книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие

тонкостенных вставок из Ст. 10 и меди путем взвешивания их на

•аналитических весах (т. е. определялся также средний по периметру износ) с тем, чтобы иметь возможность сравнить спектры импульсов

•с соответствующими им величинами абсолютного износа.

По результатам измерений получают сначала интегральные, а затем и дифференциальные спектры импульсов для различных режимов движения гидросмесей и точек по окружности горизонталь­ ных и поднимающихся труб. Интегральный спектр представляет собой график, на котором изображено количество импульсов в зави­

симости от их величины. С по­

ближении износ медной вставки пропорционален суммарному количеству импульсов и их средней амплитуде. Для Ст. 10 износ пропорционален средней амплитуде в степени 0,6.

Обработка кривых распределения ударов стеклянных шариков показала, что при скорости транспортирования, близкой к крити­ ческой, зависимость п (иЛт) с известным приближением подчиняется

Соотношение (IV. 10) выполняется для характерного в практике сравнительно небольшого по абсолютным значениям диапазона скоростей.

Критерием оценки суммарного воздействия принимается вели­ чина кинетической энергии нормальных составляющих скоростей частиц, соприкасающихся с единицей площади внутренней поверх­ ности трубы (рис. 29). Эта энергия определяется суммой

Е — ”1“ ^2^2 “1 •••-|-^иР'к)

90

гидросмеси, скорости транспортирования и угла наклона потока могут быть получены для различных конкретных условий.

Для выяснения суммарного воздействия частиц (износа), экви­ валентного определенному спектру, проведены базовые экспери­ менты с дробленой породой класса 1—4 мм. Для этих опытов одно­ временно со снятием дифференциального спектра импульсов изме­ рялся и абсолютный износ тонкостенных вкладышей при помощи взвешивания их до и после эксперимента (вкладыши изготовлялись из Ст. 10 и меди). Суммарный результат воздействия частиц суще­ ственно определяется видом изнашиваемой поверхности. Например, при пропуске 40 т частиц породы при скоростях 5 и 2,5 м/с отноше­

После сравнения спектров импульсов с абсолютными износами вставок оказалось, что для меди износ пропорционален средне­ взвешенному количеству импульсов, а для Ст. 10 единичный объем износа оказался (как отмечалось) пропорциональным амплитуде

При рассмотрении результатов измерений (см. рис. 29) оказалось, что интенсивность воздействия частиц на твердые стенки потока существенно зависит от параметров транспортирования: скорость гидросмеси различно влияет на процесс при изменении плотности гидросмеси; минимальный износ наблюдается в диапазоне крити­ ческой скорости; износ неравномерен по периметру стенки, с уве­ личением скорости и концентрации неравномерность снижается. Сравнение суммарной энергии воздействия с его результатом (изно­ сом) показало, что износ в основном следует зависимостям суммарной энергии воздействия частиц. Однако полной тождественности не наблюдается. В частности, при скорости, равной и ниже критической, энергия воздействия значительно уменьшается, а износ имеет неко­ торую величину, хотя и незначительную. При определении энергии воздействия в зависимости от углов наклона трубопровода обнару­ жилась почти полная тождественность с закономерностью износа.

Некоторое несоответствие энергии воздействия частиц и износа объясняется тем, что износ не является результатом одного меха­ нического воздействия. Большую роль здесь играет химическое взаимодействие воды и материала стенок труб. Кроме того, суммарная величина кинематической энергии не может служить исчерпы­ вающей характеристикой всего воздействия частиц, которое для

91

различных режимов транспортирования также изменяется. Так, при высоких насыщениях отмечается взаимодействие частиц друг с дру­ гом. Имеет место интенсивное перемешивание и соударение частиц гидросмеси.

Хотя механизм воздействия взвеси в проточных каналах насосов имеет общие с трубами элементы, движение твердых частиц под действием дополнительной центробежной силы усложняет характер этого воздействия. Например, относительная скорость частиц уве­ личивается по мере продвижения их к наружному диаметру колеса. ■Этим можно объяснить более интенсивный износ выходных элементов лопастей при работе на мелкозернистых груптах, контакт которых с лопатками осуществляется по всей их рабочей поверхности. На­ личие гидроабразивпого износа существенпо влияет на рабочие характеристики оборудования (см. гл. VIII).

В практических целях в каждом случае абсолютное значение износа определяют взвешиванием вставок (отрезков труб) до и после проведения опытов на аналитических весах I класса. Точность взвешивания вставок составляет шесть знаков, а ошибка измерения износа не превышает 5%. При измерении удельного износа вставок -опыты повторяются по нескольку раз (до десяти); для каждого режима транспортирования вычисляют среднее значение износа. Для получения падежных данных коэффициент вариации не должен превышать 10—12% для медных вставок и 15—18% для стальных.

Поскольку с изменением угла атаки абразивных частиц относи­ тельная износостойкость различных материалов меняется (вплоть

.до инверсии износостойкости), то и соотношение значений износа, например, для меди и стали для различных скоростей непостоянно. Следовательно, выявление влияния параметров транспортирова­ ния на износ труб необходимо вести с применением вставок из тех же материалов, из которых изготовлены трубы.

В настоящее время экспериментальное изучение гидроабразив­ ного износа труб проводится, как правило, на вставках из материалов относительно мягких (медь, свинец алюминий и др.), а затем зна­ чения износа пересчитываются па износ стальных труб с помощью

вольно широких пределах.

При перемещении пород важно учитывать, что их абразивная способность прежде всего определяется шероховатостью поверх­ ности частичек, т. е. их микрогеометрией. Именно различием шеро­ ховатости поверхностей и объясняется обычно различная абразивная

•способность, например, песка.

В связи с рассмотрением зависимости показателя абсолютного

зернистых и мелкогравийных пород удельный износ (отнесенный к единице веса породы) в 2—3 раза ниже, чем при скоростях зна­ чительно выше критических. Слой заиления, закрывающий наи­

3 2

более изнашиваемую часть внутренней поверхности труб, оказывает большое влияние на удельный износ. Эпюра износа внутренней поверхности трубопровода, работающего в режиме с заилением, имеет два максимума, расположенных в боковых точках трубы (при отсутствии заиления имеется один максимум в нижней точке).

Неравномерность износа наиболее полно можно характеризо­ вать отношением максимального значения износа к среднему износу по периметру. По этому показателю режим с заилением для мелко­ зернистых пород наиболее эффективен. Примерная, наиболее целе­ сообразная величина степени заиления труб — h/D «=> 0,15—0,2.

Заметим, что поддерживать в процессе эксплуатации гидро­ транспортной установки строго постоянную степень заиления трубо­ провода нет необходимости.

Неизбежные колебания режима транспортирования около рас­ четного даже благоприятны, поскольку вызовут перемеще­ ние зоны максимального воз­ действия транспортируемого ма­ териала на внутреннюю поверх­ ность трубы и будут способство­ вать снижению неравномерности износа. Разумеется, режим с частичным заиливанием целе­ сообразен для транспортирова­ ния мелкоизмельченных мате­

риалов (песка, хвостов обогатительных фабрик и т. д.), по­ скольку при крупнокусковой горной массе возможна значительная нестабильность режима, расклинивание кусков в трубах (в местах соединения и на поворотах) и др.

Таким образом, и по условиям достижения минимального износа, и по минимуму энергетических затрат режим в области критических скоростей наиболее эффективен. Тщательными измерениями уста­ новлено, что средний по периметру удельный износ при скоростях транспортирования примерно до и — 2икр практически не зависит от плотности гидросмеси: удельный износ в нижнеи точке поверхности трубы с увеличением плотности уменьшается вследствие более равно­ мерного износа по периметру. Исходя из этого, желательно в про­ цессе эксплуатации трубопровода поддерживать как можно большее насыщение гидросмеси.

Опыты и практика свидетельствуют, что износ вертикальных труб в 2—4 раза меньше горизонтальных. При угле наклона труб около 20° наблюдается некоторое увеличение износа. Заметно харак­ терное повышение значений износа в сторону нисходящих углов наклона (рис. 30) вследствие влияния повышенных скоростей движения частиц, влекомых по нижней стенке. При больших углах наклона частицы полностью переходят во взвешенное со­ стояние.

93

лопастей, которые создают существенный запас длины их на износ. В связи с изложенным при выборе оптимального режима транс­ портирования следует предусматривать скорости транспортирова­ ния, близкие к критическим; для достижения более равномерного износа труб необходимо поддерживать максимальное насыщение смеси; для мелкоизмельчепных материалов возможны режимы со

скоростью, несколько меньше критической.

Деградация частиц горных пород в потоках

Следствием воздействия гидросмесей иа твердые границы потока является деградация частиц в процессе движения, весьма значи­ тельная для отдельных видов смесей и условий движения (в гори­ зонтальных трубах при повышенном количестве поворотов, в про­ точных каналах насосов и др., особенно при перемещении кусковых и хрупких горных пород).

Механизм деградации крупных классов можно представить как процесс истирания. Изменение размеров каждой частицы можно выразить как уменьшение объема или веса частицы G; поскольку эта величина пропорциональна характерному размеру частицы {например, кубу диаметра шаро- и кубоподобного тела), то процесс деградации можно рассматривать как процесс уменьшения этого характерного размера при заданных условиях транспортирования за определенное время.

Естественно предположить, что изменение размера dd за время dt зависит от квадрата скорости движения частицы (поскольку при истирании реализуется часть кинетической энергии движущейся частицы, пропорциональной и1), условий трения и физико-меха-

(и значит характерным поперечным размером ее), коэффициентом

изменения характерного размера частицы за единицу времени. Удобно пользоваться его обратным значением, т. е. величиной, характери­ зующей время изменения характерного размера частиц на единицу длины. Таким образом, коэффициент измельчения — величина раз­ мерная.

Величина d8/dt, как это очевидно, не остается постоянной с изме­ нением длины транспортирования. Можно предположить, что с уве­ личением длины I производная d8/dt будет уменьшаться (вследствие окатывания). Если обозначить коэффициент трения скольжения или качения частицы через /, а коэффициент измельчения через |3, можно составить дифференциальное уравнение процесса вида

d6/df = -M*6/P/Z; (IV.TJ)

95

ностью частицы после перемещения ее на определенное расстояние от скорости перемещения, коэффициентов трения и деградации. Это уравнение не учитывает влияния концентрации частиц (которое не должно быть существенным), наличия более твердых включений

идействия других факторов. В уравнении (IV.13), как это логично предполояшть, величина коэффициента деградации р зависит от петрографической характеристики материала, коэффициента формы

идругих особенностей процесса.

При перемещении хрупких пород, например, угля, разнородного по гранулометрическому составу, включая грубодисперсные и тонко­ дисперсные частицы, механизм деградации усложняется. Однако основным фактором, определяющим процесс измельчения в трубах, является процесс истирания. Измельчение частиц грубодисперсной фракции (менее 2 мм) ничтожно, а измельчения частиц тонкодисперс­ ной фракции (менее 200 мк) практически исключается. Наличие этих фракций в гидросмеси несколько смягчает процесс истирания крупных классов угля. Более существенное значение для измель­ чения угля имеет наличие породных включений в гидросмеси. При характерной для транспортирования классификации частиц в потоке по гидравлической крупности куски породы могут разрушать при столкновении частицы угля и способствовать их истиранию.

и слабых материалов, перемещаемых в системах гидротранспорта). Значительные по масштабам эксперименты в этой области проведены в ИГД им. А. А. Скочинского, результаты которых приведены ниже.

вождается размоканием отдельных компонентов породы и переходом глинистых частиц в тонкие классы. Происходит изменение качествен­ ной характеристики угля, которое определяется в основном выходом тонких классов (менее 60—40 мк). Поэтому важно располагать экспресс-методом для оценки деградации угля или других материалов по этому фактору. В основу такого метода положено использование кольцевых стендов с трубами промышленного диаметра.

Анализ экспериментов показал, что выход класса менее 0,063 мм в трубопроводах различной протяженности (в т. ч. на десятки кило­ метров) при перемещении рядовых и кусковых углей при опытах

9G

на горизонтальном трубопроводе и кольцевом стенде практически совпадает. В то же время средневзвешенный размер частиц изме­ няется в разных установках существенно по-разному. Это объясняется тем, что выход тонких классов происходит в результате истирания наиболее крупных частиц; данный процесс в общих чертах одинаков как в горизонтальном, так и в кольцевом трубопроводах, поскольку вызывается трением кусков о твердые границы потока. В то же время кольцевая и горизонтальная трубы характеризуются различ­ ными профилями распределения концентрации, скоростей и крупности частиц по вертикали потока вследствие разного механизма переноса частиц потоками, в результате чего и следует ожидать значительной разницы в деградации мелких и мельчайших классов, о чем и сви­ детельствует опыт при оценке процесса по средневзвешенному размеру частиц.

Влияние скорости движения гидросмеси и качества монтажа труб

При гладких трубах с увеличением скорости гидросмеси выход мелких классов возрастает в значительно меньшей степени, чем у труб со стыками. С увеличением скорости гидросмеси влияние стыков па измельчение угля уменьшается, поскольку при высоких скоростях частицы угля интенсивнее взвешиваются. Выход круп­ ного угля с увеличением скорости при наличии кромки высотой в 2 мм уменьшается. Следовательно, для уменьшения деградации

в табл. 7, из которой следует некоторое уменьшение величины дегра­ дации (для рядового угля) в трубах большего диаметра при огра­ ниченных расстояниях.

рядовом необогащенном угле. Оказалось, что размокаемая порода

Для различных шихт подтверждено, что образование^тонких классов в процессе гидротранспортировки происходит главным образом за счет размокаемых породных фракций, находящихся в горной массе. Размокание породы существенно зависит также от дальности транспортирования. Поэтому при оцеике деградации

классов изучалось также на полупромышленном стенде с горизон­ тальным трубопроводом D = 300 мм и L — 1,3 км. Опыты прово­

Результаты опытов показали, что выход тонких классов 0—0,040 мм в опытах с обогащенным углем значительно меньше. Образование тонких классов интенсивно протекает до 1 2 км, а затем несколько

Влияние неразмокаемых пород иа деградацию угля установлено опытами с ушлем марки «Г» класса 0—25 мм, зольностью Ас — 15%. В качестве неразмокаемой породы использовался кварц класса 25—50 мм. Опыты проводились иа кольцевом стенде при расстоянии L — 12 км и скорости 2,7 м/с. Установлено, что при содержании 30% породы процесс деградации интенсифицирует почти в два раза по выходу класса 0 —3 мм по сравнению с гидротранспортом чистого угля.

Удаление породы перед гидротранспортом может существенно улучшить, например, сортность угля и уменьшить количество тонких классов угля, поступающих на обогатительную фабрику.

В л и я н и е к р у п н о с т и на образование в трубопроводах тонких классов рассматривалось для сортированных и рядовых углей. Опыты при ориентировочной оценке для гладких труб (без стыков) не показывают заметного влияния крупности угля в пре­ делах 15—100 мм на выход классов 0—0,040 мм. Для сравнения проведены опыты и при наличии стыков высотой 2 мм.

Оказалось, что при высоте стыка в 2 мм крупность исходного угля влияет на выход класса 0—0,040 мм и особенно на выход класса 0 _0,5 мм в диапазоне изменения крупности от 6 до 50 мм. Сравнение опытных данных по измельчению угля разной крупности в трубо­ проводах со стыками и без стыков показывает, что влияние стыков ощутимо сказывается уже при крупности угля 3—6 мм, а при круп­ ности 1 -т- 3 мм это влияние незначительно.

При выборе варианта технологической схемы следует сравнивать конечные гранулометрические составы после гидротранспорта и при­ нимать тот, в котором показатели окажутся лучшими. При установле­ нии оптимальной крупности дробления исходного материала надо

98

учитывать и другие факторы, такие, как влияние насосов, сопро­ тивление и износ трубопровода, зависящие также от исходной крупности угля. При гидротранспорте обогащенного угля крупностью 0 — 3 мм даже на весьма больших расстояниях транспортирования (500 км) измельчение угля практически ничтожно.

Приведенные данные измерений, а также специально поставлен­ ные опыты показывают, что наличие в трубопроводах стыков высотой в 2,5—3 мм увеличивает выход мелких классов (0—0,5 мм) для рядовых и кусковых углей в 3—4 раза. В связи с этим для сохране­ ния сортности материалов необходимо уменьшать высоту кромки стыкуемых труб.

При прохождении через проточные каналы углесосов со ско­ ростью вращения рабочих колес 1400 об/мин уголь и хрупкие породы +13 мм значительно измельчаются. В то же время при прохождении через тихоходные насосы для классов 13—25 мм и менее измельче­ ние угля незначительно.

Заметим, что не обнаруживается заметного влияния восстающих трубопроводов на выход тонких классов при движении даже круп­

Для любой транспортной установки или системы при расчете подлежат определению основные параметры движения гидросмесей, а именно: критическая скорость и гидравлические сопротивления (удельные потери напора) при заданных размерах поперечного сечения потока (для труб — диаметра). По этим параметрам опре­ деляются рабочая скорость и развиваемый напор гидротранспорти­ рующих агрегатов (для желобов >— уклон).

В инженерной практике гидравлические сопротивления гидро­ транспортных коммуникаций наиболее удобно рассчитывать, исходя из параметров движения несущей жидкости (воды). Расчеты пока­ зывают, что доля гидравлических сопротивлений несущей жидкости в общих сопротивлениях движению смесей значительна,^поэтому важно как можно точнее определять данный параметр.

Определение гидравлических сопротивлений при движении несущей жидкости (воды)

Как было показано выше, движение гидросмесей в трубах вслед­ ствие воздействия частиц способствует изменению поверхности внутренних стенок. Если несущая жидкость нейтральна в отношении показателя кислотности и не проявляется значительно коррозирую­ щий эффект от переменных за сравнительно короткое время условий эксплуатации установок (частое опорожнение труб, попадание воз­ духа и др.), то за первые 1 0 0 — 2 0 0 ч происходит «шлифование» труб.