Оптимизация работы центробежных концентраторов

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ

К.В. ФЕДОТОВ, В.В. ТЮТЮНИН

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

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 экологичностью. Широкое распространение получили центробежные безнапорные концентраторы с разрыхлением постели водой, подаваемой с внешней стороны конуса через отверстия в нём.

С целью оптимизации гравитационного процесса обогащения в центробежных безнапорных концентраторах был разработан метод, базирующийся на полуэмпирической модели, часть параметров которой задается с помощью специальной установки (рис. 1), укомплектованной 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 ячейку центробежного безнапорного концентратора с разрыхлением постели водой, подаваемой с внешне  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 5 с сальниковым уплотнением, откуда она  поступает в кольцевой канал 1 кюветы  (рис. 2). Из кольцевого канала 1 через флюидизирующие отверстия 2 вода поступает в зону флюидизации постели 3, где находится смесь минералов. Сбор воды происходит в камере 5, откуда она выводится из установки.  Для того чтобы минеральная смесь не вымывалась из зоны флюидизации постели в кювете установлена сетка с ячейкой 0.010 мм. 

Видеокамера позволяет наблюдать за движением минеральной смеси в зоне концентрации при различных значениях фактора разделения и давлении в системе флюидизации.

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

По результатам эксперимента в ячейке центробежного концентратора было установлено наличие трех видов течений (рис 3): циркуляционные; локальные; поток Кориолиса.

Образование закрученных турбулентных вихрей в слое минеральной постели (циркуляционные потоки) происходит в результате подачи флюидизирующей воды. Эти вихри возникают в результате наложения друг на друга двух течений – потока воды из флюидизирующих отверстий и внешнего потока пульпы, протекающего по образующей флюидизирующей ячейки.

Локальные течения (не отмечены на рис. 3) вызваны турбулентными пульсациями  и столкновениями частиц, они носят случайный и беспорядочный характер и возникают на границе между циркуляционными потоками и потоком Кориолиса.

В потоке Кориолиса минеральные частицы движутся против направления вращения установки. Природа потока Кориолиса двойственна. С одной стороны видно как частицы в нем движутся против направления течения внешнего потока, а с другой стороны очевидно, что сам поток должен двигаться по направлению вращения центрифуги за счет сил трения и вязкости пульпы. Но благодаря тому, что большое влияние на движение минеральных частиц оказывает сила Кориолиса, тангенциальная составляющая которой направлена на встречу вращения ротора, то возникает визуальный эффект того, что частицы движутся против вращения ротора.

В результате наблюдения за состоянием минеральной постели во флюидизирующей ячейке была построена эпюра скоростей флюидизирующего потока по периметру ячейки, подчиняющуюся  синусоидальному закону (рис. 4). Высотой пиков синусоиды можно управлять с помощью давления воды в системе флюидизации, шаг между пиками задается конструктивными параметрами системы флюидизации (шаг между флюидизирующими отверстиями на образующей конуса центробежного сепаратора).

Таким образом, степень разрыхленности постели в центробежных концентраторах с разрыхлением постели водой, подаваемой против действия центробежной силы через отверстия в стенках вращающегося конуса, возможно описать при помощи следующей синусоидальной функции:

.    (%)     (1)

В нашем случае P - функция, определяемая давлением воды, - расстояние между флюидизирующими отверстиями, х -  координата точки в которой определяется степень разрыхленности (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:

,           (%)        (2)

где S – это количество твердой фазы (г), а L – это количество жидкой фазы(г).

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

Картина распределения минеральных частиц (рис. 5) по слоям во флюидизирующей ячейке  соответствует картине распределения минеральных частиц в замороженном конусе, в экспериментах, проведенных в работе [3]. Сформировавшуюся картину распределения минеральных частиц в зонах сбора тяжелых фракций центробежного концентратора можно описать следующим образом: 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 разрыхленности минеральных частиц во флюидизирующей ячейке. 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 позволили разработать способ оптимизации давления воды во флюидизирующей 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 флюидизирующей 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 данного месторождения, на котором требуется произвести оптимизацию центробежной 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. Очевидно, необходимо использовать этот эффект в конструктивных особенностях роторов центробежных сепараторов (рис. 6).

Оптимизация степени разрыхленности минеральной постели в центробежном 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 R*  и  Z (рис. 7).  Так как толщина слоя пульпы, текущего по образующей конуса изменяется, то координата R*  задается в процентном отношении по толщине от левого края образующей поверхности пульпы (на рис. 7 левый край пульпы граничит с образующей свободной поверхности пульпы, текущей по конусу, а правый край пульпы граничит с образующей стенки конуса). В зависимости от координаты Z высчитывается абсолютное значение R. Геометрические свойства конуса задаются при помощи S и H. Эффективное значение фактора разделения (G) определяется программой в зависимости от радиуса конуса в точке образующей которого частица находится в данный момент времени.

С учетом допущения о том, что минеральная частица движется в  условиях свободного падения, нами была составлена программа, позволяющая оценить при каких значениях фактора разделения будут улавливаться частицы тяжелого минерала (рис. 8).

Второй этап. С помощью установки (рис. 1) определяется соотношение фактора разделения и давления воды во флюидизирующей системе, на основе допущения о том, что эффективное улавливание частиц полезного компонента происходит при квазистационорном состоянии (рис. 9 б) постели – состоянии граничном между запрессовкой (рис. 9 а) и разрушением постели (рис. 9 в). Наблюдения проводятся на примере разделения (обогащения) реального минерального сырья. Частота вращения установки соответствует паспортной частоте вращения центробежного концентратора, либо предварительно оптимизированной частоте вращения (этап 1). На рис. 10 представлена зависимость между степенью разрыхленности постели и давлением в системе флюидизации, полученные при разделении золото-кварцевого сырья (среднее значении G = 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. Управляющим фактором оптимизации был принят расход воды, подаваемой на флюидизацию в центробежный сепаратор.

Экспериментальным путем было установлено, что при существующих значениях расхода воды минеральная постель находилась в состоянии близком к запресованному. В лабораторных условиях с использованием разработанного способа оптимизации соотношения давления воды в системе флюидизации и фактора разделения было расчитано оптимальное давление воды и её расход. В результате увеличения давления в системе флюидизации 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 золотоизвлекательной фабрики месторождения «Кедровское» установлено, что применение предлагаемой методики позволяет  повысить эффективность работы центробежного безнапорного концентратора.

Библиография:

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

9