Обоснование режимов работы и разработка конструкции шаровой вибросушилки для концентратов горно-обогатительного передела

Актуальность работы. Для Российской Федерации важной государственной проблемой является снижение энергозатрат во всех уровнях производства и, в первую очередь, в таком энергоемком, как переработка и обогащение руд. Оборудование, применяемое в настоящее время для сушки продуктов горно-обогатительного передела, имеет низкие эксплуатационные и конструктивные параметры, что приводит к снижению эффективности его использования.

В настоящее время в России и за рубежом широко применяются различные конструкции устройств для сушки вязкопластичных и пастообразных материалов. Однако эти устройства имеют ряд существенных недостатков: малую площадь контактирования энергоносителя и материала, большие потери тепла с отходящими газами и высокую относительную влажность готового продукта ввиду окомкования и грануляции высушиваемого материала и др.

Перспективным направлением развития аппаратов для обезвоживания является создание агрегатов с вибрационным воздействием на обрабатываемые среды, которые позволяют интенсифицировать теплои массообмен между частицами материала и газом за счет турбулизации пограничного слоя и обеспечивает устойчивый гидродинамический режим. К числу таких аппаратов относятся шаровые вибросушилки, разработанные в Северо-Кавказском государственном технологическом университете (СКГТУ) проф. Н. П. Максимовым. Однако отсутствие надежных методик определения основных параметров шаровых вибросушилок существенно ограничивает возможности их практического использования. Необходимо иметь четкое представление о процессах взаимодействия вязкопластичной среды с вибрирующим пористым слоем и о механизме прохождения высушиваемого материала в зазорах между шарами для определения необходимой высоты слоя шаровой загрузки, параметров вибраций и основных соотношений размеров узлов и деталей машины. 5.

Разработка высокопроизводительных шаровых вибрационных сушилок, способных выдавать готовый продукт влажностью 3−5%, является важной научной задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, и весьма актуальной для создания экономичной технологии сушки влажных концентратов горно-обогатительного передела.

Цель работы. Обоснование режимов работы и разработка конструкции шаровой вибросушилки для концентратов горно-обогатительного передела.

Идея работы. Установление взаимосвязей между физико-механическими параметрами концентрата, подвергаемого сушке, параметрами вибрации, характеристиками вибрирующего шарового слоя и его пропускной способностью, которая задается скоростью протекания теплои массообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Процесс прохождения вязкопластичного материала через вибрирующий слой шаров в вибросушилке определяется соотношением между реальным размером шаров и граничным размером, при котором обеспечивается раздельное вибрирование шаровой загрузки и вязкопластичной среды, величина которого зависит от амплитуды и частоты вибраций, а также начального сопротивления сдвигу и нормального напряжения отрыва для вязкопластичного материала.

2. Разработана математическая модель движения влажного материала через вибрирующий слой шаров вибросушилки с учетом, в определенном диапазоне относительной влажности концентратов, нормального напряжения отрыва, и пульсирующего характера скорости движения материала, определяемого фазой колебания.

3. Оптимальные размеры и число слоев шаров, укладываемых на каждый под шаровой вибросушилки, определяются характерОхМ изменения относительной влажности материала при прохождении с одного пода на другой и соз6 данием идентичных условий для движения сушильного агента в пространстве между подами.

4. Экспериментально установлено, что критический диапазон относительной влажности для концентратов, характеризующий наихудшие условия для прохождения материала через слой шаров вибросушилки, составляет 1214%.

Научное значение и новизна работы.

1. Установлен общий случай взаимодействия единичного шара с вяз-копластичной средой с последующим определением граничного размера, при котором обеспечивается раздельное вибрирование шаровой загрузки и вязко-пластичной среды.

2. Созданное математическое описание механизма прохождения влажного материала через слой вибрирующих шаров вибросушилки учитывает наличие в определенном диапазоне относительной влажности концентратов нормальное напряжение отрыва и пульсирующий характер скорости движения материала.

3. Разработана новая конструкция вибросушилки, обеспечивающая оптимальный подвод тепловой энергии к высушиваемому материалу, отличающаяся тем, что нагрев металлических шаров осуществляется вихревыми токами, создаваемыми электромагнитным индуктором.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением методов, общепринятых в механике сыпучих материалов, гидравлике неньютоновских жидкостей, вибротехнике и математике, экспериментальными исследованиями на лабораторных моделях с последующей обработкой результатов методами математической статистики с применением ЭВМ. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет 8−15%.

Практическое значение работы заключается в установлении критического диапазона относительной влажности концентрата, характеризующегося 7 максимальными значениями начального сопротивления сдвигу и нормального напряжения отрыва, в разработке и создании методики определения рациональных параметров шаровой загрузки вибросушилок, габаритных размеров и расстояния между отдельными подами, основанной на определении параметров движения вязкопластичной среды через слой вибрирующих шаров.

Реализация результатов работы. Разработанная в диссертации методика определения рациональных параметров шаровой вибросушилки и проект пя-типодовой газовой вибросушилки с суммарной площадью подов 5 м² приняты к использованию в ОАО «Кавказцветметпроект».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного воздействия» (Орел 22−24 ноября 2000 г.) — Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, Акад. наук о Земле, 2001 г.) — Международных научно-практических конференциях «Неделя Горняка-2002, 2003» (Москва, МГГУ, 2002, 2003 г.) — заседаниях XXII российской школы по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, Уральское отделение РАН, 2002 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России» (Владикавказ, 2002) — ежегодных научных конференциях СКГТУ с 1999 по 2003 гг.

Данное направление исследований, ответственным исполнителем которых является автор настоящей диссертационной работы, признано в 2002 г. победителем конкурса грантов Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области горных наук по разделу «Проблемы комплексной переработки природного и техногенного сырья».

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 работах, в том числе 9 статьях и 1 патенте РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 66 наименований. Дис.

ВЫВОДЫ.

1. Для обеспечения одинаковой по подам пропускной способности пятиподо-вой шаровой вибросушилки необходимо подбирать параметры шаровой загрузки для каждого пода в отдельности.

2. Диаметр и количество слоев вибрирующих шаров вибросушилки определяется физико-механическими параметрами высушиваемого концентрата и диапазоном изменения его относительной влажности на данном поде.

3. Максимальное расстояние между смежными подами вибросушилки должно составлять не менее 500 мм, что обуславливается высотой слоя шаров, высотой слоя материала, которая в процессе работы машины устанавливается автоматически естественным образом, и высотой свободного пространства для прохождения сушильного агента.

4. В результате проведенных исследований разработан проект шаровой вибросушилки — для флотационных концентратов производительностью 10 т/ч по сухому продукту.

5. Разработана новая принципиальная схема шаровой вибросушилки с использованием индукционного нагрева шаров, на которую получен патент РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой на основе результатов проведенных исследований изложены научно обоснованные технические решения по обоснованию и выбору режимов работы и конструкции шаровой вибросушилки. Реализация результатов исследований вносит существенный вклад в совершенствование процессов сушки концентратов горно-обогатительного передела.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что усилия отрыва и вырывания единичного шара из вязкопластичной среды зависят от начального сопротивления сдвигу и нормального напряжения отрыва. Эти зависимости носят экстремальный характер. Для концентратов максимум соответствует диапазону влажностей 12^-14%.

2. Экспериментально установлено качественное различие процессов прохождения вязкопластичного материала через вибрирующий слой шаров диаметром меньше или больше граничного размера. Граничный размер шаров, при котором обеспечивается раздельное вибрирование шаровой загрузки и вязкопластичной среды, определяется амплитудой и частотой вибраций, а также физико-механическими характеристиками среды.

3. Зависимость удельной пропускной способности вибросушилки от амплитуды колебаний, диаметра шаров и высоты слоя материала над шаровой загрузкой имеет монотонный возрастающий характер, а от влажности исходного питания определяется физико-механическими свойствами среды и имеет экстремальный вид. Местоположение экстремума для концентратов соответствует диапазону влажностей 12-И 4%.

4. Скорость прохождение материала через слой шаров носит пульсирующий характер и определяется фазой колебания.

5. Начальное сопротивление сдвигу и нормальное напряжение отрыва для концентратов зависит от влажности материала и имеет два экстремума: минимум соответствует влажности 6−8% - начало перехода от сухого трения к полужидкостномумаксимум соответствует влажности 12−14% - начало жидкостного трения.

6. Экспериментально установлено, что при постоянной величине де-балансов инерционного вибратора зависимость пропускной способности вибрирующего слоя шаров диаметром больше граничного размера от влажности, высоты и параметров вибраций носит монотонный убывающий характер.

7. Параметры шаровой загрузки пятиподовой шаровой вибросушилки выбираются для каждого пода в отдельности с целью обеспечения одинаковой по подам пропускной способности. Диаметр и количество слоев вибрирующих шаров вибросушилки определяются физико-механическими параметрами высушиваемого концентрата и диапазоном изменения его относительной влажности на данном поде.

8. Максимальное расстояние между смежными подами вибросушилки должно составлять не менее 500 мм, что обуславливается высотой слоя шаров, высотой слоя материала, который в процессе работы машины устанавливается автоматически естественным образом, и высотой свободного пространства для прохождения сушильного агента.

9. В результате проведенных исследований разработаны проект шаровой вибросушилки — для флотационных концентратов производительностью 10 т/ч по сухому продукту, который принят к использованию ОАО «Кавказцвет-метпроект».

10. Разработана принципиальная схема шаровой вибросушилки с использованием индукционного нагрева шаров, на которую получен Патент РФ.