Обогащение по упругости

Обогащение с использованием различий в упругости компонен­тов основано на взаимодействии разделяемых частиц с рабочей поверхностью сепаратора, имеющей постоянные свойства. В ка­честве такой поверхности чаще всего выступает плита, а эффект взаимодействия проявляется при соударениях частиц с плитой. Для ударного взаимодействия требуется сообщение соударяющимся телом определенной кинетической энергии, т. е. скоро­сти. Это условие выполняется в среде с малой плотностью и вяз­костью. В практике такой средой является воздушная, что поз­воляет относить процесс обогащения по упругости к разделу «сухих» процессов.

Способ может использоваться в тех случаях практики, когда разделение по упругости приводит к концентрации в том или ином продукте частиц с определенными свойствами, например по содержанию ценного компонента, по содержанию более проч­ных частиц.

Разделение по упругости объясняют с позиций классической, теории удара, при этом рассматривают удар частицы идеали­зированной формы (шара) о горизонтально (а) или наклонно (в) установленную плиту (рис. 2.1).

Выделяют следующие фазы процесса: движение частицы к плите, удар частицы о плиту и смятие частицы и плиты приударе. При падении зерна шарообразной формы на горизонтальную плоскость (рис.2.1.) с высоты h₁ со скоростью u = ]/2gh₁ произой­дет удар, и зерно пойдет в обратном направлении со скоростью отражения u = ]/2gh₂.

Движение частиц к плите может быть организовано путем свободного падения с заданной высоты или с помощью метате­ля. При свободном падении направление движения частиц опре­делено, запасаемая энергия дозируется изменением высоты па­дения, и этому способу отдается предпочтение. В момент каса­ния о плиту частица достигает скорости u₁.

Рис. 2.1.1 Обогащение по упругости:

а — траектория движения частицы шарообразной формы при отражении ее от горизон­тальной плоскости; б — схема вибрационного сепаратора с подвижной рабочей поверх­ностью для обогащения по упругости; в — траектория движения частицы при отражении ее от наклонной плоскости; г — схема сепаратора с неподвижной рабочей поверхностью для обогащения гравия; д — технологическая схема обогащения гравия на карьере «Сойо» (США).

Вторая фаза длится от момента касания частицы о плиту до момента падения скорости частицы при ударе до нуля. При этом как частица, так и плита испытывают как упругие, так и пла­стические деформации. Смятие происходит до тех пор, пока дей­ствующая сила превышает силу сопротивления материала части­цы или плиты, но так как сила, с которой частица воздействует на плиту, носит импульсный характер и при достижении скоро­сти, равной нулю, становится равной весу частицы, то наступа­ет момент, когда силы упругой деформации превышают силу тяжести, действующую на частицу. Этот момент и является на­чалом третьей фазы.

Восстановление формы частицы и плиты идет за счет упру­гих деформаций. В конце третьей фазы частица приобретает скорость, равную u₂, и отрывается от плиты. При прямом цент­ральном ударе частицы о горизонтальную плиту (см. рис. 8.6a) вектор скорости u₂ прямо противоположен вектору скорости u₁.

Коэффициент восстановления при этом

к_в = u₂/u₁ = ]/2gh₂ /]/2gh₁ = h₂ /h₁

В зависимости от физических свойств разделяемых компо­нентов k_B может изменяться от 1 до 0. Если k_B = 1, то угол паде­ния зерна равен углу его отражения, что возможно только при вполне упругом ударе.

Различия в коэффициентах восстановления скорости компо­нентов полезного ископаемого при прямом центральном ударе частиц о разделяющую поверхность использовано в вибрационном сепараторе (см. рис. 2.1.1,б). Сепаратор представляет собой трехсекционный короб, днище центральной части которого выполне­но из упругой сетки 5, играющей "роль разделяющей поверхно­сти. Над центральной секцией короба установлен уголковый от­ражатель 1. При сообщении вибраций сепаратору и подаче питания на упругую сетку куски 2, имеющие большую упругость, достигают уголкового отражателя и, отражаясь от него, попа­дают в приемники 4. Куски 3 полезного ископаемого, имеющие малую упругость, поднимаются на меньшую высоту и, не до­стигая уголкового отражателя 1, остаются в центральной сек­ции сепаратора и разгружаются на сходе с нее. Результаты се­парации зависят не только от взаимодействия кусков с упругой, сеткой, но и с уголковым отражателем.

Другой вариант использования эффектов ударного взаимо­действия частиц полезного ископаемого с плитой получают при сбрасывании их с некоторой высоты на наклонно установленную плоскость (см. рис. 2.1.1,в). При этом частицы 2 большей упругости получают большую скорость, движутся по более пологой траек­тории и пролетают большее расстояние, а частицы 3 с понижен­ной упругостью получают меньшую скорость, движутся по кру­той траектории и падают ближе от точки соударения.

Зависимость дальности отскока частиц крупностью 20 мм от прочности материала (по Н. К. Тимченко) приведена ниже.

Основной причиной значительного рассеяния дальности от­скока является неправильная форма кусков, приводящая к ко­сому удару, при котором центр тяжести частицы смещен от вер­тикальной линии, проведенной в месте соприкосновения части­цы и плиты, на величину (см. рис. 2.1.1,в). Это снижение при­водит к увеличению угла а между касательной к траектории движения частицы в точке удара и нормалью к плите в этой же точке, что вызывает уменьшение дальности отскока.

Большая дисперсия дальности отскока частиц позволяет применять этот метод только для разделения компонентов, име­ющих значительное отличие в прочности. Более эффективным обогащение по упругости оказывается для материалов, имею­щих округлую форму, например для гравия.

Схема сепаратора для разделения по упругости представле­на на рис. 8.6,г. В этом сепараторе исходный материал с бункера 1 по вибропитателю 2 монослоем подают на плиту 3, отражаясь от которой, частицы 4 и 6 попадают в приемники продуктов раз­деления 5.

На рис. 2.1.1г приведена схема обогащения гравия на одном из карьеров США. Низкое качество продуктов разделения вынуждает промпродукт каждой операции возвращать в начало процесса. Перечистка хвостов первой операции обогащения позволяет доизвлечь гравий. Обогащение по упругости применяется на нес­кольких карьерах США для обогащения гравия. Осваивается названный процесс в ПНР для сортировки гравия. Известно о применении обогащения по упругости для отделения щебня от глины с подачей исходного материала на периодически смачи­ваемую водой поверхность вращающегося диска.

На основе различия в упругости и закономерного содержания элементов в различных фракциях по упругости можно построить кривые обогатимости и определить возможные результаты обо­гащения.

Ниже приводится устройство сепараторов, на которых осуще­ствляется

Рис. 2.1.2. Схема устройства и действия сепаратора упругости со стеклянной рабочей поверхностью.

разделение компонентов исходного материала по упру­гости.

Сепаратор со стеклянной рабочей поверхностью. Основной особенностью сепаратора является то, что он имеет питатель, обеспечивающий постоянную начальную скорость зерен исход­ного материала, падающих на рабочую поверхность сепаратора. На рис. 2.1.2 дана схема устройства и действия этого сепаратора. Здесь С — пластина из толстого стекла.

Исходный материал подается на нее питателем А во время хода его назад' (показано сплошными линиями). Зерна, находя­щиеся на площадке с будут сталкиваться неподвижным брус­ком b и направляться с одинаковой начальной скоростью на по­верхность с. Одновременно зерна исходного материала будут поступать с наклонной части с питателя на брусок b.

При ходе питателя вперед эти зерна концом козырька с столк­нутся на площадку а, с которой и будут уже разгружаться на се­паратор, как было описано выше.

Отражаясь на поверхности с, упругие зерна с все уменьшаю­щейся стрелой отражения, но достаточной для прохода над щелью, попадут на приемный желоб L.

Стрела отражения мало упругих зерен исчезнет в первый же период поступления на плоскость С, по которой эти зерна начнут затем скользить, вследствие чего различие скоростей движения их еще более увеличится, чему способствует небольшой горизон­тальный участок рабочей плоскости.

Таким образом, при сходе с плоскости С зерна тоже будут иметь различные скорости и, следовательно, различные траек­тории.

В зависимости от положения регулируемых щитков m можно получить несколько продуктов различного качества.

Угол наклона плоскости С регулируется эксцентриком ц, на который свободно опирается верхняя часть плоскости; внизу плоскость может вращаться на шарнире ш.

Для успешная работа сепараторов требуется предварительная клас­сификация исходного материала надлежа­щая чистота рабочей поверхности С, для чего она обдувается воздухом.

Для увеличения производительности и улучшения качества получаемых продуктов может быть рекомендована установка многоступенчатых сепараторов. Существуют также сепаратор с подвижной рабочей поверхностью.

Обогащение по трению.

Целесообразность использования этого вида обогащения яв­ляется очевидной в тех случаях, когда наблюдается большое раз­личие в коэффициентах трения составных частей смеси.

Трение тела при перемещении его по поверхности под влия­нием внешней силы зависит от: а) материала этого тела (харак­тера его поверхности); б) характера движения тела; в) качества поверхности, по которой движется тело.

Рис. 2.2.1 Условия движения зерна по . наклонной плоскости.

Обычно зерна с гладкой поверхностью имеют меньший коэф­фициент трения.

Известно, что угол трения косвенно зависит не только от влажности, температуры, крупности, твердости и удельного веса материала, но и от формы его зерен.

Кубические и округлые зерна катятся при меньшем угле на­клона плоскости, а для скольжения плоских кусков необходим больший угол.

Обогащение по трению осуществляется в две стадии:

-взаимодействие материала с поверхностью в целях селек­тивного изменения параметров движения разделяемых частиц;

-выделение из потока материала частиц с заданными пара­метрами движения.

Требование взаимодействия с поверхностью каждой частицы приводит к организации процесса в монослойном потоке. Возможны варианты взаимодействия материала как с неподвижной, так и с подвижной или вибрирующей поверхностью.

Вторая фаза процесса разделения компонентов осуществляется с исполь­зованием различий в траекториях, ско­рости или направлении движения раз­деляемых компонентов и может осу­ществляться как на рабочей поверх­ности, так и в условиях, свободного падения.

Взаимодействие частиц горных пород с рабочей поверхностью сепаратора проявляется в трении. Мерой это­го взаимодействия является коэффициент трения f. Сила тяже­сти частицы Q на наклонной плоскости может быть разложена на две составляющие: продольную Q_t (скатывающую, тангенци­альную) и нормальную составляющую Q_n (рис. 28), определяе­мые по выражениям:

Q_t = Qsinα; Q_n = Qcosα.

Из условия покоя частицы можно записать
Q_t = f Q_n или Q_t - f Q_n = 0.

Для перемещения тела по плоскости следует приложить си­лу P = Q_t—fQ_n, и, подставляя значения Q_t и Q_n получим:

Р = Q sin a - fQ cos a = Q (sin a—/cos a).

В момент начала, движения частицы Р = 0, и тогда

Qsina = /Qcosa,

откуда

f = sin a/cos a = tgφ,

т. е. коэффициент трения покоя есть тангенс такого угла накло­на φ, при котором начинается движение частицы по плоскости. Тело скользит по плоскости, когда угол наклона а плоскости превышает угол трения φ данной частицы по материалу плоско­сти, т. е. когда а>φ.

Коэффициент трения покоя зависит от свойств взаимодейст­вующих тел, например шероховатости поверхности частицы и плиты, формы частицы. Форма частицы существенно сказыва­ется на коэффициенте трения из-за изменения режима взаимо­действия. Так, плоские частицы скользят по наклонной плоско­сти, а округлые катятся, и коэффициенты трения в этих режи­мах взаимодействия существенно различны, что и может быть использовано для обогащения по этому признаку. Выделяют также промежуточный режим, когда частица одновременно скользит и перекатывается. Режим может наблюдаться для частиц, близких к многогранникам.

Для разделения компонентов по скорости движения разде­ляемым компонентам необходимо сообщить различные скоро­сти схода с плоскости и, следовательно, различные траектории их движения после схода с плоскости. Скорость в момент схода с плоскости при длине пути движения частицы по плоскости L, угле наклона плоскости а, коэффициенте трения f и весе части­цы Q может быть определена с использованием известных фор­мул:

P = mg₀; v = g_of, t = √2L/g₀; L = g₀t²/2,

где m — масса частицы; g₀ — ускорение частицы; v — ско­рость частицы; t — время движения частицы; L — путь, прой­денный частицей.

Ускорение g₀ = P/m, и, подставляя значение силы, действу­ющей на частицу, получим:

g₀ = (Q sin a—fcos a)/m = Q (sin a—fcos a)/m.

Известно, что

Q/m = g,

где g — ускорение свободного падения.

Тогда g₀ = g (sin a—fcos a);

v= g₀ t = g₀ √2L/g₀ = √2Lg₀ или

v = √2Lg (sin a—f cos a).

Известно, что угол трения косвенно зависит не только от влажности, температуры, крупности, твердости и удельного веса материала, но и от формы его зерен.

Кубические и округлые зерна катятся при меньшем угле на­клона плоскости, а для скольжения плоских кусков необходим больший угол.

Таким образом, скорость на сходе с наклонной плоскости оп­ределяется коэффициентом трения частицы о плоскость f углом наклона плоскости а и длиной разгонного участка плос­кости L. '

Частицы, имеющие шарообразную или близкую к ней фор­му, будут находиться под воздействием опрокидывающего момента, равного произведению веса частицы на расстояние l между вертикальными линиями, проведенными в центре тяже­сти частицы и в точке контакта с поверхностью, что приводит к качению их по плоскости (см. рис. 28). Выражение (4) для определения скорости частиц на сходе с наклонной плоскости получено для коэффициента трения покоя. Скорость же опре­деляется коэффициентом трения движения, что приводит к уве­личению реальной скорости движения по сравнению с расчетной, но, тем не менее, на сходе с наклонной плоскости скорости час­тиц, имеющих различные f, будут различными, что приводит к изменению траекторий движения частиц после схода с плоско­сти (см. рис. 2.2.1).

При различии в коэффициентах трения зерен различных обра­батываемых материалов возможно применение сухого метода обо­гащения по трению. Этим способом можно обогащать антрацит, асбест, и другие полезные ископаемые. Различие в коэффициенте трения используется; при мокрых гравитационных способах обогащение (например, при обогащении в спиральных желобах, на концентрационных столах и др.).

Обогащение с использованием различий в коэффициентах тре­ния может проводиться на аппаратах с неподвижной, движу­щейся, вибрирующей и комбинированной рабочей поверхностью.

Аппараты с неподвижной рабочей поверхностью. На рис. 2.2.2,а представлен сепаратор типа «Горка

Рис. 2.2.2. Схемы сепараторов для обогащения по трению: а - сепараторс неподвижной рабочей поверхностью «Горка»; б - плоскостной с отражателями и щелями; в - винтовой; г - ленточный; д-дисковый; е - барабанный; ж – вибрационный.

Сепаратор содержит на­клонные плоскости А, Б, В, угол трения разделяемых компо­нентов о которые соответственно для асбеста и породы (змее­вика) составляет: φ_а = 38—40°, φ₃=17—27°, (f_a = 0,86 и f₃ = 0,3— 0,5). При, движении монослоем по плоскости А выделяют чистую породную составляющую, на плоскостях Б и В — промпродукты и концентрат.

Для обогащения углей применяют плоскостные сепараторы с отражателем и щелями (рис. 2.2.2,б). Угольные частицы из-за округлой формы и меньшего, чем у породных частиц, угла и коэффициента трения разгоняются до больших скоростей и при помощи отражателей Б перелетают через щель А и движутся дальше по наклонной, плоскости. Породные частицы перемеща­ются по наклонной плоскости и отражателю 5 с меньшей ско­ростью и разгружаются в щель А, образуя породную фракцию.

Отражатели Б и щели А размещают в шахматном порядке по наклонной плоскости.

Известны сепараторы трения (рис. 2.2.2,в), содержащие винтообразно расположенные сортировочные 2 и сборные 1 желоба. Шаг винтовой линии у тех и других желобов постоянный и ра­вен h. Угол установки спирального желоба равен р и обеспечи­вает сбрасывание угольных частиц в сборный желоб за счет из­бирательного их отклонения под действием центробежных сил. Производительность винтового сепаратора Q (т/ч) определяется по формуле

Q = 3600iμγvab,

где i — число сортировочных желобов; μ, — коэффициент раз­рыхления материала (0,3—0,6); γ— плотность материала, т/м³; v— скорость движения материала (v = 0,5—1 м/с); a — тол­щина движущегося слоя, м; b —ширина движущегося слоя, со­ставляющая 1/2—1/3 ширины спирали, м.

Величины коэффициентов трения скольжения в воздушной или в водной среде, по данным проф. П. В. Лященко, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.Величины коэффициентов трения скольжения.

Следует отметить, что на величину коэффициента трения существенно влияют: форма поверхности зерна, его размеры и другие факторы. Попутно необходимо отметить, что величина коэффициента трения при повышении температуры увеличивается.

Технологическая схема обогащения углей предусматривает узкую классификацию исход­ного материала; наибольший размер обогащаемых кусков 125 мм, наименьший 12 мм.

Получаемые вначале промпродукты крупных классов обога­щаются по внешним признакам; промпродукты же более мелких классов подвергаются контрольному обогащению по трению. При этом обогащение промпродукта класса 12—25 мм дает в остатке полупродукт. Обогащаемый по данной схеме антрацит может иметь среднюю обогатимость.

При обогащении асбестовой руды предусматривается дробле­ние ее, сушка (обычно только для класса асбеста 0—30 мм), узкая классификация с разделением на 3—4 класса и обогащение на наклонных плоскостях. Мелочь менее 0,2 мм не обогащается.

В некоторых случаях при содержании в исходном материале отделяемого продукта (породы) более 15°/о для перечистки уста­навливается последовательно несколько сепараторов.

Техническая характеристика винтовых сепараторов трения приведена ниже.

Высота сепаратора, мм 3700 3500 3400 3400

Наружный диаметр, мм 1750 1650 1550 1450

Производительность, т/ч 8 – 12 5 - 8 4—5 3—4

Класс крупности, мм —125+80 —80+50 —50+25 — 25+10

Масса сепаратора, т 1,2 1 0,8 0,7

Обычно шаг спиральных желобов составляет 0,7—0,9 м, т. е. сепаратор содержит 3—3,5 полных витка при высоте до 3,5 м,

Достоинство сепараторов с неподвижной рабочей поверхно­стью заключается в отсутствии движущихся узлов и возможно­сти визуального контроля процесса.

К недостаткам сепараторов трения относят значительную истираемость материала, трудность получения стабильных резуль­татов и невозможность выдачи кондиционных продуктов.

К аппаратам с движущейся рабочей поверхностью относят ленточные, дисковые и барабанные сепараторы трения.

Особенностью ленточного сепаратора трения (рис. 2.2.2,г) яв­ляется то, что разделяемые компоненты движутся в противопо­ложные стороны. Округлые скатываются вниз от точки загруз­ки, а плоские поднимаются лентой и разгружаются в верхней точке. Точку загрузки размещают на 1/3 длины ленты от ее нижнего края. Этот сепаратор может быть использован при от­делении гранита от слюды.

В дисковом сепараторе (рис. 2.2.2,д) интенсификация процес­са разделения достигается за счет использования центробежных сил. Увеличение производительности получают при установке нескольких дисков друг над другом. Вал, на котором размеще­ны диски сепаратора, может изменять угол наклона в пределах 10—20°, что позволяет создавать наклон дисков и управлять процессом разделения. Модуль шкалы классификации обога­щаемого материала для дисковых сепараторов не должен пре­вышать 2. Фрикционные дисковые сепараторы применяют для: обогащения сухого узкоклассифицированного обеспыленного ма­териала с небольшим содержанием сростков. При диаметре диска до 1,5 м его производительность на крупных классах может достигать 15 т/ч.

К недостаткам дисковых сепараторов относят значительное истирание материала, чувствительность к составу и нагрузке,

В барабанном сепараторе трения (рис.2.2.2,е) движение про­дуктов разделения аналогично движению их на ленточном се­параторе. Чтобы увлечь агрегаты асбеста с барабаном, необходимо, чтобы сила трения была больше касательной составляю­щей силы веса этого зерна в точке подачи материала.

Кроме описанных сепараторов в лабораторных условиях, для обогащения асбестовых руд применяют сепаратор трения с вибрирующей поверхностью, представляющей собой плоскость, устанавливаемую под разными углами в продольном и попереч­ном направлениях, причем плоскости сообщаются направленные вибрации. На лабораторном вибрационном сепараторе трения можно также обогащать слюдосодержащие продукты.

Предпринимаются попытки существенного улучшения харак­теристик сепараторов трения. Так, на рис. 2.2.2,ж представлена конструкция вибрационного сепаратора трения, который позво­лит повысить производительность сепараторов трения. Отличи­тельной особенностью вибрационного сепаратора является пода­ча материала на перфорированный диск 1, служащий для дез­интеграции, распределения продукта и разделения по трению распушенного асбеста и породы на кольцах 2 увеличивающего­ся диаметра, обеспечивающих многократное проведение конт­рольных операций обогащения и образующих ступенчато-коническую поверхность. Разделение идет под воздействием круго­вых вибраций колец 2.