Повышение эффективности аэрационной классификации сепараторов

В.Н. Макаров, В.Я. Потапов, Н.В. Макаров, И.Ю. Патракеева

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЭРАЦИОННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ СЕПАРАТОРОВ

Проведен анализ и установлены причины недостаточной эксплуатационной эффективности аэрационной классификации сепараторов. Предложены критерии аэрационного подобия - коэффициенты аэ-рационного притяжения и аэрационной инерции, характеризующие вертикальную и горизонтальную перегрузки частиц компонентов материалов под действием аэродинамических сил для интегральной оценки влияния «парусности» на траекторию движения и на эффективность их классификации. Предложен метод аэродинамического расчета аэрационной классификации частиц компонентов материалов в зависимости от их физических свойств, определяемых формой частиц, их размером, плотностью и объединенных интегральным критерием «парусности», а также параметров управляемого воздушного потока. Получены уравнения определения положения приемного бункера узла аэрационной классификации фрикционного барабанно-полочного сепаратора в зависимости от критериев аэродинамического подобия, обеспечивающего максимальное качество стратификации исходного сырья обогащаемого материала. Установлено, что эффективность разделения частиц зависит от критериев аэрационного притяжения и аэрационной инерции, которые определяются формой, размерами, плотностью обогащаемого материала, а так же энергией направленного воздушного потока. Подтверждена эффективность аэрационной классификации с использованием управляемого воздушного потока. Ключевые слова: «парусность», интегральный критерий парусности, физические характеристики, фрикционный сепаратор, аэраци-онная классификация, критерий аэрационного подобия.

УДК 621.928. 622.273, 622.44

Проведенные исследования аэрационной классификации барабанно-полочных фрикционных сепараторов показали его недостаточную эффективность по причине слабого использования целенаправленного управления воздушным потоком [4, 6, 7].

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 311-317. © 2017. В.Н. Макаров, В.Я. Потапов, Н.В. Макаров, И.Ю. Патракеева.

Аэрационная классификация — процесс разделения частиц многокомпонентного материала, частицы которого отличаются «парусностью» под воздействием плотности энергии, определяемой кинетической энергией направленного потока воздуха, достаточной для формирования траекторий движения частиц, определяемым положением приемного бункера аэрационной классификации.

Конструктивно управление процессом классификации реализовано в барабанно-полочном фрикционном сепараторе с устройством создания направленного управляемого аэродинамического потока воздуха (БПФСА) [1, 4, 6, 7, 9, 10, 11, 13].

БПФСА представляет собой сепаратор, включающий наклонную полку 1, криволинейный трамплин 2, вращающийся барабан 3, приемные бункеры 4 аэрационной классификации. В торцы барабана 3 встроены радиальные вентиляторы 5 с осе-симметричными коллекторами 6. Амплитуда-частотные регуляторы 7 обеспечивают требуемую плотность энергии, направление, амплитуду и частоту колебания воздушного потока. Бункеры 8 предназначены для приема фрикционной классификации (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема сепаратора БПФСА: главный вид

Механизм разделения и классификации исходного сырья за исключением аэрационной классификации подробно описан в [2, 3, 4, 6, 10, 12].

В силу ограниченной информации по аналитическим исследованиям процесса аэрационной стратификации многокомпонентного исходного сырья, актуально исследовать аэродинамику процесса движения двухфазной среды для повышения эффективности разделения частиц компонентов в направленном воздушном потоке. Решение этой задачи позволит повысить качество обогащаемого материала за счет эффективного использования влияния «парусности» частиц компонентов материалов на величину действующих на них сил аэродинамического сопротивления, Стокса, Архимеда и Магнуса.

Для интегральной оценки влияния «парусности», введем критерии аэрационного подобия — коэффициенты аэрацион-ного притяжения а. и аэрационной инерции р., характеризующие вертикальную и горизонтальную перегрузки частицы соответственно под действием аэродинамических сил:

Еп р1' Vп Р'

1 = 1 т п ¿-11 = 1 г1 1 Лг 1 Лг

где Рв., — вертикальная и горизонтальная составляющие j-ой аэродинамической силы, действующей на /'-ую частицу много компонентного материалов;

= 4 щ3(рх - рв )д — сила Архимеда направленная вниз, действующая на /'-ую частицу, являющаяся аналогом силы тяжести.

Согласно схеме сил (рис. 2) выражение для критериев аэрационного подобия с учетом (1)получим в виде [5, 8]:

( „„ (лг , л\\

а =

ъ - К 3

Р;4,11

4 (р-рв) д

в = - к = 3кР (+ и )2

Кг ( -ре )д

где F1мi = (Ух. + и) — сила Магнуса, обусловленная вра-

щением '-ой частиц компонентов исходного сырья; Fi. = с.лг2р (V + и)2 — сила Жуковского направленная верти-

ЖХ X X I в \ Хг 1

кально вверх, действующая на /'-тую частицу;

Ftлi = пт1рв (Ух, + и) — сила аэродинамического сопротивления; ki — коэффициент лобового сопротивления /-ой частицы; г — радиус /-ой частицы, м; рв — плотность воздуха, кг/м3; — составляющая скорости /-ой частицы, м/с; и — скорость пото-

4 з

ка воздуха, м/с; т1 = —щ р1 масса /-ой частицы, кг; р. — плотность /-той частицы, кг/м3; с. — коэффициент подъемной силы Жуковского действующей на /-ую частицу; g — ускорение свободного падения м/с2; Ув

О = —---угловая скорость вращения /-той частицы, с-1.

2щ

Из уравнений (2), (3) видно, что интегральный критерий «парусности»: коэффициенты аэрационного притяжения и инерции зависят от формы частицы, определяющей коэффициенты фР с, ее размера г., плотности р. и скорости управляемого потока и.

Модифицированный метод аэродинамического расчета отличается раздельным учетом влияния скорости движения частиц (V., и скорости управляемого направленного воздушного потока и (рис. 2) в критериях аэрационного подобия.

Выражение для сила сопротивления Стокса, обусловленной вязкостью воздуха и физическими свойствами компонентов исходного сырья представим в виде:

= ФiPвПЦГ^ ,

где ф. — коэффициент формы частицы в законе Стокса; п — коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с.

г;;/;//;//;///у—

Рис. 2. Схема движения частицы и действующих на нее сил на фазе аэра-ционной классификации БПФСА

Таким образом с учетом баланса сил Жуковского, Архимеда, Стокса и Магнуса следует, что при скорости управляемого аэродинамического потока воздуха U = ^ по направлению оси oy будут перемещаться частицы компонентов, размеры которых определяется зависимостью (рис. 2):

^ I ФПРМ>

01 V3

Критериальное уравнение для расчета положения приемного бункера аэрационной классификации X0i в функции от коэффициента аэрационной инерции после соответствующих преобразований с учетом (3) получим в виде:

хо =_Р^_.

0' 2Р01 (р, -ре )д

Таким образом, диапазон изменения «парусности» частиц компонентов материала, определяемый диапазоном изменения коэффициента аэрационного притяжения а0. от а0т.п до а0тах и коэффициента аэрационной инерции Р0. от Р0т.п до Р0тах определяет рациональное положение приемного бункера узла аэраци-онной классификации в диапазоне от X0m.n до X0max при заданной скорости управляющего потока U = U0.

Использование управляемого воздушного потока в БПФСА позволяет повысить эффективность разделения многокомпонентных материалов в частности, обеспечить максимальное извлечение асбестового волокна из руды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Двинянов В. В., Сипович В. М. Движение асбестосодержащих аэросмесей по непрямолинейным участкам пневмотранспорта / Новые достижения в технологии обогащения асбестовых руд. Научные труды, вып. 13. - Асбест, 1972. - С. 130-137.

2. Иванов В. В., Умнова В. В., Чечулина Г. М. Упругие свойства частиц асбестосодержащих продуктов / Совершенствование технологии обогащения асбестовых руд. Сборник научных трудов ВНИИпроектасбе-ста. - Асбест, 1990. - С. 100-109.

3. Келина И. М., Цыпин Е. Ф., Александрова Е. П. О коэффициентах трения минералов при обогащении слюдосодержащих сланцев на полочном воздушном сепараторе // Известия вузов. Горный журнал. -1983. - № 4. - С. 126-129.

4. Кравец Б. Н. Специальные и комбинированные методы обогащения. - М.: Недра, 1986. - 340 с.

5. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа, 2003. -840 с.

6. Ляпцев С. А., Потапов В. Я., Давыдов С. Я., Потапов В. В., Семериков Л. А., Васильев Е. А. Классификация материалов при ударе о разделительную поверхность // Новые огнеупоры. — 2014. — № 12. — С. 10—13.

7. Макаров В. Н., Довыдов С. Я. Теоретические основы эффективности вентиляции в технологических процессах строй индустрии // Огнеупоры. - 2015. - № 2. - С. 59-63.

8. Макаров Н.В., Белов С.В., Фомин В.И., Волков С.А. Расчет критериев аэродинамического подобия системы вентилятор - энергетический направляющий аппарат // Известия вузов. Горный журнал. -2008. - № 5. - С. 66-69.

9. Потапов В. Я., Тимухин С. А., Потапов В. В. и др. Использование аэродинамического эффекта в фрикционных сепараторах для разделения минеральных комплексов обладающих парусностью // Известия УГГУ. - 2011. - № 25-26. - С. 84-89.

10. Цыпин Е. Ф., Пелевин А. Е., Лавник В. Я., Балабаева Л. М. Выбор признаков разделения для предварительного обогащения асбестовой руды Баженовского месторождения // Совершенствование технологии обогащения асбестовых руд. Сборник научных трудов ВНИИпро-ектасбеста. - Асбест, 1986. - С. 46-58.

11. Шалюгина В. А., Бергер Г. С. Исследование скорости витания волокна антофиллит-асбеста в воздушной среде / Новые достижения в технологии обогащения асбестовых руд. Научные труды, вып. 13. -Асбест, 1972. - С. 122-129. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Потапов Валентин Яковлевич1 - доктор технических наук, профессор, e-mail: 2c1@inbox.ru,

Макаров Владимир Николаевич1 - доктор технических наук, профессор,

Макаров Николай Владимирович1 - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, e-mail: mnikolay84@mail.ru, Патракеева Ирина Юрьевна1 - аспирант, e-mail: Patrakeeva2208@yandex.ru, 1 Уральский государственный горный университет.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 311-317. V.N. Makarov, V.Ya. Potapov, N.V. Makarov, I.Yu. Patrakeeva

IMPROVING EFFICIENCY OF AERATION CLASSIFICATION OF SEPARATORS

The analysis of the reasons for the lack of established and operational efficiency aeration classification separators. Criteria of similarity of aeration - aeration factors of attraction and aeration inertia characterizing the vertical and horizontal components of overload of particles of materials under the influence of aerodynamic forces for an integrated assessment of «sail» effect on the trajectory of motion, and as a result, the efficiency of their classification.

A modified method of calculating the aerodynamic particle classification aeration material components, depending on their physical properties, determines the shape of the particles,

UDC 621.928. 622.273, 622.44

their size, density, and the combined integrated criterion of «sail», as well as the managed airflow. Using the theory of the dynamics of motion of two-phase medium, the equations determine the position of the hopper assembly aeration classification friction drum-shelf separator, depending on the aerodynamic similarity criteria, providing the highest quality raw material stratification of enriched material. Separate accounting of the effect of the speed of motion of particles of materials and components speed managed airflow allows to determine the optimum range of air flow rates depending on the criteria turndown aeration similarity enriched material.

The efficiency of the separation of the particles depends on the criteria of aeration and aeration attraction inertia defined shape, size, density enriched material, as well as the energy of the directional air flow.

Confirmed the effectiveness of aeration classification using managed airflow.

Key words: «sail», sail integral criterion, physical characteristics, friction separator, aeration classification, criterion aeration similarity.

AUTHORS

Potapov V.Ya.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: 2c1@inbox.ru, Makarov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Makarov N.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Head of Chair, e-mail: mnikolay84@mail.ru,

Patrakeeva I.Yu.1, Graduate Student, e-mail: Patrakeeva2208@yandex.ru, 1 Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia.

REFERENCES

1. Dvinyanov V. V., Sipovich V. M. Novye dostizheniya v tekhnologii obogashcheniya as-bestovykh rud. Nauchnye trudy, vyp. 13 (New reaches in the technology of processing of asbestos ore. Scientific papers, issue 13), Asbest, 1972, pp. 130—137.

2. Ivanov V. V., Umnova V. V., Chechulina G. M. Sovershenstvovanie tekhnologii obogashcheniya asbestovykh rud. Sbornik nauchnykh trudov VNIIproektasbesta (Improvement of asbestos ore processing technology. Collected works of VNIIproektasbest Institute), Asbest, 1990, pp. 100-109.

3. Kelina I. M., Tsypin E. F., Aleksandrova E. P. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 1983, no 4, pp. 126-129.

4. Kravets B. N. Spetsial'nye i kombinirovannye metody obogashcheniya (Special and combination methods of mineral processing), Moscow, Nedra, 1986, 340 p.

5. Loytsyanskiy L. G. Mekhanika zhidkosti igaz,a (Fluid and gas mechanics), Moscow, Drofa, 2003, 840 p.

6. Lyaptsev S. A., Potapov V. Ya., Davydov S. Ya., Potapov V. V., Semerikov L. A., Vasil'ev E. A. Novye ogneupory. 2014, no 12, pp. 10-13.

7. Makarov V. N., Dovydov S. Ya. Ogneupory. 2015, no 2, pp. 59-63.

8. Makarov N. V., Belov S. V., Fomin V. I., Volkov S. A. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 2008, no 5, pp. 66-69.

9. Potapov V. Ya., Timukhin S. A., Potapov V. V. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. 2011, no 25-26, pp. 84-89.

10. Tsypin E. F., Pelevin A. E., Lavnik V. Ya., Balabaeva L. M. Sovershenstvovanie tekhnologii obogashcheniya asbestovykh rud. Sbornik nauchnykh trudov VNIIproektasbesta (Совершенствование технологии обогащения асбестовых руд. Сборник научных трудов ВНИИпроектасбеста), Asbest, 1986, pp. 46-58.

11. Shalyugina V. A., Berger G. S. Novye dostizheniya v tekhnologii obogashcheniya asbestovykh rud. Nauchnye trudy, vyp. 13 (Новые достижения в технологии обогащения асбестовых руд. Scientific papers, issue 13), Asbest, 1972, pp. 122-129.