ТЕМА 4. Гравитационное обогащение минерального сырья
Гравитационное обогащение - это разделение двух или более минералов, отличающихся плотностью, размерами и формой, обусловленное их относительным перемещением под действием сил тяжести (или центробежных сил) и сил сопротивления.
Основным из перечисленных при разделении свойств минералов является плотность. В качестве среды для гравитацилнного обогащения при мокром обогащении используются вода, тяжелые жидкости и суспензии; при пневматическом - воздух.
Гравитационные методы обогащения могут применяться как самостоятельно, так и в сочетаниях с другими процессами обогащения (радиометрической, магнитной и электрической сепарациями, флотацией и др.). Они широко используются в практике переработки угля, руд цветных, черных и редких металлов, золотосодержащих россыпей и др. К гравитационным методам обогащения относятся следующие процессы: отсадка, обогащение в тяжелых средах (главным образом в минеральных суспензиях); обогащение на концентрационных столах, шлюзах, желобах, винтовых сепараторах; обогащение на струйных концентраторах; противоточная водная сепарация; пневматическое обогащение, а также промывка.
Отсадка
Отсадка является одним из наиболее распространенных методов обогащения полезных ископаемых. Этот процесс основан на различии скоростей движения минеральных зерен в пульсирующей среде разделения, в качестве которой используется обычно вода и гораздо реже воздух.
Рис. 4.1. Схема процесса отсадки (а) и ее циклы: б — гармонический; в — Майера; г — Берда; д — Томаса; S — перемещение среды; V—скорость перемещения
Исходный материал 1 поступает на решето 2 обычно двухступенчатой 8 отсадочной машины (рис. 4.1, а) и распределяется на нем равномерным слоем. Через отверстия решета циркулируют восходящий и нисходящий потоки среды, под воздействием которых формируются слои тяжелых 3, легких 5 зерен и их сростков 4. Послойная разгрузка происходит в каждой ступени 6. Тяжелая фракция разгружается через специальные шиберные устройства 7 (горизонтальные или вертикальные щели с затворами разной конструкции) и решето 2, легкая — через порог в конце отсадочной машины. Режимом ее работы предусмотрено, чтобы слои 3, 4 не выходили за пределы соответствующей ступени отсадки.
Закономерности расслоения материала по плотности в стесненных условиях при отсадке обусловлены явлениями не только разделения зерен во взвешенном слое, но и их сегрегации. При этом на движение минеральных зерен оказывают влияние их вес в разделительной среде, гидростатические силы сопротивления и инерции среды, механические силы трения и ударов зерен как друг о друга, так и о стенки аппарата.
Под действием восходящего потока среды смесь разделяемых зерен разрыхляется и легкие зерна, скорость падения которых меньше скорости потока, движутся вверх; а тяжелые зерна лишь взвешиваются. При нисходящем потоке среды, наоборот, тяжелые зерна извлекаются потоком вниз с большей скоростью, чем легкие, и слой минеральных зерен на решете уплотняется.
В результате многократного воздействия восходяще-нисходящих потоков материал расслаивается: зерна легких минералов выносятся в верхние слои, а тяжелые зерна, преодолевая сопротивление среды, концентрируются в нижних слоях. При этом за счет всасывающего действия нисходящего потока мелкие зерна тяжелых минералов проходят через каналы между крупными тяжелыми зернами и располагаются под ними или разгружаются через отверстия решета в камеры отсадочной машины.
Мелкие зерна легких минералов также просачиваются между более крупными легкими зернами, но не успевают пройти по каналам между зернами тяжелых минералов в связи с уплотнением слоя зерен на решете, остаются под слоем крупных зерен легких минералов. В результате минеральные зерна располагаются над решетом в последовательности: мелкие, затем крупные зерна тяжелых минералов, над ними — мелкие зерна легких минералов и вверху — более крупные зерна легких минералов. Такому распределению зерен по плотности и крупности способствует также сегрегация материала, возникающая в результате периодически повторяющихся пульсаций слоя минеральных зерен.
Слой материала 9, находящийся на решете при отсадке крупного материала (более 3-5 мм при обогащении руд и более 10-13 мм — углей), называют естественной постелью (см. рис. 4.1, а). Оптимальная толщина ее равна 5-10 диаметрам максимальных зерен в питании. Ухудшение четкости разделения при большей толщине постели обусловлено недостаточной ее разрыхленностью (из-за чрезмерного возрастания гидростатического сопротивления), а при меньшей толщине постели — образованием прорывов (из-за недостаточного гидростатического ее сопротивления), вызывающих местные увеличения скорости потоков, перемешивание материала и увеличение взаимных засорений продуктов обогащения.
При обогащении более мелкого рудного материала (мельче 3-5 мм) и углей (мельче 10-13 мм) на решето укладывают слой 9 искусственной постели из полевого шпата, гематита, магнетита, ферросилиция, металлической дроби и других материалов плотностью не менее чем у зерен тяжелых минералов обогащаемого сырья и крупностью, в 2,5-6 раз превышающей максимальную разделяемых частиц. Искусственная постель является не только своеобразным «решетом», но и средством разделения зерен. Она пропускает частицы тяжелых минералов и задерживает легкие. Чем больше толщина и плотность искусственной постели и менее правильна форма ее зерен, тем меньше пропускная способность постели, особенно по отношению к крупным зернам. Изменяя ее параметры, можно управлять процессом отсадки. Высота постели должна быть меньше при большом и больше при малом содержании тяжелых зерен в исходном питании. Обычно толщина искусственной постели составляет не менее трех максимальных диаметров ее зерен, а толщина обогащаемого надпостелъного слоя в 20 раз больше максимальной крупности частиц в питании.
Закономерности вертикального перемещения S среды и изменения ее скорости V во времени характеризуются циклом отсадки (рис. 4.1, б—д), включающим подъем tв, паузу tп и опускание tн среды. Основные циклы, применяемые на практике, характеризуются: гармонический (см. рис. 4.1, б) — равенством скоростей восходящего (Vв) и нисходящего (VН) потоков и периодов их действия (tв = tн); цикл Майера (рис. 4.1, в) — кратковременностью подъема и опускания среды и большой паузой; цикл Берда (рис. 4.1, г) — большой скоростью подъема и меньшей скоростью опускания при отсутствии паузы; цикл Томаса (рис. 4.1, д) — малой скоростью подъема и большой скоростью опускания среды. Изменение продолжительности элементов цикла позволяет управлять процессом расслоения материала.
Например, чтобы предотвратить попадание легких мелких зерен в слой тяжелых при обогащении неклассифицированных углей, применяют циклы с кратковременным действием нисходящего потока среды. Характер цикла оказывает существенное влияние на результаты отсадки только при небольшой частоте колебаний среды — меньше 100 мин-1, применяемой при отсадке крупного материала.
Частота и амплитуда колебаний среды при отсадке определяются не только крупностью, но и плотностью обогащаемого материала. Чем больше максимальный размер и плотность частиц, тем больше амплитуда, но меньше частота колебаний среды. При малых значениях числа пульсаций обеспечиваются более высокие скорости восходящего потока, увеличивается амплитуда колебаний, достигаются максимальный подъем постели и степень ее разрыхления. Однако при этом процесс отсадки становится менее устойчивым и более чувствительным к изменениям производительности, крупности и фракционного состава исходного материала. При большом числе пульсаций устойчивость процесса увеличивается, но снижается степень разрыхления постели. Необходимую частоту пульсаций можно определить из условия достаточности скорости восходящего потока для взвешивания наиболее крупных тяжелых зерен в стесненных условиях, когда ускорение среды еще не превышает ускорения силы тяжести.
Средством регулирования процесса отсадки в водной среде является подача подрешетной воды. Она увеличивает скорость восходящего потока и разрыхленность постели, уменьшает скорость нисходящего потока и засасывание мелких классов под решето, способствует перемещению легкой фракции к сливному порогу отсадочной машины. Увеличение расхода подрешетной воды вызывает, как правило, уменьшение выхода подрешетного продукта и повышение его качества, но сопровождается выносом в слив тонких частиц тяжелых минералов; уменьшение расхода приводит к обратным результатам. Скорость движения подрешетной воды в отсадочных машинах возрастает с увеличением крупности материала, но обычно не превышает 0,6см/с.
Разжижение исходного питания не должно превышать соотношения Ж:Т=2: 1 (по массе). В противном случае в отсадочной машине создается горизонтальный поток большой скорости, который взмучивает надпостельный слой, нарушая процесс расслоения частиц по плотности. Общий расход воды возрастает при увеличении крупности обогащаемого материала и при отсадке руд изменяется от 3,5 до 8,0 м3/т, а при отсадке углей — от 2,3 до 6,0 м3/т. Доля подрешетной воды в общем ее расходе составляет от 40 до 70 %. Исключение ее подачи существенно затрудняет получение удовлетворительных показателей разделения.
Отсадке подвергаются руды крупностью от 0,25 до 50 мм и угли крупностью от 0,4-0,9 до 100-150 мм. Необходимость обесшламливания материала по нижнему пределу крупности обусловлена плохим разделением тонких частиц по плотности при отсадке и тем, что они снижают эффективность обогащения более крупных классов. Верхний предел крупности ограничен не технологическими возможностями процесса, а конструктивными особенностями отсадочных машин, главным образом конструкцией разгрузочных устройств.
Для повышения эффективности обогащения исходный материал подвергается грохочению на классы крупности, каждый класс обогащают на отдельной отсадочной машине. Для определения диапазона крупности зерен в каждом классе используют значение коэффициента равнопадаемости разделяемых зерен в стесненных условиях. При обогащении руд предварительному грохочению подвергается обычно только крупнозернистый материал крупнее 5-6 мм. Более мелкий материал обогащают с применением искусственной постели, как правило, без предварительного разделения его на классы крупности. Уголь перед обогащением разделяют на два машинных класса, обычно по граничному размеру 13 или 10 мм, с последующими их обесшламливанием и раздельным обогащением. Отсадка необесшламленного материала технологически нецелесообразна и в проектах новых фабрик не предусматривается.
Эффективность отсадки тем выше, чем крупнее зерна разделяемого материала и чем больше различаются они по плотности. Поэтому отсадка получила широкое распространение при обогащении крупно- и средневкрапленных, например железных и марганцевых руд, не требующих тонкого измельчения, а также полезных ископаемых, разделяемые компоненты в которых значительно различаются по плотности (уголь, пески россыпных месторождений и др.).
С уменьшением крупности материала точность разделения частиц по плотности ухудшается, поскольку влияние возрастающей при этом вязкости среды, повышения турбулентности потоков и соударения частиц различной плотности в значительно большей степени сказывается на мелких частицах, чем на крупных. Взаимозасоряемость продуктов обогащения возрастает также с ухудшением обогатимости материала.
Увеличение нагрузки на машину приводит к увеличению скорости прохождения материала, уменьшению выхода подрешетного продукта и повышению его качества. При уменьшении нагрузки выход подрешетного продукта, наоборот, повышается, а качество его снижается. Максимальная эффективность обогащения достигается при определенной удельной производительности машин, которая в зависимости от крупности материала, требований к качеству продуктов обогащения и конструктивных особенностей машины колеблется от 5 до 30 т/(ч·м2) при обогащении углей и от 2 до 16 т/(ч·м2) при обогащении руд. Удельный расход электроэнергии при этом изменяется от 0,3 до 0,7 кВт·ч/т. Производительность отсадочной машины пропорциональна площади ее постели и удельной производительности для данного обогащаемого материала.
К настоящему времени известно более 90 разновидностей конструкций отсадочных машин. Колебания разделительной среды в них создаются движениями поршня, решета, диафрагмы или пульсирующей подачей сжатого воздуха.
Область применения отсадки охватывает полезные ископаемые по плотности извлекаемых полезных компонентов от 1200 до 15600 кг/м3 и по крупности обогащаемого материала от 0,2 до 50 мм для руд и от 0,5 до 120 мм (иногда до 250 мм) для углей.
В практике обогащения различных полезных ископаемых применяются отсадочные машины, в которых колебания водной среды создаются: движениями поршня (поршневые отсадочные машины, в настоящее время серийно не выпускаются), диафрагмы (диафрагмовые отсадочные машины), решета (машины с подвижным решетом), машины с пульсирующей подачей сжатого воздуха (беспоршневые воздушно-золотниковые машины).
Поршневые отсадочные машины применяются для обогащения марганцевых, оловянных, вольфрамовых руд крупностью от 40 до 2 (3) мм, диафрагмовые отсадочные машины (с горизонтальным или вертикальным расположением диафрагмы) — для обогащения марганцевых, железных, оловянных и вольфрамовых руд, золотосодержащих россыпей, руд редких металлов крупностью от 15 (30) до 0,5 мм.
Отсадочные машины с подвижным решетом используются для обогащения марганцевых руд, реже железных, вольфрамовых и других руд крупностью от 40 до 3 (2) мм.
Беспоршневые воздушно-золотниковые отсадочные машины выпускаются для обогащения углей и антрацитов крупностью 100 (250) до 0,5 мм и бурожелезняковых, марганцевых, хромовых руд крупностью от 4 (60) до 0,2 мм.
Наибольшее применение при обогащении полезных ископаемых получили воздушно-пульсационные и диафрагмовые отсадочные машины. Отсадочные машины с подрешетными воздушными камерами имеют большую удельную производительность, высокую технологическую эффективность, низкие энерго- и металлоемкость. Широко используется автоматизация управления процессом отсадки с применением микропроцессорной техники.
Для создания колебаний воды наиболее прогрессивными являются воздухораспределительные устройства с клапанными пульсаторами, обеспечивающие изменение частоты колебаний и соотношение продолжительности элементов цикла в широких диапазонах.
Дата добавления: 2016-06-18; просмотров: 3560;