способ измельчения полезных ископаемых и кавитационный диспергатор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измельчения полезных ископаемых, включающий дозированную подачу водной суспензии полезного ископаемого в кавитационный диспергатор и измельчение его со вскрытием зерен полезного компонента резонансным воздействием гидроударных и кавитационных импульсов по зонам естественной спайки этих зерен с породой, управление частотой кавитационных импульсов за счет смены обойм с закрепленными на них резонаторами, настроенными на требуемую частоту, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют управление частотой кавитационных импульсов за счет регулирования напора подачи водной суспензии полезного ископаемого в диспергатор, выполненный прямоточным и состоящим из полого ротора с лопастями на внутренней поверхности, и установленной с противоположного входному патрубку торца ротора, перпендикулярно оси вращения ротора перегородкой с отверстиями, и из статора, выполненного с торца, примыкающего к кавитационной камере, с перегородкой, имеющей отверстия, совмещаемые с отверстиями ротора при вращении последнего, при этом независимо от управления частотой кавитационных импульсов осуществляют управление частотой гидроударных импульсов.

2. Кавитационный диспергатор, включающий корпус, входной и выходной патрубки, статор с отверстиями, расширяющимися в сторону кавитационной камеры, установленные в ней и настроенные на частоту собственных колебании частиц полезного ископаемого в суспензии резонаторы кавитационных импульсов, ротор с приводом, лопастями и отверстиями в виде дозвуковых сопел, сужающимися в сторону отверстий статора, выполненными с возможностью совмещения их при вращении ротора с отверстиями статора, отличающийся тем, что он выполнен прямоточным, для чего ротор изготовлен полым, а лопасти установлены на его внутренней поверхности, при этом с противоположного входному патрубку торца ротора установлена перегородка, перпендикулярная оси его вращения, причем указанные отверстия ротора выполнены в его перегородке, а статор снабжен с торца, примыкающего к кавитационной камере, перегородкой, в которой выполнены указанные отверстия статора.

3. Диспергатор по п.2, отличающийся тем, что привод ротора выполнен независимым и сообщен с ротором посредством шкива вариатора частоты вращения.

4. Диспергатор по п.2, отличающийся тем, что привод ротора выполнен встроенным, ротор служит якорем электродвигателя, а статор - статором электродвигателя.

5. Диспергатор по одному из пп.2-4, отличающийся тем, что перегородка статора выполнена съемной и/или установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси статора и фиксации относительно последнего посредством регулировочного элемента, например упругого кольца.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горной промышленности и предназначено для тонкого измельчения полезных ископаемых при подготовке к обогащению.

Известен способ измельчения труднообогатимых руд, реализованный в способе флотации труднообогатимых медных руд по патенту РФ №2151010, кл. В 03 D 1/00, опубл. в БИ №17 за 2000 г., включающий дозированную подачу суспензии руда-вода и измельчение зерен руды в шаровой мельнице со вскрытием зерен полезных компонентов.

Недостатком способа является относительно низкая эффективность измельчения руды вследствие большой продолжительности рабочего цикла измельчения в шаровой мельнице и большой выход шламовых фракций, уходящих в отходы.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ измельчения труднообогатимых руд (патент РФ №2203738, В 02 С 19/00, опубл. в БИ №13 за 2003 г.), включающий дозированную подачу суспензии вода-руда и измельчение ее в кавитационном диспергаторе со вскрытием зерен полезного ископаемого по естественным дефектам последоватльным воздействием гидроударных нагрузок и кавитационных импульсов, образованных расширением канала потока и колебаниями резонаторов с частотой собственных колебаний частиц руды и управление частотой кавитационных импульсов за счет смены обойм с закрепленными на них резонаторами, настроенными на требуемую частоту.

Недостатком способа является ограниченный предел регулирования частоты гидроударных нагрузок, находящейся в жесткой зависимости от частоты вращения ротора, что отрицательно сказывается на точности настройки частоты гидроударных нагрузок, вследствие чего снижается эффективность измельчения руды из-за несоблюдения условия резонансного воздействия на зерна полезных компонентов. Скорость истечения струи суспензии из отверстий ротора также находится в жесткой зависимости от частоты его вращения, что ограничивает пределы и точность регулирования частоты кавитационных импульсов, в результате чего снижается эффективность измельчения руды из-за несоблюдения условия резонансного воздействия на зерна полезных компонентов. Для каждого типа полезного ископаемого требуется изготовление кавитационного диспергатора с индивидуальными геометрическими параметрами.

Известен 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 сопел, сужающихся в сторону статора, щели которого выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеют вогнутые поверхности.

Недостатком известного роторного аппарата гидроударного действия является строго детерминированная частота кавитационных импульсов, определяемая формой щелей в стенках ротора и статора, что отрицательно сказывается на точности настройки частоты гидроударных импульсов, вследствие чего снижается эффективность измельчения руды из-за несоблюдения условия резонансного воздействия на зерна полезных компонентов. Абразивный износ рабочих поверхностей ротора и статора от воздействия гидроударных импульсов также ведет к тому, что нарушаются условия резонансного воздействия на зерна полезных компонентов и, как следствие, снижается эффективность измельчения руды.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является кавитационный диспергатор (патент РФ №2203738, В 02 С 19/00, опубл. в БИ №13 за 2003 г.), содержащий корпус, внутри которого установлены статор со щелями в боковых стенках, расширяющимися в сторону корпуса, имеющими вогнутые поверхности, ротор, в котором выполнены щели в виде дозвуковых сопел, сужающихся в сторону статора, имеющие возможность совмещения при вращении ротора со щелями статора, и рабочую камеру, при этом количество щелей в роторе и статоре неодинаково, а в рабочей камере закреплены соосно со щелями статора регулируемые по частоте колебаний резонаторы.

Недостатком известного кавитационного диспергатора является ограниченный предел регулирования частоты гидроударных импульсов, находящейся в жесткой зависимости от частоты вращения ротора, что отрицательно сказывается на точности настройки частоты гидроударных импульсов, вследствие чего снижается эффективность измельчения руды за счет неточного соблюдения условия резонансного воздействия на зерна полезных компонентов. Скорость истечения струи суспензии из отверстий ротора также находится в жесткой зависимости от частоты его вращения, что ограничивает пределы и точность регулирования частоты кавитационных импульсов, вследствие чего снижается эффективность измельчения руды за счет несоблюдения условия резонансного воздействия на зерна полезных компонентов. Для каждого типа полезного ископаемого требуется изготовление кавитационного диспергатора с индивидуальными геометрическими параметрами. Кроме того, материал статора кавитационного диспергатора имеет высокий абразивный износ от воздействия на него кавитационных импульсов, что существенно уменьшает ресурс работы кавитационного диспергатора, повышает расходы на ремонт, ведет к простоям оборудования и, следовательно, снижает эффективность измельчения полезного ископаемого.

Техническая задача - повышение эффективности измельчения полезного ископаемого за счет повышения точности и расширения пределов регулирования частоты гидроударных и кавитационных импульсов и снижение негативного влияния абразивного износа на ресурс работы кавитационного диспергатора за счет более точной настройки на резонансный режим измельчения.

Задача решается тем, что в способе измельчения полезных ископаемых, включающем дозированную подачу водной суспензии полезного ископаемого в кавитационный диспергатор и измельчение его со вскрытием зерен полезного компонента резонансным воздействием гидроударных и кавитационных импульсов по зонам естественной спайки этих зерен с породой, управление частотой кавитационных импульсов за счет смены обойм с закрепленными на них резонаторами, настроенными на требуемую частоту, согласно техническому решению дополнительно осуществляют управление частотой кавитационных импульсов за счет регулирования напора подачи водной суспензии полезного ископаемого в диспергатор, выполненный прямоточным и состоящим из полого ротора с лопастями на внутренней поверхности, и установленной с противоположного входному патрубку торца ротора, перпендикулярно оси вращения ротора, перегородкой с отверстиями и из статора, выполненного с торца, примыкающего к кавитационной камере, с перегородкой, имеющей отверстия, совмещаемые с отверстиями ротора при вращении последнего, при этом независимо от управления частотой кавитационных импульсов осуществляют управление частотой гидроударных импульсов.

Задача решается и тем, что кавитационный диспергатор, включающий корпус, входной и выходной патрубки, статор с отверстиями, расширяющимися в сторону кавитационной камеры, установленные в ней и настроенные на частоту собственных колебаний частиц полезного ископаемого в суспензии резонаторы кавитационных импульсов, ротор с приводом, лопастями и отверстиями в виде дозвуковых сопел, сужающимися в сторону отверстий статора, выполненными с возможностью совмещения их при вращении ротора с отверстиями статора, согласно техническому решению он выполнен прямоточным, для чего ротор изготовлен полым, лопасти установлены на внутренней его поверхности, при этом с противоположного входному патрубку торца ротора установлена перегородка, перпендикулярная оси его вращения, причем указанные отверстия ротора выполнены в его перегородке, а статор снабжен с торца, примыкающего к кавитационной камере, перегородкой, в которой выполнены указанные отверстия статора.

Так как водную суспензию полезного ископаемого (далее суспензия) подают через входной патрубок в кавитационный диспергатор под напором, то скорости течения суспензии V₁ до перекрытия отверстий в роторе и после перекрытия их V₀ в известной формуле Н.Е. Жуковского зависят от величины напора и не зависят от частоты вращения ротора. Это позволяет независимо от частоты вращения ротора управлять скоростью V ₁ течения суспензии в отверстия ротора изменением напора в системе и регулировать тем самым силу Р гидроударных импульсов

P= (V₁-V₀)c, Н/м ²,

где - плотность суспензии, кг/м³;

V₁ и V₀ - скорости течения суспензии до перекрытия отверстий в роторе и после перекрытия соответственно, м/с;

с - скорость распространения звука в суспензии, м/с.

Так как в набегающем потоке возникают колебания суспензии с частотой

, Гц,

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от V и h;

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

h - расстояние между перегородкой ротора и резонатором, м,

то изменением напора в системе можно независимо регулировать и частоту кавитационных импульсов за счет соответствующего изменения скорости V истечения струи суспензии из отверстия ротора в прямоточном режиме работы кавитационного диспергатора.

Таким образом, при дозированной подаче в прямоточный кавитационный диспергатор, суспензии полезного ископаемого под напором и в результате независимого управления частотой гидроударных импульсов (за счет изменения частоты вращения ротора) и кавитационных импульсов (за счет регулирования напора и изменения настроек резонаторов в кавитационной камере) создается возможность повышения точности и расширения пределов регулирования силы и частоты гидроударных и кавитационных импульсов. Как следствие, повышается эффективность измельчения полезного ископаемого. Появляется возможность для настройки кавитационного диспергатора на режимы, благоприятные для измельчения различных по свойствам полезных ископаемых (например, сульфидных руд или угля) с сохранением высокой эффективности их измельчения.

Прямоточная конструкция кавитационного диспергатора, когда ротор выполнен полым и лопасти установлены на внутренней его поверхности, а с противоположного входному патрубку торца ротора имеется перегородка, перпендикулярная оси его вращения, при этом указанные отверстия ротора выполнены в его перегородке, статор снабжен с торца, примыкающего к кавитационной камере, перегородкой, а отверстия статора выполнены в его перегородке с возможностью совмещения их при вращении ротора с указанными отверстиями ротора наиболее просто позволяет достигнуть резонансного режима разрушения частиц полезного ископаемого.

Условием резонансного разрыва частиц полезного ископаемого в суспензии является равенство

f_ср=f _р,

где f_р - частота колебаний резонаторов кавитационных импульсов, Гц.

Для настройки частоты f_р резонаторов кавитационных импульсов на частоту f_ч собственных колебаний частиц полезного ископаемого в суспензии и выполнения условия f _р f_ч используется зависимость

где - коэффициент пропорциональности (для консольного способа крепления резонаторов =0,162);

t - толщина резонаторов, м;

l - длина консольной части резонаторов, м;

Е - модуль упругости материала резонаторов, МПа;

- плотность суспензии, Н/м³.

Согласно предложенному техническому решению создается возможность более точной настройки на резонансный режим измельчения полезного ископаемого (f_р f_ч) варьированием параметров V, h, Е, t и l в приведенных выше формулах путем замены обоймы с закрепленными на ней резонаторами кавитационных импульсов (при грубой настройке на тип полезного ископаемого) и плавным изменением напора на входе кавитационного диспергатора и частоты вращения ротора (при точной настройке). При этом достигается повышение эффективности измельчения полезного ископаемого и снижение негативного влияния абразивного износа на ресурс работы прямоточного кавитационного диспергатора за счет более точной настройки на резонансный режим измельчения.

Целесообразно привод ротора выполнять независимым и сообщенным с ротором посредством шкива вариатора частоты вращения.

При этом наиболее просто достигается изменение скорости вращения ротора, вследствие чего дополнительно повышается эффективность измельчения полезного ископаемого и снижается негативное влияние абразивного износа на ресурс работы кавитационного диспергатора за счет повышения точности и расширения пределов регулирования частоты гидроударных и кавитационных импульсов и более точной настройки на резонансный режим измельчения.

Целесообразно также привод ротора выполнять встроенным, когда ротор служит якорем электродвигателя, а статор - статором электродвигателя.

Этим достигается плавное изменение скорости вращения ротора, вследствие чего дополнительно повышается эффективность измельчения полезного ископаемого и снижается негативное влияние абразивного износа на ресурс работы кавитационного диспергатора за счет повышения точности и расширения пределов регулирования частоты гидроударных и кавитационных импульсов и более точной настройки на резонансный режим измельчения.

При этом целесообразно перегородку статора выполнять съемной и/или устанавливать с возможностью перемещения вдоль продольной оси статора и фиксации относительно последнего посредством регулировочного элемента, например упругого кольца.

Возможность замены и/или перемещения перегородки статора вдоль его продольной оси (без его демонтажа) с фиксацией относительно статора посредством регулировочного элемента позволяет увеличить ресурс работы кавитационного диспергатора за счет возможности компенсации абразивного износа регулированием рабочего зазора между ротором и статором и, следовательно, повышает эффективность измельчения полезного ископаемого вследствие снижения затрат на ремонт оборудования и уменьшения технологических простоев.

Сущность технических решений иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 приведена технологическая схема измельчения руды по предлагаемому способу; на фиг.2 - эскизная схема кавитационного диспергатора с независимым приводом, содержащим простейший вариатор частоты вращения, и на фиг.3 - кавитационный диспергатор со встроенным приводом, в котором полый ротор является якорем электродвигателя, и со съемной перегородкой статора.

Предлагаемый способ (фиг.1) реализуют с помощью предлагаемого кавитационного диспергатора следующим образом. Дозированные составляющие суспензии полезного ископаемого подают в репульпатор 1 и далее насосом 2 в указанный диспергатор 3, в котором происходит измельчение частиц полезного ископаемого в суспензии по естественным дефектам и вскрытие зерен полезных компонентов из сростков резонансным воздействием гидроударных и кавитационных импульсов по зонам естественной спайки этих зерен с породой. Обработанную суспензию подают в емкость 4, а далее по трубопроводу 5 на обогащение (например, на флотацию).

Кавитационный диспергатор выполнен прямоточным (далее диспергатор) и состоит из корпуса 6 (фиг 2), к которому закреплен статор 7, имеющий на торце перегородку 8, перпендикулярную оси вращения ротора 9. В перегородке 8 статора 7 выполнены отверстия 10, расширяющиеся в сторону кавитационной камеры 11, в которой установлены резонаторы 12 кавитационных импульсов (далее резонаторы 12), закрепленнные на обойме 13. Резонаторы 12 настроены на частоту f_p, близкую к частоте f _ч собственных колебаний частиц полезного ископаемого (выполняется условие f_p f_ч). Ротор 9 выполнен полым и на внутренней его поверхности 14 установлены лопасти 15. При вращении ротор 9 оперт на подшипники 16. Одним своим торцом ротор 9 сообщен с входным патрубком 17. Герметичность внутренней полости ротора 9 достигается установкой сальников 18. На противоположном входному патрубку 17 торце ротора 9 имеется перегородка 19, перпендикулярная оси вращения ротора 9 и примыкающая к перегородке 8 статора 7. В перегородке 19 ротора 9 выполнены отверстия 20 в виде дозвуковых сопел, сужающихся в сторону отверстий 10 статора 7. Отверстия 10 и 20 расположены таким образом, что при вращении ротора 9 имеют возможность совмещаться между собой.

Привод ротора 9 может быть независимым и сообщен с внешней его поверхностью 22 посредством шкива 23 (фиг.2) простейшего вариатора для регулирования частоты вращения с клиновым ремнем 24, которым шкив 23 ротора 9 соединен со шкивом 25 на оси электродвигателя 26.

Привод ротора 9 может быть встроенным, когда ротор 9 служит якорем электродвигателя, а статор 7 - статором электродвигателя: на внешней поверхности 22 ротора 9 закреплены секции 27 обмотки якоря (фиг.3), которые во взаимодействии с обмоткой 28 статора 7 создают электродвижущую силу.

Диспергатор (фиг.3) может иметь съемную перегородку 8 статора 7, которая установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси статора 7 и фиксации на статоре 7 регулировочным элементом 29, например упругим кольцом.

Диспергатор работает следующим образом. Приготовленную в репульпаторе 1 (фиг.1) суспензию, содержащую полезное ископаемое и воду в необходимых пропорциях, подают во входной патрубок 17 диспергатора 3 (фиг.2, 3). Напор создают насосом 2 (фиг.1). Лопасти 15, установленные на внутренней поверхности 14 ротора 9, дополнительно повышают напор потока суспензии, обеспечивая необходимую скорость V ₁ ее течения до отверстий 20 в перегородке 19 ротора 9. При вращении ротора 9 с заданной угловой скоростью суспензия получает возможность перетекать в импульсном режиме через отверстия 20, выполненные в виде сужающихся дозвуковых сопел, в отверстия 10 в перегородке 8 статора 7. Скорость течения суспензии в момент перекрытия отверстий 20 перегородкой 8 статора 7 при вращении ротора 9 резко снижается до значения V₀ , за счет чего происходит гидроудар и создается сжимающая сила Р воздействия гидроударных импульсов на частицу полезного ископаемого в суспензии. В момент следующего совмещения отверстий 20 ротора 9 и отверстий 10 статора 7 частицы полезного ископаемого испытывают деформации растяжения при выходе суспензии из отверстий 10, расширяющихся в сторону кавитационной камеры 11. Частицы полезного ископаемого подвергаются растягивающему воздействию кавитационных импульсов, создаваемых резонаторами 12. Так как резонаторы 12 настроены на частоту f_p, близкую к частоте f _ч собственных колебаний частиц полезного ископаемого в суспензии, то поддерживается рабочий режим (f _p f_ч) в кавитационной камере 11.

Использованием вариатора наиболее просто достигается изменение скорости вращения ротора 9, что дополнительно повышает эффективность измельчения полезного ископаемого за счет повышения точности и расширения пределов регулирования частоты гидроударных и кавитационных импульсов. Снижается также негативное влияние абразивного износа на ресурс работы диспергатора за счет более точной настройки на резонансный режим измельчения.

В диспергаторе со встроенным приводом (фиг.3) ротор 9 служит якорем электродвигателя, а статор 7 - статором электродвигателя, при этом возможно плавное изменение скорости вращения ротора 9, что также дополнительно повышает эффективность измельчения полезного ископаемого за счет повышения точности и расширения пределов регулирования частоты гидроударных и кавитационных импульсов. Снижается негативное влияние абразивного износа на ресурс работы диспергатора за счет более точной настройки на резонансный режим измельчения.

Перегородка 8 статора 7 может быть выполнена съемной и/или установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси статора 7 и фиксации относительно него посредством регулировочного элемента 29. За счет этого дополнительно достигается повышение эффективности измельчения полезного ископаемого в результате более точной настройки диспергатора на резонансный режим измельчения и/или за счет возможности компенсации абразивного износа перегородки 8 статора 7 ее продольным перемещением и фиксацией посредством регулировочного элемента 29, например упругого кольца, при регулировании рабочего зазора между ротором 9 и статором 7, что снижает затраты на ремонт оборудования и уменьшает технологические простои.

Таким образом, происходит измельчение в диспергаторе 3 (фиг.1) суспензии полезного ископаемого со вскрытием зерен полезных компонентов резонансным воздействием гидроударных и кавитационных импульсов по зонам естественной спайки этих зерен с породой. Наличие сростков способствует избирательности мест разрушения и лучшему раскрытию зерен полезного ископаемого. Измельченный продукт через выходной патрубок 21 (фиг.2, 3) диспергатора 3 поступает в емкость 4 (фиг.1) и далее по трубопроводу 5 на обогащение (например, на флотацию).

Использование предлагаемых решений, как показали эксперименты, позволяет повысить эффективность измельчения полезного ископаемого на 10-15%, а снижение негативного влияния абразивного износа основных деталей диспергатора позволяет в 2-3 раза увеличить его ресурс.