то можно наблюдать, как частицы тяжелых минералов проникают между крупными легкими частицами и движутся к флюидизирующим каналам.

Наблюдения за динамикой минеральных частиц в центробежном поле

Рис. 6. Распределение минеральных зерен в сегменте кюветы: 1 - направление вращения; 2 - флюиди-зационные отверстия; 3 и 4 - тяжелые и легкие минералы соответственно

Рис. 7. Определение начальных условий движения частицы

позволили разработать способ оптимизации давления воды во флюидизи-рующей системе конуса центробежного концентратора с разрыхлением постели водой, подаваемой против направления действия центробежного поля, через отверстия в нем. Она заключается в регулировании степени разрыхленности (за счет изменения

давления воды во флюиди-зирующей системе центробежного концентратора) минеральной постели с целью наиболее эффективного улавливания частиц полезного компонента в зонах сбора тяжелой фракции с учетом расчетной частоты вращения конуса центробежного концентратора (фактора разделения), а также физических свойств минералов руды данного месторождения, на которой требуется произвести оптимизацию процесса сепарации.

В ходе проведения экспериментов по изучению динамики минеральных частиц в центробежном поле в кювете другой геометрической конфигурации, представляющей собой сегмент флюидизирующей ячейки, нами был зафиксирован процесс перераспределения минеральных зерен. Он заключался в том, что все тяжелые минеральные частицы двигались в направлении действия силы Кориолиса, что указывает на важную роль данной силы в процессах центробежной сепарации минерального сырья, так как она оказывает реальное воздействие на процесс разделения (рис. 6). С целью оценки возможности управления степенью разрых-ленности постели в центробежном концентраторе и как следствие эффективностью процесса обогащения предлагается следующий подход.

Оптимизация степени разрыхлен-ности минеральной постели в центро-

В Г1]>:оо

Прс<д.| !»< ¿1

миф о^гтлч (Дшш

КТ.тП.-; ХП1 1.ЧИ

V/ "^ч* «-сей 1* 1. л;ч»|;| 1Ч-00Ш)

.  Л. в!1Л1- 1.Г'/<.' аивдв

Пипиоръ »-^и:' 1 и 11'а)

ие-ггщ- "I '^щ) |.сша:о

ШМЙДМТ4** ' 41 № г^тй;.- У. омЛ>»С0

¡ш ивмю

и М ммо

(ГМЛ  и.пшяла

С" Т - . »(«Ч'Т(

Рис. 8. Диалоговое окно программы для определения минимально-допустимых значений фактора разделения для извлечения частицы заданной крупности

Рис. 9. Различные состояния постели в зависимо сти от давления во флюидизируюшей системе: а

запресованное состояние; б - квазистационарное; в - раз рушение постели

бежном концентраторе проводится в два этапа:

Первый этап. С применением численной модели расчета скорости свободного падения минеральных частиц [1] определяется минимально допустимая частота вращения ротора центробежного концентратора, при которой

частицы достигают улавливающей ячейки. Начальное положение частицы задается координатами И* и Ъ (рис. 7).

Так как толщина слоя пульпы, текущего по образующей конуса изменяется, то координата И* задается в процентном отношении по толщине потока пульпы, сформированного на поверхности конуса центробежного концентратора. В зависимости от координаты Ъ высчитывается абсолютное значение И. Геометрические свойства конуса задаются при помощи Б и Н. Эффективное значение фактора разделения (в) определяется программой в зависимости от радиуса конуса в точке образующей которого частица находится в данный момент времени.

С учетом допущения того, что минеральная частица движется в условиях свободного падения, нами была составлена компьютерная программа, позволяющая оценить при каких значениях фактора разделения будут улавливаться частицы тяжелого минерала определенной крупности (рис. 8). Математическая модель, заложенная в основу этой программы подтверждается физическими экспериментами по измерению скорости свободного падения частиц в центробежном поле, приведенными в работе[1].

Второй этап. С помощью установки (рис. 1) определяется соотношение

фактора разделения и давления воды во флюидизи-рующей системе, на основе допущения о том, что эффективное улавливание частиц полезного компонента происходит при квазиста-ционорном состоянии (рис. 9, б) постели — состоянии граничном между запрессовкой (рис. 9, а) и разрушением постели (рис. 9, в).

Наблюдения проводились на примере разделения (обогащения) реального минерального сырья. Частота вращения установки соответствует реальной частоте вращения центробежного концентратора, либо предварительно оптимизированной частоте вращения (этап 1). На рис. 10 представлена зависимость между степенью раз-рыхленности постели и давлением в системе флюидизации, полученные при разделении золото-кварцевого сырья (среднее значении в = 30).

Для апробации предлагаемого способа настройки центробежных концентраторов проведены промышленные испытания на обогатительной фабрике месторождения «Кедровское», Республика Бурятия.

Технологическая схема ЗИФ приведена на рис. 11. Объектом оптимизации был выбран центробежный сепаратор, перерабатывающий слив гидроциклона в цикле измельчения. Управ-214

Рис. 10. Зависимость между степенью разрыхленности постели и давлением в системе флюидизации центробежного концентратора

Рис. 11. Технологическая схема гравитационного передела руды месторождения «Кедровское»

1 10 4.Ш

Деппешь? (¡нчо| ш Бэр.

Рис. 12. Зависимость извлечения золота в центробежном концентраторе КС-СУО от давления воды в системе флюидизации

ляющим фактором оптимизации был принят расход воды, подаваемой на флюидизацию в центробежный концентратор.

Экспериментальным путем было установлено, что при существующих значениях расхода воды минеральная постель находилась в состоянии близком к запрессованному. В лабораторных условиях с использованием разработанного способа оптимизации соотношения давления воды в системе флюидизации и фактора разделения было рассчитано оптимальное давление воды и её расход. В результате удалось поднять извлечение в первой стадии гравитационного обогащения на 2 %. Зависимость извлечения золота в концентрат от давления воды в системе флюидизации

центробежного концентратора представлена на рис. 12.

По результатам расчета баланса по всему обогатительному переделу зо-лотоизвлекательной фабрики месторождения «Кедровское» установлено, что применение предлагаемой методики позволило повысить эффективность работы центробежного безнапорного концентратора.

Выводы

Степень разрыхленности минеральной постели в центробежных концентраторах зависит от соотношения фактора разделения и давления воды в системе флюидизации.

На основе предложенного подхода возможно разработать систему автоматизации по настройке параметров работы центробежных концентраторов.

1. Федотов К.В. Свободное падение частиц в центробежном поле / К.В. Федотов, В.В. Тютюнин // Ж: «Обогащение руд». — 2009. — № 2. — М.: Изд. дом «Руда и металлы», 2009.

2. Федотов К.В. Обогащение в центробежных концентраторах: монография / К.В. Федотов, В.В. Тютюнин. — Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2008.

3. Федотов К.В. Механизм сепарации золотосодержащего минерального сырья в

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

безнапорном центробежном сепараторе / Федотов К.В. Романченко A.A.// Ж: «Минеральные ресурсы России». — 2003. — спецвыпуск, сентябрь 2003. — М: Геоинформцентр, 2003.

4. Богданович A.B. Исследование работы гравитационных сепараторов для обогащения тонкозернистых материалов / Богданович A.B. Васильев A.M. // Ж: «Обогащение руд». — 2005. — №1 — М.: Изд. дом «Руда и металлы», 2005. г.'-1^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Федотов Константин Вадимович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, fedotov@istu.edu,

Тютюнин Веденей Викторович — кандидат технических наук, докторант, vedeneyt@rambler.ru, Иркутский государственный технический университет.