УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТТИРКИ ПОВЕРХНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) И УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ОБОГАЩЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемые полезные модели относятся к оборудованию для обогащения сыпучих материалов, путём механической активации (оттирки) при гидротранспортировании, например, кварцевого песка в процессе его перемещения по пульпопроводу в виде пульпы от места добычи или из транспортного бункера до места переработки для производства формовочных, фильтрующих и строительных песков и могут быть использованы на обогатительных фабриках, в металлургической, химической, биологической и других отраслях промышленности.
Известны устройства для оттирки поверхности сыпучих материалов, в которых оттирка происходит путем гидроабразивного действия при турбулентности потока водной среды.
Например, известна турбинная оттирочная мешалка, включающая корпус с питающим патрубком, вал с закрытой турбиной и осевым колесом, стакан с переливным патрубком и отверстиями в верхней его части для циркуляции пульпы, расположенными ниже переливного патрубка. В пространстве между стенками стакана и закрытой турбиной установлены по вертикали до переливного патрубка радиальные перегородки. Всасывающее отверстие закрытой турбины расположено в противоположной от осевого колеса стороне. Конструкция этого устройства обеспечивает взаимно перпендикулярные потоки пульпы и прохождение всего потока пульпы через процесс оттирки, где с твердых частиц снимаются слои глинистых фракций (SU №1685497, кл. B01F 7/18, опубл. 23.10.1991).
Известна оттирочная мешалка, включающая камеру, в которой установлены блоки, выполненные из расширяющихся к низу кожухов с циркуляционными окнами в расширенной части. Внутри кожухов установлены связанные с приводами импеллеры. Между соседними блоками и расширенной частью под импеллером, предыдущего блока установлены суживающиеся лотки с решетчатым днищем, а их суживающаяся часть направлена к циркуляционному окну кожуха последующего блока. Днище камеры выполнено наклонным от загрузочного приспособления к разгрузочному приспособлению. Импеллер за счет центробежной силы отбрасывает пульпу к периферии, которая встречается с вертикальными стенками нижней камеры, за счет чего происходит разрушение
агрегатов и глинистых примазок на поверхности частиц (SU №1535629, B03B 5/02, опубл. 15.01.1990).
Известно механическое устройство для перемешивания пульпы с реагентами. Оно состоит из металлического корпуса, в котором при помощи подшипниковых узлов установлен перемешивающий орган, представляющий собой перфорированную, винтообразную трубу переменного диаметра навивки, соединённую посредством пустотелых спиц с вертикальным полым валом. Перемешивающий орган приводится в движение от мотор-редуктора. Герметичное передвижное уплотнение соединяет полый вал с системой подачи сжатого воздуха. Песчаная пульпа насосом непрерывно подаётся через загрузочный патрубок в устройство и за счёт сил трения, возникающих между твердыми частичками пульпы и винтообразной трубой, перемешивается и поднимается вверх с одновременной очисткой (оттиркой) поверхностного слоя твердых частичек. Возникает циркуляция песчаной пульпы. От компрессора через полый вал и пустотелые спицы в винтообразную перфорированную трубу подаётся сжатый воздух, который, попадая через отверстия в трубе в пульпу, активизирует процесс перемешивания-оттирки. Очищенная пульпа непрерывно самотёком через выгрузочный патрубок направляется на промывку. (DE №1281910, кл. 80а 7/35, 1968).
Недостатком перечисленных устройств является, сложность конструкции и то, что оттирка поверхности частиц песка производится недостаточно активно по всему объёму песчаной пульпы, т.е. не обеспечивается необходимое качество очистки.
Наиболее близким к предлагаемому устройству для оттирки поверхности сыпучих материалов по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки частиц минерального сырья от поверхностных примесей, содержащее гидроциклон, приемное приспособление, камеру очистки в виде камеры смешения, струйного насоса, встроенного в приёмное приспособление, для тангенциального ввода сырья в цилиндрическую часть гидроциклона, камеру доочистки, где камера доочистки выполнена в виде кольцевой камеры, соединённой патрубком тангенциального ввода с камерой смешения, размещена в цилиндрической части гидроциклона и образована кольцевой перегородкой, отделяющей цилиндрическую часть гидроциклона от его конической части, и патрубком, расположенным концентрично сливному патрубку гидроциклона (RU №2190477, кл. В03В 5/34, В04С 5/104, опубл. 10.10.2002). В камере смешения, в кавитационном режиме происходит первичное разрушение примесей за счет гидродинамического воздействия струи на частицы минерального сырья, соударения минеральных частиц и взаимного трения. Окончательное разрушение поверхностных примесей происходит
в камере доочистки, в которой образующийся кольцевой турбулентный поток вызывает трение (оттирку) частиц друг о друга и о стенки кольцевой камеры.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции.
Известно устройство для транспортировки и очистки поверхности зёрен кварцевых песков, содержащее нагнетатель, узлы загрузки и выгрузки, смесительную камеру с соплом, разгонный пневматический трубопровод и очистную камеру с сепаратором и отражателем, где с целью повышения степени очистки поверхности зёрен кварцевых песков и снижения газотворности формовочных и стержневых смесей на основе кварцевых песков, разгонный пневматический трубопровод выполнен кольцевой формы (SU №1301549, кл. В22С 5/00, опубл. 07.04.1987).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность оттирки плёнки с поверхности зернистых материалов сложность конструкции.
Наиболее близкой к предлагаемой установке для обогащения и гидротранспортирования сыпучих материалов является установка, содержащая узел подготовки и загрузки пульпы, приемный бункер с установленными в верхней его части пластинами с ребрами, сообщенную с приемным бункером накопительную емкость для обогащенного материала, и пульпопровод, состоящий из прямых горизонтальных и развернутых в любом направлении участков. (SU №1119943, B65G 53/30, 17/11/1982). Пульпа подается в приемный бункер под наклонные пластины с ребрами, образующими наклонные каналы для потока гидросмеси, содержащей частицы, подлежащие сбросу по пульпопроводу, сообщенному с приемным бункером выше наклонных пластин, остальной материал сползает в бункер по наклонным пластинам и далее в накопительную емкость, из которой через разгрузочный патрубок по пульпопроводу подается на карту намыва.
Данная установка не обеспечивает оттирку плёнки с поверхности зернистых материалов, другим ее недостатком также является сложность конструкции.
Предлагаемые полезные модели решают задачу упрощения конструкции с обеспечением эффективной очистки поверхности частиц, обрабатываемого материала, например, оттирки глинистых и минеральных плёнок с поверхности кварцевого песка.
Указанная задача решается тем, что в первом варианте устройство для оттирки поверхности сыпучих материалов, представляет собой цилиндрическую камеру с патрубками ввода и вывода пульпы, распложенными на торцевых стенках камеры, и установленными с уклоном 10-25° к днищу камеры в направлении движения пульпы, причем входной патрубок расположен у днища и соединен с торцевой стенкой заподлицо, выходной патрубок расположен по центру торцевой стенки или выше продольной оси камеры на уровне не более 4/5 ее диаметра и выступает в полость камеры на глубину равную
по его продольной оси не менее 1/5 диаметра патрубка, диаметр поперечного сечения камеры превышает диаметр патрубков в 1,5-2,5 раза, длина камеры превышает её диаметр в 1,5-3,0 раза (далее по тексту цилиндрическая камера).
Указанная задача решается также тем, что во втором варианте устройство для оттирки поверхности сыпучих материалов, представляет собой сферическую камеру с патрубками ввода и вывода пульпы, расположенными под углом 45-135° друг к другу относительно центра камеры, входной патрубок соединен с корпусом заподлицо, а выходной патрубок выступает в полость камеры на глубину равную 1/5 диаметра патрубка, диаметр камеры превышает диметр входного и выходного патрубков в 1,5-2,5 раза (далее по тексту сферическая камера).
Указанная задача решается также тем, что в установке для гидротранспортирования и обогащения сыпучих материалов, включающей узел подготовки и загрузки пульпы, узел выгрузки пульпы и соединяющий их пульпопровод, состоящий из прямых горизонтальных и/или развернутых в любом направлении участков, согласно предлагаемой полезной модели, по первому варианту, пульпопровод содержит, по крайней мере, один участок, имеющий уклон 20-50° к горизонтали в направлении движения пульпы, на котором установлено, по крайней мере, одно устройство для оттирки поверхности сыпучих материалов, представляющее собой цилиндрическую камеру с патрубками ввода и вывода пульпы, распложенными на торцевых стенках камеры, и установленными с уклоном 10-25° к днищу камеры в направлении движения пульпы, причем входной патрубок соединен с торцевой стенкой заподлицо у днища, а выходной патрубок расположен по центру торцевой стенки или выше продольной оси камеры на уровне не более 4/5 её диаметра и выступает в полость камеры на глубину равную по его продольной оси не менее 1/5 диаметра патрубка, диаметр поперечного сечения камеры превышает диаметр патрубков в 1,5-2,5 раза, длина камеры превышает её диаметр в 1,5-3,0 раза.
Пульпопровод может дополнительно иметь, по крайней мере, один разворот на 45-135° в вертикальном или горизонтальном направлении, на котором установлено устройство для оттирки поверхности сыпучих материалов, представляющее собой сферическую камеру, с патрубками ввода и вывода пульпы, расположенными под углом друг к другу относительно центра камеры, соответствующим, углу разворота пульпопровода, в которой входной патрубок соединен с корпусом заподлицо, а выходной патрубок выступает в полость камеры на глубину не более 1/5 диаметра патрубков, диаметр камеры превышает диметр входного и выходного патрубков в 1,5-2,5 раза.
Указанная задача решается также тем, что в установке для гидротранспортирования и обогащения сыпучих материалов, включающей узел подготовки и загрузки пульпы, узел
выгрузки пульпы и соединяющий их пульпопровод, состоящий из прямых горизонтальных и/или развернутых в любом направлении участков, согласно полезной модели, по второму варианту, пульпопровод имеет, по крайней мере, один разворот на 45-135° в вертикальном или горизонтальном направлении, на котором установлено устройство для оттирки поверхности сыпучих материалов, представляющее собой сферическую камеру, с патрубками ввода и вывода пульпы, расположенными под углом друг к другу относительно центра камеры, соответствующим углу разворота пульпопровода, в которой входной патрубок соединен с корпусом заподлицо, а выходной патрубок выступает в полость камеры на глубину не более 1/5 диаметра патрубков, диаметр камеры превышает диметр входного и выходного патрубков в 1,5-2,5 раза.
Пульпопровод может дополнительно содержать, по крайней мере, один участок, имеющий уклон 20-50° к горизонтали в направлении движения пульпы, на котором установлено, по крайней мере, одно устройство для оттирки поверхности сыпучих материалов, представляющее собой цилиндрическую камеру с патрубками ввода и вывода пульпы, расположенными на торцевых стенках, и установленными с уклоном 10-25° к днищу камеры в направлении движения пульпы, причем входной патрубок расположен у днища и соединен с торцевой стенкой заподлицо, выходной патрубок расположен по центру торцевой стенки или выше продольной оси камеры на уровне не более 4/5 ее диаметра и выступает в полость камеры на глубину не более 1/5 диаметра патрубка, диаметр поперечного сечения камеры превышает диаметр патрубков в 1,5-2,5 раза, а длина камеры превышает её диаметр в 1,5-3,0 раза
Узел выгрузки указанных установок может дополнительно содержать гидроциклон с тангенциальным входом, прямоугольной формы, высота которого составляет 0,6÷0,8 высоты цилиндрической части гидроциклона, а площадь сечения составляет не менее 3/4 сечения пульпопровода.
Предлагаемые технические решения поясняются чертежами.
На фиг.1 Установка для гидротранспортирования и обогащения сыпучих материалов. Общий вид.
На фиг.2. Сферическая камера в разрезе. Общий вид.
На фиг.3. Цилиндрическая камера в разрезе. Вид сверху.
На фиг.4. Цилиндрическая камера в разрезе. Вид А-А
На фиг.5. Разрез. Общий вид узла выгрузки.
На фиг.6. Разрез. Цилиндрическая часть гидроциклона. Вид Б-Б
Установка для обогащения и гидротранспортирования сыпучих материалов включает узел подготовки и загрузки пульпы, содержащий гидравлический перегружатель
(нагнетатель) 1 с устройством в виде грунтового приёмного наконечника 2, грузовой бункер 3, загруженный сыпучим исходным материалом 4, пульпопровод 5, который установлен на жёстких опорах 6 (см. фиг.1). Пульпопровод состоит из нескольких прямых горизонтальных и развернутых в любом направлении участков. При этом, он имеет, по крайней мере, один участок с уклоном 20-50° к горизонтали в направлении движения пульпы, и/или, по крайней мере один разворот на 45-135° в вертикальном или горизонтальном направлении. Представленная на фиг.1 установка содержит несколько таких участков.
В местах разворота пульпопровода на 45-135° установлены сферические камеры для оттирки поверхности сыпучих материалов 7. На участке пульпопровода с углом наклона 20-50° к горизонтали в направлении движения пульпы установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая камера 9 для оттирки поверхности сыпучих материалов. Цилиндрическая камера 9 (см. фиг.3 и 4) содержит патрубки ввода и вывода пульпы, расположенные на торцевых стенках камеры, и установленные с уклоном 10-25° к днищу камеры в направлении движения пульпы. Диаметр патрубков совпадает с диаметром пульпопровода. Входной патрубок соединен с торцевой стенкой заподлицо у днища камеры для исключения задержки твёрдой фазы пульпы при обратном движении пульпы, возникающем во время отключения нагнетателя. Выходной патрубок может быть установлен по центру торцевой стенки или выше продольной оси камеры на уровне, не превышающем 4/5 её диаметра, и выступает в полость камеры на глубину равную по его продольной оси не менее 1/5 диаметра патрубка, диаметр поперечного сечения камеры превышает диаметр патрубков в 1,5-2,5 раза, длина камеры превышает её диаметр в 1,5-3,0 раза, диаметр патрубков совпадает с диаметром пульпопровода.
Сферическая камера 7 (см. фиг.2) содержит сферический корпус с патрубками ввода и вывода пульпы, расположенными под углом друг к другу относительно центра камеры, соответствующим углу разворота пульпопровода (45-135°). Входной патрубок соединен с корпусом заподлицо, а выходной патрубок выступает в полость камеры на глубину не более 1/5 диаметра патрубка, диаметр камеры превышает диметр входного и выходного патрубков в 1,5-2,5 раза, диаметр патрубков совпадает с диаметром пульпопровода. На корпусе сферической камеры выполнены два заглушенных аварийных фланцевых выхода 8, которые необходимы для аварийного вывода песчаной пульпы из камеры 7.
Узел разгрузки включает гидроциклон 10, (см. фиг.1 и 5) содержащий тангенциальный вход 11, верхний выход 12 и нижний выход 13, под которым расположен конус-хранилище 14 для товарного продукта из зернистого материала 4. Тангенциальный вход
11 имеет прямоугольную форму, причем его высота равна 0,6-0,8 высоты цилиндрической части гидроциклона, а площадь сечения составляет не более 3/4 сечения пульпопровода 5.
Установка работает следующим образом:
Грунтовый приёмный наконечник 2 гидравлического перегружателя 1 опускают в массу зернистого материала (например, кварцевого песка) 4 на грузовом бункере 3 и формируют пульпу с содержанием твёрдой фазы 10-40%, которую перемещают по пульпопроводу 5 через сферические 7 и цилиндрические камеры 9 на узел выгрузки 10.
При стационарном движении потока пульпы внутри сферических 7 и цилиндрических камер 9 образуются вихревые зоны 15, 16, 17 и 18.
В процессе перемещения пульпы через сферическую камеру 7, в силу отсутствия осевой прямолинейности между входом и выходом камеры, поток пульпы внутри камеры приобретает сложную форму с двумя зонами 17 и 18 вихревого движения пульпы, при этом ядро потока становится разряженным, что придает потоку турбулентность, способствует хорошему перемешиванию и увеличению частоты столкновений частиц твердой фазы друг с другом. При таком характере движения потока и его приближении к границе круговой зоны 17 с выходом по дуге к выходному патрубку 16, а также вкруговую, вдоль от границы раздела зоны 17 во всей зоне 18 - образуются вихревые струи, куда перемещаются частицы из потока, создавая в зоне 18 взвешенный слой частиц, с постоянной их ротацией на границе между зонами 17 и 18.
При внезапном расширении пространства, в процессе перемещения пульпы через цилиндрическую камеру 9, поток, срываясь с кромки входного патрубка, расширяется, но не внезапно, а постепенно, причем в кольцевом пространстве между потоком и стенкой камеры образуются вихревые зоны 16. При этом, центральная часть потока пульпы, отделенная цилиндрической поверхностью раздела с внешними зонами 16, по длине камеры распадается и свертывается в мощные струи с локальным турбулентным движением частиц твердой фазы, образующими вихревые зоны 15. Турбулентное движение частиц способствует увеличению числа соударений частиц между собой. В результате происходит разрушение и оттирка (сдирание) поверхностных минеральных оболочек с частиц твердой фазы. Центральная часть потока в цилиндрической камере 9, также является основой для образования вихревых зон 16, которые располагаются по всей длине по периферии камеры, в которых также происходит соударение частиц друг с другом, хотя и менее интенсивно, чем по периферии самой струи.
На выходе из камер 7 и 9 происходит внезапное сужение сечения потока пульпы, за счет перехода от большего сечения камеры к меньшему сечению пульпопровода. Происходит процесс, аналогичный, тому, который возникает в случае внезапного расширения пространства при входе в цилиндрическую камеру 9. Только в данном случае мощные струи, образующие вихревые зоны 16, возникают при расширении центральной части потока, сжатой после входа из широкого канала (цилиндрической камеры) в узкий канал (пульпопровод), до полного восстановления сечения узкого канала. Длина участка рассасывания вихревых зон и полное растекание потока составляет примерно 8-12 диаметров сечения пульпопровода. (Идельчик И.Е. «Потери на удар в потоке с неравномерным распределением скоростей». Труды ЦАГИ, МАП, вып.662, 1948г, стр. 1-24.)
Для обогащения сыпучего материала достаточно использовать, по крайне мере, одну цилиндрическую камеру и/или, по крайней мере, одну сферическую камеру. Одновременное же использование в установке нескольких цилиндрических и/или сферических камер способствует более глубокому обогащению обрабатываемого материала.
За счёт нагнетателя 1, пульпа со шламом и минеральными частицами далее поступает на вход 11 гидроциклона узла выгрузки. Твердые частицы, сжатые потоком пульпы, на входе в гидроциклон проходят ещё одну стадию очистки за счет скоростного разгона и соударения частиц о цилиндрическую стенку гидроциклона и друг о друга в цилиндрической зоне гидроциклона.
С помощью жидкости под действием центробежных сил, в гидроциклоне происходит разделение частиц твердой фазы широкого диапазона крупности и удельного веса, которое основано на различии в движении частиц разной плотности и крупности под действием центробежной силы. Причем заданные параметры прямоугольного входа гидроциклона позволяют увеличить скорость входа пульпы в гидроциклон, выше, чем скорость движения пульпы по пульпопроводу, и создать дополнительный участок для оттирки поверхности частиц минерального сырья на входе в гидроциклон, происходящей за счет соударения частиц при движении по касательной к внутренней стенке цилиндрической части гидроциклона.
Разгрузка гидроциклона 10 происходит через два отверстия, расположенные по его вертикальной оси, где через верхний выход 12 ведётся разгрузка шлама в спиральный гидравлический классификатор (на схеме не показан) для сгущения шлама и складирования его на карту-хранилище, а через нижний выход 13, ведётся разгрузка товарного продукта в конус-хранилище 14.
Заданные параметры цилиндрической и сферической камер необходимы для обеспечения процесса максимального вихреобразования при перемещении пульпы через
камеры и соответственно для обеспечения и оттирки поверхности частиц сыпучего материала.
Так минимальная длина цилиндрической камеры равная 1,5 ее диаметра - это нижняя граница для начала процесса вихреобразования в камере, а на расстоянии, превышающем диаметр камеры более чем в 3,0 раза, начинается растекание потока и снижение вихреобразования.
Диаметр цилиндрической и сферической камер должен превышать диаметр патрубков в 1,5÷2,5 раза. Диаметр сечения цилиндрической и сферической камеры равный не менее 1,5 диаметра патрубков необходим для появления эффекта «потери на удар» и начала вихреобразования в полости камер. Превышение же диаметра камер диаметр патрубков более чем в 2,5 раза ухудшает гидродинамические характеристики потока пульпы и снижает вихреобразование в камерах.
Заданные углы наклона патрубков цилиндрической камеры (10-25°) и пульпопровода (20-50°), а также соединение входного патрубка заподлицо с корпусом камеры сферической камеры с торцевой стенкой у днища цилиндрической камеры обеспечивает беспрепятственный сток пульпы при прекращении работы установки. Установка выходных патрубков камер (сферической и цилиндрической) с выступом в полость камеры на глубину не более 1/5 диаметра патрубка способствует образованию турбулентных движений в зонах 16 на выходе потока из камер.
Расположение патрубков сферической камеры под углом 45-135° друг к другу относительно центра камеры также необходимо для обеспечения более эффективного процесса оттирки, так как только с угла поворота потока на 45° начинается и после угла поворота потока на 135° заканчивается требуемый режим вихреобразования в сферических камерах.
Предлагаемые полезные модели целесообразно применить, например, для получения кондиционных формовочных и стекольных песков из сырья, используемого в настоящее время для строительных целей. Прирост удельной поверхности песка и ликвидация оболочек на его зернах повышает активность и характеристики песка, как заполнителя в структуре форм и стержней, фильтрующего песка в структуре водоподготовки и песка, как наполнителя в структуре бетона, где за счет улучшения характеристик кварцевого песка снижается на 20-30% расход цемента с сохранением прочности бетона.
Использование описанных полезных моделей позволит при их достаточно простой конструкции обеспечить надежное обогащение и транспортирование сыпучих материалов.