Анотація до роботи:

Гарковенко Є.Є. Розвиток фізико-технічних основ технологій зневоднення дисперсних середовищ, що деформуються. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – «Фізичні процеси гірничого виробництва». – Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена розв‘язанню актуальної наукової проблеми, що полягає в установленні залежності параметрів порового простору осаду від умов його динамічного навантаження, які визначають ефективність процесу механічного зневоднення. На основі дослідження зміни проникності осаду, який знаходиться в переконсолідованому стані, розроблено метод підвищення ефективності фільтрування. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження однієї установки СОП-10 з ексцентриковим роликом складає 160 тис. грн.

Для дослідження зміни стану осаду на різних стадіях процесу виконано чисельне комп’ютерне моделювання порового видалення вологи на базі методу дискретних елементів. В лабораторних умовах визначено такі важливі змiни стану осаду, як ущільнення й перебудова структури порового простору в зсувних полях деформацій, що сприяють збільшенню проникності осадів. Виконано дослідження процесів переміщення рідини в мікропорах при зміні проникності по довжині пори.

На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологію фільтрування, яка базується на ущільненні осаду й зміні конфігурації його мікропор в полях зсувних деформацій, та проведено її промислову апробацію.

Розроблено й упроваджено в практику збагачення галузеву методику обгрунтування раціональних параметрів процесу зневоднення тонкодисперсних осадів механічними методами, яка дозволяє встановити основні закономірності переміщення межі розділу фаз в поровому середовищі осадів, визначити їх здатність до фільтрування та необхідний час процесу, обгрунтувати раціональні параметри інтенсифікації процесу шляхом накладання зсувних деформацій на осад у переконсолідованному стані, а також параметри фільтрувальної установки в залежності від властивостей початкового живлення.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій розв'язано актуальну наукову проблему розвитку фізико-технічних основ технологій зневоднення дисперсних середовищ, що деформуються, шляхом визначення залежностей параметрів порового простору тонкодисперсних осадів від їх деформаційних характеристик при накладенні зсувних зусиль, яка має важливе значення для галузей переробки мінеральної сировини. На основі дослідження зміни проникності осаду, що знаходиться в переконсолідованому стані, розроблено метод підвищення ефективності фільтрування.

Основні підсумкові наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Доведено, що процес фільтрування продуктів збагачення складається з двох стадій. Перша стадія гідродинамічна, в ході якої рух твердих частинок визначається обтіканням їх вільною рідиною й зіткненнями частинок. Друга стадія - механіко-фільтраційна, на якій утворюються кластери постійно зв'язаних між собою частинок, що формують структуру осаду й зумовлюють його механічну міцність, яка проявляється у виникненні статичної границі міцності на зсув.

2. При моделюванні процесу перенесення фаз у поровому середовищі осаду одержано залежності максимального часу зневоднення від проникності порового середовища осаду, які мають гіперболічний характер. На кривих виділено три ділянки з різною швидкістю зміни часу зневоднення: перша – для осадів з низькою проникністю (відходи фільтрації): від 2 до 1,210^-12 м^-2, друга – для осадів з середньою проникністю (з низьким вмістом тонких і глинистих частинок): від 1,3 до 3,310^-12 м², і третя ділянка – для осадів з високим значенням проникності: від 3,410^-12 м² і вище (вугільні шлами, згущені продукти гідроциклонів й піски).

3. Встановлено, що критерієм трудності зневоднення осадів є проникність, чисельне значення якої складає 1,210^-12 м². Осади, що мають значення проникності, нижче за це, відносяться до тих, що важко фільтруються. Регулюючи структуру осадів, досягаємо підвищення їх проникності й, відповідно, зростання показників зневоднення без значного збільшення перепаду тиску. Прикладення зсувних полів деформацій до осаду є ефективним засобом збільшення його проникності.

4. Густина осадів вуглезбагачення змінюється від 1200 до 2000 кг/м³, загальна пористість від 0,3 до 0,6, число пластичності глинистих осадів складає 14-27%, коефіцієнт ущільнення при тиску 0,15 МПа - від 1,510^-6 до 0,510^-6 м²/Н, а при тиску 1,2 МПа від 0,0110^-6 до 0,0310^-6 м²/Н. Модуль загальної деформації при тому ж тиску знаходиться в межах 2,5-5 МПа і 15-80 МПа, відповідно. Коефіцієнт фільтрації змінюється при збільшенні тиску від 10^-6 м/с для зернистих осадів до 10^-13 м/с для глинистих переконсолідованих осадів.

5. Осади продуктів збагачення чинять помітний опір зсуву, який перевищуює 0,5 кПа, починаючи із вмісту твердого 0,35-0,72, при цьому середній приріст опору зсуву складає 1,5 кПа на кожну десяту долю розрідженості осаду. При цьому виникає кластерна будова осаду, що надає йому властивості твердого тіла, яке деформується в механіко-фільтраційному режимі.

6. При накладанні полів зсувних деформацій переконсолідовані осади розущільнюються на 5-18%, причому максимум розущільнення наступає після досягнення піку відношення дотичних напружень до нормальних, внаслідок чого коефіцієнт фільтрації збільшується в 2-3,5 разів. Це дозволяє прискорювати процес зневоднення на 15-20%. Недоконсолідовані осади при накладенні зсувних напружень ущільнюються, збільшуючи свою проникність в 1,1-1,2 рази при розкритті тупикових пор і пасток рідкої фази за рахунок перебудови мікроструктури осаду, що також підвищує швидкість зневоднення.

7. Ступінь розущільнення переконсолідованого осаду при зсуві зростає в 1,51 рази зі збільшенням його густини в 1,25 рази при зменшенні величини нормального тиску відносно тиску консолідації. Раціональним режимам зневоднення в зсувних деформаційних полях відповідає логарифмічна залежність ступеня розущільненя від швидкості зсуву.

8. Виникаючі в порі перехідні процеси уповільнюють процес перенесення речовини в порі й видалення вологи. Тривалість перехідних процесів залежить від параметрів порового середовища й дифузійного чинника, який, в свою чергу, пов'язаний з пористістю й проникністю осаду, а також з в'язкістю рідкої фази. При прямо пропорційному законі зміни проникності уздовж пори залежність падіння тиску по довжині пори наближається до прямої лінії, перехідні процеси мають тривалість удвічі меншу в порівнянні з процесами, що відбуваються за нелінійним законом, і протікають в основному на середніх ділянках пори. Для скорочення часу протікання перехідних процесів і прискорення видалення рідини через пори в тонких осадах застосовується динамічна дія на осад, яка сприяє зміні структури пор в осаді, розкриттю тупикових пор і пасток, очищенню пор від тонких частинок. Одним з таких способів є накладення зсувних напружень на осад в певні моменти часу.

9. Істотний опір осаду руху рідини починає проявлятися на кінцевій стадії зневоднення, коли коефіцієнт компресії падає до величини 0,1-0,01 м²/МН і менше. З цієї миті коефіцієнт фільтрації зменшується до 10^-7-10^-10 м/с в залежності від числа пластичності матеріалу осаду та його гранулометричного складу. З практичної точки зору такий стан для більшості осадів, що були випробувані, настає в момент часу, який складає 0,7-0,8 повного циклу зневоднення. Саме такого критерію за часом слід дотримуватися при обґрунтуванні параметрів нового способу інтенсифікації процесу механічного зневоднення шляхом застосування зсувних полів деформацій.

10. Розроблено нові способи зневоднення й пристрої для їх реалізації. Зокрема, вдосконалено стрічковий фільтр за рахунок ексцентричного розміщення осі роликів, що створює динамічні зсувні деформації в процесі зневоднення осаду. Промислові випробування в умовах збагачувальної установки ЗУ-2 ш. «Глибока» шахтоуправління «Донбас» (м. Донецьк) підтвердили ефективність застосування зсувних деформацій в ущільненому осаді, який мав переконсолідований стан. Накладання зсувних полів в зоні переконсолідованого осаду у момент часу, який становить 0.8 повного циклу зневоднення на апараті, забезпечує зниження вмісту вологи на 3-6% порівняно із звичною технологією зневоднення на стрічковому вакуум-фільтрі. Річний економічний ефект від застосовування однієї установки СОП-10 з ексцентриковим роликом складає 160 тис. грн.

11. Практичні висновки дисертації використано в галузевій методиці «Методика обґрунтування раціональних параметрів зневоднення тонкодисперсних вуглевмісних осадів механічними методами», яка передана і використовується в інститутах УкрНДІвуглезбагачення, НДІГМ, ДонВУГІ, ДонНТУ.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ НАУКОВИХ РОБОТАХ:

1. Гарковенко Е.Е., Назимко Е.И., Папушин Ю.Л., Самойлов А.И. Особенности флотации и обезвоживания тонкодисперсных углесодержащих материалов. – Донецк: Норд-пресс, 2002. – 266 с.

2. Гарковенко Е.Е. Исследование влияния нестабильной работы насосных установок на технологические параметры водно-шламовой схемы углеобогатительного предприятия // В кн. Звягильский Е.Л., Блюсс Б.А., Назимко Е.И., Семененко Е.В. Совершенствование режимов работы гидротранспортных установок технологий углеобогащения. – Севастополь: Вебер, 2002. – 247 с.

3. Гарковенко Е.Е. Взаимодействие фаз при обезвоживании тонких классов углей. Настройка модели // Збагачення корисних копалин. – 2001. - №13(54). - С. 116-121.

4. Александров С.Н., Напрасников С.В., Захаров В.С., Гарковенко Е.Е., Назимко В.В. Фрактальное исследование анизотропии пород. // Физика и техника высоких давлений. - 2001. – т. 11 - №2. - С. 125-131.

5. Гарковенко Є.Є., Назимко О.І. Интенсифікація процесу фільтрування в полі деформацій зсуву. // Тр. Міжнар. конф. «Вітчизняний та міжнародний досвід переробки відходів». Київ. - 2002. – С. 17-19.

6. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Интенсификация процессов фильтрации тонкодисперсных угольных шламов импульсными полями// Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва. – 2003. - №2. – С.48-50.

7. Гарковенко Е.Е. Моделирование перемещения границы раздела смачивающей и несмачивающей фаз в поровой среде осадка // Геотехническая механика. – 2003. - №41. - С. 193-199.

8. Гарковенко Є.Є. Дослідження особливостей фільтрування вологи через поровий простір осадів // Геотехническая механика. – 2003. - №44. – С. 54-59.

9. Гарковенко Е.Е. Приемы моделирования пористой среды осадков при их фильтровании // Труды международной научно-технической конференции «Горная энергомеханика и автоматика», посвященной 100-летию со дня рождения В.Г. Гейера. Донецк. – 2003. - Т.1. – С. 62-68.

10. Гарковенко Е.Е. Анализ уравнения перемещения границы раздела газ-жидкость в поровой среде осадка // Збагачення корисних копалин. – 2003. - №17(58). - С. 115-121.

11. Гарковенко Е.Е. Особенности обезвоживания тонких труднофильтруемых осадков // Труды НГУ. Днепропетровск. – 2003. - т.1, №17.-С. 88-93.

12. Гарковенко Е.Е. Анализ уравнения переноса вещества в пористой среде тонкодисперсных осадков // Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій. Днепропетровск. – 2003 вып.7. - С. 49-55.

13. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е., Корчевский А.Н. Применение вибрационного пневматического сепаратора при переработке угольных отвалов // Збагачення корисних копалин. – 2003. - № 17 (58). – С. 84-90.

14. Гарковенко Є.Є. Особливості переміщення вологи в пористому середовищі осадів при фільтруванні // Збагачення корисних копалин. – 2003. - № 18 (59). – С. 165-171.

15. Гарковенко Е.Е. Моделирование процесса вакуумного фильтрования угольных шламов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва. – 2004. - №1. – С. 317-319.

16. Назимко О.І., Гарковенко Є.Є., Морозова В.Г. Аналітичне дослідження впливу проникності осадів на переміщення речовини в порах // Збагачення корисних копалин. – 2004. - № 20 (61). – С. 83-88.

17. Гарковенко Е.Е. Методы моделирования процесса фильтрования жидкости через пористую среду осадка // Геотехническая механика. - 2005. - №56.- С 27-34.

18. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. К вопросу об исследовании перемещения влаги в порах осадков при их переменной проницаемости // Збагачення корисних копалин. – 2005. - №21(62). - С. 86-92.

19. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Влияние закона распределения проницаемости вдоль поры на длительность переходных процессов // Збагачення корисних копалин. – 2005. - №22(63). - С. 128-136.

20. Гарковенко Є.Є. Особливості нормальних деформацій ущільнених осадів при активізації об’ємного зсуву // Вісник Криворізького технічного університету. – 2005. - вип.7. - С. 89-93.

21. Гарковенко Е.Е. К вопросу о влиянии закона распределения проницаемости по длине поры на длительность переходных процессов // Вісник Криворізького технічного університету. 2005. - вип. 9. - С. 118-122.

22. Гарковенко Е.Е. Интенсификация обезвоживания тонких труднофильтруемых осадков // Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників - 2005”. – 2005. – т. 1 (А-Г), С. 185-191.

23. Назимко Е.И., Блюсс Б.А., Семененко Е.В., Гарковенко Е.Е. Повышение эффективности обезвоживания концентратов на ленточных вакуум-фильтрах // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2006.- №1. – С. 92-95.

24. Гарковенко Е.Е. Интенсификация механического обезвоживания осадков тонкодисперсных углесодержащих материалов // Вісник Криворізького технічного університету. – 2006. - вип. 13. - С. 90-94.

25. Гарковенко Е.Е. Исследование поведения осадков при наложении сдвиговых полей // Збагачення корисних копалин. - 2006.- Вип. 25-26. – С. 160-166.

26. Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е., Назимко В.В. Повышение экологической безопасности за счет складирования тонких отходов обогащения в виде твердых отвалов // Вісник Криворізького технічного університету. – 2006. - вип. 15. - с. 148-152.

27. Патент Украины, МКИ В07В1/40, В07В1/100. Вібраційний грохот. / Корчевський А.Н., Назимко О.І., Хохотва А.И., Гарковенко Є.Є., Єгурнов А.И. (УкраЇна). – 4с. іл.; Опубл. 15.08.2005, Бюл. №8.

28. Е.I. Nazimko, E.E. Garkovenko, A.N. Corchevsky, I.N. Druts. Kinetics of Phases Interaction during Mineral Processing Simulation // Proceedings of XV International Congress of Coal Preparation. – China, 2006. – Р. 318-322.

Особистий внесок здобувача до робіт, опублікованих у співавторстві:

[2, 4] – математичне моделювання, аналіз результатів чисельних і фізичних експериментів; [3] – взято участь в розробці розділу 1.5 книги, аналіз результатів, висновки; [5, 6] – постановка задачі, аналіз результатів і розробка пропозицій; [13, 16, 18] – постановка задачі, аналіз результатів; [19] – розробка методики моделювання; [23] – огляд методів, обгрунтування шляхів удосконалення процесу фільтрування; [26] – проведення експериментів та їх аналіз; [27] – обґрунтування параметрів апарату; [28] – математичне моделювання.