Разработка и создание энергосберегающей технологии обогащения магнетитовых железных руд с дополнительным применением процессов магнитной гидросепарации

Актуальность темы

.

Практически на всех железорудных ГОКах стран СНГ, обогащающих бедные магнетитовые кварциты, применяют магнитную технологию, согласно которой технологические схемы, включают трехстадиальное измельчение руды, две стадии дешламации (гидросепарации) и магнитную сепарацию в три-пять стадий. Заслуга создания таких весьма развитых магнитных схем обогащения принадлежит институтам (ныне акционерным обществам): «Механобр», «Механобрчермет», «БелМеханобр». В разработку магнитной технологии и создание технических средств для ее осуществления внесли большой вклад коллективы институтов: Московский горный университет, Горный институт Кольского филиала РАН, Институт проблем комплекского освоения недр РАН, Институт геотехнической механики НАН Украины, Криворожский технический университет (бывш.КГРИ), и др. Благодаря работам известных ученых В. И. Кармазина, В. А. Арсентьева, М. Д. Барского, Г. В. Губина, В. П. Готовского, В. В. Кармазина, Л. Д. Ломовцева, В. И. Николаенко, О. Н. Тихонова, П. А. Усачева, В. А. Чумакова, Л. Н. Херсонца, С. Ф. Шинкоренко и многих других созданы надежные технологии и разработаны научные основы физических процессов магнитных методов обогащения.

В настоящее время совершенствование существующей магнитной технологии осуществляется преимущественно в направлении снижения удельных затрат на производство концентрата, обусловленных относительно высоким содержанием железа в отходах, что вызвано большим количеством точек вывода хвостов при весьма тонких помолах руды, и высоким энергопотреблением, в основном, за счет энергоемкости процесса измельчения. Снижение крупности измельчения руды позволило бы в какой-то мере решить обе эти проблемы, однако опыт последних лет показывает, что при снижении крупности измельчения, существующие магнитные схемы не имеют достаточного ресурса для повышения качества концентратов.

Поэтому перспективными являются технологии, где возможности основных операций обогащения (магнитная сепарация и гидросепарация) существенно расширены за счет дополнительного применения устройств и аппаратов, имеющих иные — комбинированные механизмы разделения. В этом плане перспективен опыт использования на некоторых ГОКах Украины (ОАО «Полтавский ГОК» и ОАО «Центральный ГОК») физических процессов магнитной гидросепарации — разделения тонких железорудных пульп в относительно слабых (напряженностью до 35 кА/м) магнитных полях с выносом продуктов разделения не поверхностью магнитоносителя, а гидравлическими потоками. Достоинством устройств и аппаратов, основанных на методах МТС, является отсутствие движущихся частей, простота и дешевизна изготовления. Применение магнитных гидросепараторов обеспечивает снижение содержания железа в отходах и повышение извлечения металла в концентрат.

Однако применение магнитной гидросепарации сдерживается недостаточной изученностью механизмов воздействия слабых магнитных полей на подвижные железорудные пульпы, необходимостью оценки основных конструктивных параметров и определения технологических характеристик низконапряженных магнитно-гидравлических аппаратов. Так совершенствование конструкции разветвленных магнитных систем из постоянных магнитов требует определения характеристик объемных магнитных полей в рабочей зоне, а определение гидравлических параметров аппаратов — оценки гидродинамических свойств магнетитовых флокул, образованных в поле таких систем.

Актуальной научной задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение является разработка физических процессов гидросепарации тонких железорудных пульп в слабых магнитных полях с напряженностью до 35 кА/м для совершенствования технологии магнитного обогащения за счет дополнительного использования низконапряженных магнитно-гидравлических устройств и аппаратов.

Целью работы является разработка энергосберегающей технологии магнитного обогащения магнетитовых железных руд на основе дополнительного применения процессов гидросепарации в низконапряженных магнитных полях путем выбора и обоснования конструктивных и технологических параметров магнитно-гидравлических аппаратов.

Идея работы — повысить содержание готового класса и железа в концентрате без доизмельчения за счет использования явления флокуляции тонких железорудных пульп в низконапряженных магнитных полях и гидродинамического вывода относительно крупных породных частиц и сростков из промпродуктов магнитного обогащения.

Методы исследований Для проведения исследований использовались статистические методы обработки экспериментальных данных, метод расчета полевых и силовых характеристик низконапряженных магнитных систем гидравлических аппаратов, основанный на теоретических исследованиях объемных магнитных полей, которые создаются структурами со сложной геометрией, на математической базе метода конформных отображений с использованием теории функции комплексного переменного, а также методы теории и практики обогащения полезных ископаемых.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Процесс осаждения продолговатых магнетитовых флокул в воде для чисел Рейнольдса в диапазоне 0.

2. Плотность магнетитовых флокул примерно в 2,5 раза меньше плотности отдельной магнетитовой частицы и находится в диапазоне 1,9−2,1 г/см3, поэтому, скорость осаждения магнетитовой флокулы примерно на 40% меньше, чем равновеликой частицы кварца. Для эффективного удаления крупных нерудных частиц нужно поддерживать магнитную структуризацию суспензии в рабочей камере аппарата во флокулах, диаметр которых на 20 — 30% больше диаметра удаляемых частиц породы.

3. Разбавление питания магнитной сепарации переливом (надрешетным продуктом магнитных систем) магнитных гидроконцентраторов МГК положительно влияет ее показатели. Зависимости показателей магнитного продукта сепарации 1-й стадии от объема циркуляции МГК имеют нелинейный характер, что позволяет установить рациональный диапазон (150-ь350)±-10 м3, где прирост извлечения железа в магнитный продукт составляет 4−6%.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что: -на основе известных представлений о механизме структурирования железорудных суспензий в магнитных полях впервые выполнена оценка плотностных и гидродинамических характеристик магнетитовых флокул, образованных в магнитных полях с напряженностью до 35 кА/м при числах Рейнольдса 0.

— при получении заданных конфигураций магнитного поля и напряженности пространственно-разветвленных магнитных систем из постоянных магнитов в МГС и МГК с привлечением методов компьютерного моделирования теоретически обоснована возможность замены пластинчатых магнитных элементов балочными, что позволило рекомендовать применение в МГС и МГК магнитных систем из постоянных магнитов облегченной конструкции;

— установлены зависимости режимных параметров и технологических показателей основных операций обогащения — МГС и магнитной сепарации, определены рациональные значения объемов дополнительных циркуляций МГК, позволившие обосновать новые технологические решения и разработать новую энергосберегающую технологию магнитного обогащения на основе магнитных схем с двухстадиальным самоизмельчением.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований (напряженности магнитных полей с погрешностью не более 8,4%) — использованием ГОСТ-ированных методик определения и оценки технологических показателей обогащения, принятых на ОАО «Лебединский ГОК» (ОАО «ЛГОК») — статистически значимым объемом экспериментов и положительными результатами опыта промышленной эксплуатации магнитно-гидравлических аппаратов и наработки концентрата по новой технологии.

Научное значение работы состоит:

— в обосновании гидравлических параметров и магнитных характеристик ~ магнитных гидросепараторов и магнитных гидроконцентраторов — МГС и МГК на основе механизма структурирования железорудных пульп и оценки > плотностных и гидродинамических параметров магнетитовых флокул образованных в магнитных полях напряженностью до 35 кА/м;

— в установлении зависимостей режимных параметров и технологических показателей, позволивших обосновать новые технологические решения и разработать новую энергосберегающую технологию магнитного обогащения.

Практическое значение работы:

— на уровне изобретений разработаны новые способы обогащения магнетитовых железных руд с применением процессов магнитной гидросепарации, а также технологическое оборудование для их осуществления;

— разработаны новые магнитные системы магнитно-гидравлических аппаратов МГС и МГК, в которых применение балочных магнитных элементов вместо пластинчатых обеспечивает снижение металлоемкости и расхода магнитной плитки без потери эффективности;

— установлены зависимости режимных параметров и технологических характеристик магнитно-гидравлических аппаратов и разработана режимная карта новой энергосберегающей технологии магнитного обогащения, исключающей одну стадию измельчения и две стадии магнитной сепарации и использующей МГС и МГК.

Реализация результатов работы. Новая энергосберегающая технология магнитного обогащения и оборудование для ее осуществления освоены в промышленных условиях цеха обогащения № 1 обогатительной фабрики ОАО «ЛГОК» (8 технологических секций). Применение новой технологии производства рядового концентрата обеспечивает фактический экономический эффект около 80 млн руб./год.

Личный вклад автора в разработку научных результатов, вынесенных на защиту, состоит в формулировке научной задачи, цели и идеи работы. Автором получены, проанализированы и обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований. Личный вклад автора в разработку патентов РФ на новые способы обогащения магнетитовых железных руд состоит в формулировке гидравлических условий и магнитных силовых воздействий для реализации процессов.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались на 2-й международной научно-технической конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (25.02−01.03.2002г., п. Славское, Карпаты), на научно-методической конференции «Технология образования и науки: достижения, обмен опытом, перспективы» (2021.12.2001г., Норильский индустриальный институт), на совещаниях специалистов ГОКов КМА и Кривбасса, научных семинарах ИПКОН РАН, ИГТМ НАНУ, АО «Белмеханобр».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных научных работах, в числе которых 1 патент и 1 положительное решение о выдаче патента Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений. Диссертация включает: текста- 144 страницы, 47 рисунков, 18 таблиц, 2 приложения и список литературных источников из 93 наименований.

ВЫВОДЫ:

1. Создание магнитных полей в рабочем пространстве гравитационногидравлических аппаратов (гидросепараторов или гидроклассификаторов) позволяет выводить в их верхнюю зону (слив) не только шламы, но и нерудные частицы и бедные сростки, гидравлическая крупность которых значительно больше, чем частиц магнетита.

2. Выделение крупных нерудных фракций (- 60 мк) в слив (хвосты) аппаратов МГС достигается при напряженности магнитного поля > 0,6 кА/м, а крупных сростков (-74 мк) и нерудных частиц (- 100 мк) в слив МГК при напряженности магнитного поля 2−3 кА/м.

3. Требуемые характеристики магнитного поля в рабочем пространстве МГС, МГК и MAC обеспечивают магнитные системы балочного типа, которые по сравнению с пластинчатыми являются более экономичными. г.

4. Опыт эксплуатации магнитных гидросепараторов МГС, выполненных на базе дешламаторов МД — 5, оснащенных магнитными системами балочного типа, показывает, что МГС устойчиво работают на плотных песках (1600 — 1900 г/л) с удвоенной удельной нагрузкой по твердому во второй стадии МГС.

5. Эффективность работы МГС в операции проявляется в виде приростов содержания железа в песках (на 4 — 8% в первой и на 1 — 3% во второй стадии) и устойчивыми приростами содержания готового класса в песках по сравнению с питанием (0,5 — 1,5%).

6. Эффективность работы магнитных гидроконцентраторов в операции проявляется — на тонком питании в виде приростов содержания железа в песках (на 2 — 3%), а на грубом питании — приростами содержания готового класса в песках (на 1 — 2%).

РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНОГО.

ОБОГАЩЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТОВ МГС, МГК.

4.1 Использование аппаратов МГС, МГК в существующих технологических схемах обогащения 1:1,2:1:1 и 2:1.

Традиционная технология производства рядового концентрата, принятая в цехах обогащения № 1 и № 3 ОФ, имеет условное название «схема 2:1:1» по числу головных и промпродуктовых мельниц в каждой стадии самоизмельчения руды (рис. 4.1), ее технологические показатели приведены на.

JZL ммс.

Q=110 т/ч.

JZL ммс.

Тлен 10 т/ч.

М/сепапапия 1 ст 1.

МРГ I.

1' Хв.

Дешламация.

М/сепарация 2 ст.

Хв.

М/сепаоаиия 3 ст.

Хв I.

МРГ.

М/сепарация 4 ст.

М/сепаоаиия 5 ст.

Конц-т Р=68,44%.

Хв.

Рисунок 4.1 -Блок-схема традиционной технологии 2:1:1. Хв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, которая является законченной научно-исследовательской работой, поставлена и решена актуальная научно-практическая задача, состоящая в разработке физических процессов гидросепарации тонких железорудных пульп в слабых магнитных полях для совершенствования технологии магнитного обогащения за счет дополнительного использования низконапряженных магнитно-гидравлических устройств и аппаратов.

Наиболее важные научные и практические результаты, выводы и рекомендации состоят в следующем:

1. Установлено, что нижняя граница напряженности магнитного поля, вызывающего повышение скорости осаждения (на 30%) магнетитовых частиц промпродуктов обогащения магнетитовых руд ОАО «Лебединский ГОК» классов крупности — 44 мк, составляет 0,5−1,5 кА/м. Плотность магнетитовых флокул примерно в 2,5 раза меньше плотности отдельной магнетитовой.

•У частицы и находится в диапазоне 1,9−2,2 г/см. Для чисел Рейнольдса в диапазоне 0.

2. Для выделения в слив МГС частиц кварца крупностью (-100+74)мк скорость восходящего потока в МГС должна составлять 6,5 мм/с, диаметр магнетитовых флокул 100 мк, что обеспечивается напряженностью магнитного поля 0,5−1,5 кА/м. Для выделения в слив МГК сростков магнетита с кварцем крупностью (-74+44)мк с содержанием железа около 50% гидравлический режим должен обеспечивать скорость восходящего потока 17,7 мм/с, а напряженность поля — 2−3 кА/м.

3. Выполнено компьютерное моделирование конструкции магнитных систем из постоянных магнитов, обеспечивающих заданную напряженность поля (установленную ранее на основании анализа процессов структурирования и гравитационного осаждения). При этом вполне корректные теоретические расчеты объемных полевых характеристик пространственно-разветвленных магнитных систем основаны на известном представлении постоянного магнита витком с эквивалентным током и методе суперпозиции элементарных токов с использованием компьютерной программы «Mathcad». На основании анализа полевых характеристик разработана новая конструкция магнитных систем облегченного типа, в которой в отличие от ранее использовавшихся пластинчатых, применяются уголковые магнитные элементы.

4.0снащение гидросепараторов (дешламаторов) разветвленными магнитными системами на постоянных магнитах обеспечивает прирост содержания железа в песках и снижение содержания в сливе, при этом крупность слива выше, чем крупность песков. По сравнению с питанием в песках МГС содержание кл.-44 мк всегда выше, прирост содержания готового класса зависит от стадии магнитной гидросепарации и в среднем составляет 0,5−1,5%. Эти результаты обоснованы полученными зависимостями между режимными параметрами и технологическими показателями МГС 1-й и 2-й стадий при работе по различным технологическим схемам (2:1:1,1:1, 2:1).

5.Установлено, что использование магнитных гидроконцентраторов сливного типа МГК и MAC в операции в зависимости от порядка стадии обогащения обеспечивает прирост содержания железа в песках: в начальных стадиях 2−3% (до 4,5%) и в конечных стадиях обогащения 0,5−1% (до 1,5%). При питании МГК сливом гидроциклонов первой стадии, слив МГК может содержать от 16 до 54%Fe, в зависимости от грансостава и содержания железа в питании. Технологически целесообразно использовать магнитные гидроконцентраторы для организации дополнительных циркуляций и насыщения схемы магнетитом.

6. Разработаны новые технологические решения применения дополнительных процессов магнитной гидросепарации в существующих магнитных схемах обогащения. При этом установлено, что повышение содержания готового класса (и железа) в конечном концентрате может быть достигнуто без доизмельчения всей массы промпродукта, за счет повышения вывода в отходы относительно крупных породных фракций и повышения вывода в магнитный продукт весьма тонких классов магнетита, что обеспечивает использование МГС вместо дешламации и организация дополнительных циркуляций части промпродукта выделенного на магнитных системах магнитных гидроконцентраторов МГК и MAC. Установлены зависимости режимных параметров и технологических характеристик и определены рациональные значения — плотности песков МГС 1500—1700 гг./л, объема циркуляции МГК (150ч-350)±-10 м3, MAC- (80-И50)±-10 м3. При работе секции по новой технологии отмечено, что на магнитных решетках МГК и MAC нарастания циркуляции во времени не наблюдается.

7. Наработка концентрата по новой энергосберегающей технологии магнитного обогащения, в которой, в отличие от существующей отключена одна промпродуктовая мельница, две стадии магнитной сепарации и применяются МГС, МГК и MAC, показала возможность получения концентрата планового качества без снижения производственных показателей по руде и концентрату. Новая технология освоена на всех секциях цеха обогащения № 1 обогатительной фабрики ОАО «Лебединский ГОК». Фактический экономический эффект от внедрения получен за счет снижения удельных энергозатрат и составил около 60 млн. руб/год.