ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КЛАССИФИКАЦИИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Классификация полезных ископаемых – это разделение измельченного материала по крупности. В отличие от процесса грохочения, при котором разделение по крупности происходит вследствие просеивания частиц сквозь сито, процесс классификации основан на различной конечной скорости движения (падения) частиц разной крупности в среде (воде или воздухе) под действием гравитационных сил и сил сопротивления. Физические основы процесса классификации частиц по крупности предопределяют и характер процессов гравитационного метода обогащения, поэтому рассмотрим их подробнее.

На неподвижную частицу (рис. 4.1), находящуюся в воде (для воздуха аналогично), действуют силы тяжести F_т и Архимеда (выталкивания) F_а. Разность этих сил (F_т – F_а) называют гравитационной силой, определяющей характер движения частицы. Плотность частицы практически всегда больше плотности воды, (а тем более воздуха), следовательно, сила тяжести больше силы выталкивания. Вектор равнодействующей силы будет направлен в сторону действия большей силы, и частица будет двигаться (падать) вниз. Согласно второму закону Ньютона, частица под действием гравитационной силы будет двигаться ускоренно, т. е. ее скорость возрастает. Как только частица начинает двигаться, возникает третья сила – сила гидродинамического (или аэродинамического) сопротивления F_с, вектор которой направлен против направления движения частицы.

Значение силы сопротивления определяется многими факторами: диаметром, плотностью и формой частицы; плотностью и вязкостью среды, в которой падает частица; условиями падения (свободное или стесненное); характером движения (ламинарное или турбулентное) и, в большой степени, скоростью падения частицы. Для частиц различной крупности получены формулы, определяющие значение силы сопротивления среды движению частицы.

Для мелких частиц (d_ч < 0,1 мм) сила сопротивления среды определяется в основном силой вязкостного трения, Н:

F_с = 3π·μ·d_ч·V, (4.1)

где μ – вязкость среды, Па·с; d_ч– диаметр частицы, м; V – скорость движения частицы, м/с.

Для частиц (d_ч > 2 мм) сила сопротивления среды определяется главным образом разностью давлений на «фронтальную» и «тыловую» стороны частиц при турбулентном характере движения, Н:

F_с = π ·d_ч²·Δ·V²/16, (4.2)

где Δ – плотность среды, кг/м³.

Для частиц промежуточной крупности (0,1 < d_ч < 2 мм) сила сопротивления среды определяется приблизительно в равной степени обоими, указанными выше факторами, Н:

F_с =0,625 π ·μ^1/2·Δ^1/2·d_ч^3/2·V^3/2. (4.3)

Поскольку гравитационная сила остается постоянной, а сила сопротивления растет с увеличением скорости движения частицы, наступает момент, когда значения этих сил становятся равными, и с этого момента, согласно первому закону Ньютона, частица будет двигаться (падать) с постоянной скоростью. Эта постоянная скорость и называется конечной скоростью падениячастицы V_о.

Условие достижения частицей конечной скорости падения запишем следующим образом:

F_т – F_а = F_с. (4.4)

Подставляя в выражение (4.4) значения входящих в него сил, можно получить формулы для нахождения значений конечной скорости падения для частиц различной крупности в среде, м/с:

d_ч < 0,1 мм V_о = d_ч² (ρ – Δ)g/18μ; (4.5)

d_ч >2 мм V_о = 1,63(d_ч(ρ – Δ)g/Δ)^1/2; (4.6)

0,1< d_ч <2 мм V_о = 0,89d_ч ((ρ – Δ)²/μΔ)^1/3. (4.7)

Полученные выражения характеризуют «свободное» падение частиц, имеющих форму шара. При «стесненном» падении, например, в случае одновременного падения большого количества частиц в сосуде ограниченных размеров, конечная скорость падения может быть в 2-6 раз ниже, чем при свободном падении. С меньшей конечной скоростью будут падать и частицы, форма которых отличается от шарообразной, например, конечная скорость падения частицы в форме чешуйки составляет 0,2-0,3 от скорости, определяемой по выражениям (4.5)-(4.7).

Из выражений (4.5)-(4.7) видно, что конечная скорость падения частиц является функцией их крупности (d) и плотности (ρ). Чем крупнее частица, тем выше скорость ее падения в среде. Конечная скорость падения более плотных частиц выше, чем частиц, имеющих меньшую плотность. Процесс классификации частиц по крупности более эффективно происходит при близкой плотности частиц материала, гравитационное обогащение желательно проводить в узких классах крупности, чтобы исключить влияние размера частиц на результаты разделения минералов.

При определенном соотношении крупности и плотности частицы, различающиеся по этим параметрам, могут падать с одинаковой конечной скоростью. Такие частицы называются равнопадающими. Коэффициент равнопадаемости (е) определяется отношением диаметра менее плотной (легкой) частицы d_л к диаметру более плотной (тяжелой) d_т при условии, что эти частицы падают в среде с одинаковой конечной скоростью:

е = d_л/d_т. (4.8)

Значение коэффициента равнопадаемости является показателем, определяющим режимы гравитационного обогащения руд, в частности, «ширину» класса крупности материала, направляемого на обогащение.

КЛАССИФИКАТОРЫ

Разделение частиц при классификации происходит под действием гравитационных (земного тяготения) или центробежных сил. Аппараты для разделения измельченного материала по крупности в воде называются классификаторами, в воздухе – воздушными сепараторами. Классификаторы, в свою очередь, бывают механическими (имеющими механический привод каких-либо элементов конструкции, предназначенных для разгрузки песков) и гидравлическими, не имеющими механического привода. К механическим классификаторам относятся спиральные и реечные, к гидравлическим – отстойники, однокамерные (конусные), многокамерные и гидроциклоны. Крупный продукт, получаемый при классификации, называется «пески», мелкий – «слив». Рассмотрим устройство и принцип действия классифицирующих аппаратов, наиболее широко применяемых на обогатительных фабриках.

Спиральные классификаторы (рис. 4.2). Спиральный классификатор представляет собой корыто с цилиндрическим днищем, установленное под углом 15-18^о к горизонту. В нижней части корыта установлен сливной порог, высота которого может регулироваться. В верхней части классификатора имеется люк для разгрузки песков. В корыте вращается двухзаходная спираль, выполненная из стальных полос, жестко крепящихся к валу. Исходная пульпа подается в участок корыта, отстоящий примерно на 1/3 длины корыта от сливного порога. Крупные частицы, имеющие большую конечную скорость падения в воде, быстро опускаются на дно корыта, тонкие частицы уносятся потоком пульпы, переливающейся через сливной порог. Чем выше уровень сливного порога, тем более мелкие частицы попадают в слив. Осевшие на дно корыта крупные частицы медленно вращающейся спиралью перемещаются вверх по корыту и разгружаются через люк.

Различают два типа спиральных классификаторов: с погруженной (при крупности разделения до 0,2 мм) и непогруженной (при крупности разделения более 0,2 мм) спиралью. В классификаторах с погруженной спиралью нижний виток спирали в процессе работы полностью находится ниже уровня пульпы в корыте. Данные классификаторы предназначены для получения тонкого слива (в настоящее время на обогатительных фабриках классификаторы данного типа практически полностью вытеснены гидроциклонами). В классификаторе с непогруженной спиралью спираль опущена в пульпу своей нижней частью. Слив таких классификаторов более грубый, они используются в первых стадиях измельчения на флотационных и магнитообогатительных фабриках, а также при подготовке руды к гравитационному обогащению.

В практических условиях крупность частиц в сливе классификатора контролируется по плотности слива – в более плотных (и, соответственно, более вязких) пульпах скорость осаждения частиц меньше, чем в менее плотных. Для увеличения производительности классификатора в одном корыте могут устанавливаться две спирали, вращающиеся в противоположных направлениях. Мощность электродвигателя привода спирали – 5-40 кВт. Обозначаются спиральные классификаторы в соответствии с диаметром спирали, например: 1КСН-24 – односпиральный классификатор с непогруженной спиралью диаметром 2400 мм, 2КСП-15 – двухспиральный классификатор с погруженной спиралью диаметром 1500 мм.

Принцип разделения частиц по крупности в реечных классификаторах аналогичен вышеописанному. Отличие реечного классификатора от спирального состоит в том, что реечный классификатор имеет плоское днище, а разгрузка песков происходит с помощью гребковой рамы с поперечными скребками, приводимой в движение специальным механизмом. При движении рамы в сторону сливного порога скребки подняты над днищем; при обратном движении рама опускается на дно классификатора и скребки перемещают осевшие крупные частицы вверх по днищу. Реечный классификатор устанавливается под углом 10-15^о к горизонту. В настоящее время данный тип классификаторов считается устаревшим и на обогатительных фабриках не применяется.

Пирамидальные отстойники представляют собой ряд отсеков с пирамидальными камерами, через которые последовательно проходит пульпа по направлению к сливному порогу. В этих аппаратах реализуется принцип классификации в горизонтальном потоке. По мере движения пульпы частицы различной крупности оседают и концентрируются в нижней части отсеков, причем их крупность тем меньше, чем дальше расположен отсек от точки подачи исходного питания. Осевшие частицы периодически или непрерывно разгружаются из отсеков. Классифицирующая способность отстойников невысока, чаще всего они применяются для обезвоживания и обесшламливания продуктов.

В конусных классификаторах (рис. 4.3) также реализуется принцип классификации в горизонтальном потоке. Исходная пульпа поступает по трубе в центральную часть конуса, крупные частицы оседают на дно, мелкие вместе с водой переливаются через верхнюю образующую конуса в кольцевой желоб. Разгрузка песков может быть автоматической, по мере накопления, или непрерывной – через шайбы, устанавливаемые в нижней части конуса. Назначение конусных классификаторов – обезвоживание и обесшламливание продуктов. Различают песковые (ККП) и шламовые (ККШ) конусы. Обозначаются конусные классификаторы в соответствии с диаметром сливного порога, например: ККШ-2,4 – конусный классификатор шламовый диаметром 2400 мм.

Многокамерные классификаторы (число камер – 4, 6, 8) применяются на гравитационных обогатительных фабриках для разделения материала по крупности перед обогащением на концентрационных столах. На рис. 4.4 изображен четырехкамерный гидравлический классификатор, состоящий из четырех отсеков пирамидальной формы, через которые последовательно проходит пульпа. По направлению к сливному порогу площадь горизонтального сечения камер увеличивается, следовательно, время нахождения пульпы в каждой камере возрастает. В каждой камере оседают частицы определенной крупности, слив разгружается через порог в конце классификатора. В нижнюю часть каждой камеры классификатора подается вода, вертикальная скорость потока которой рассчитывается таким образом, чтобы в камере оставались только частицы определенной крупности. Таким образом, в данном классификаторе совмещены два принципа классификации – в горизонтальном и вертикальном потоках воды. Разгрузка песков из каждой камеры осуществляется либо механически – через определенный промежуток времени (в выпускавшихся ранее классификаторах КГ-4), либо автоматически – по разности дав лений в определенных точках нижней части камер (КГ-4А).

Гидроциклоны (рис. 4.5) являются наиболее распространенными классифицирующими аппаратами на обогатительных фабриках. Разделение частиц по крупности происходит в них под действием центробежных сил. Гидроциклон представляет собой либо литой, либо изготовленный из стального листа цилиндроконический корпус, футерованный изнутри резиной или каменным литьем. В верхней, цилиндрической, части гидроциклона тангенциально установлен патрубок, по которому подается исходная пульпа. В верхней части гидроциклона установлен сливной патрубок таким образом, чтобы его нижний срез находился ниже уровня подачи исходного питания. В нижней части гидроциклона расположена песковая насадка (чаще всего, шайба с отверстием определенного размера). Исходная пульпа подается в гидроциклон насосом под давлением 0,01-0,3 МПа. Крупные, т. е. имеющие большую массу, частицы вследствие того, что на них действует большая центробежная сила, прижимаются к стенкам гидроциклона, теряют скорость и спиралевидным потоком опускаются в нижнюю часть гидроциклона, где разгружаются через песковую насадку. Внутри гидроциклона при этом образуется другой спиралевидный поток пульпы, направленный вверх. Этот поток содержит в основном тонкие частицы, которые в виде слива разгружаются через сливной патрубок. Режимы работы гидроциклона определяются его диаметром, напором пульпы на входе в гидроциклон, диаметром сливного патрубка и песковой насадки, плотностью исходной пульпы.

Крупность слива (твердой фазы пульпы) регулируется диаметром песковой насадки гидроциклона, а в последнее время – изменением скорости вращения турбины центробежного насоса, подающего пульпу в гидроциклон, что достигается применением частотных преобразователей.

Различают обесшламливающие (угол конусности 10^о), классифицирующие (20^о), обогатительные (> 30^о) гидроциклоны. При использовании гидроциклонов в схемах измельчения их располагают выше мельниц для обеспечения «самотечного» возврата песков в мельницу. Обозначаются гидроциклоны в соответствии с диаметром цилиндрической части (в мм), например: ГЦ-500, ГЦ-710. Гидроциклоны могут объединяться в группы или батареи. При работе гидроциклонов вследствие абразивности пульпы его элементы подвергаются сильному износу, поэтому работающие гидроциклоны всегда «дублируются» резервными.

Для классификации материала в воздушной среде используется центробежный сепаратор (рис. 4.6). Исходный материал подается на вращающийся диск, с которого он разбрасывается веером внутри внутреннего корпуса сепаратора и при этом подвергается воздействию потока воздуха, создаваемого вентиляторным колесом. При помощи жалюзей поток воздуха вместе с тонкими частицами направляется в пространство между внутренним и внешним корпусами сепаратора, где тонкие частицы оседают и выводятся из сепаратора. Крупные частицы оседают во внутреннем корпусе и также выводятся из сепаратора.

Рис. 4.6. Центробежный сепаратор Рис. 4.7. Полочный сепаратор

Для классификации материала в воздушной среде также используется полочный сепаратор с пересыпными полками (рис. 4.7). Классифицируемый материал подается в сепаратор сверху и движется вниз, пересыпаясь с полки на полку. Одновременно через сепаратор снизу вверх с заданной скоростью движется поток воздуха. Этот поток захватывает тонкие частицы и уносит их из сепаратора в систему пылеулавливания. Крупные частицы разгружаются в нижней части сепаратора.

Оба описанных сепаратора могут использоваться при гравитационном обогащении полезных ископаемых и для обеспыливания продуктов обогащения.