Экспериментальные исследования процессов разделения минеральных частиц в лабораторной модели центробежного пневматического сепаратора
И.Ф. Лебедев
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Russian Mining Industry №4S / 2025 p. 36-39
Резюме: Рассмотрены существующие методы и аппараты сухого обогащения, которые в основном используются для классификации материалов по крупности. Учитывая перспективу обогащения полезных ископаемых сухими методами в районах с дефицитом технологической воды, возникает необходимость проведения исследований по изучению поведения минеральных частиц различной плотности и крупности в искусственно создаваемых и управляемых воздушно-песчаных потоках для разработки новых перспективных технологических и технических решений в области обогащения минерального сырья высокой и средней плотности способом пневматической сепарации.В работе приведены аналитические исследования в области сухого обогащения минеральных частиц в пневмосепараторах. Результаты проведенных исследований показали перспективность использования центробежных сил в дополнение к гравитационным при разработке новых моделей пневмосепараторов.Для экспериментального изучения разделения минеральных частиц различной плотности и крупности по миграционной способности в аэродинамическом потоке с приложением центробежных полей авторами изготовлена лабораторная модель-стенд пневмосепаратора. Приведена методика проведения экспериментальных исследований в разработанной модели для изучения не только классификации минеральных частиц по крупности, но и перераспределения тяжелых и лёгких частиц под воздействием аэродинамического воздушного потока и центробежной силы. Показаны результаты проведенных опытов разделения тяжелых фракций различного фракционного состава и легких фракций в модели лабораторного центробежного пневмосепаратора барабанного типа с камерами для классификации.Экспериментальным путем на лабораторном стенде получено подтверждение возможности сочетания в одном аппарате классификации по фракциям крупности и одновременно концентрации по удельному весу (плотности).
Ключевые слова: пневматическое обогащение, пневмосепаратор, минеральные частицы, экспериментальные исследования, классы крупности, гранулометрический состав
Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема №0297-2021-0022, ЕГИСУ НИОКТР №122011800089-2).
Для цитирования: Лебедев И.Ф. Экспериментальные исследования процессов разделения минеральных частиц в лабораторной модели центробежного пневматического сепаратора. Горная промышленность. 2025;(4S):36–39. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4S-36-39
Информация о статье
Поступила в редакцию: 05.06.2025
Поступила после рецензирования: 07.08.2025
Принята к публикации: 15.08.2025
Информация об авторах
Лебедев Иван Феликсович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0003-1116-8872; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Существующие методы и аппараты пневматического обогащения весьма ограничены областью применения, в основном используются для классификации материалов по крупности [1]. Имеются только единичные случаи применения их в обогащении золота и аналогичных тяжелых минералов. Учитывая перспективу обогащения сухими методами, возникает необходимость проведения исследований по изучению поведения минеральных частиц в аэродинамических потоках и нахождения новых перспективных технологических и технических решений в области обогащения минерального сырья сухим способом [2–5].
Для повышения эффективности разделения и компактности сепараторов были изготовлены различные лабораторные модели и проведены исследования разделения минералов в аэродинамическом потоке. Результаты проведенных исследований показали перспективность использования центробежных сил в дополнение к гравитационным [6–8]. При этом установлено, что при конструировании сепараторов с созданием принудительных центробежных полей требуется кроме учета траектории движения частиц также учитывать переходные завихренные области с замкнутыми линиями тока, на границах которых могут наблюдаться сложные турбулентные явления [9–11].
Материалы и методы
Для методического изучения разделения минеральных частиц различной плотности и крупности в аэродинамическом потоке с приложением центробежных полей была изготовлена лабораторная модель-стенд пневмосепаратора, где основным элементом инициирования центробежной силы является вращающийся активатор. На рис. 1 представлена изготовленная модель пневмосепаратора.
Рис. 1 Лабораторная модель пневмосепаратора с центробежным активатором
Fig. 1 A laboratory model of the pneumatic separator with a centrifugal activator
Схема лабораторной модели пневматического сепаратора с центробежным активатором представлена на рис. 2.
Рис. 2 Лабораторная модель центробежного пневматического сепаратора: 1 – патрубок подачи воздушного потока; 2 – патрубок подачи материала; 3 – электромотор; 4 – центральный вал; 5 – диск с лопатками; 6 – первое цилиндрическое кольцо; 7 – второе цилиндрическое кольцо; 8 – патрубок разгрузки; 9 – первая камера; 10 – вторая камера; 11 – третья камера
Fig. 2 A laboratory model of the centrifugal pneumatic separator: 1 – air flow supply pipe; 2 – material supply pipe; 3 – electric motor; 4 – central shaft; 5 – disc with blades; 6 – first cylindrical ring; 7 – second cylindrical ring; 8 – discharge pipe; 9 – first chamber; 10 – second chamber; 11 – third chambe
Для проведения исследований подготавливается материал исходной крупностью –1,0 + 0,0 мм из кварцевого песка, а в качестве тяжелых материалов используется чугунный скрап разных фракций: –1 + 0,63; –0,63 + 0,315; –0,315 + 0,2 и –0,2 + 0,0 мм.
Результаты
Скорость подаваемого воздушного потока варьировалась в пределах 10–60 м/с на входе в рабочую полость, скорость загрузки материала – в пределах 30–60 с. Скорость вращения диска – 600 об/мин. Соотношение минералов тяжелых фракций (чугунный скрап) и песка – 1:3. Навески материала варьировались от 10 до 100 г.
Рис. 3. Распределение тяжелых фракций класса крупности –1,0 + 0,0 мм по трем камерам
Fig. 3 Distribution of the heavy fractions of the size class of -1.0+0.0 mm across the three chambers
На рис. 3 показано распределение тяжелых фракций класса –1,0 + 0,0 мм по трем камерам.
Для более подробного анализа продукты разделения каждой камеры классифицировались по классам крупности –1 + 0,63, –0,63 + 0,315, –0,315 + 0,2 и –0,2 + 0,0 мм. Результаты распределения тяжелых фракций первой камеры (41,07%), второй камеры (50,7%) и третьей камеры (3,66%) после расситовки по классам крупности представлены на рис. 4.
Рис. 4 Распределение тяжелых фракций по классам крупности: а – в первой камере; б – во второй камере; в – в третьей камере
Fig. 4 Distribution of the heavy fractions by the size classes: (а) in chamber 1; (б) in chamber 2; (в) in chamber 3
Как видно из рис. 4, в, нулевое распределение показывает, что в третью камеру крупный материал (чугун) –1,0 + 0,63 мм не попадает, а остается в первой и второй камерах. Сводная таблица извлечения и распределения по классам крупности приведена в табл. 1.
Таблица 1 Сводная таблица извлечения и распределения по классам крупности
Table 1 A summary table of extraction and distribution by the size classes
Обсуждение результатов
При анализе продуктов разделения (обогащения) общего материала (–1,0 + 0,0 мм) по камерам: в первой камере распределяется 41,07% тяжелых частиц; во второй камере 50,7%; в третьей камере 3,66%. Общее извлечение тяжелых частиц по трем камерам составляет 95,4%, потери в хвостах – 4,6%. Детальное изучение гранулометрического состава тяжелых частиц по камерам разделения показало, что в первой камере в основном распределяется тяжелая фракция класса крупности –1,00 + 0,63 мм – 28,31% и –0,63 + 0,315 мм – 12,68%. Во второй камере – основная масса состоит из тяжелых фракций крупности –0,63 + 0,315 мм – 35,49%. В третьей камере распределяется в основной массе класс крупности –0,2 + 0,0 мм – 1,41%.
Ограничения исследования и обобщение его результатов; предложения по практическому применению Результаты экспериментальных и теоретических исследований разделения зернистых фракций разной крупности и плотности в аэродинамическом потоке, создаваемом в лабораторной модели пневмосепаратора, не могут напрямую быть использованы в других типах сепараторов, однако являются основой для конструирования полупромышленных и промышленных центробежных пневмосепараторов.
Предложения по направлению будущих исследований
Для конструирования полупромышленных и промышленных обогатительных центробежных пневмосепараторов необходимы дальнейшие исследования с использованием физико-математической модели.
Заключение
Результаты проведенных исследований на модели-стенде барабанного типа с центробежным активатором показали возможность сочетания в одном аппарате классификации по фракциям крупности и одновременно концентрации по удельному весу (плотности).
Список литературы
1. Синица Е.В., Сафронов С.Е., Иванов Н.А., Журавлев И.А. Анализ оборудования для классификации порошкообразных материалов. В кн.: Наукоемкие технологии и инновации (24-енаучные чтения): сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., г. Белгород, 21–22 октября 2021 г. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; 2021. С. 248–256.
2. Gavrilieva U., Vasilyeva M., Chung E.T. Generalized multiscale finite element method for elastic wave propagation in the frequency domain. Computation. 2020;8(3):63. https://doi.org/10.3390/computation8030063
3. Chung E., Pun S.-M. Computational multiscale methods for first-order wave equation using mixed CEM-GMsFEM. Journal of Computational Physics. 2020;409(2):109359. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2020.109359
4. Tyrylgin A., Vasilyeva M., Chung E.T. Embedded fracture model in numerical simulation of the fluid flow and geo-mechanics using Generalized Multiscale Finite Element Method. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1392:012075. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1392/1/012075
5. Vasilyeva M., Chung E.T., Efendiev Y., Kim J. Constrained energy minimization based upscaling for coupled flow and mechanics. Journal of Computational Physics. 2019;376:660–674. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.09.054
6. Терехова О.Н., Дуюнова Я.С. Пневмоцентробежная классификация дисперсных частиц в процессе переработки зерна в муку. Техника и технология пищевых производств. 2024;54(1):124–134. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-1-2494Terekhova O.N., Duyunova Ya.S. Pneumocentrifugal classification of dispersed particles during grain milling. Food Processing: Techniques and Technology. 2024;54(1):124–134. (In Russ.) https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-1-2494
7. Соломаха А.Е., Шваб А.В. Моделирование аэродинамики закрученного турбулентного потока в воздушноцентробежном классификаторе. Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2024;87:150–162. https://doi.org/10.17223/19988621/87/12Solomakha A.E.1, Shvab A.V. Simulation of aerodynamics of a swirling turbulent flow in a centrifugal air classifier. Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2024;87:150–162. (In Russ.) https://doi.org/10.17223/19988621/87/12
8. Перепелкин М.А., Склянов В.И. Динамическое моделирование подвижности минеральной постели в центробежных концентраторах. Горная промышленность. 2021;(2):114–119. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-2-114-119Perepelkin M.A., Sklyanov V.I. Dynamic modeling of mineral bed mobility in centrifugal concentrators. Russian Mining Industry. 2021;(2):114–119. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-2-114-119
9. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен [пер. с англ. С.В. Сенина, Е.Ю. Шальмана; под ред. Г.Л. Подвидза]. М.: Мир; 1990. Т. 1. 385 с.
10. Любимов Д.А. Анализ турбулентных струйных и отрывных течений в элементах ТРД комбинированными RANS/LES-методами высокого разрешения [дис. ... д-ра физ.-мат. наук]. М.; 2014. 289 с.
11. Романюк Д.А., Циркунов Ю.М. Нестационарные двухфазные течения газа с частицами в решетках профилей. Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2020;(5):33–45. https://doi.org/10.31857/S0568528120050126Romanyuk D.A., Tsirkunov Y.M. Unsteady two-phase gas-particle flows in blade cascades. Fluid Dynamics. 2020;55(5):609–620. https://doi.org/10.1134/S0015462820050122
