Гравитационные методы обогащения

Цель:

Изучить основы гравитационных методов обогащения. Дать понятия основных преимуществ данных методов обогащения. Изучить физический смысл гравитации.

План:

1. Общие положения. Фракционный анализ.

2. Отсадка.

Ключевые слова:

гравитационные процессы, отсадка, фракционный анализ, обогащение в тяжелых средах, обогащение в шлюзах, на концентрационных столах, фракционный анализ, постель, отсадочная машина, ОМК, ОМШ, ОМ.

1. Гравитационными процессами обогащения называются процессы, в которых разделение минеральных частиц, отличающихся плотностью, размером или формой, обусловлено различием в характере и скорости их движения в среде под действием силы тяжести и сил сопротивления.

В качестве среды, в которой осуществляется гравитационное обогащение, используются при мокром обогащении вода, тяжелая суспензия или растворы; при пневматическом – воздух.

Гравитационные методы занимают ведущее место среди других мето­дов обогащения, особенно в практике переработки угля, золотосодер­жащих, вольфрамовых, молибденовых руд и руд черных металлов.

Оснащение современных гравитационных фабрик высоко производи­тельными машинами позволяет упрощать схему цепи аппаратов, более экономично использовать производственные площади и объемы зданий, в результате чего снижаются удельные капитальные затраты на строи­тельство, уменьшается численность обслуживающего персонала, воз­растает производительность труда, снижается себестоимость перера­ботки.

Гравитационные методы обогащения угля позволяют перерабатывать крупнозернистый материал с верхним пределом крупности до 300 (600) мм. Последнее обстоятельство особенно важно, если учесть, что неко­торые крупнозернистые продукты обогащения имеют значительно больший спрос потребителей и большую стоимость, чем мелкозернистые. Стоимость хромовой руды крупностью 80-10 мм, обогащаемой в суспен­зиях, на 25-30% выше стоимости руды крупностью -10 + 3 и -3 мм.

Гравитационные методы обогащения в практике переработки хромовых руд занимают основное положение, так как позволяют разделять зерна хромовых минералов при крупности до 300 мм.

При обогащении окисленных железных руд крупностью от 70 до 1,0 (0,5) мм применяют гравитационные процессы обогащения, например обогащение в суспензиях, отсадку, обогащение на концентрационных столах и др.

По экономической эффективности обогащение угля в тяжелой среде имеет преимущество по сравнению с другими методами. По данным II. А. Самылина, стоимость обогащения угля (в коп.) различными мето­дами составляет (на 1 т концентрата): сепарация в тяжелой среде 0,8; отсадка 3,4; флотация 13,4 (в ценах 1980 г.).

В комбинированных схемах переработки полезных ископаемых грави­тационные методы способствуют повышению экономичности обогатитель­ного передела. Так, при обогащении полиметаллических руд алтайских месторождений применение гравитационных методов позволяет в начале процесса удалить до 30% отвальной породы в виде товарного продукта (для строительных целей) и тем самым сократить фронт последующих переделов - измельчения и флотации и повысить экономичность работы предприятия.

Чаще применяют гравитационные процессы в различных сочетаниях с другими методами обогащения: флотацией, промывкой, магнитной сепа­рацией, электрической сепарацией и др. В этом случае полезное иско­паемое обрабатывают по сложным технологическим схемам. К таким схе­мам относят практически все схемы переработки коксующихся углей Донбасса, Кузбасса и Карагандинского бассейна, окисленных железных, полиметаллических, вольфрамово-молибденовых и других руд.

Гравитационные процессы обогащения по широте диапазона исходных характеристик обогащаемого сырья, разнообразию условий применения их в технологических схемах обогатительных фабрик, простоте произ­водственного комплекса, высокой производительности обогатительных аппаратов в сравнимых условиях превосходят многие другие процессы обогащения и обеспечивают эффективное разделение минеральных смесей при относительно низких материальных, трудовых и энергетических затратах

К гравитационным процессам относятся отсадка, обогащение в тяжелых средах (главным образом в минеральных суспензиях), концентрация на столах, обогащение в шлюзах, желобах, струйных концентраторах, конусных, винтовых и противоточных сепараторах, пневматическое обогащение.

Гравитационные процессы могут применяться как самостоятельно, так и в различных сочетаниях с другими процессами обогащения: магнитной и электрической сепарацией, флотацией и др.

Фракционный анализ полезных ископаемых производится с целью определения их обогатимости, т.е. количественного и качественного определения соотношения фракций различной плотности.

Разделение на фракции различной плотности может быть произведено следующими методами: разделением в тяжелых жидкостях, в тяжелых суспензиях, немагнитных минералов (плотностью от 2500 до 7500 кг/м³) с помощью магнитогидростатической (МГС) или магнитогидродинамической (МГД) сепарации и др. Наибольшее распространение в лабораторных условиях получил метод разделения проб полезных ископаемых отдельных классов крупности или смеси классов на фракции различной плотности в тяжелых жидкостях или растворах различной плотности.

В качестве среды разделения применяют следующие растворы и тяжелые жидкости плотностью, кг/м³: хлористый кальций (CaCl₂) 2000; хлористый цинк (ZnCl₂) 2900; четыреххлористый углерод (CCl₄) 1600; бромоводород (CHBr₃) 2890; тетарбромэтан (C₂H₂Br₄) 2960; жидкость Туле (HgI₂+KI) 3170; жидкость Рорбаха (BaI₂+HgI₂) 3500 и жидкость Клеричи [CH₂(COOTe)₂HCOOTe] 4250.

Наибольшее распространение при проведении фракционного анализа углей получили раствор хлористого цинка (статическое разделение) и четыреххлористый углерод (центробежное разделение), а при проведении фракционного анализа руд – жидкости Туле и Клеричи. Эти вещества хорошо растворяются в воде (четыреххлористый углерод – в бензоле) и на их основе можно приготовлять растворы широкого диапазона плотностей.

Гравитационные процессы обогащения отличаются, как пра­вило, высокой производительностью обогатительных аппаратов, от­носительной дешевизной и высокой эффективностью разделения ми­нералов. Все методы гравитационного обогащения обеспечивают, в основном, более низкие эксплуатационные расходы на 1 т продук­ции, чем флотация, и обычно требуют меньшей установочной мощ­ности. Гравитационной обогащение практически универсальный способ переработки бедных руд, россыпных месторождений, к тому же это экологически чистое производство (не используются флота­ционные реагенты) [5].

2.Отсадка является одним из наиболее распространенных методов гравитационного обогащения полезных ископаемых. Область применения охватывает полезные ископаемые по плотности извлекаемых компонентов от 1200 до 15600 кг/м³ и по крупности обогащенного материала от ).2 до 50 мм для руд и от 0,5 до 120 (иногда и до 250) мм – для углей.

Отсадкой называют процесс разделения смеси минеральных зерен по плотности в водной или воздушной среде, колеблющейся (пульсирующей) относительно разделяемой смеси в вертикальном направлении. Исходный материал вместе с водой непрерывно подается на отсадочное решето, через отверстия которого попеременно походят восходящие и нисходящие потоки воды. В период восходящего потока материал поднимается и разрыхляется, а в период нисходящего – опускается и уплотняется.

В результате действия чередующихся восходящих и нисходящих потоков воды исходный материал через определенный промежуток времени разделяется на слои таким образом, что на отсадочном решете (внизу) располагаются зерна наибольшей плотности, а в верхних слоях – наименьшей. Следует отметить, что такое идеальное распределение зерен по плотностям возможно только в том случае, если они обладают одинаковыми размерами и формой. В реальных же условиях происходит попадание некоторой доли легких фракций в тяжелые, а тяжелых – в легкие (наблюдается засоряемость концентрата и отходов «посторонними фракциями»). По зваимозасоряемости получаемых в процессе отсадки продуктов обогащения судят о технологической эффективности процесса.

Слой материала, находящийся в решете, называется постелью. Постель, образуется при отсадке крупного материала, состоит из зерен самого материала и называется естественной. Через принудительно пульсирующую толщу материала тяжелые зерна проникают в нижние слои постели, а легкие в верхние. При обогащении мелкого материала (для руд <3 – 5 мм; для углей<6 – 10 мм) на решето укладывается в специально сделанные гнезда искусственная постель. Она состоит из тяжелых естественных или искусственных материалов (полевой шпат, резиновые шарики, свинцовая дробь, окатанные частицы галенита и др.), крупность которых приблизительно в два раза больше отверстий решета, а плотность близка к плотности тяжелых фракций обогащаемой минеральной смеси. В этом случае искусственная постель является как бы фильтрующим слоем, пропускающим зерна тяжелого минерала и задерживающим зерна легкого минерала. В конце машины имеется сливной порог, установленный на несколько сантиметров выше отсадочного решета, через который удаляются легкие фракции.

Отсадка не имеет единой общепризнанной интерпретации. До сего времени теоретические представления о расслоении частиц в постели отсадочной машины носят характер гипотез. В теоретических Исследо­ваниях отсадки, как и теории гравитационных процессов обогащения вообще, определилось два научных направления: детерминистское и массово-статистическое.

В основу первого положено исследование закономерностей движения отдельного зерна под действием внешних сил в стесненных условиях, создаваемых совокупностью других зерен, участвующих в процессе.

Научные положения первого, детерминистского направления рас­крываются скоростной гипотезой, основанной на различии в скоростях разделения легких и тяжелых минеральных зерен в постели отсадочной машины. Тяжелая частица при своем движении обгонит легкую и быстрее достигнет решета отсадочной машины. Тяжелые частицы концентрируются в нижнем слое на поверхности решета. Легкие частицы, отстающие при движении в скорости, располагаются в верхнем слое постели. Этой гипотезой можно объяснить поведение в постели машины зерен, мало отличающихся по размеру. В реальных условиях отсадке подвергают ширококлассифицированные смеси, не учитывая механического взаимо­действия частиц при их массовом движении.

Второе направление рассматривает перемещение не отдельных зерен, а их совокупности, характеризуемой определенными константами как результат действия на них системы сил, проявление которых носит ве­роятностно-статистический характер. При этом поведение отдельных компонентов объясняется положениями теории вероятности и стати­стической физики.

В соответствии со вторым научным направлением предложен ряд мо­делей разделения частиц при отсадке: суспензионная; энергетическая; вероятностно-статистическая.

Суспензионная модельуподобляет разделение в постели отсадочной машины расслоению по плотности в минеральной суспензии, образуемой взвесью обогащаемого материала и искусственной постелью в воде.

Энергетическая модельучитывает свойство отсадочной постели как замкнутой механической системы, находящейся в неустойчивом равно­весии в поле силы тяжести, стремиться к устойчивому положению, ко­торое сопровождается уменьшением потенциальной энергии системы вследствие расслоения компонентов смеси по плотности.

Потенциальная энергия исходной смеси в ходе расслоения переходит в кинетическую и в совокупности с прилагаемой энергией извне затра­чивается на преодоление сил механического взаимодействия при дви­жении частиц к родственным слоям равновесия.

Вероятностно-статистическая модельпредставляет отсадку как массовый процесс с вероятностным характером перемещения частиц раз­личных физических свойств. В этой модели анализируются закономер­ности перемещения группы однородных зерен и случайные перемещения отдельных частей относительно центра их распределения.

Детерминистскоенаправление позволяет учесть влияние крупности, плотности частиц, их формы на результат расслоения и количественно оценить влияние сил, вызывающих перемещение отдельной частицы, но это направление не раскрывает полностью закономерностей движения совокупности зерен и процесс формирования слоев из одно­родных по плотности частиц.

Массово-статическое направление в отличие от детерминистского раскрывает закономерности движения совокупности зерен и процесс формирования слоев, но не позволяет выявить влияние сил, вызывающих перемещение отдельной частицы. Поэтому теорети­ческую интерпретацию процесса производят на сочетании и взаимном дополнении различных моделей как первого, так и второго научных направлений.

В основу исследований обычно принимают аналитическое описание закономерностей разрыхления постели отсадочной машины, в котором учитывается режим колебаний рабочей среды, оказывающий влияние на эффективность разделения частиц при отсадке.

Отсадка проходит на отсадочных машинах. Отсадочная машина представляет собой устройство для гравитационного обогащения, в котором исходный материал разделяется на отсадочном решете под влиянием вертикальных колебаний жидкости. Разнообразие условий применения отсадочных машин привело к созданию большого числа конструктивных разновидностей (известно более 100), отличающихся назначением, способом создания колебательных движений жидкости, количеством получаемых продуктов обогащения, способом их разгрузки и др.

Каждый тип машин предназначен для обогащения определенных полезных ископаемых.

Поршневые отсадочные машины применяют для обогащения марганцевых, оловянных и вольфрамовых руд. В последнее время они заменяются диафрагмовыми машинами и машинами с подвижным решетом.

Диафрагмовые отсадочные машины наиболее широко применяются при обогащении руд (железных, марганцевых, оловянных, вольфрамовых, золотосодержащих россыпей, руд редких металлов и др.).

Беспоршневые отсадочные машины ОМК, ОМШ, ОМ и др. нашли применение при обогащении углей, МОБ и ОМР – при обогащении руд черных металлов (в основном железных и марганцевых).

Отсадочные машины с подвижным решетом применяются при обогащении марганцевых и реже железных и вольфрамовых руд.

Выводы:

Гравитационными процессамиобогащения называются процессы, в которых разделение минеральных частиц, отличающихся плотностью, размером или формой, обусловлено различием в характере и скорости их движения в среде под действием силы тяжести и сил сопротивления.

В качестве среды, в которой осуществляется гравитационное обогащение, используются при мокром обогащении вода, тяжелая суспензия или растворы; при пневматическом – воздух.

Гравитационные методы занимают ведущее место среди других мето­дов обогащения, особенно в практике переработки угля, золотосодер­жащих, вольфрамовых, молибденовых руд и руд черных металлов.

К гравитационным процессам относятся отсадка, обогащение в тяжелых средах (главным образом в минеральных суспензиях), концентрация на столах, обогащение в шлюзах, желобах, струйных концентраторах, конусных, винтовых и противоточных сепараторах, пневматическое обогащение.

Гравитационные процессы могут применяться как самостоятельно, так и в различных сочетаниях с другими процессами обогащения: магнитной и электрической сепарацией, флотацией и др.

Контрольные вопросы:

1. Что называют гравитационными процессами?

2. Какие процессы относятся к гравитационным?

3. Почему гравитационные процессы обогащения считаются экономичными и более простыми методами?

4. Что такое фракционный анализ?

5. Для чего необходимо проведение фракционного анализа?

6. Что называют отсадкой, принцип действия отсадки на полезные ископаемые?

7. Для чего применяют отсадку?

8. Какие машины применят для процессов отсадки и для каких полезных ископаемых?

9. Какие модели распределения частиц, при отсадке, Вы знаете?

Темы семинаров:

1. Гравитационные методы обогащения – основные преимущества.
2. Характеристика гравитационных методов обогащения.
3. Фракционный метод анализа.
4. физические основы гравитационных методов обогащения.
5. Отсадка.
6. Свойства постели.

ЛЕКЦИЯ №11.