способ измельчения труднообогатимых руд и кавитационный диспергатор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измельчения труднообогатимых руд, включающий дозированную подачу суспензии вода-руда и измельчение ее со вскрытием зерен полезного ископаемого по естественным дефектам, отличающийся тем, что измельчение руды осуществляют в кавитационном диспергаторе, генерирующем последовательно гидроударные нагрузки и кавитационные импульсы, образованные расширением канала потока и колебаниями резонаторов с частотой собственных колебаний частиц руды.

2. Кавитационный диспергатор, содержащий корпус, внутри которого установлены ротор и статор со щелями в боковых стенках и рабочую камеру, отличающийся тем, что он снабжен регулируемыми по частоте колебаний резонаторами, закрепленными в рабочей камере соосно со щелями статора, щели в роторе выполнены в виде дозвуковых сопл, сужающихся в сторону статора, а щели статора выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности, при этом количество щелей в роторе и статоре неодинаково.

3. Диспергатор по п. 2, отличающийся тем, что настроенные по частоте колебаний резонаторы закреплены в обойме, которая концентрично охватывает статор и установлена с возможностью замены на другую обойму с резонаторами, настроенными на другую частоту.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для тонкого измельчения труднообогатимых руд при подготовке к обогащению.

Известен способ подготовки полезных ископаемых к обогащению (а.с. СССР 1382492, В 02 С 19/18, опубл. в БИ 11 за 1988 г.), включающий их механическое измельчение с предварительным или одновременным облучением импульсным пучком ускоренных электронов определенной дозы и мощности.

Недостатком способа является возможность использования его только в комбинации с другими способами, например с мельничным измельчением - процессом весьма энерго- и металлоемким.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измельчения труднообогатимых руд, реализованный в способе флотации труднообогатимых медных руд по патенту РФ 2151010, кл. B 03 D 1/00, опубл. 20.06.2000 г., включающий дозированную подачу суспензии руда-вода и измельчение ее со вскрытием зерен полезного ископаемого по естественным дефектам.

Недостатком способа является снижение доли извлечения полезного ископаемого за счет неравномерного измельчения руды в шаровых мельницах и большого выхода шламовых фракций, уходящих в отходы.

Известны стержневые, шаровые и циплепсовые мельницы (Закладочные работы в шахтах. Справочник. М.: Недра, 1989, с. 85-87), содержащие цилиндрический корпус с горизонтально ориентированной образующей цилиндра и внутренней футеровкой, загрузочное и выпускное отверстия в противоположных торцах, мелющие тела (стержни, шары, циплепсы).

Недостатки известных мельниц - большая металлоемкость, высокое энергопотребление и время измельчения, большой выход шламовых фракций.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является роторный аппарат гидроударного действия (а.с. СССР 1586759, В 01 F 7/12, опубл. в БИ 31 за 1990 г.), содержащий корпус, внутри которого концентрично установлены ротор и статор со щелями в боковых стенках, причем щели в роторе выполнены в виде дозвуковых сопл, сужающихся в сторону статора, щели которого выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности.

Недостатком известного роторного аппарата гидроударного действия является ограниченная, строго детерминированная частота кавитационных импульсов, определяемая формой щелей в стенках ротора и статора. Другим его недостатком является отсутствие устройства настройки частоты кавитации в рабочей камере, так как достигаемая частота f гидроударных импульсов, равная

f = nk,

где n - частота вращения ротора,

k - количество щелей в статоре,

не поддается какому-либо изменению в кавитационной зоне.

Техническая задача - снижение энергопотребления, времени измельчения руды и металлоемкости технологического оборудования за счет создания условий для разрушения частиц руды в водной суспензии в режиме резонансного разрыва.

Задача решается за счет того, что в способе измельчения труднообогатимых руд, включающем дозированную подачу суспензии вода-руда и измельчение ее со вскрытием зерен полезного ископаемого по естественным дефектам, согласно техническому решению измельчение руды осуществляют в кавитационном диспергаторе, генерирующем последовательно гидроударные нагрузки и кавитационные импульсы, образованные расширением канала потока и колебаниями резонаторов с частотой собственных колебаний частиц руды.

Поставленная задача решается также тем, что кавитационный диспергатор, содержащий корпус, внутри которого установлены ротор и статор со щелями в боковых стенках, и рабочую камеру, согласно техническому решению снабжен регулируемыми по частоте колебаний резонаторами, закрепленными в рабочей камере соосно со щелями статора, щели в роторе выполнены в виде дозвуковых сопл, сужающихся в сторону статора, а щели статора выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности, при этом количество щелей в роторе и статоре неодинаково.

Сила р гидроударного сжатия частицы рудной массы в суспензии определяется зависимостью Н.Е.Жуковского

p = (V₁-V₀)a, H/м²,

где - плотность суспензии, кг/м³;

V₁ и V₀ - скорость движения потока в щели ротора после и до перекрытия, м/с;

а - скорость распространения ударной волны в щели ротора, равная скорости распространения звука в суспензии, м/с.

Известно, что разрушение рудных частиц по естественным дефектам в режиме резонансного разрыва требует меньше энергозатрат в сравнении с мельничным помолом, так как прочность на растяжение на порядок меньше, чем на сжатие. Кроме того, разрыв, например, по сросткам - наиболее благоприятный результат для обогащения труднообогатимых руд.

Возможность настройки резонаторов по частоте их колебаний делает возможным измельчать различные по прочности руды, а режим резонансного разрыва на порядок снижает энергопотребление, время переработки и металлоемкость используемого при измельчении руды комплекса оборудования.

Кавитационный диспергатор обеспечивает реализацию способа измельчения труднообогатимых руд за счет создания гидроударных нагрузок, измельчающих руду и ослабляющих прочность связей по сросткам, и на следующем этапе - резонансных кавитационных импульсов с частотой собственных колебаний частиц руды в воде, генерирующих знакопеременные нагрузки. Закрепление резонаторов соосно с щелями статора имеет целью эффективное использование скорости потока для повышения амплитуды генерируемых кавитационных импульсов.

Частота f_p колебаний резонаторов настраивается в соответствие с зависимостью



где - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от способа крепления резонатора: консольного или двухстороннего - =0,162 или 2,82 соответственно;

t - толщина резонатора, м;

l - длина консольной части резонатора, м, при =0,162 или длина двухсторонне закрепленного резонатора при =2,82;

Е - модуль упругости материала резонатора, МПа;

- плотность суспензии, Н/м³.

В набегающем потоке возникают колебания суспензии с частотой



где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от соотношения V и h;

V - скорость истечения струи из щели ротора, м/с;

h - расстояние между внешним диаметром ротора и резонатором, м.

Для возбуждения резонансного разрыва необходимо условие:

f_ср=f_р

Настройку на этот режим осуществляют регулировкой скорости V истечения струи из щели ротора, изменением расстояния h между внешним диаметром ротора и резонатором, толщиной t резонатора. Количество щелей в статоре и в роторе неодинаково. Разность в количестве щелей в роторе и статоре определяет число одновременно происходящих гидроударов и баланс нагрузки на ось ротора. Эта разность кратна числу щелей ротора, что обеспечивает наибольшую эффективность процесса и является ноу-хау предлагаемого технического решения.

Для измельчения разных по резонансной частоте руд и суспензий, требующих настройки на их собственную частоту f_cp колебаний резонаторов, кавитационный диспергатор целесообразно снабжать сменными обоймами с закрепленными в них резонаторами, настроенными на требуемую частоту f_ср колебаний, что позволяет ускорить перенастройку кавитационного диспергатора при необходимости измельчения руды с другой собственной частотой f_cp колебаний частиц.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 приведены соответственно технологическая схема измельчения труднообогатимых руд по предлагаемому способу и эскизная схема кавитационного диспергатора, а на фиг.3 - зависимость выхода в % класса крупности частиц руды менее 0,074 мм от времени измельчения для предложенного технического решения в сравнении с базовым вариантом, которым является шаровая мельница.

Предлагаемый способ реализуют с помощью предлагаемого кавитационного диспергатора следующим образом. Дозированные составляющие суспензии вода-руда подают в гомогенизаторную емкость (фиг.1), например, в репульпатор 1 и далее в кавитационный диспергатор 2. В диспергаторе 2 происходит измельчение рудных частиц по естественным дефектам. Обработанную суспензию подают в рециркуляционную емкость 3, а оттуда - на обогащение (например, на флотацию).

Кавитационный диспергатор (фиг.2) состоит из корпуса 4 с входным 5 и выходным 6 патрубками, ротора (поз. не обозначен) с лопастями 7 центробежного насоса и цилиндрическим кольцом 8, в котором равномерно по окружности в виде дозвуковых сопл выполнены щели 9, сужающиеся с сторону статора 10 с равномерно выполненными по его окружности щелями 11, расширяющимися в сторону корпуса и имеющими вогнутые поверхности, рабочей камеры 12 между статором 10 и корпусом 4, сопряженной с выходным патрубком 6, с регулируемыми по частоте колебаний резонаторами 13 (в виде пластин, стержней, отражателей), закрепленными соосно со щелями 11 статора 10. Резонаторы 13 могут быть закреплены в обойме 14, помещенной в рабочей камере 12, и настроены на собственную частоту f_cp колебаний частиц определенного сорта руды в водной суспензии. Обойма 14 концентрично охватывает статор 10 и установлена с возможностью замены на другую обойму 14 с резонаторами 13, настроенными на другую частоту f_ср.

Кавитационный диспергатор работает следующим образом. Предварительно измельченную до определенной крупности руду, смешанную в необходимой пропорции с водой в репульпаторе 1, подают через входной патрубок 5 в диспергатор 2. Лопастями 7 центробежного насоса суспензию разгоняют в направлении щелей 9 ротора 8. В момент перекрытия кольцом статора 10 щелей 9 скорость движения потока суспензии резко снижается, происходит гидравлический удар, сжимающие усилия через воду передаются на частицы руды, деформируя их. Силу р гидроударного сжатия частицы от импульса давления прямого гидравлического удара определяют по приведенной выше формуле Н.Е.Жуковского.

В момент совмещения щелей 9 ротора 8 и щелей 11 статора 10 нагрузка с частицы снимается, и она испытывает деформацию растяжения. При выходе из щели 9 в щель 11 рудный материал попадает в поле кавитационных импульсов, образованных расширением канала потока и колебаниями резонаторов 13 в рабочей камере 12, и под воздействием схлапывающихся пузырьков жидкости получает дополнительное разрушение от знакопеременных нагрузок. Частота f_ср собственных колебаний частиц и частота f_p следования импульсов, генерируемых резонаторами 13, равны или близки по значению. Под воздействием серии резонансных нагрузок в режиме "сжатие-разряжение" частицы руды дополнительно разрушаются. Меньшая прочность связи частиц руды по сросткам способствует избирательности мест разрушения и тем самым раскрытию зерен руды.

При использовании кавитационного диспергатора для измельчения руд с разной частотой f_сp собственных колебаний используют резонаторы 13, закрепленные в обойме 14, помещенной в рабочей камере 12, и настроенные на заданную частоту f_ср колебаний. Обойма 14 с резонаторами 13 может быть заменена на другую обойму 14 с резонаторами 13, настроенными на другую частоту f_ср.

Использование предлагаемых решений, как показали эксперименты, создает возможность уменьшить на порядок металлоемкость и энергопотребление технологии измельчения труднообогатимых руд. Снижение металлоемкости достигается заменой шаровых мельниц весом в десятки и сотни тонн на кавитационные диспергаторы весом в доли тонны.

Выполненные эксперименты подтверждают этот вывод (фиг.3). Объектом исследования являлась медно-никелевая руда Норильского месторождения с исходной крупностью - 3,0 мм. Конкретная цель заключалась в получении из этой руды технологического продукта для последующего обогащения методом флотации. Этот продукт по крупности должен быть представлен классом крупности менее 0,074 мм в объеме 75-80%. Измельчение одинаковых порций исходной руды проводилось двумя методами с равными приводными мощностями: "классическим" с использованием шаровой мельницы (фиг.3а) и по предложенному способу с использованием заявляемого кавитационного диспергатора (фиг.3б). Результаты представлены на фиг.3, где цифрами на графике показан выход в % класса крупности менее 0,074 мм. Анализ полученных данных свидетельствует, что для получения необходимого по технологии класса крупности на шаровой мельнице необходимо затратить 40 мин, а в заявляемом кавитационном диспергаторе - 3 мин.