Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросы добычи минерального сырья были и остаются основой развития промышленности любой страны. В связи с истощением запасов минерального сырья требуется более полное извлечение полезных минералов. В России магнитными сепараторами ежегодно обогащаются сотни миллионов тонн минерального сырья. Основным недостатком магнитного метода обогащения является значительное потребление электрической энергии для создания магнитного поля, поэтому применение постоянных магнитов, с этой точки зрения, является перспективным направлением в связи с появлением постоянных магнитов с сильными магнитными полями.
Исследования выявили основные закономерности магнитной , в том числе и магнитожидкостной (МЖ), сепарации, которая позволяет обогащать диамагнитные минералы. В последние годы определены технологические возможности и перспективы МЖ-сепарации, выявлены основные конструктивные параметры сепараторов с магнитной разделительной средой, создан ряд МЖ-сепараторов разного масштаба и назначения. Некоторые типы сепараторов выпускаются серийно и применяются в разных отраслях народного хозяйства.
Широко развиты магнитные методы обогащения и их исследования во многих странах: США, Германии, Великобритании, Франции, ЮАР Швеции и др.
Повышение извлечения и комплексное использование железных, редкоземельных , оловянных , полиметаллических руд и золотосодержащих продуктов является одним из основных направлений в области обогащения.
Общим технологическим преимуществом магнитных методов обогащения является возможность достижения больших извлекающих сил и высокой селективности действия на частицы минералов.
Развитие теории и практики магнитной, в частности, магнитогидростатической сепарации, увеличило число исследований, позволяющих выявить основные закономерности процессов, их основные возможности и перспективы, в результате чего в последние годы создан целый ряд сепараторов различного назначения и производительности. Сепараторы стали выпускать серийно для обогащения золотосодержащих продуктов и вторичного сырья цветных металлов. Ликвидированы вредные и трудоёмкие операции амальгамирования, ручной отдувки и разборки проб под бинокуляром.
Для анализа физики процесса сепарации необходимо иметь аналитическое описание динамики разделения минералов, а это можно выполнить при наличии аналитического описания поля сил,
действующих на частицу минерального сырья. А это, в свою очередь, возможно лишь втом случае, если известно поле индукций магнитных полей.
Наиболее бурное развитие аналитических методов расчета наблюдается в электротехнике. Созданием электротехнических САПР заняты университетские лаборатории, например: FLUX 2D и FLUX 3D в Электротехнической лаборатории в Гренобле, MAGNET II в Макджиле и Имперском колледже, РЕ 2D в Лаборатории Резерфорда. Занимаются подобными проблемами и промышленные лаборатории, MAGGY нафирме «Филипс», СЕ 2D на фирме «Дженерал Электрик».
Регулярно проводятся международные конференции INTERMAG и COMPYMAG, которые способствуют тому, что всё большее количество университетских и промышленных лабораторий прилагают усилия для создания новых систем автоматизированного проектирования в электротехнике. Математические модели, применяемые в современных электротехнических САПР основаны на универсальной форме описания различных полевых задач. Используемые в моделях дифференциальные уравнения в частных производных решаются только численными методами. Наиболее широкое применение в электротехнических САПР находит метод конечных элементов.
Однако, к сложностям возникающим при применении таких численных методов можно отнести: отсутствие стандартных алгоритмов выбора плотности расположения конечных элементов сети, что служит причиной высокой погрешности решений; громоздкость используемых алгоритмов, что приводит к необходимости использования мощной компьютерной техники.
Анализ исследований показывает, что до настоящего времени не существовало аналитических методов расчета полей постоянных магнитов на плоскости. Методики расчета основывались на приближенных методах или применялись эмпирические формулы, что не давало возможности исследовать динамику процесса, прогнозировать оптимальные параметры сепараторов, а в некоторых случаях получагь необходимую точность получаемых результатов. Исследований по трехмерному движению в литературе нами не обнаружено.
Работа проведена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Северо-Кавказского государственного технологического университета.
Целью настоящей диссертации является повышение технологической и экономической эффективности обогащения на основе теоретических и экспериментальных исследований динамики разделения минералов, полей пондеромоторных сил и магнитных индукций, действующих в рабочей зоне сепараторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать и исследовать аналитическую модель поля
систем постоянных магнитов. Для этого необходимо:
создать общую магнитостатическую модель,
получить на основе общей магнитостатической модели, как частный случай, на плоскости модель магнитных полей систем постоянных магнитов в виде произвольных многоугольников на основе интегралов Коши и типа Коши с приближениями, принятыми в теории электромагнитного поля,
разработать метод расчета систем постоянных магнитов, создать пакет программ расчета и графического изображения магнитных полей на ЭВМ,
- исследовать магнитные системы различных устройств, в
частности, сепараторов сухого типа и с ферромагнитной жидкостью,
- получить модель для магнитных систем с магнитопроводами
по приближенному методу зеркальных отображений,
- аналитически доказать адекватность модели постоянных
магнитов.
2. Получить закономерности для полей пондеромоторных сил.
Для чего необходимо:
вывести формулы для полей сил в ферромагнитных коллоидах с учетом разработанной магнитостатической модели ,
выявить особенности взаимодействия ферромагнитных тел с магнитным полем,
разработать методы и устройства для моделирования магнитных характеристик реальных ферромагнитных тел в неравномерном магнитном поле,
создать пакет программ расчета и графического изображения полей сил на ЭВМ,
- исследовать поля сил в рабочем пространстве
магнитожидкостных сепараторов с использованием математической
модели,
- построить картины линий равных эффективных плотностей,
удельных горизонтальных сил и модулей сип, выявить зоны
зависания и недоступности минералов.
3. Создать основы теории динамики разделения минералов в
сепараторах с постоянными магнитами. Для этого необходимо:
- разработать системы дифференциальных уравнений
движения минералов на плоскости и в трехмерном пространстве с
учетом полученных закономерностей для пондеромоторных сил,
- разработать программы расчета траекторий и скоростей
движения минералов в сепараторах,
- проанализировать динамику разделения минералов и выявить
основные закономерности этого процесса, получить траектории
движения минералов с различными геометрическими параметрами
и физическими характеристиками,
- определить процессы динамики разделения минералов,
которые снижают технологические параметры обогащения.
4. Оптимизировать конструкции сепараторов. Для чего
необходимо:
поставить задачи оптимизации конструкций сепараторов, выбрать критерии оптимизации и ограничения,
выбрать метод оптимизации,
оптимизировать) конструкции магнитных систем и рабочих зон сепараторов открытого, полузакрытого и закрытого типов,
- найти оптимальную форму и геометрию расположения
магнитов.
5. Испытать и внедрить усовершенствованные сепараторы. Для
этого необходимо:
- провести лабораторные испытания усовершенствованных сепараторов, доказать адекватность динамики процессов в реальных сепараторах результатам математического моделирования,
разработать, изготовить и испытать оригинальные образцы магнитных и магнитожидкостных сепараторов на постоянных магнитах,
внедрить эти аппараты в практику шлиходоводки на объектах золотодобычи.
Методы исследования. В качестве методов исследования использовались теория электромагнитного поля, математическое моделирование на основе теории функций комплексного переменного с использованием интегралов Коши и интегралов типа Коши.
Применялись лабораторные и производственные экспериментальные исследования, обработка данных с использованием ЭВМ.
Основные научные положения, которые выносятся на защиту:
Ї. Аналитический метод расчета динамики разделения минералов в сепараторах с постоянными магнитами.
2. Метод и результаты оптимизации конструкций
магнитожидкостных и магнитных сепараторов.
-
Разработанные на основе установленных закономерностей принципы конструирования магнитных систем сепараторов, обеспечивающие уменьшение массы магнитов с одновременным повышением устойчивости работы.
-
Аналитический метод расчета поля пондеромоторных сил в рабочем пространстве магнитостатических сепараторов.
-
Метод расчета поля индукций магнитных систем с постоянными магнитами и магнитопроводами.
-
Аналитический метод расчета полей магнитных индукций систем постоянных магнитов с использованием интегралов Коши и интегралов типа Коши на основе теории функций комплексного переменного и методов теории электромагнитного поля.
-
Пакет программ для расчета на ЭВМ полей индукций, пондеромоторных сил и линий равных эффективных плотностей ферромагнитной жидкости и расчета траекторий движения
материалов.
Научная новизна заключается:
-
В установлении закономерностей движения минералов в сепараторах на постоянных магнитах с учетом функциональной зависимости пондеромоторных сил от магнитного поля.
-
В определении путей снижения массы магнитов и повышения стабильности работы сепараторов изменением геометрии магнитных систем и рабочих зон.
3. В установлении функциональной зависимости
пондеромоторных сил от характеристик постоянных магнитов,
намагниченности насыщения ферроколлоида, удельной плотности
и магнитных характеристик минералов.
4. В установлении функциональных зависимостей для магнитных
индукций, напряженностей магнитного поля и векторного магнитного
потенциала от геометрии магнитной системы и величины вектора
намагниченности для произвольных многоугольников с
использованием интегралов типа Коши и интегралов Коши.
Практическое значение работы. На основе полученных математических моделей создан пакет программ для ЭВМ, с помощью которого разработаны новые рациональные конструкции МЖ-сепараторов на постоянных магнитах. Промышленное использование новых МЖ-сепараторов позволило повысить эффективность обогащения золотосодержащих шлихов.
Обоснованность и достоверность» научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью экспериментальных исследований результатам вычислительных экспериментов,сходимостью расчетных данных с результатами эксплуатации созданных аппаратов.
Реализация работы. МЖ-сэпараторы, изготовленные на базе созданных моделей, испытаны и успешно эксплуатируются в шлиходоводочных отделениях золотодобывающих предприятий Амурской и Иркутской областей и Хабаровского края, что подтверждено актами внедрения. Внедрено более двадцати обогатительных комплексов на базе разработанных сепараторов.
Апробация работы. Основные положения работы доложены: на международной конференции по магнитным технологиям. Санкт - Петербург, 1991 г., Всесоюзной научной конференции по записи и воспроизведению информации (г Пенза, 1991 г.); Ill Международной конференции" Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых", Новочеркасский государственный политехнический университет , г. Новочеркасск,1997 г., научно-технических конференциях СКГТУ с 1989 по 199Э г.г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 25 работах, в том числе, в 3 монографиях и 3 авторских свидетельствах.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав , заключения, библиографического списка из 146
наименований, 8 приложений, содержит 310 стр. машинописного текста, 94 рисунка и 5таблиц.'