Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по изучению сегрегации зернистых материалов в средах различной вязкости при гравитационном обогащении с целью определения направлений исследований 12
1.1. Современное состояние изученности процесса сегрегации зернистых материалов 12
1.2. Теоретические исследования явления сегрегации при гравитационном обогащении 27
1.3. Влияние вязкости пульп на сегрегацию мелкозернистых материалов при гравитационном разделении 39
1.4. Выводы 41
1.5. Определение направлений исследований 42
Глава 2. О некоторых особенностях стесненного падения частиц 43
Глава 3. Разработка устройства и метода для исследования процесса сегрегации мелкозернистых материалов в воздушной и водной среде различной вязкости при наложении вертикальных колебаний 49
3.1. Конструкция устройства для изучения процесса сегрегации 49
3.2. Разработка методики исследования сегрегации зернистых материалов и определения скоростей перемещения разнородных частиц относительно друг друга 56
3.3. Разработка устройства для измерения вязкости грубодисперсных пульп 62
3.4. Выводы 68
Глава 4. Результаты исследований процесса сегрегации частиц различной крупности и плотности, разрыхление которых осуществляется путем наложения вертикальных колебаний 69
4.1 Метод определения скорости сегрегации исследуемых частиц 69
4.2 Сегрегация частиц по крупности в воздушной среде 73
4.3. Сегрегация частиц по плотности в воздушной среде 84
4.4. Сегрегация частиц по крупности в водной среде 88
4.5. Сегрегации частиц различной плотности в водной среде 93
4.6. Влияние вязкости среды на процесс сегрегации 97
4.7. Выводы 100
Глава 5. Изучение особенностей гравитационного разделения мелких зернистых материалов 102
5.1. Концентрационный стол 102
5.2. Центробежные концентраторы 106
5.3. Винтовые сепараторы 110
5.4. Выводы 134
Глава 6. Оптимизация схемы гравитационного разделения на винтовых шлюзах в полупромышленных условиях и изучение особенностей сегрегации тяжелых минеральных частиц различной крупности и формы 136
Заключение 163
Источники 170
Приложение 184
- Теоретические исследования явления сегрегации при гравитационном обогащении
- Влияние вязкости пульп на сегрегацию мелкозернистых материалов при гравитационном разделении
- Разработка методики исследования сегрегации зернистых материалов и определения скоростей перемещения разнородных частиц относительно друг друга
- Сегрегации частиц различной плотности в водной среде
Введение к работе
Гравитационные процессы обогащения в настоящее время являются основными для обогащения многих полезных ископаемых.
К минеральному сырью, перерабатываемому частично или полностью гравитационными технологиями, относятся: уголь, барит, флюорит, касситерит, вольфрамит, шеелит, танталит, золото, серебро, металлы платиновой группы, алмазные, железные, марганцевые и хромовые руды, сульфидные руды цветных металлов, многие техногенные материалы и т.д. При гравитационном разделении не используются токсичные реагенты, этот метод обогащения является экологически чистым и во многих случаях наиболее дешевым из всех существующих. Принципы гравитационного разделения широко используются не только при непосредственном обогащении различных руд и материалов, но и в рудоподготовительных переделах при классификации и обезвоживании продуктов.
Гравитационный метод обогащения получил также распространение и в различных сочетаниях с другими процессами: флотацией, флотогравитацией, магнитной, электрической и рентгенолюминесцентной сепарацией.
Большой вклад в развитие теории и практики гравитационного процесса обогащения внесли Б.В. Кизевальтер, И.М. Верховский, Е.А. Непомнящий, В.А. Олевский, И.И. Блехман, В.Н. Шохин, М.Ф. Аникин, A.M. Базилевский, В.Д. Иванов, А.В. Богданович, А. Таггарт, А. Годэн, Т.Нессе и многие другие.
В двадцатом веке большая часть месторождений наиболее богатых и легкообогатимых руд была отработана, и перед обогатителями остро встала проблема вовлечения в переработку тонковкрапленных руд сложного вещественного состава, что потребовало создания аппаратов и технологий, способных обеспечить эффективное разделение продуктов тонких классов. Кроме того, значительно возросло требования к экологической безопасности технологий переработки руд, обогатительные фабрики переводились на полностью замкнутый водооборот. В этих условиях основным направлением развития гравитационных методов разделения стало теоретическое обоснование и разработка технологий и аппаратов для обогащения мелкозернистых и тонкодисперсных материалов.
Несмотря на богатую историю, теория гравитационного метода обогащения еще далека от завершения, в частности, значительные пробелы имеют место в исследовании процессов сегрегации минеральных частиц по крупности, плотности и форме.
Актуальность работы: Необходимость совершенствования процессов гравитационного обогащения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов обусловлена вовлечением в добычу все более сложных по вещественному составу объектов, а также требованиями по снижению энергоемкости, уменьшению себестоимости переработки сырья и обеспечению экологической чистоты обогатительного передела. Особенно остро стоит проблема вовлечения в переработку мелкозернистых россыпей и тонковкрапленных руд. Практически все известные исследователи гравитационного обогащения отмечают существенное влияние сегрегации на эффективность разделения частиц. Однако до сих пор изучение процесса сегрегации ограничивалось качественными наблюдениями без попыток экспериментального определения интенсивности этого процесса. В таких условиях одним из важнейших направлений развития гравитационных методов обогащения является теоретические и экспериментальные исследования разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и материалов, на базе которых возможна разработка новых высокопроизводительных обогатительных аппаратов и технологических схем, в полной мере учитывающих не только особенности гидравлического разделения, но и эффекты сегрегации.
Основная научная идея работы: Эффективность разделения при гравитационном обогащении непосредственно связано с процессом сегрегации частиц различных минералов; изучение этих процессов позволит определить пути дальнейшего совершенствования и оптимизации работы гравитационных аппаратов и технологических схем.
Цель исследования: повышение эффективности разделения минералов и техногенных продуктов на основе процесса сегрегации по крупности, плотности и форме частиц.
Основные задачи работы:
- выполнить теоретический анализ сил сопротивления при стесненном падении частиц в жидкой среде с выделением сегрегационной составляющей;
- разработать метод и изготовить устройства для изучения процесса сегрегации;
- получить экспериментальные зависимости скорости сегрегации частиц в воздушной и водной средах от различных факторов;
- оценить роль процесса сегрегации при разделении тонкозернистых материалов на различных гравитационных аппаратах;
- на основе полученных экспериментальных данных процесса сегрегации оптимизировать в полупромышленных условиях гравитационную технологическую схему на базе винтовых шлюзов и подтвердить существенное влияние сегрегации частиц на показатели обогащения тонкозернистых материалов в гравитационном переделе.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Выделение силы сегрегационного сопротивления частиц в результате комплексного воздействия факторов (из числа которых наиболее значимые -крупность, плотность и форма частиц, частота колебаний, вязкость среды), определяет скорость движения частиц и является существенным при разделении минеральных зерен гравитационным методом обогащения.
2. Учет сил сегрегационного сопротивления частиц при построении технологических схем на базе винтовых шлюзов обеспечивает улучшение показателей гравитационного обогащения при переработке минерального сырья и техногенных продуктов, в том числе редкометальных россыпей.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточно хорошей сходимостью полученных зависимостей с данными экспериментов при проведении лабораторных исследований, широким применением современных математических методов планирования экспериментов, а также тщательной оптимизаций режимов работы аппаратов и схем при полупромышленных испытаниях, использованием современных методов изучения вещественного состава и формы минеральных частиц высокой плотности.
Научная новизна работы:
- выведена формула, отражающая зависимость силы сегрегационного сопротивления от относительного расстояния между частицами при их стесненном падении;
- разработан метод и сконструировано устройство, и выполнены измерения скоростей сегрегации частиц различной крупности, плотности и формы в воздушной и водной средах;
- получены экспериментальные данные позволяют оценить роль процесса сегрегации при обогащении на различных гравитационных аппаратах;
- в полупромышленных условиях на оптимизированной гравитационной технологической схеме на базе винтовых шлюзов показано, что главными факторами, определяющими извлечение тяжелых минералов являются не их гидравлические крупности, а интенсивность их сегрегации, зависящая от крупности, формы и от распределения формы частиц.
Практическая ценность работы:
- разработана методика и устройства изучения процессов сегрегации мелкозернистых материалов с целью определения скорость сегрегации частиц в зависимости от их крупности, плотности и формы, а также от интенсивности их разрыхления;
- установлена во многом определяющая роль сегрегации при разделении мелкозернистых материалов в тонких потоках пульпы, что позволило оптимизировать работу винтовых шлюзов и в целом схемы получения гравитационного концентрата из редкометальных песков, выявить причины дополнительных потерь ценных компонентов, связанных с влиянием формы минеральных зерен;
- разработана технологическая схема обогатительной фабрики на песках Бешпагирского месторождения;
- получены результаты исследований процессов сегрегации будут использованы при разработке новых гравитационных обогатительных аппаратов и технологических схем гравитационного разделения мелкозернистых и тонкоизмельченных руд и техногенных материалов.
Личный вклад автора:
-постановка целей и задач исследований;
- теоретический анализ сегрегационных сил, действующий на частицы в условиях их стесненного падения;
- проведение на специально разработанной аппаратуре экспериментов по измерению скоростей сегрегации частиц в воздушной и водной среде;
- изучение особенностей сегрегации частиц тяжелых минералов в зависимости от их крупности, плотности и формы при разделении в гравитационных аппаратах и при обогащении мелких песков по оптимизированной замкнутой схеме;
- разработка рекомендаций и технических решений по оптимизации гравитационной технологической схемы.
Реализация результатов работы:
Полученные результаты использованы при проведении полупромышленных испытаний на обогатимость песков месторождения Бешпагир (Тамбовской области) и при разработке технико-экономического обоснования постоянных разведочных кондиций для подсчета запасов титано-циркониевых песков и целесообразности строительства обогатительной фабрики на этом месторождении.
Методы исследования:
При проведении исследований использовались современные методы минералогического, гранулометрического, фазового, пробирного, спектрального, химико-аналитического анализов. В частности, широко использовался полуавтоматический анализатор микроизображенй МОП-Videoplan (ФРГ) в иммерсионной жидкости.
При выполнении исследований применялись математические методы планирования экспериментов, ортогональное центральное рототабельное униформпланирование второго порядка с оценкой значимости коэффициентов при факторах по критерию Стьюдента.
Математическое моделирование процессов сегрегации велось с использованием электронных таблиц Microsoft Excel 7.0.
Апробация работы:
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях студентов и молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2004-2007 гг.), Всероссийской научно-практической конференции "Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии" (Санкт-Петербург, 2004 г.), Молодежной научно-практической конференции проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2005-2006), X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2006 г.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых "Леоновские чтения" (Иркутск, 2004 г., 2006 г.), 2-ой научно-технической конференции "Гравитационные методы обогащения. Современное обогатительное оборудование и новые технологии для переработки минерального сырья" (Новосибирск, 2004 г.), Ежегодной конференции-семинаре "Асеевские чтения. Цветная металлургия" (Санкт-Петербург, 2006 г.), Международном совещании "Плаксинские чтения" (Иркутск, 2004 г.; Санкт-Петербург, 2005 г.; Красноярск 2006 г.), Международной конференции-семинаре-выставке "Восток-Запад" (2004-2006 гг.).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа содержит 185 страницы основного текста, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников из 136 наименований и приложения, включает 65 рисунков и 31 таблицу.
Автор выражает благодарность директору по научно-исследовательской работе ЗАО "Механобр инжиниринг", д-ру техн. наук А.В. Богдановичу за ценные советы, постоянную поддержку и внимание при проведении исследований и написании диссертации; а также работникам научно-технической библиотеки ЗАО "Механобр инжиниринг" И.М. Царевой и Н.Н. Белобородько за помощь в работе с технической литературой.
Теоретические исследования явления сегрегации при гравитационном обогащении
Феномен процесса сегрегации зернистого материала (расслоение, стратификация, фракционирование) при механическом воздействии до сих пор не имеет удовлетворительного теоретического объяснения [11,24]. Теоретическому исследованию сегрегации посвящено значительное число работ. Все эти работы можно разделить как минимум на два направления: вероятностный [16,25], феноменологический [13,14,26-28]. Первый, и вероятно, наиболее важный для практики действует при сдвиге зернистого материала, если градиент скорости неоднороден [5]. Этот механизм основан на том, что при сдвиге частицы самоорганизуются в слое, а крупная частица, которая не помещается в одном слое, сталкивается своими выступающими краями с частицами соседних слоев и из-за неоднородности градиента скорости материала получает нескомпенсированный импульс в направлении нормали к плоскости сдвига. Деформация сдвига по сравнению с другими механическими воздействиями сказывается на сегрегации наиболее сильно, при этом интенсивность сегрегации в значительной степени зависит не только от размеров, но также и от плотности частиц. Второй механизм связан с хаотическим движением частиц, аналогичен термодиффузии в газах, при которой более крупные молекулы мигрируют в зону низкой температуры, и реализуется даже при нормальной вибрации границы сыпучей среды. Роль температуры в сыпучей среде играет среднеквадратическая скорость хаотического движения частиц, которая затухает по мере удаления от вибрирующей границы.
При этом крупная частица как бы экранирует поток квазитепла от вибрирующей границы, с чем и связана действующая на нее выталкивающая сила. Кроме того существенную роль имеет процесс закатывания крупной частицы по мелкими. Этот механизм был установлен численным моделированием движения тридцати шероховатых дисков (плоская задача) в трапециевидном расширяющимся кверху вибрирующем бункере. Обнаружена сильная зависимость от коэффициента трения. Устойчивое закатывание зарегистрировано при коэффициенте трения 2, при малом коэффициенте трения закатывание отсутствует. Рассмотрим каждый из механизмов и подходов более подробно. Основа первого механизма уже рассмотрена выше, хотелось бы только отметить то, что чем больше общая подвижность зерен в слое при расслаивании, тем лучше разделение по плотности и хуже разделение по крупности. Второй подход берет свои истоки с изучения процесса расслоение на вибрирующей поверхности, то есть при грохочении. Многими авторами описаны принципы сегрегации, остановимся на основных вариантах. А.Д.Учитель предлагает анализируемый слой разделить на подслои, каждый из которых будет характеризоваться своей концентрацией частиц С и своей скоростью сегрегации Vc [15]. В этом случае скорость сегрегации слоя, можно описать после незначительных преобразований, следующей формулой: В формулах 1-3: dj - средний размер сегрегирующей фракции; dn -средний диаметр порового канала, А - амплитуда колебаний; т - частота, с"1; (3 - угол вибрации, g - ускорение силы тяжести, ср - угол внутреннего трения. Средний диаметр порового канала dn зависит от среднего размера частиц, образующих поровой канал dK: где mCM - порозность сыпущей среды с учетом ее разрыхления при вибрации. Данных, которые свидетельствовали бы о применении на практике формулы скорости сегрегации отсутствуют. При анализе ее возникает ряд вопросов: 1. Как измерить порозность сыпучей среды, с помощью какого устройства? 2. Коэффициент формы крупных частиц можно получить практически, но как определить его для мелких частиц? 3. Непонятным остается и введенный параметр - среднего размера сегрегирующей фракции. Если у нас двухкомпонентная смесь, например магнетит и кварц, то понятно, что сегрегирующими частицами будет - магнитит. Но в практике, мы имеем дело с поликомпонентной рудой, где представлены различные минералы, и часто в сростках.
Понять какой минерал и скорее всего не один, будет сегрегирующим непросто. Тем более, что при грохочении имеет место довольно широкая гранулометрическая шкала. Также опирается на этот механизм и исследователь Е.А.Непомнящий [16,25]. В основу он положил математический аппарат, примененный ранее по "вибросмешиванию" сыпучих материалов, где поведение частиц не различается по плотности и движение зерен в слое рассматривает как случайный Марковский процесс. Взяв за основу уравнение диффузии и значительно преобразовав, он получил уравнение концентрации частиц в подслое: где b - характеризует "квазидиффузию"; z - высота сечения; t - время; с-скорость вынужденного переноса частиц, h - толщина слоя, другие величины равны- t=—t,h =—h,z= — Уравнение, которое может быть названо уравнением кинетики расслоения или смешивания, позволяет определить изменение начального распределения частиц в слое с течением времени. Из данной формулы, можно видеть что концентрация W в сечении слоя находится в зависимости от двух безразмерных параметров: їий. Последние в свою очередь зависят от двух коэффициентов: b и с, фигурировавших также в работах по теории грохочения и отсадки [29,30]. Кроме того, автор данной статьи приводит графический вид изменения концентрации легких зерен при расслаивании, не указывая оборудования, на котором проводились опыты. Основной недостаток этой формулы для использования, кроме громоздкости, это определение "коэффициента квазидиффузии" b и скорости осаждения (всплывания) с. Также невозможно измерить экспериментально предельную концентрацию частиц, т.к. взяв за основу, некоторые сечения, не исключено искажение картины влияния свободной поверхности, на что указывает сам автор. Аналогичные подходы к проблеме в результате детерминистического анализа имеют место у И.И.Блехмана, В.Я.Хайнмана, В.В.Горловского, Г.Е.Птушкина [13,14,26], которые приходят к выводу, что погружение или всплывание тел в сыпучей среде, подвергающейся вибрациям, может обуславливаться тремя взаимодействующими факторами
Влияние вязкости пульп на сегрегацию мелкозернистых материалов при гравитационном разделении
Одним из важнейших параметров, влияющих на работу гравитационных аппаратов, является коэффициент вязкости среды. Коэффициент вязкости среды присутствует во всех формулах для расчета скорости падения зерен различной крупности, приводимых разными авторами, также он присутствует в знаменателе в формуле для расчета числа Рейнольдса и т.д. Однако влияние вязкости жидкой фазы на процесс гравитационного обогащения изучено мало. А экспериментальные данные о влиянии вязкости на процесс сегрегации вообще отсутствует. Имеющиеся вискозиметры плохо приспособлены для измерения вязкости пульп, которые склонны к расслоению.
Существует много формул, отражающих зависимость вязкости гетерогенных смесей от концентрации частиц, причём в большинстве случаев расчётный коэффициент вязкости не учитывает влияние размера частиц. Так, например, в известной формуле Эйнштейна [45] вязкость смесей жидкости и тонких частиц линейно зависит только от их объёмной концентрации. Расчетная формула для определения динамического коэффициента вязкости была предложена впервые Эйнштейном: где //0- коэффициент вязкости воды (//0 =0,001 Н с/м ), С - объемная концентрация частиц. Данная формула справедлива лишь для объемной концентрации до 5%. Впоследствии Вандом на основе формулы Эйнштейна была выведена зависимость: которая уже имела предел по объемной концентрации до 50%. Данная формула, да и почти все остальные имеет общий вид: где a, b, d, - числовые значения. Анализируя все формулы, обратим внимание на то, что везде коэффициент вязкости зависит от объемной концентрации и не учитывает влияние размера частиц. Хотя различные экспериментальные исследования грубодисперсных суспензий, используемых в качестве среды для обогащения полезных ископаемых, показали, что на эффективную вязкость влияют не только концентрация, но и форма взвешенных частиц и их размеры. Игнорирование некоторыми исследователями роли размеров частиц в формировании вязкости пульпы возникло, по видимому, в результате перенесения тезиса Эйнштейна о независимости вязкости малоконцетрированных пульп от размеров частиц на пульпу с большой концентрацией твердой фазы. Поэтому особый интерес заслуживает формула Г.А.Адамова и У.Ц.Андерса [46], которая учитывает влияние размеров частиц и имеет вид: где: К2, Кз, m и п являются функциями среднего эффективного диаметра частиц пульпы, причем для различных веществ эти функции могут быть различны.
Но, к сожалению, все экспериментальные данные были проведены с очень тонкими частицами и при небольших концентрациях последних. Основной трудностью при выполнении измерений вязкости грубодисперсных пульп с высоким содержанием твёрдого капиллярным методом является то, что приходится работать на капиллярах большого диаметра, чтобы избежать их забивки. В то же время в таких капиллярах скорость воды, которая используется как эталонная жидкость, слишком велика, что не позволяет обеспечить её истечение в ламинарном режиме. Подводя общий итог по обзору исследований процессов сегрегации, можно сделать следующие выводы. 1. Всеми исследователями отмечается значительная роль процесса сегрегации мелкозернистых материалов при гравитационном разделении минералов. 2. Явление сегрегации, наблюдается во всех гравитационных аппаратах, таких как: отсадочные машины, концентрационные столы, винтовые сепараторы, центробежные концентраторы и т.д. 3. Исследования процесса сегрегации до настоящего времени носили в основном качественный характер. Теоретическая база процесса сегрегации при гравитационном обогащении разработана недостаточно, большая часть теоретических исследований относится к процессу грохочения, стратификации в бункерах и транспортировки руд. Использование формул по расчету скорости сегрегации в практике затруднительно. 4. Экспериментальное изучение закономерностей процесса сегрегации при гравитационном обогащении практически не приводилось, и это связано с большими сложностями изучения процесса разделения минеральных зерен. Между тем только на экспериментальной базе возможно построение теоретических основ процесса сегрегации при гравитационном обогащении.
Разработка методики исследования сегрегации зернистых материалов и определения скоростей перемещения разнородных частиц относительно друг друга
В данных исследованиях использовался кварцевый песок месторождения Бешпагир Тамбовской области различной крупности, из которого были удалены минералы, высокой плотности. Предварительными экспериментами было определено, что в качестве постели удобно применять класс крупности -1+0,5 мм, а в качестве сегрегирующего материала класс -0,2+0,1 мм. Такая разница в крупности, позволяла обеспечить надежное и эффективное их разделение на ситах. Порядок выполнения опытов был следующий: 1) на основание укладывались друг на друга семь колец, образовывая пустотелый цилиндр; 2) необходимое количество материала для постели засыпалось в цилиндр; 3) взвешивалось и равномерно засыпалось на поверхность постели необходимое количество сегрегирующих частиц. (Общая масса постели и исследуемого материала составляла около 50 гр.); 4) на кольца накладывалась верхняя крышка и все устройство стягивалось болтами; 5) устройство закреплялось на доске установки и подвергалось вертикальным колебаниям определенной амплитуда и частоты; 6) после окончания эксперимента устройство снималось с доски, верхняя крышка удалялась и производилась послойная разгрузка материала; 7) в каждой порции материала соответствующего кольца определялось количество частиц, проникших в зону кольца за время эксперимента. Основным откликом в экспериментах по исследованию процесса сегрегации была выбрана скорость перемещения центра масс сегрегирующих частиц, то есть глубина проникновения 50% частиц. Определялась она следующим образом. После рассева исследуемого материала в каждом кольце с выделенной мелкой составляющей, определялся выход сегрегирующих частиц в каждом слое. По этим данным графически находилась глубина проникновения 50% исследуемых частиц. Зная время наложения колебаний t и глубину проникновения частиц h, можно определить скорость перемещения центра масс v: v=h/t. Наша установка позволяла, при минимальном размахе колебаний левого края доски (рис. 3.3) 0,5 см задавать максимальную частоту равную 24Гц, при размахе 2,5 см максимальная частота составляла 15 Гц, что обеспечивало величину максимальных ускорений на уровне 20 м/с или около 2 ускорений силы тяжести g. При проведении опытов в жидкой среде (вода) ячейка помещалась в тонкую резиновую перчатку, открытый конец которой завязывался. Затем ячейка, помещенная в жидкую среду, устанавливалась на доске вибратора. Многие исследования, проводимые в обогащении, сводятся к решению экстремальных задач, направленных на отыскание оптимальных условий ведения процессов.
Например, при разработке новых химико-технических процессов задача исследования часто формулируется так: нужно получить максимально возможный выход реакции, варьируя температуру, давление и отношение реагентов. В металлургии одной из типичных задач является выбор соотношения легирующих компонентов для получения сплава с максимальным значением какой-либо интересующей исследователя характеристики - ударной вязкости, коррозионной устойчивости и пр. С аналогичными многофакторными экстремальными задачами приходиться сталкиваться и в технической физике -при получении сверхчистых металлов, изготовлении сложных приборов или при выборе оптимальных условий протекания процессов. Часто такие задачи формулируются как задачи на условный экстремум: нужно найти условия, обеспечивающие максимальный выход продукта при заданном уровне чистоты и пр. На математическом языке задачи планировании эксперимента формулируется так: на каждом этапе исследования нужно выбрать оптимальное расположение точек в фактором пространстве, для того, чтобы получить некоторое представление о поверхности отклика. Выбор критерия оптимальности в значительной степени произволен. Здесь приходится учитывать как постановку задачи экспериментатором, так и ту реальную ситуацию, в которой приходится решать данную задачу.
Во многих случаях исследования приходится начинать с постановки так называемых отсеивающих экспериментов, цель которых - выделить доминирующие эффекты среди очень большого числа потенциально возможных [57-58]. Почти стационарную область обычно удается описать полиномами второго порядка. Для этого нужно иметь такую системы планирования, в которой каждая переменная будет принимать как минимум три разных значения. В соответствии с общей идеей пошагового эксперимента такое планирование может быть получено путем добавления некоторого количества специальным образом расположенных точек к "ядру", образованному планированием для линейного приближения. Такие планы называются композиционными.
Сегрегации частиц различной плотности в водной среде
Дальнейшими экспериментами было установлено, что скорость сегрегации частиц в водной среде может быть значительно повышена, если использовать негармонические колебания ячейки, ограничив перемещение ячейки в верхней части гармоники путем уменьшения длины штока, помещенного в пружине устройства (рис. ЗЛО). При этом характер колебаний ячейки описывается графиком, приведенным на рис.4.15. В данных экспериментах использовались аналогичные тяжелые частицы, что и в опытах в воздушной среде, тое есть гранулированный ферросилиций и вольфрам. Предварительные опыты показали, что достаточное время опыта для изучения сегрегации частиц в этих условиях составляет сорок секунд. Все эксперименты проводились при размахе колебаний - 2,5 см, a/g = 1,2, доле сегрегирующего материала - 10% и времени наложения колебаний - 40 с. Полученные данные представлены в таблицах 4.7 и 4.8, а также на рис. 4.16 и 4.17. Из рис. 4.17 и рис. 4.18 следует, что характер зависимостей скорости сегрегации от различных факторов тот же, что и в воздушной среде, разница лишь в абсолютных значениях скоростей проникновения. В водной среде влияние формы частиц проявляется так же сильно, как и в воздухе, скорости сегрегации крупных частиц вольфрама ниже, чем у частиц ферросилиция. При этом с увеличением крупности частиц вольфрама скорость их сегрегации не убывает, как ферросилиция, а возрастает. У мелких частиц кварца скорость стесненного падения мала и поэтому скорость сегрегации частиц меньше 0,05 мм резко снижается.
Сравнивая скорости сегрегации мелких частиц вольфрама, кварца и ферросилиция в водной и воздушной средах можно выделить, что в водной среде уменьшение скорости сегрегации при увеличении крупности и снижению величины коэффициента формы сегрегирующих частиц проявляется не столь заметно, как в воздухе, а крупные частицы очень высокой плотности (вольфрам, плотностью 19 г/см ) в воде имеют скорости сегрегации большие, чем частицы меньшего размера. На скорость сегрегации мелких частиц большое влияние оказывает вязкость среды. Для изучения влияния вязкости использовались растворы пищевого сахара различной концентрации, измерения велись на специально сконструированном устройстве, описанном в параграфе 3.3. В табл. 4.9 и на рис. 4.18 приведены результаты опытов. На основании этих данных можно заключить, что при увеличении вязкости среды скорость сегрегации частиц уменьшается. Это связано с дополнительным сопротивлением на сегрегирующую частицу со стороны среды, которая тормозит перемещение частиц вглубь постели. Необходимо отметить, что вязкость среды растет с увеличением концентрации твердых частиц. Особенно большую роль могут играть шламы, которые состоят из очень тонких частиц, вплоть до единиц и долей микрона. Большую роль здесь может играть вязкость самой воды, которая изменяется с температурой. Вязкость среды от концентрации зернистого кварца, вплоть до 20-25% твердого растет сначала незначительно. Однако при концентрациях 30-40% твердого, увеличение вязкости пульпы может быть существенным. На рис. 4.19 приведены зависимости вязкости пульп от концентрации твердого (кварца) в пульпе при разной вязкости жидкой фазы. Вязкость жидкой фазы изменялась путем растворения в воде пищевого сахара. Как видно из рис. 4.19, при добавлении в воду при отсутствии в ней твердых частиц около 29% сахара ее вязкость возрастает в 2,7 раза, а при добавлении 40% сахара - в 5,5 раз. Увеличение вязкости жидкой фазы усиливает влияние на вязкость пульпы концентрации в ней твердого. Представляет интерес выполнить эксперименты по разделению минеральных смесей гравитационном аппарате, при различных температурах воды, вязкость которой, как уже указывалось, изменяется от 0С до 60 С в три раза.
