Гравитационные процессы обогащения полезных ископаемых

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ДОНЕЦКИЙ ТРАНСПОРТНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

ЦИКЛОВАЯ КОМИССИЯ ГОРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН

 

 

 

 

 

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

 

Учебное пособие для студентов, обучающихся специальности «Обогащение полезных ископаемых»

 

 

 

 

 

Донецк-2019

 

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся специальности «Обогащение полезных ископаемых», при изучении дисциплины «Гравитационные методы обогащения полезных ископаемых» и может быть полезно для преподавателей обогатительных дисциплин.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Гравитационными называют методы обогащения полезных ископаемых, в которых сепарация минеральных зерен, отличающихся плотностью, размерами и формой, обусловлена различием в характере и скорости их движения в жидких средах под действием силы тяжести или центробежной, а также сил сопротивления.

Гравитационные методы занимают ведущее место среди других методов обогащения, особенно в практике переработки каменных углей и антрацитов, золотосодержащих, вольфрамовых, молибденовых руд, руд россыпных месторождений и руд черных металлов.

Гравитационные методы по широте диапазона характеристик обогащаемых полезных ископаемых, разнообразию условий применения и назначению, простоте технологии, высокой производительности обогатительных аппаратов в сравнимых условиях превосходят многие другие процессы обогащения и обеспечивают высокую эффективность сепарации минеральных смесей при относительно низких материальных, трудовых и энергетических затратах.

 

ГЛАВА 1. СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ И ЖИДКИХ СРЕД ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ СЕПАРАЦИИ

 

Свойства минералов

 

 В земной коре насчитывается около 3000 минералов. Минералы отличаются друг от друга химическим составом, физико-химическими и физико-механическими свойствами. К ним относятся: плотность, форма, твердость, цвет, блеск, электропроводность, смачиваемость, магнитная проницаемость и др.

 С помощью технологий, основанных на гравитационной сепарации, можно извлекать порядка 250 из известных минералов.

Для гравитационных процессов сепарации существенное значение имеют такие свойства минеральных зерен, как плотность, крупность и форма.

Плотность вещества минерала (истинная плотность) это  отношение массы к объему вещества:

.

Плотность минерала (кажущаяся плотность) – отношение массы к объему тела:

.

Объем тела больше объема вещества, поскольку включает в себя поры и пустоты. Объем пор равен разности объема тела и объема вещества, то пористость минерала:

.

Пример: какова кажущаяся плотность каменного угля, если его истинная плотность составляет 1450 кг/м³, а пористость – 10%.

Решение: из уравнения для пористости минералов получаем: =1450(1-10/100)=1305 кг/м³.

Крупность минеральных зерен определяется характерным размером – эквивалентным диаметром, равным диаметру сферы, равновеликой по объему зерну т.е.:

, откуда .

 

Пример: найти эквивалентный диаметр куска угля, если его масса составляет 0,785 г, а плотность – 1500 кг/м³.

Решение:  поскольку масса частицы равна произведению ее объема на плотность, то при переводе массы частицы в килограммы, получаем:

Качественная характеристика и значения истинной плотности некоторых минералов приведены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

Свойства некоторых минералов, извлекаемых гравитационными методами

 

Минерал	Химическая формула	Плотность, кг/м^3	Ценный компонент	Содержание ценного компонента, %
Золото самородное	Au	До 19000	Золото	До 100
Галенит	PbS	7400-7600	Свинец	86,6
Молибденит	MoS2	4300-5000	Молибден	59,94
Пирит	FeS2	4900-5200	Железо	46,55
Сфалерит	ZnS	3900-4100	Цинк	67,10
Халькопирит	CuFeS2	4100-4300	Медь	34,36
Касситерит	SnO2	6100-7300	Олово	78,80
Кварц	SiO2	2650	Кремний	46,70
Ильменит	FeTiO3	4400-5000	Титан	31,60
Магнетит	Fe3O4	4500-5300	Железо	72,40
Хромиты, хромшпинелиды	(Fe,Mg)Cr2O4	4000-4800	Диоксид хрома	68,00
Кальцит	CaCO3	2700-2730	Оксид кальция	56,00
Магнезит	MgCO3	3000	Оксид магния	47,60
Сидерит	FeCO3	3500-3900	Железо	48,30
Барит	BaSO4	4300-4500	Оксид бария	65,70
Шеелит	CaWO4	6000	Триоксид вольфрама	80,60
Гематит	Fe2O3	5000-5200	Железо	70,00
Пиролюзит	MnO2	4820	Марганец	63,20
Уголь	C	1300-1800	-

Форма минеральных зерен зависит от физико-механических свойств минералов, условий разрушения горных пород и последующих на них воздействий природного и техногенного характера.

Например, зерна минералов, образованные при разрушении руд коренных месторождений имеют неправильную форму обломков кристаллов. У зерен каменных углей угловатая форма, сланца – пластинчатая, асбеста – игольчатая, магнетита – близкая к кубической. Окатанные минеральные зерна россыпных месторождений имеют округлую форму.

Отклонение формы зерен от сферической можно охарактеризовать коэффициентом формы, равным отношению поверхности шара, равновеликого по объему минеральному зерну к поверхности зерна:

.

В зависимости от величины коэффициента формы принято минеральные зерна относить к следующим формам:

Шарообразная	1,0
Округленная, окатанная	0,8-0,9
Угловатая	0,7-0,8
Пластинчатая	0,6-0,7

 

Дисперсные системы

Дисперсные системы со всевозможной комбинацией фаз, различающихся природой и агрегатным состоянием, размером частиц и взаимодействием между ними, характеризует широкий спектр структурно-механических свойств.

Множество различных взаимодействий фаз в суспензиях можно объединить в три основные группы:

· гидродинамическое взаимодействие между жидкостью и диспергированными твердыми частицами, приводящее к увеличению вязкости жидкости;

· межчастичное взаимодействие, способствующее образованию хлопьев, скоплений, агломератов;

· столкновения частиц, вызывающие вязкостные взаимодействия.

Под каждым из таких взаимодействий подразумевается множество факторов, составляющих содержание приведенных выше групп, взаимосвязь которых представлена на рис.1.2.

 

Рис.1.2. Соотношение групп взаимодействий и факторов, определяющих вязкость суспензии

 

Реологические свойства суспензий зависят от преобладания того или иного вида взаимодействия.

С ростом меж частичного притяжения вязкость суспензии растет, т.к. частицы дисперсной фазы образуют формулы, скопления, агломераты, что приводит к появлению   псевдо пластичного характера течения суспензии.

При более сильном меж частичном притяжении вязкость суспензии растет, прочность флокул увеличивается, и они выдерживают некоторое напряжение сдвига без разрушения. Суспензия в данном случае приобретает предел текучести и становится вязко пластичной. При более высокой прочности флокул о суспензии можно говорить как о пластичной.

При слабом и среднем меж частичном притяжении, но высокой концентрации дисперсной фазы, проявляются свойства грануловязкости, и суспензия при этом превращается в пасту. Если такой же эффект возникает при сильном меж частичном притяжении, но при низких концентрациях дисперсной фазы, то суспензия превращается в гель. 

Суспензии представляют собой двухфазные системы, где дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - жидкость.

В практике обогащения полезных ископаемых широко известны водные суспензии, представляющие собой взвесь тонкодисперсных частиц минералов в воде. Они фактически являются рабочими средами многих обогатительных процессов.

Суспензии характеризуются соотношением твердой и жидкой фаз, которое может быть представлено:

- объемной концентрацией твердой фазы, равной отношению объема твердой фазы суспензии к объему суспензии;

- массовой концентрацией твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к объему суспензии;

- массовой долей   твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к массе суспензии;

- разбавлением (разжижением) суспензии, равным отношению массы жидкой фазы к массе твердой фазы

- плотностью, равной отношению массы суспензии к ее объему.

 

 

 

Пример: масса пробы магнетитовой суспензии объемом 1 л составляет 1,3 кг. Масса отделенной от воды и высушенной твердой фазы составляет 375 г. Определить показатели, характеризующие соотношение фаз суспензии.

Решение: поскольку известны масса и объем суспензии, то ее плотность составит .

 Масса жидкой фазы равна разности массы суспензии и массы твердой фазы, т.е.

.

Массовая доля твердой фазы составит:

,

разжижение суспензии  

Этот показатель можно определить и по соотношению масс жидкой и твердой фазы,

 

т.е.

Массовая концентрация твердой фазы составляет

Если известна плотность твердой фазы, например, для рассматриваемого случая она равна 5000 кг/м³, то .

 

Контрольные вопросы

 

1. На каких явлениях и свойствах минеральных зерен основаны гравитационные методы обогащения полезных ископаемых?

2. Дайте понятия плотности и истинной плотности минералов. В чем различия между ними?

3. Что такое «эквивалентный диаметр» минерального зерна и как его определить?

4. Как найти пористость минерала? Каково влияние пористости на скорости движения минеральных зерен в жидкости.

5. Дайте понятие коэффициента формы минерального зерна.

6. Что такое коэффициент динамической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

7. Что такое коэффициент кинематической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

8. Что такое суспензия и каковы ее основные характеристики?

9. Перечислите факторы, определяющие вязкость суспензий и дайте пояснения их влиянию.

10. Запишите формулу для плотности суспензии.

 

 

Соотношение групп взаимодействий и факторов,

определяющих вязкость суспензии

 

 

 

В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

 

Неоднородного вещества

 

У частиц из неоднородного вещества, например, у сростков, состоящих из минералов различной плотности, центр объема не совпадает с центром масс.

Рис. 4.2. Поведение частицы из неоднородного вещества: а) исходное положение; б) равновесное положение.

 

Точка приложения силы тяжести совпадает с центром масс, а точка приложения выталкивающей силы Архимеда совпадает с центром объема частицы (рис. 4.2а). В этом случае возникает пара сил и момент, который поворачивает частицу до достижения равновесного положения (рис. 4.2б), при котором действующие силы расположены на одной вертикали и момент этой пары сил становится равным нулю.

Если такая частица будет находиться в движущемся вертикальном потоке жидкости, то она будет каждый раз занимать новое равновесное положение при изменении скорости и направления потока. Это явление будет менять миделево сечение, а, следовательно, и значение силы сопротивления и скорости частицы относительно жидкой среды.

 

Жидкости.

 

Пусть восходящий поток жидкости движется со скоростью U, равномерно распределенной по его сечению (рис.4.6). Частицы, движущиеся относительно жидкости со скоростью v, будут иметь относительно сосуда, в котором движется жидкость, скорость U - v. Поэтому при U -v>0, они будут транспортироваться потоком наверх, а при U - v <0 – осаждаться. Для более крупных частиц (рис.)  и они будут перемещаться вниз, а для более мелких частиц  и они будут потоком жидкости перемещаться вверх. Граничная крупность определяется из соотношения .

 

 

Рис. 4.6. Осаждение частиц в вертикальном потоке жидкости

 

Частицы со скоростью осаждения меньшей скорости восходящего потока будут этим потоком транспортироваться вверх, а частицы с большей скоростью будут осаждаться. Это создает предпосылки для сепарации по крупности частиц одинаковой плотности и сепарации по плотности частиц одинаковой крупности.

При массовом осаждении частиц наступают стесненные условия движения. Если скорость стесненного движения равна скорости восходящего потока (), то слой частиц будет во взвешенном состоянии и его коэффициент разрыхления равен , а объемная концентрация твердой фазы в нем . Плотность слоя составит:

.

Частицы со скоростью  будут транспортироваться потоком вверх, а частицы со скоростью  - концентрироваться в потоке, образуя вышеописанную взвесь. Частицы большей плотности будут иметь и большую скорость относительно жидкой среды, поэтому объемная концентрация таких частиц будет выше, чем частиц меньшей плотности, следовательно, будет выше и плотность слоя. Таким образом, создаются предпосылки для выталкивания из этого слоя частиц меньшей плотности наверх, где они создают слой из подобных себе частиц.

Частицы различной плотности в равномерном восходящем потоке жидкости образуют равновесные слои. Они располагаются так, что в нижней части взвеси будут частицы большей плотности, в верхней – меньшей.

Схематически этот процесс представлен на рис. 4.7.

 

 

 

Рис. 4.7. Фазы процесса расслоения зернистой смеси по плотности в восходящем потоке жидкости: а) начальная; б) промежуточная; в) конечная. у(с) - зависимость распределения концентрации по высоте потока: 1 – для тяжелых частиц; 2 – для легких.

Сепарационные процессы

 

Сепарационные эффекты, вызванные различием поведения различных частиц при их взаимодействии с жидкой средой, позволяют осуществлять сепарацию смесей частиц, имеющих отличия в крупности и плотности.

Процесс сепарации может осуществляться следующими способами:

1) сепарация в объеме, в которой сепарационный эффект возникает независимо от количества частиц, находящихся одновременно и распределенных в жидкой среде; она реализуется при гидравлической классификации, сгущении суспензии, обогащении в тяжелых средах;

2) сепарация в слое, в сепарационный эффект возникает при взаимодействии с другими частицами, что приводит к распределению частиц по плотности в толщине слоя; она реализуется при отсадке, сепарации в суживающихся желобах, гидросайзерах и в других устройствах, обеспечивающих сегрегацию частиц по плотности;

3) сепарация на поверхностях, в которой сепарационный эффект возникает при взаимодействии с твердой поверхностью частиц, находящихся в потоке жидкой среды; она реализуется на концентрационных столах, в винтовых сепараторах, винтовых шлюзах и других устройствах, использующих эффекты, возникающих в потоках жидкости, текущих по наклонным поверхностям.

По направлению движения потоков исходной смеси зерен и с измененным составом вследствие сепарационных эффектов, режимы сепарации могут быть:

1) прямоточный (рис. 5.1а);

2) противоточный (рис. 5.1б);

3) полупротивоточный (рис. 5.1в).

 

Рис. 5.1. Режимы сепарации: а) прямоточный; б) противоточный; в) полупротивоточный. Цифрами обозначены продукты сепарации: 0 – исходный; 1 – тяжелый; 3 – легкий

При прямоточном режиме из разделяемой смеси зерен (частиц) по мере ее поступательного продвижения вдоль рабочего пространства сепаратора формируются два потока. Один из них содержит преимущественно частицы более высокой плотности (тяжелые), другой – с меньшей плотности (легкие).

При противоточном режиме имеет место циркуляция слоев с различным содержанием частиц. Смесь зерен (частиц), по мере ее продвижения в рабочем пространстве сепараторе, разделяется на потоки с различным содержанием легких и тяжелых частиц. Один из потоков реверсируется и движется в направлении, противоположном исходному потоку. При этом происходит его повторная сепарация, приводящая к повышению его чистоты.

При полупротивоточном режиме имеет место комбинация прямоточного и противоточного режимов.

 

Рис.6.5. Схема гидроциклона

 

 

Наибольшее распространение в промышленности получили цилиндроконические гидроциклоны с диаметром цилиндрической части корпуса от 10 до 1000 мм. Гидроциклоны малого диаметра обычно объединяют в батарею и называют мультициклонами.

В зависимости от значения угла конусности (угла при вершине конической части) гидроциклоны имеют и различное технологическое применение: с углом конусности 10⁰ для обесшламливания и сгущения; с углом 20⁰ для гидравлической классификации; с углом 40-60⁰ для обогащения в тяжелых средах; с углом более 60⁰ для сепарации по плотности.

Гидроциклон имеет тангенциально расположенный питающий насадок, имеющий прямоугольное сечение и расположенный длинной стороной вдоль оси гидроциклона, сливной насадок, расположенный в центре крышки (диафрагмы) и песковый насадок, находящийся в вершине конической части аппарата (рис.6.5).

Внутренняя поверхность гидроциклона футеруется резиной, каменным литьем, карбидом кремния и др. материалами для предотвращения абразивного износа.

В результате тангенциального ввода исходной суспензии она приобретает интенсивное вращательное движение.

В центральной части вращающего потока образуется разрыв сплошности жидкости и образуется так называемый воздушный столб, т.е. свободная поверхность вращающейся жидкости или поверхность равных потенциалов. Эта поверхность представляет собой гиперболоид вращения, который при весьма высоких скоростях вращения, что имеет место в гидроциклонах, превращается в цилиндр, радиус которого составляет , где r_c – радиус сливного насадка.

В гидроциклоне образуется два вихревых потока, вращающихся в одну сторону: внешний, нисходящий к песковому насадку и внутренний, восходящий к сливному насадку. Границу, разделяющую эти потоки, называют поверхностью реверсирования или поверхностью нулевых осевых скоростей. На самом же деле, имеет место некоторая область реверсирования потоков, представляющая собой вихрь занимающей пространство от пристенного потока до радиуса сливного насадка.

Уравнение вынужденного вихря, показывающее зависимость тангенциальной составляющей скорости движения жидкости от радиуса, имеет вид:

.

 Здесь n показатель степени, зависящий от кинематической вязкости жидкости, величины радиального стока и других характеристик потока, обуславливающих перенос количества движения во внутренние слои вращающегося потока. В общем виде он определяется формулой:

,

где . Здесь c_k =0,0112 – структурная составляющая турбулентного потока; U_r – радиальная составляющая скорости вращающегося потока.

Анализ этого уравнения показывает, что для идеальной жидкости при отсутствии вязкости (c_k =0) n = 1. Для вращающего потока без центрального стока (U_r =0) n = -1 и жидкость вращается как твердое тело с постоянной угловой частотой. При вращении потока реальной жидкости с центральным стоком () показатель степени n, в принципе, принимает значения от –1 до 1 и для наиболее распространенных конструкций гидроциклонов он составляет 0,3…0,9. Для обычного сочетания конструктивных и режимных параметров гидроциклонов этот показатель близок к величине 0,5.

Таким образом, зависимость тангенциальной составляющей скорости вращающейся в гидроциклоне жидкости устанавливается из следующих рассуждений:

,

где  - скорость и радиус закручивания потока. Скорость закручивания потока примерно равна половине скорости ввода суспензии, поскольку вводимая струя в корпусе гидроциклона расширяется. Радиус закручивания потока примерно соответствует радиусу цилиндрической части гидроциклона.

Объемный расход жидкости через гидроциклон определяется размером насадок и напором суспензии на входе в аппарат. Для ее расчета можно использовать известную полуэмпирическую формулу:

,

где d_e, d _c – диаметры питающего (эквивалентный) и сливного насадков, м; Н – напор суспензии на входе в питающий насадок, м; K_D, K _a - поправки на диаметр и угол конусности гидроциклона (для гидроциклона диаметром 500 мм и углом конусности 20⁰ они равны единице).

Для наиболее распространенных конструкций цилиндроконических гидроциклонов для классификации имеют место следующие соотношение между размером насадков и диаметром цилиндрической части корпуса: d_e=(0,17…0,22)D; d_c=(0,25…0,3)D. Диаметр пескового насадка выбирают примерно в два раза меньше сливного.

Вводимый тангенциально в гидроциклон поток суспензии приобретает вращательное движение. Частицы твердой фазы за счет центростремительного ускорения приобретают относительно жидкой фазы скорость в радиальном направлении. Их концентрации у стенки корпуса повышается, поэтому за счет возникшего градиента концентрации начинается турбулентный перенос в обратном направлении. При этом распределение концентрации частиц в зависимости от радиуса вращения подчиняется уравнению:

,

где с₀ – концентрация частиц у стенки корпуса гидроциклона.

Анализ этого распределения показывает, что большую вероятность нахождения в потоке суспензии, направляемом в пески гидроциклона, будут иметь частицы с большей радиальной скоростью относительно среды, т.е. частицы большей крупности. Таким образом, твердая фаза пескового продукта будет содержать преимущественно крупные частицы, а твердая фаза слива – мелкие.

Поток суспензии, направляемый в песковый продукт, формируется из внешнего вихря, а поток суспензии, направляемый в слив – из внутреннего. Между ними находится область реверсирования этих вихрей, заполненная циркулирующим вихрем, который, перемещает находящиеся в нем твердые частицы в зону, где происходит их повторное перераспределение. Так осуществляется перечистка пристенного продукта и образуются пески. Разгрузка песков осуществляется через насадок, расположенный в вершине конической части, за счет градиента давления вдоль образующей конуса. Поэтому, независимо от ориентации гидроциклона в пространстве, пески всегда будут выходить через песковый насадок, слив – через сливной.

Сепарационная характеристика гидроциклона, определяемая как отношение потока частиц в сливе к их потоку, вводимому в этот аппарат, будет равна:

.

Здесь величина n представляет собой отношение объемных расходов суспензии через песковый и сливной насадки.

Зависимость радиальной скорости частиц от радиуса вращения определяется ранее показанной зависимостью:

.

Из полуэмпирических теорий турбулентности следует выражение для коэффициента турбулентной диффузии: .

Подстановка этих выражений в уравнение сепарационной характеристики дает следующее решение:

.

Величина k_c представляет собой отношение среднего радиуса сливного потока к радиусу гидроциклона.

Если размер граничного зерна разделения известен, то для описания сепарационной характеристики можно использовать зависимость, полученную в п.6.1.6., т.е.

,

 либо использовать интеграл вероятности Гаусса.

 

Сепарация в тяжелых средах

 

6.2.1. Технология сепарации в суспензиях

В промышленных условиях в качестве тяжелых сред используют суспензии. Их особенностью является нестабильность, связанная с осаждением частиц утяжелителя. Это приводит к неравномерному распределению его концентрации в объеме суспензии и, соответственно, к изменению плотности суспензии.

Стабилизацию суспензии можно осуществить за счет:

ü уменьшения крупности частиц утяжелителя;

ü снижения времени пребывания суспензии в рабочем объеме сепаратора;

ü создания восходящих потоков суспензии;

ü изменения поверхностных свойств частиц утяжелителя за счет применения реагентов;

ü изменения реологических свойств дисперсионной среды, например, путем увеличения ее вязкости при использовании глинистых растворов.

Суспензия при ее длительном использовании насыщается тонкодисперсными шламами, содержащимися в исходном для сепарации продукте (первичные шламы), и образующимися при истирании и размокании обогащаемого материала в процессе сепарации (вторичные шламы). Такое насыщение приводит к увеличению вязкости суспензии за счет увеличения объемной концентрации твердой фазы, и изменения ее дисперсности. Для восстановления реологических свойств суспензий применяют регенерацию утяжелителя. Ее сущность состоит в извлечении из насыщенной шламами суспензии утяжелителя и возвращения его в приготовления кондиционной суспензии. Для извлечения утяжелителя, в зависимости от его свойств, используют наиболее рациональный процесс сепарации, например, гидравлическую классификацию, магнитную сепарацию, флотацию. В случае использования магнетита или ферросилиция для регенерации применяют магнитную сепарацию.

 

Рис. 6.6. Принципиальная схема обогащения полезных ископаемых в тяжелых суспензиях.

 

После извлечения утяжелителя насыщенная шламами вода направляется на обработку в отдельный цикл. Количество шламов, выводимых с этой водой должно быть больше или равно суммарному количеству первичных и вторичных шламов, поступающих в суспензию. При соблюдении этого условия накопления шламов в суспензии не происходит, и рабочая суспензия будет сохранять свои реологические свойства.

На регенерацию направляют всю некондиционную суспензию, образовавшуюся при отмывке утяжелителя с поверхности кусков продуктов сепарации, а также часть кондиционной суспензии для выполнения условия не накопления шламов, сформулированного выше.

В процессе сепарации требуется поддержание необходимых свойств рабочей суспензии и сохранение утяжелителя. Поэтому технология обогащения в тяжелых суспензиях должна включать: подготовку исходного материала по крупности и его дешламацию, которая осуществляется при мокром грохочении, отделение суспензии от легкого продукта, отмывку утяжелителя от продуктов сепарации, регенерацию некондиционной и части кондиционной суспензии (рис.6.6).

 

6.2.1. Сепараторы для обогащения в суспензиях и их классификация

 

Обогащение в тяжелых суспензиях средне- и крупнокускового материала производят в сепараторах, принцип работы которых основан на всплывании кусков, плотность которых меньше плотности суспензии. Обогащение мелкозернистого материала осуществляется в центробежных сепараторах (гидроциклонах).

Сепараторы для обогащения в тяжелых средах должны обеспечивать подачу исходного материала, разгрузку продуктов сепарации, подвод рабочей суспензии. Собственно сепарация осуществляется в рабочем пространстве, представляющем собой ванну у сепараторов со статическими условиями сепарации, либо вращающийся барабан у сепараторов с динамическими условиями сепарации. В качестве примера рассмотрим принцип действия сепаратора со статическими условиями сепарации и с разгрузкой тяжелой фракции с помощью элеваторного колеса (рис.6.7).

Рис. 6.7. Принципиальная схема сепаратора для обогащения в тяжелых средах

В рабочий объем сепаратора, ограниченный его ванной поступает тяжелая суспензия заданной плотности. Ее подача осуществляется снизу (примерно 2/3 общего расхода) для создания восходящего потока для поддержания равномерной концентрации утяжелителя. Примерно 1/3 суспензии подается в верхнюю часть ванны со стороны подачи исходного продукта. Это необходимо для поддержания необходимой горизонтальной скорости течения суспензии в сторону сливного порога.

Исходный продукт по наклонному щиту равномерно вводится в суспензию. Куски с плотностью, большей плотности суспензии, тонут и попадают в ковши элеваторного колеса, образованные перфорированными перегородками. При вращении колеса они поднимаются выше уровня суспензии. Захваченная суспензия стекает в ванну, а отделенный от нее тяжелый продукт выгружается при дальнейшем вращении колеса.

Куски, плотностью, меньшей плотности суспензии, остаются в ее верхних слоях, а оказавшиеся при загрузке на определенной глубине – всплывают, формируя легкий продукт. Суспензия, подаваемая в сепаратор, вытекает из него через сливной порог, вынося легкий продукт за пределы сепаратора. Для облегчения преодоления сливного порога крупными кусками сепаратор имеет механическое гребковое устройство.

Классификация тяжелосредных сепараторов приведена в табл. 6.2, а их схемы на рис. 6.8.

В целом технологическая эффективность сепараторов убывает для аппаратов, представленных схемами от а к е и от ж к н, а эксплуатационные расходы возрастают соответственно в том же порядке.Для сепараторов, представленных схемами г, з-л эти показатели примерно одинаковы.

В сепараторах с малой удельной производительностью благодаря значительному объему ванны плотность суспензии является более стабильной, но труднее поддается регулировке по сравнению с сепараторами со средней и большой удельной производительностью.

 

Таблица 6.2

Классификация тяжелосредных сепараторов

 

Режим сепарации	Неподвижные			Подвижные
	Конусные	Пирамидальные	Цилиндроконические	Барабанные
	Удельная производительность
	Малая		Средняя		Большая
Прямо-точный	Рис. 6.8а	Рис. 6.8б,в	Рис. 6.8г	Рис. 6.8.д	Рис. 6.8.е,м
Противо-точный		Рис. 6.8ж	Рис. 6.8з,и,к,л		Рис. 6.8н

 

Разгрузка легкой фракции осуществляется. Как правило, переливом суспензии через сливной порог сепаратора.

Тяжелая фракция разгружается при помощи аэролифта, сифоном или различными механическими приспособлениями (ковшовыми или колесными элеваторами, шнеком).

По режиму сепарации сепараторы подразделяются на прямоточные (разгрузка продуктов осуществляется в одном направлении) и противоточные (разгрузка продуктов осуществляется в противоположных направлениях). Прямоточные сепараторы позволяют найти наиболее экономичные конструктивно-компоновочные решения при делении обогащаемого полезного ископаемого на два продукта. При делении на три продукта применение противоточных сепараторов является более предпочтительным.

Сепарационная характеристика в практике обогащения полезных ископаемых описывается с помощью интеграла вероятности Гаусса. Т.е.  при следующем значении

.

Среднее вероятное отклонение является функцией крупности частиц и плотности разделения, поскольку она примерно равна плотности суспензии и с ее возрастанием увеличивается вязкость суспензии, что приводит к увеличению .

 

 

а)                    б)                    в)               г)

  

д)                    е)                    ж)              з)

       

и)                    к)                л)

  

м)                       н)

   

 

 

Рис. 6.8. Схемы сепараторов для обогащения в тяжелых суспензиях: И – исходный продукт; Л – легкий продукт; Т – тяжелый продукт. Разгрузка тяжелой фракции: а, б – аэролифтная; в – гидротранспортная; г-е, з-к, м, н – элеваторным колесом; ж – ковшовым элеватором; л – шнеком.