Обогащение в тяжелых средах

Цель: Изучение процесса обогащения в тяжелых средах.

План:

Основы процесса обогащения в тяжелых средах.

Типы и работа аппаратов.

Ключевые слова: гравитационные процессы, обогащение в тяжелых средах, всплывшие продукты, утяжелители, устойчивость, вязкость, регенерация, тяжелосредные сепараторы и гидроциклоны, конусные сепараторы, аэролифтная загрузка, трехъярусный сепаратор, барабанный сепаратор

1. Процесс обогащения в тяжелых средах основан на разделении смеси зерен по плотности в гравитационном или центробежном полях в среде, плотность которой – промежуточная между плотностями разделяемых частиц. Минералы меньшей плотности, чем среда, всплывают, а более тяжелые – тонут. Происходит разделение на легкие (всплывшие) продукты. В качестве тяжелых сред можно использовать тяжелые органические жидкости, водные растворы тяжелых солей и тяжелые суспензии, представляющие собой взвеси в воде тонкодисперсных частиц тяжелого минерала (утяжелителей). Хорошо перемешанная взвесь, образующая суспензию, обладает некоторыми свойствами, близкими к свойствам однородной тяжелой жидкости (например, вязкость, текучесть, устойчивость).

Тяжелые органические жидкости и растворы солей не нашли промышленного применения из-за высокой стоимости, трудности регенерации (восстановления), токсичности и т.д. Широкое применение распространение получил метод обогащения в тяжелых суспензиях.

Устойчивость суспензии является одним из важнейших свойств, влияющих на точность разделения минеральных частиц в процессе обогащения. Под устойчивостью суспензии понимается ее способность сохранять постоянную плотность во времени и в различных по высоте слоях. Устойчивость суспензии определяется скоростью осаждения твердой фазы и зависит от крупности частиц утяжелителя, их плотности, объемного содержания утяжелителя в суспензии, ее температуры.

Повышение устойчивости суспензии достигается подбором утяжелителей определенного состава, отличающихся высокой степенью устойчивости; созданием восходящих или горизонтальных потоков суспензии; механическим перемешиванием суспензии; добавлением в суспензию веществ-стабилизаторов, препятствующих осаждению частиц утяжелителя.

Вязкость суспензии или внутреннее трение характеризует сопротивление относительному движению ее элементарных слоев. Существенное влияние на вязкость суспензии оказывает крупность частиц утяжелителя (гранулометрический состав) и объемная его концентрация в суспензии. Чем крупнее частицы утяжелителя, тем меньше вязкость суспензии и выше ее подвижность при одной и той же плотности.

Приготовление суспензии заключается в дроблении, измельчении, классификации утяжелителя (или использование утяжелителя уже в готовом виде), смешивании в специальном смесителе утяжелителя с водой в заданной пропорции, транспортировании приготовленной суспензии к суспензионным сепараторам.

Длительная эксплуатация тяжелосуспензионных установок приводит к загрязнению суспензии мелкими частицами обогащаемого материала. Для восстановления первоначальных свойств суспензии ее подвергают регенерации (восстановлению) с последующим возвращением в процесс. В процессе регенерации происходит отделение суспензии от продуктов обогащения и отмывка частиц суспензии с поверхности кусков материала, удаление загрязняющих примесей и выделение утяжелителя. Характер последней операции зависит от свойств утяжелителя и производится магнитной сепарацией (если утяжелитель обладает магнитными свойствами), флотацией, концентрацией на столах, гидравлической классификацией или комбинированным способом.

Обогащение в тяжелых суспензиях применяют обычно для удаления пустой породы перед тонким измельчением руд, удаления пустой породы из энергетических углей, обогащения труднообогатимых углей для целей коксования.

Обогащение полезных ископаемых в тяжелых суспензиях характеризуется высокой эффективностью процесса (практические показатели обогащения очень близки к теоретическим), простотой конструкции сепараторов и высокой их производительностью, нечувствительностью процесса к изменениям, производительности и качества исходного материала.

Обогащение полезных ископаемых в тяжелых средах основано на раз­делении минеральной смеси по их плотности. Минералы меньшей плот­ности, чем плотность тяжелой среды, всплывают в ней, а более тяже­лые - погружаются, вследствие чего происходит разделение на всплыв­ший (легкий) и потонувший (тяжелый) продукт.

Процесс обогащения в суспензиях освоен на углеобогатительных фабриках Донбасса, Карагандинского и Кузнецкого бассейнов, на обо­гатительной фабрике Донского горно-обогатительного комбината для обогащения хромовых руд, обогатительной фабрике «Дарквсти» Чиатурского комбината для обогащения марганцевых руд, Зыряновском и Краснореченском комбинатах для обогащения полиметаллических руд, Текелийском свинцово-цинковом комбинате, ПО «Каратау» для обога­щения фосфоритовых руд. Предполагается широкое внедрение суспен­зионного процесса для обогащения горнохимического сырья, окисленных железистых кварцитов Кривбасса, хромовых руд Южно-Кемпирсайского месторождения, полиметаллических руд алтайских и среднеазиатских месторождений.

Перспективно применение суспензионного метода обогащения для пе­реработки окисленных крупновкрапленных гидрогематит-мартитовых руд, россыпных руд и их смесей, а также крупнозернистых промежуточ­ных продуктов промывочно-обогатительных фабрик и разубоженных руд шахтной добычи, в этом случае возможно произвести замену селектив­ной добычи руды более экономичной массовой добычей с включением выемки боковых пород при разработке маломощных рудных месторож­дений.

2.Разнообразие вещественного состава полезных ископаемых и физико-механических свойств применяемых утяжелителей, необходимость обес­печения высокой точности разделения, высокие требования к компакт­ности размещения оборудования, а иногда и совмещению двух стадий обогащения в одном аппарате обусловили создание множества конструк­ций сепараторов, различающихся между собой по следующим основным признакам.

1. По типу применяемых суспензий: гидросуспензионные; аэросуспензионные.

2. По степени гравитационной устойчивости применяемых суспензий:
сепараторы с неструктурированными малоустойчивыми суспензиями; сепараторы со структурированными устойчивыми суспензиями.

3. По характеру разделения минеральных зерен в сепараторах:

со статическими условиями разделения; с динамическими условиями разделения.

4. По характеру перемещения потока суспензии в сепараторах:

с ламинарным перемещением суспензии; турбулентным перемещением суспензии; центробежным перемещением суспензии; вибрационным пере­мещением суспензии.

5. По способу стабилизации суспензии в сепараторах: с механическим перемешиванием суспензии; внешним воздействием на суспензию
горизонтального, вертикального, центробежного, вибрационного, ком­бинированных потоков; применением поверхностно-активных веществ

(реагентов).

6. По способу отделения суспензии от продуктов обогащения: с
внешним отделением суспензии от продуктов обогащения на дренажных
грохотах; внутренним отделением суспензии от продуктов обогащения
на решетках; комбинированным отделением суспензии от продуктов обо­гащения.

7. По числу выдаваемых продуктов обогащения: двух продуктовые;

трехпродуктовые.

8. По способу транспортирования легкого продукта обогащения: с
самотечной разгрузкой легкого продукта; принудительной разгрузкой

легкого продукта.

9. По способу транспортирования тяжелого продукта обогащения: с
элеваторными колесами; аэролифтной разгрузкой (внутренний и внешний
эрлифты); ленточными конвейерами; винтовыми конвейерами; со скребковыми конвейерами; внутренней спиралью; разгрузкой путем центробежного и вибрационного воздействий потоков.

10. По глубине и форме ванны сепаратора: глубокие (с пирамидальной ванной, конусные); мелкие (барабанные, желобные, цилиндроконические, кольцевые).

Для обогащения крупнозернистых материалов (крупность более 6 мм) рекомендуются сепараторы со статическими условиями разделения, ко­нусные или желобные с элеваторной разгрузкой тяжелого продукта, внешним отделением суспензии от продуктов обогащения на дренажных грохотах, со способом стабилизации суспензии внешним воздействием на нее комбинированных потоков.

Возможность обогащения в сепараторе крупного материала опреде­ляется типом разгрузочного устройства для тяжелого продукта. Сепа­раторы с разгрузкой тяжелого продукта аэролифтами, шнеками, шлюзо­выми затворами не могут применяться для обогащения крупного мате­риала. Для обогащения мелкозернистых материалов (крупность менее 6 мм) рекомендуются сепараторы с динамическими условиями разделе­ния, цилиндроконические, с принудительной разгрузкой легкого и тя­желого продуктов путем центробежного воздействия потоков, с внешним отделением суспензии от продуктов обогащения на дренажных грохотах.

Обогащение в тяжелых средах средне- и крупнокускового материала производят в сепараторах, принцип работы которых основан на использовании гравитационных сил. Обогащение мелкозернистого материала осуществляется в центробежных сепараторах (гидроциклонах).

Тяжелосредные сепараторы и гидроциклоны. Наиболее распространены сепараторы: конусные, барабанные и колесные.

Конусные сепараторы представляют собой металлическую емкость (ванну), в верхней части цилиндрической, а в нижней – конической формы, заполненной тяжелой суспензией.

Предварительное обогащение руд в тяжелых суспензиях по­зволяет выделить, в отвальные хвосты от 25...30 до 80 % материала, что приводит к увеличению производительности обогатительных фабрик в 1,5-2 раза, при этом капитальные затраты окупаются за 1.,, 1,5 года, а себестоимость переработки руды снижается на -25...30%.

Высокая точность и технологическая эффективность суспензионного процесса позволяют обогащать отвальные и забалансовые руды, а также перерабатывать хвосты некоторых гравитационных фабрик. Применение этого процесса способствует вовлечению в экс­плуатацию бедных руд. Получаемая пустая порода в виде легкой, фракции может быть использована в качестве строительного мате­риала.

Конусный сепаратор с аэролифтной разгрузкой тяжелой фракции, имеет аэролифтный подъемник. Руда подается в ванну сепаратора сверху. Разгрузка легкой (всплывшей) фракции осуществляется самотеком в желоб. Тяжелая (потонувшая) фракция опускается вниз, попадает в загрузочную часть аэролифта и поднимается по трубе вверх к месту разгрузки, расположенному выше уровня суспензии. Суспензия подается в сепаратор или с исходной рудой, или отдельно по трубам внутрь ванны сепаратора. Эти сепараторы предназначены для обогащения руд и неметаллических полезных ископаемых крупностью от 100 до 2 мм.

Рис. 33. Конусный сепаратор с наружным аэролифтом

1 - конус; 2 - мешалка рамочная; 3 -переходное колено от конуса к аэролиф­ту; 4 — форсунки для подачи сжатого воздуха; 5 — скребки рамочной мешалки; 6 - аэролифтная труба; 7-желоб для разгрузки тяжелого продукта; 8 -от­бойный зонт; 9 — привод мешалки

Аэролифтные сепараторы выпускают с диаметром конуса 3000 и 6000 мм. Конусные сепараторы бывают двух модификаций: с внутренним и наружным аэролифтами. Конус с внутренним аэро­лифтом занимает меньшую высоту, чем с наружным, но менее эко­номичен и удобен в эксплуатации. Сепаратор с внешним аэролифтом (рис. 33) представляет собой металлическую конструкцию, верхняя часть которой имеет цилиндрическую форму, а нижняя коническую, заканчивающуюся переходным коленом для соединения конуса с аэролифтом, с помощью которого осевшая тяжелая фракция подни­мается и разгружается. В трубу аэролифта через форсунки подается сжатый воздух под давлением до 3,5-10⁵ Па.

Диаметр трубы аэролифта принимается равным не менее чем трем размерам наибольшего куска материала и составляет 150...250 Всплывшая легкая фракция вместе с суспензией сливается в желоб, а желая фракция аэролифтом подается в разгрузочную камеру. Производительность сепаратора изменяется от 40 до 300 т/ч.

Конусный сепаратор ОК (обогатительный конус) имеет размещенную в центре ванны мешалку, вращение которой препятствует расслоению вводно-песчаной суспензии. Легкая (всплывшая) фракция круговым движением суспензии увлекается к разгрузочному желобу, расположенному тангенциально. Тяжелая (потонувшая) фракция попадает в разгрузочную камеру, снабженную шиберными задвижками. Во время наполнения тяжелого продукта в разгрузочной камере верхняя шиберная задвижка открыта, а нижняя – закрыта. После заполнения разгрузочной камеры тяжелым продуктом верхняя задвижка перекрывается и одновременно отрывается нижняя задвижка. После освобождения разгрузочной камеры от тяжелого продукта нижняя задвижка вновь закрывается и открывается верхняя. Эта операция повторяется периодически. Суспензия в сепаратор подается сверху и сбоку.

Внутри конуса в нижней части днища установлены радиально расположенные разделительные кли­нья, служащие для увеличения степени сужения потока, что в свою очередь способствует более четкому расслоению материала. По вы­ходе из щелей между клиньями поток пульпы с помощью отсекате­лей разделяется на концентрат, промпродукт и хвосты, направляемые в соответствующие приемники. Диаметр основания конуса определяет длину пути движения материала и величину рабочей поверхности. Степень сужения потока определяется отношением диаметров верхнего и нижнего оснований конуса.

Конусные сепараторы имеют диаметр от 220 до 5600 мм и предназначены для обогащения углей крупностью от 200 (100) до 13 (6) мм. Производительность их по исходному углю составляет 10 – 16 т/ч на 1м² площади зеркала суспензии в сепараторе.

Рис. 34. Трехъярусный конусный сепаратор

1 - загрузочное устройство: 2 - механизм для регулирования положения отсекателей; 3 - стабилизирующая перегородка; 4 - кожух; 5 - отсекатели; 6 - подвод свежей, воды; 7 - трубы для подачи концентрата с конуса верхнего яруса на нижний; 8 – трубы для питания конуса среднего яруса; 9 - рабочий конус; 10-трубы для вывода хвостов; 11 - трубы для питания конуса нижнего яруса; 12 - коллектор нижнего яруса; 13 - клинья; 14 - отклоняющее кольцо;

15 - щели для распределения воды; 16 - камера для подачи воды в концентрат верхнего и среднего яруса; 17 - опоры; 18 - коллектор среднего яруса; 19 - трубы для сбора концентрата; 20 - трубы для промпродукта; 21 - трубы для хвостов

Сепаратор барабанный со спиральной разгрузкой состоит из металлического цилиндрического корпуса (барабана), который опирается на упорные и опорные ролики, установленные на раме, и приводится во вращение от привода. Барабан заполняется суспензией, в которой происходит разделение материала. Исходное сырье подается в сепаратор при помощи загрузочного желоба, закрепленного на опорной стойке. Всплывший (легкий) продукт удаляется с переливом суспензии по желобу, а потонувший (тяжелый) продукт с помощью двухзаходной спирали, смонтированной на внутренней поверхности барабана, транспортируется за счет вращения барабана к лопастному элеватору, поднимающему потонувший продукт в разгрузочный желоб, закрепленный на опорной стойке. Концентрат (тяжелая фракция) получается высокого качества, а хвосты (легкая фракция) - недостаточно чистыми из-за непродолжи­тельного пребывания в сепараторе. Барабанные сепараторы конст­рукции института Механобр имеют диаметр барабана 1800, 2500 и 3000 мм; длина барабана в два раза больше диаметра. Барабан вра­щается с небольшой скоростью (3...6 об/мин). Производительность сепаратора изменяется от 4 до 150 т/ч.

Барабанные сепараторы выпускают с диаметром 3600 до 6000 мм и применяют для обогащения руд цветных и черных металлов и неметаллических полезных ископаемых крупностью от 150 до 4 мм. Производительность барабанных сепараторов по исходному сырью, составляет от 3 до 14 т/ч на 1м² площади зеркала суспензии в сепараторе.

Рис. 35. Барабанный сепаратор со спиральной разгрузкой СБС

1 - барабан; 2 -разгрузочный желоб; 3 - опорная стойка загрузочного желоба; 4 - желоб для разгрузки легкого продукта; 5 — узел малой приводной шестерни; 6 - редуктор; 7 - опорные ролики; 8 - рама сепаратора; 9 - желоб для разгрузки тяжелого продукта; 10 – опорная стойка желоба для разгрузки тяжелого продукта; 11! - лопастной элеватор; 12 - двухзаходная спираль

Колесный сепаратор с вертикальным элеваторным колесом (СКВ) состоит из корпуса, имеющего четыре опорных кронштейна, в котором смонтировано на опорных катках элеваторное колесо с приводом. Ванна сепаратора заполняется магнетитовой суспензией. Исходный материал по загрузочному желобу поступает в ванну сепаратора. Разгрузка всплывающего (легкого) продукта в желоб осуществляется гребковым устройством, а потонувший (тяжелый) продукт оседает в ковшах с перфорированным дном элеваторного колеса и при вращении последнего поднимается вверх и разгружается в специальный желоб.

Двухпродуктовые сепараторы СКВ применяют для обогащения угля крупностью от 300 до 13 (6) мм. Производительность их по исходному углю составляет 95-120 т/ч на 1м ширины ванны сепаратора.

Выводы:

Процесс обогащения в тяжелых средах основан на разделении смеси зерен по плотности в гравитационном или центробежном полях в среде, плотность которой – промежуточная между плотностями разделяемых частиц. Минералы меньшей плотности, чем среда, всплывают, а более тяжелые – тонут. Происходит разделение на легкие (всплывшие) продукты. В качестве тяжелых сред можно использовать тяжелые органические жидкости, водные растворы тяжелых солей и тяжелые суспензии, представляющие собой взвеси в воде тонкодисперсных частиц тяжелого минерала (утяжелителей). Хорошо перемешанная взвесь, образующая суспензию, обладает некоторыми свойствами, близкими к свойствам однородной тяжелой жидкости (например, вязкость, текучесть, устойчивость).

Разнообразие вещественного состава полезных ископаемых и физико-механических свойств применяемых утяжелителей, необходимость обес­печения высокой точности разделения, высокие требования к компакт­ности размещения оборудования, а иногда и совмещению двух стадий обогащения в одном аппарате обусловили создание множества конструк­ций сепараторов, различающихся между собой по следующим основным признакам.

- По типу применяемых суспензий: гидросуспензионные; аэросуспензионные.

- По степени гравитационной устойчивости применяемых суспензий:
сепараторы с неструктурированными малоустойчивы––ми суспензиями; сепараторы со структурированными устойчивыми суспензиями.

- По характеру разделения минеральных зерен в сепараторах: со статическими условиями разделения; с динамическими условиями разделения.

- По характеру перемещения потока суспензии в сепараторах: с ламинарным перемещением суспензии; турбулентным перемещением суспензии; центробежным перемещением суспензии; вибрационным пере­мещением суспензии.

- По способу стабилизации суспензии в сепараторах: с механическим перемешиванием суспензии; внешним воздействием на суспензию
горизонтального, вертикального, центробежного, вибрационного, ком­бинированных потоков; применением поверхностно-активных веществ (реагентов).

Для обогащения крупнозернистых материалов (крупность более 6 мм) рекомендуются сепараторы со статическими условиями разделения, ко­нусные или желобные с элеваторной разгрузкой тяжелого продукта, внешним отделением суспензии от продуктов обогащения на дренажных грохотах, со способом стабилизации суспензии внешним воздействием на нее комбинированных потоков.

Контрольные вопросы: