Наклонный шлюз для обогащения полезных ископаемых

УДК 622.7

И.А. Матвеев, Н.Г. Еремеева

НАКЛОННЫЙ ШЛЮЗ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований по обогащению на наклонном шлюзе с системой отсекающих пластин, который разработан в лаборатории обогащения полезных ископаемых ИГДС СО РАН. Для определения показателей обогати-мости минеральных смесей в зависимости от технологических и конструктивных параметров производится расчет качественно-количественных показателей проведенного эксперимента. Создана матрица для полного факторного эксперимента с изменением трех факторов (угол наклона шлюза, расход воды, скорость подачи исходной пробы). Выведено уравнение регрессии выхода и извлечения концентрата. Проведены экспериментальные исследования по обогащению на лабораторной модели наклонного шлюза с изменением угла наклона шлюза, скорости подачи воды и исходного материала. Используя уравнения регрессии определены оптимальные параметры работы шлюза, которые достигаются со значениями факторов (1,-1,-1), при которых извлечение концентрата составило 88,54%, а выход 61%.

Ключевые слова: шлюз, обогащение, пульпа, угол наклона, пластина, концентрат, магнетит, фактор эксперимента.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-172-178

Истощение минерально-сырьевой базы россыпного золота и вовлечение в эксплуатацию техногенных объектов привело к увеличению объемов переработки песков, в которых значительная часть золота сосредоточена в трудно-обогатимых классах крупности (менее 0,25 мм). Применение традиционного оборудования сопровождается со значительными потерями золота. Таким образом, одной из актуальных задач в области обогащения полезных ископаемых является разработка эффективных способов извлечения мелкого золота, связанных с совершенствованием технологий и модернизацией оборудования.

Гравитационное обогащение остается одним из наиболее важных способов разделения минералов, этот метод обогащения является экологически чистым и во многих случаях наименее затратным из всех существующих. Принципы

гравитационного разделения широко используют не только при непосредственном обогащении различных руд и материалов, но и в рудоподготовительных переделах при классификации и обезвоживании продуктов.

Исследованиями, направленными на повышение эффективности извлечения золота с применением различного гравитационного оборудования занимаются, как в России, так и за рубежом [1—5].

Простая конструкция шлюза, высокая степень концентрации, отсутствие необходимости других источников энергии, кроме транспортирующего водного потока, минимальные капитальные вложения и эксплуатационные расходы по сегодняшний день остаются востребованными. Модернизацией, созданием и использованием новых видов шлюзов занимаются множество исследователей [6—11].

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 9. С. 172-178. © И.А. Матвеев, Н.Г. Еремеева. 2018.

На основании вышеизложенного в лаборатории обогащения полезных ископаемых ИГДС СО РАН предложен наклонной шлюз с системой отсекающих пластин. Для определения оптимальных параметров работы шлюза необходимо подобрать: скорость подачи воды для смыва исходного материала; скорость подачи исходного материала; угол наклона шлюза.

Исследования по обогащению искусственных смесей на наклонном шлюзе проводятся на лабораторной модели с изменением угла наклона шлюза, скорости подачи воды и исходного материала. В качестве испытуемого материала использовался речной песок, в качестве имитатора — магнетит крупностью -0,25 мм. После проведения эксперимента каждый продукт высушивался, взвешивался, а потом с помощью магнита вытягивался магнетит. Магнетит взвешивался и составлялся баланс по продуктам.

Шлюз состоит из У-образного сужающегося в нижней части наклоненного в продольном направлении лотка, в верхней части шлюза находится загрузочный узел 1, днище шлюза 2 выполнено из двух пластин с рифлями, расположенными под углом друг к другу, с боковыми бортами 3 для удаления легких частиц увлекаемых потоком и переливающихся в хвосты, шлюз имеет отсекающие

пластины 4, расположенные параллельно друг к другу по центру лотка, которые служат для сбора концентрата и перемещения его в накопитель концентрата 5, зазоры между пластинами по всей длине соответствуют общему сечению загрузочного узла (рисунок) [12].

Наклонный шлюз работает следующим образом: исходная пульпа, содержащая пески с ценными тяжелыми минералами поступает из пульпопровода в загрузочный узел, в котором происходит распределение пульпы по всей ширине шлюза, материал непрерывно подается с водой в верхнюю часть лотка шлюза. При этом расположение отсекающих пластин предусматривает последовательное отведение части пульпы по мере перемещения исходной пульпы вдоль оси шлюза к разгрузочному узлу. Часть пульпы, попадая в пространство между отсекающими пластинами подвергается разделению по плотности, на поверхности легкая фракция увлекается потоком воды. Легкая фракция (хвосты) под действием потока воды переливом удаляется через боковые борта. Тяжелая фракция оседает за счет отсекательных пластин ко дну лотка и в последующем перечищается на рифлях под действием нисходящих потоков по ходу перемещения материала по днищу шлюза. При этом, за счет турбулентных потоков часть легких материалов взвешивается, подхватывается потоками пуль-

Общий вид наклонного шлюза

General view of inclined sluice

Таблица 1

Вариант расчета качественно-количественных показателей проведенного опыта Alternate calculation of qualitative and quantitative indicators of implemented experiment

Продукты обогащения Общий вес, г Магнетит, г Песок, г Выход, % Содержание, % Извлечение, %

Концентрат 1 А1 В2 С2 = А1-В2 DI=(AIX100)/A6 E2 FI=(B2X100)/BI

Концентрат 2 А2 В3 С3 = А2-В3 D2=(A2X100)/A6 E3 F2=(B3X100)/BI

Концентрат 3 А3 В4 С4 = А3-В4 D3=(A3X100)/A6 E4 F3=(B4X100)/Bi

Всего концентрата А4=^А1А2АЗ В5=^В2В3В4 С5=^2С3С4 D4=SD1D2D3 E5 F4=SF1F2F3

Хвосты А5 = А6-А4 В6=В1-В5 С6 = С1-С5 D5=(A5X100)/A6 E6 F5=(B6X100)/BI

Итого исходная проба А6=В1+С1 В1 С1 100,00 E1 100,00

пы и перемещается в направлении разгрузки хвостов. Таким образом, происходит постоянная перечистка и расслаивание исходных материалов, что, в конце концов, приводит к увеличению эффективности разделения материала. Концентрат перемещается в разгрузочный узел, а хвосты удаляются через боковые борта [12].

На основании фиксируемых показателей работы шлюза производится расчет качественно-количественных показателей проведенного опыта, сделанный в программе Мю^о№хсе1 (табл. 1) [13].

В расчете в первую очередь задается масса исходного песка и магнетита (В1, С±), также задаются массы полученных концентратов (А1, А2, А3) и выделенного из него магнетита (В2, В3, В4). На основе введенных данных рассчитываются массы песков С2—С5, выход 01—й5 и извлечение F1—F5 продуктов обогащения.

Исходное содержание магнетита Е1 рассчитывается по формуле (1), а содержание магнетита по продуктам обогащения рассчитывается по формуле (2). В х 100

A,

Таблица 2

Полный факторный эксперимент для трех факторов Complete three-factor experiment

Номер опыта Факторы в натурном масштабе Факторы в безразмерной системе координат Выходной параметр

z2 Z3 X3 Y

1 Z min Z min 2 Z min 3 -1 -1 -1 Y1

2 Z max Z min 2 Z min 3 +1 -1 -1 Y2

3 Z min Z max 2 Z min 3 -1 + 1 -1 Y3

4 Z max Z max 2 Z min 3 +1 + 1 -1 Y4

5 Z min Z min 2 Z max 3 -1 -1 + 1 Y5

6 Z max Z min 2 Z max 3 +1 -1 + 1 Y6

7 Z min Z max 2 Z max 3 -1 + 1 + 1 Y7

8 Z max Z max 2 Z max 3 +1 + 1 + 1 Y8

Е,

Fi^Ei

D„

где Рп — извлечение продукта обогащения; Е1 — исходное содержание; йп — выход продукта обогащения.

На основании полученных результатов по извлечению имитатора составляется заключение об обогатительной способности шлюза.

Создается матрица для полного факторного эксперимента (табл. 2) для изменения трех факторов (угол наклона шлюза, расход воды, скорость подачи исходной пробы). В этом случае число возможных комбинаций из трех факторов на двух уровнях равно N = п2 = 23 = 8 [14].

Таким образом, по отдельности находим уравнение регрессии для двух выходных параметров: выход концентрата и извлечение ценного компонента.

Для поиска оптимального режима работы наклонного шлюза были проведены эксперименты согласно плана-матрицы экспериментов с изменением трех параметров: угол наклона шлюза г1 (г1т'п = = 2,5°, г„тах = 5

(z2min = 2,83 л/с, z,max

2зтах = 11,11 г/с). Результаты экспериментов занесены в табл. 3.

Модель изучаемого процесса представим в виде обобщенного уравнения:

Е = ь0 + КЬ, X) + НЬи X, X) +

+ Ь123 Х1Х2Х3

в = Ь0+Е(Ь, х,) + кьи х, X.) +

+ Ь123 Х1Х2Х3

где Е — извлечение концентрата, В — выход концентрата.

Применительно к трехфакторному эксперименту уравнение (3), (4) можно записать в виде:

У = Ьо + К Х± + Ь2 Х2 + Ь3 Х3 +

+ b12 X, Х2 + b13 Xt X3 + b23 X2 X3 +

+ Ь123 X1 X2 X3,

'), расход воды г2 2 = 3,82 л/с), скорость

подачи материала г3 (г3тт = 5,75 г/с,

где Х1, Х2, Х3 — кодированные значения уровней факторов. Кодированные значения уровней факторов в уравнении (4) могут принимать значения +1 и -1.

Коэффициенты уравнения регрессии (4) рассчитываются по зависимости:

N

Уи

ь = —

' N

где и — номер опыта; Х^ — кодированные значения уровней варьируемых факторов / независимых переменных

Таблица 3

Результаты экспериментов, согласно плана-матрицы экспериментов Results of experimentation in accord with the matrix

Номер опыта Факторы в натуральном масштабе Факторы в безмерной системе координат Выходной параметр

zi Z2 Z3 Xo X3 8, % Y, %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2,5 3,82 5,75 1 -1 -1 -1 54,09 45,00

2 5 3,82 5,75 1 1 -1 -1 88.54 61,00

3 2,5 2,83 5,75 1 -1 1 -1 49,09 55,00

4 5 2,83 5,75 1 1 1 -1 61,82 55,45

5 2,5 3,82 11,11 1 -1 -1 1 49,27 49,00

6 5 3,82 11,11 1 1 -1 1 79,82 60,00

7 2,5 2,83 11,11 1 -1 1 1 56,36 55,00

8 5 2,83 11,11 1 1 1 1 59,82 46,00

Таблица 4

Расширенная матрица плана 23 Expanded matrix of plane 23

Номер опыта X0 Xi X2 X3 X4 = X1X2 X5 = X1X3 X6 = X2X3 X7 = X1X2X3 8 Y

1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 54,09 45,00

2 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 88,54 61,00

3 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 49,09 55,00

4 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 61,82 55,45

5 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 49,27 49,00

6 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 79,82 60,00

7 1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 56,36 55,00

8 1 1 1 1 1 1 1 1 59,82 46,00

Х1, Х2, Х3 (табл. 3); уи — средние арифметические значения функции отклика.

Для расчета коэффициентов регрессии составим расширенную матрицу планирования (табл. 4).

Рассчитаем коэффициенты в уравнении регрессии (5) по зависимостям с учетом знаков Х, в столбцах табл. 4:

Ь0 = (61 + 62 + 63 + 64 + 65 + 66 + 67 + 68)/8 =

= (54,09 + 88,54 + 49,09 + + 61,82 + 49,27 + 79,82 + 56,36 +

+ 59,82)/8 = 62,35 Ь1 = 10,15; Ь2 = -5,58; Ь3 = -1,03; Ь12 = -6,10; Ь13 = -1,64; Ь23 = 2,35;

Й123 = -0,67 Таким же образом рассчитываем коэффициенты в уравнении регрессии для выхода концентрата.

С0 = + У2 + ^ + У4 + У5 + У 6 + У 7 + Т8)/8 =

= (45 + 61 + 55 + 55,45 + 49 + 60 + + 55 + 46)/8 = 53,306

с1 = 2,306; с2 С

-0,444; с3 = -0,806;

2 -4,44; С13 = -1,806;

С232= -1,556; с123 = -0,556 Таким образом, получены следующие уравнения регрессии извлечения и выхода:

в = 62,35 + 10,15Х1 — 5,58Х2 — 1,03Х3 — — 6,10Х4 — 1,64Х5 + 2,35Х6 — 0,67Х37 у = 50,306 + 2,306Х1 — 0,444Х2 — — 0,806Х3 — 4,44Х4 — 1,806Х5 —

— 1,556Х6 — 0,556Х7 Используя уравнения регрессии находим оптимальные параметры работы шлюза в области экспериментирования при условии: -1 < х < 1.

Оптимальные параметры работы шлюза достигаются при значении факторов (1, -1, -1), при которых извлечение равно 88,54%, при выходе — 61%.

Режим в натурных единицах: г1 = 5°; г2 = 3,82 л/с; г3 = 5,75 г/с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алгебраистова Н.К., Бурдакова Е.А., Макшанин А.В., Маркова А.С. Современные гравитационные аппараты для обогащения золото- и серебросодержащих руд / Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья (Плаксинские чтения-2013): материалы Международного совещания, 16—19 сентября 2013 г. — Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - С. 143-146.

2. Александрова Т. Н., Корчевенков С.А. Исследование влияния морфологических характеристик частиц благородных металлов на эффективность разделения в гравитационных аппаратах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — Б 4-6. — С. 12—19.

3. Mills C. Process Design, Scale-Up and Plant Design for Gravity Concentration // Mineral Processing Plant Design. AIMME, NewYork. 1998. pp. 12-15.

4. Holland-Batt A. B. The Dynamics of Sluice and Spiral Separations // J. Minerals Engineering. 1995. no 8 (1). рр. 3-21.

5. Holland-Batt A. B. Gravity Separation: A Revitalized Technology // J. Mining Engineering. 1998. no 50 (9). рр. 43-48.

6. Замятин О. В. Обогащение золотосодержащих песков на шлюзах. Основные закономерности и технологические возможности процесса / Анализ, добыча и переработка полезных ископаемых. Сборник научных трудов, посвященный 125-летию Иргиредмет. — Иркутск, 1998. — С. 208—121.

7. Ряховский С. М., Кротков Н. Ф. и др. Разработка технологии гравитационного обогащения тонкозернистых цирконий содержащих песков Буткинского месторождения с использованием макетных и промышленных образцов винтовых сепараторов, концентрационных столов, шлюзовых и центробежных концентраторов / Материалы IV конгресса обогатителей стран СНГ. — М., 2003. — С. 8—10.

8. Мязин В. П. Новые технологические решения по учащенному сполоску концентрата со шлюзов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2003. — № 1. — С. 238—240.

9. Замятин О.В., Кавчик Б.К. Шлюз с непрерывной разгрузкой концентрата (ШНРК) // Золотодобыча. — 2005. — № 83. — С. 6—8.

10. Литвинцев В. С., ПуляевскийА.М., Сас П. П. Исследование параметров гидропотока на шлюзах гидроэлеваторного промывочного прибора // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2012. — № 6. — С. 134—139.

11. Серый Р.С. Снижение потерь золота на шлюзовых промывочных приборах при отработке труднообогатимых россыпей // Маркшейдерия и недропользование. — 2014. — № 5. — С. 55—60.

12. Матвеев И. А., Матвеев А. И., Еремеева Н. Г. Патент РФ № 2013100343/03, 27.06.2014. Наклонный шлюз. 2013. Бюл. № 18.

13. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука, 1976. — 280 с.

14. Мантгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных: пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1980. — 384 с. гтгсщ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Матвеев Игорь Андреевич1 — младший научный сотрудник, e-mail: igor.andr.matveev@gmail.com, Еремеева Наталья Георгиевна1 — научный сотрудник, e-mail: danng1@mail.ru,

1 Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 9, pp. 172-178. Inclined sluice for mineral dressing

Matveev I.A.1, Junior Researcher, e-mail: igor.andr.matveev@gmail.com, Eremeeva N.G.1, Researcher, e-mail: danng1@mail.ru, 1 Chersky Mining Institute of the North, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 677018, Yakutsk, Russia.

Abstract. The article describes the results of experimental research into mineral concentration on an inclined sluice with cutting-off plates designed at the Mineral Dressing Laboratory of the Institute of Mining of the North, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences. In order to determine mineral washabilty subject to the dressing process and sluice design parameters, the qualitative and quantitative indicators of the experiment are calculated. The complete experiment matrix with variation of three factors is created

(sluice angle, water flow rate, sample feed velocity). The regression equation of yield and recovery of a concentrate is derived. The experimental investigation of concentration is carried out on the laboratory model of the inclined sluice at the varied sluice angles, water flow rates and sample feed velocities. Using the regression equation, the optimal sluice performance at the concentrate recovery of 88.64 % and yield of 61 % is determined.

Key words: Sluice, mineral dressing, pulp, sluice angle, plate, concentrate, magnetite, experimental factor.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-172-178

REFERENCES

1. Algebraistova N. K., Burdakova E. A., Makshanin A. V., Markova A. S. Sovremennye gravitatsionnye apparaty dlya obogashcheniya zoloto- i serebrosoderzhashchikh rud [Modern equipment for gravity concentration of gold- and silver-bearing ore]. Innovatsionnye protsessy kompleksnoy i glubokoy pererabotki mineral'nogo syr'ya (Plaksinskie chteniya-2013): materialy Mezhdunarodnogo soveshchaniya, 16—19 September 2013, Tomsk, Izd-vo TPU, 2013, pp. 143—146. [In Russ].

2. Aleksandrova T. N., Korchevenkov S. A. Issledovanie vliyaniya morfologicheskih harakteristik chas-tic blagorodnyh metallov na ehffektivnost' razdeleniya v gravitacionnyh apparatah [Analysis of influence exerted by morphological characteristics of noble metal particles on gravity separation efficiency]. Gornyy informacionno-analiticheskiy byulleten'. 2014. S 4-6, pp. 12—19. [In Russ].

3. Mills C. Process Design, Scale-Up and Plant Design for Gravity Concentration. Mineral Processing Plant Design. AIMME, NewYork. 1998. pp. 12—15.

4. Holland-Batt A. B. The Dynamics of Sluice and Spiral Separations. J. Minerals Engineering. 1995. no 8 (1). pp. 3—21.

5. Holland-Batt A. B. Gravity Separation: A Revitalized Technology. J. Mining Engineering. 1998. no 50 (9). pp. 43—48.

6. Zamyatin O. V. Obogashchenie zolotosoderzhashchih peskov na shlyuzah. Osnovnye zakonomernosti i tekhnologicheskie vozmozhnosti processa [Concentration of gold using sluices. Basic regularities and technological capabilities]. Analiz, dobycha i pererabotka poleznyh iskopaemyh. Sbornik nauchnyh trudov, posvy-ashchennyy 125-letiyu Irgiredmet. Irkutsk, 1998, pp. 208—121. [In Russ].

7. Ryahovskij S. M., Krotkov N. F. Razrabotka tekhnologii gravitacionnogo obogashcheniya tonkozern-istyh cirkonij soderzhashchih peskov Butkinskogo mestorozhdeniya s ispol'zovaniem maketnyh i promysh-lennyh obrazcov vintovyh separatorov, koncentracionnyh stolov, shlyuzovyh i centrobezhnyh koncentratorov [Technological development of gravity concentration of fine-grained zirconium-bearing sand from the Butkin deposit using prototypes and industrial models of spiral separators, concentration tables, sluices and centrifugal concentrators]. Materialy IV kongressa obogatitelej stran SNG, Moscow, 2003, pp. 8—10. [In Russ].

8. Myazin V. P. Novye tekhnologicheskie resheniya po uchashchennomu spolosku koncentrata so sh-lyuzov [New technological solutions on quickened washing-off of concentrates downward sluices]. Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2003, no 1, pp. 238—240. [In Russ].

9. Zamyatin O. V., Kavchik B. K. SHlyuz s nepreryvnoy razgruzkoy kontsentrata (SHNRK) [Continuous concentrate discharge sluice]. Zolotodobycha. 2005, no 83, pp. 6—8. [In Russ].

10. Litvintsev V. S., PulyaevskiyA.M., Sas P. P. Issledovanie parametrov gidropotoka na shlyuzakh gidroelevatornogo promyvochnogo pribora [Analysis of hydraulic flow parameters in sluices of hydroele-vator washing machine]. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2012, no 6, pp. 134—139. [In Russ].

11. Seryy R. S. Snizhenie poter' zolota na shlyuzovykh promyvochnykh priborakh pri otrabotke trudnoo-bogatimykh rossypey [Gold loss reduction on sluice washing machines at complex placers]. Marksheyderiya i nedropol'zovanie. 2014, no 5, pp. 55—60. [In Russ].

12. Matveev I. A., Matveev A. I., Eremeeva N. G. Patent RU 2013100343/03, 27.06.2014.

13. Adler Yu. P., Markova E. V., Granovskiy Yu. V. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimal'nykh us-loviy [Experiment planning with optimizing], Moscow, Nauka, 1976, 280 p.

14. Mantgomeri D. K. Planirovanie eksperimenta i analiz dannykh: per. s angl. [Experiment planning and data analysis: English-Russian translation], Leningrad, Sudostroenie, 1980, 384 p.

A