مبدأ الوسائط الثقيلة معالجة المعادن

تعد معالجة المعادن بالوسائط الثقيلة إحدى طرق الفصل بالجاذبية، حيث يتم فصل المعادن في وسط (وسيط ثقيل) تزيد كثافته عن كثافة الماء. وأثناء عملية فصل المعادن، تكون كثافة الوسط أكبر من كثافة المعادن الأخف وزنًا المراد فصلها، ولكنها أقل من كثافة المعادن الأثقل وزنًا. تعتمد معالجة المعادن بالوسائط الثقيلة في المقام الأول على كثافة الجسيمات، بينما يكون لحجم الجسيمات وشكلها تأثير ضئيل نسبيًا. ومن مؤشر أداء الفصل بالجاذبية، يمكن ملاحظة أن القيمة E تزداد مع زيادة كثافة الوسط، مما يشير إلى أن دقة الفصل في معالجة المعادن بالوسائط الثقيلة أعلى من تلك التي تتم باستخدام الوسائط المائية، حيث يتم فصل نوعين من جسيمات المعادن بفارق في الكثافة يتراوح بين 50 و100 كجم/م³ بشكل فعال. تنقسم الوسائط الثقيلة إلى فئتين: السوائل الثقيلة والمعلقات الثقيلة. تتكون الفئة الأولى من بعض السوائل العضوية عالية الكثافة أو محاليل المحلول الملحي غير العضوية. أما الفئة الثانية فهي عبارة عن معلق لعامل تثقيل (معادن ثقيلة مطحونة ناعماً أو سبائك) ممزوجة بالماء. السوائل الثقيلة سامة ومكلفة، ولا تُستخدم إلا في المختبرات. أما المعلقات الثقيلة فهي غير مكلفة ومتوفرة بسهولة وغير سامة، وتستخدم على نطاق واسع في الصناعة. يبلغ الحد الأعلى لحجم جسيمات التغذية في عملية إثراء الوسائط الثقيلة 300 مم، والحد الأدنى 0.5 مم، مع كثافة فصل تتراوح بين 1300 و3800 كجم/م³. يُعد تحليل الجاذبية ورسم منحنيات أداء الفصل من الطرق الشائعة المستخدمة لتحديد حجم جسيمات المواد الأولية وكثافة الفصل ومعلمات الفصل القابلة للتحقيق للخام في عملية إثراء الوسائط الثقيلة.

هناك أنواع عديدة من أجهزة الفصل بالوسائط الثقيلة، وتشمل بشكل أساسي خمس فئات: أجهزة الفصل بالوسائط الثقيلة المخروطية الشكل، وأجهزة الفصل بالوسائط الثقيلة الأسطوانية الشكل، والقنوات الاهتزازية بالوسائط الثقيلة، والهيدروسيكلونات بالوسائط الثقيلة، والهيدروسيكلونات الدوامة بالوسائط الثقيلة. ويُعد النوعان الأولان من معدات الفصل الساكنة، بينما تُعد الأنواع الثلاثة الأخيرة من معدات الفصل الديناميكية. يتميز الفصل الساكن ببطء سرعة حركة الوسط، حيث يستخدم معلقًا من الجسيمات الدقيقة المستقرة نسبيًا كوسيط، وتكون كثافة الوسط قريبة من كثافة الفصل الفعلية. يتميز الفصل الديناميكي بتعرض الوسط لقوى خارجية، مما يؤدي إلى حركة دورانية عالية السرعة أو نبض رأسي، باستخدام معلق غير مستقر ذي جسيمات خشنة نسبيًا كوسيط، وتكون كثافة الفصل الفعلية أكبر من كثافة الوسط المغذي، مما يسمح باستخدام وسائط ترجيح ذات كثافة أقل.

2.2.2 جهاز فصل الوسائط الثقيلة

2.2.2.1 جهاز الفصل المخروطي بالوسائط الثقيلة

يُظهر الشكل 2-1 هيكل جهاز الفصل بالوسائط الثقيلة المخروطي. وهناك نوعان منه: النوع ذو الرفع الداخلي والنوع ذو الرفع الخارجي. ويتخذ الجهاز شكل حوض مخروطي، ويحتوي في داخله على شفرات تقليب تدور ببطء (4-5 دورة في الدقيقة) للحفاظ على استقرار المعلق الثقيل. أثناء التشغيل، يتم تغذية خام التغذية من أعلى سطح السائل، ويتم تغذية معلق الوسائط الثقيلة من نقطة التغذية ومن أعماق مختلفة داخل المخروط. تتدفق المنتجات الخفيفة عبر حاجز الفائض المحيط بالمخروط، بينما يتم تفريغ المنتجات الثقيلة من القاع عبر رافعة هوائية أو مضخة. جهاز الفصل المخروطي بالوسائط الثقيلة هو جهاز فصل ثابت ذو حوض عميق. ونظرًا للحجم الكبير والمستقر لحوض جهاز الفصل، تظل جزيئات المعادن في الحوض لفترة طويلة، مما يؤدي إلى دقة عالية في فصل الجزيئات الدقيقة. وهو مناسب لمعالجة المواد ذات العائد العالي من المنتجات الخفيفة. ويتمثل العيب في الحجم الكبير للوسائط وحجم الوسائط المتداولة الكبير. وبشكل عام، يتراوح حجم جسيمات التغذية بين 50 و3 ملم، ويبلغ قطر المخروط 2-6 أمتار، وتبلغ سعة المعالجة 25~150 طن/ساعة.

أ — النوع ذو الرفع الخارجي ب — النوع ذو الرفع الداخلي

الشكل 2-1: رسم تخطيطي لفاصل الوسائط الثقيلة المخروطي الشكل

1— التغذية؛ 2— الوسط؛ 3— المنتج الخفيف؛ 4— المنتج الثقيل؛ 5— المضخة؛ 6— جهاز الرفع الهوائي

2.2.2.2 جهاز الفصل بالوسائط الثقيلة من النوع الأسطواني

يظهر هيكلها في الشكل 2-2. وهناك نسختان: نسخة ذات غرفة واحدة ونسخة ذات غرفتين. تستخدم النسخة ذات الغرفة الواحدة وسيطًا واحدًا فقط، بينما تستخدم النسخة ذات الغرفتين وسيطين بكثافات مختلفة. أثناء التشغيل، يتم تغذية المعلق والخام إلى الأسطوانة من أحد طرفيها، بينما يتم تفريغ المنتج الأخف وزنًا من الطرف الآخر. يستقر المنتج الأثقل في القاع ويتم رفعه بواسطة ألواح رفع مثبتة على جدار الأسطوانة إلى قناة التفريغ لتفريغه. فاصل الوسائط الثقيلة من النوع الأسطواني هو فاصل ثابت ذو حوض ضحل. عمق المعلق ليس كبيرًا؛ حيث تعمل حركة التحريك التي يقوم بها الأسطوانة على تثبيت كثافة المعلق. قناة التفريغ واسعة نسبيًا، مما يسمح بتفريغ جزيئات الخام الأكثر خشونة. ومع ذلك، فإن التحريك القوي يؤثر على ترسيب الجزيئات الدقيقة، مما يجعله غير مناسب لمعالجة جزيئات الخام الدقيقة. وهو مناسب للتطبيقات التي تتطلب إنتاجية عالية من المنتجات الثقيلة، كما أن حجم الوسط وحجم الدوران أقل من تلك الموجودة في فاصل الوسائط الثقيلة من النوع المخروطي. وبشكل عام، يتراوح حجم جسيمات التغذية بين 150 و6 ملم، ويبلغ قطر الأسطوانة 1.5 إلى 3 أمتار، وتبلغ سعة المعالجة 20 إلى 100 طن/ساعة.

أ — النوع ذو الحجرة الواحدة والمنتجين ب — النوع ذو الحجرتين والمنتجات الثلاثة

الشكل 2-2: رسم تخطيطي لفاصل الوسائط الثقيلة من النوع الأسطواني

1— التغذية؛ 2— الوسط؛ 3— المنتج الخفيف؛ 4— المنتج الثقيل؛ 5— الوسط عالي الكثافة؛;

6— وسيط منخفض الكثافة؛ 7— منتج وسيط؛ 8— حجرة منخفضة الكثافة؛ 9— حجرة عالية الكثافة.

2.2.2.3 صندوق غربلة اهتزازي متوسط الحجم وثقيل

يظهر هيكلها في الشكل 2-3. وهي عبارة عن صندوق تصفية اهتزازي طويل مزود بغربال مثقوب في الجزء السفلي وحجرة مائية أسفل الغربال. وأثناء التشغيل، يتم تغذية الخردة ومعلق الوسط الثقيل من طرف التغذية. ونتيجة لتذبذب قاع الصندوق وتدفق المياه الصاعد أسفل الشبكة، تشكل الوسيلة طبقة عالية الكثافة تتمتع بقدرة جيدة على التدفق داخل الصندوق. يتراصف الخام وفقًا للكثافة ويتحرك على طول الصندوق، ليتم في النهاية تفريغه بشكل منفصل كمنتجات خفيفة وثقيلة عبر حاجز الفصل في طرف التفريغ. تشمل مزاياها القدرة على استخدام وسائط ترجيح ذات حبيبات خشنة (-2 مم)، وتحقيق تركيز حجمي للمواد الصلبة يصل إلى 60%، وتحقيق كثافة فصل عالية حتى مع استخدام وسائط ترجيح ذات كثافة أقل (مثل المغنتيت). كما أن استرداد الوسيلة وتنقيتها عملية بسيطة. يتراوح حجم جسيمات التغذية بين 75 و6 مم، وعرض صندوق الفصل بين 0.4 و1.0 متر، وتبلغ سعة المعالجة 25–80 طن/ساعة. ونظرًا للاهتزازات الشديدة التي تتعرض لها المعدات، فقد أصبح استخدامها نادرًا في الوقت الحالي.

الشكل 2-3: مزلق اهتزازي للوسائط الثقيلة

1—جسم المزلق؛ 2—لوحة الزنبرك الداعمة؛ 3—لوحة الغربال؛ 4—حجرة الماء؛ 5—لوحة الحاجز الفاصل

2.2.2.4 الهيدروسيكلون المتوسط الثقيل

ويشبه هيكله هيكل الهيدروسيكلون التقليدي، وغالبًا ما يتم تركيبه بزاوية، بحيث يكون محوره بزاوية تتراوح بين 18° و30° بالنسبة للأفق. أثناء التشغيل، يتم تغذية الهيدروسيكلون بالخام والمعلق الثقيل بنسبة معينة (1:(4～6)) وضغط (0.08～0.2 ميجا باسكال). يتم تفريغ المنتجات الثقيلة عبر منفذ التدفق السفلي، بينما يتم تفريغ المنتجات الخفيفة عبر أنبوب التدفق العلوي. عندما يدور المعلق الثقيل بسرعة عالية داخل الهيدروسيكلون، فإنه ينتج عنه تأثير تركيز. تكون كثافة المعلق بالقرب من أنبوب الفائض والمحور المركزي منخفضة، في حين تكون كثافة المعلق بالقرب من منفذ التدفق السفلي والجدار عالية. وبالتالي، فإن كثافة الفصل الفعلية تكون أكبر من الكثافة الفعلية للمعلق الذي يتم تغذيته. تتأثر كثافة الفصل بالمعلمات الهيكلية للهيدروسيكلون؛ حيث إن زيادة زاوية المخروط ونسبة قطر أنبوب الفائض إلى منفذ التدفق السفلي يمكن أن تؤدي كلاهما إلى زيادة كثافة الفصل. وتتمثل خصائصه في البنية البسيطة، والمساحة الصغيرة التي يشغلها، والقدرة على استخدام وسائط ترجيح ذات كثافة أقل. يمكن أن يصل الحد الأدنى لحجم جسيمات التغذية إلى 0.5 مم، ويتراوح حجم جسيمات التغذية عمومًا بين 20 و2 مم، وهو ما يُستخدم على نطاق واسع. تبلغ سعة معالجة الهيدروسيكلون ذي الوسائط الثقيلة بقطر φ430 مم 45 طنًا في الساعة.

2.2.2.5 الهيدروسيكلون الدوامي ذو الوسائط الثقيلة

يظهر هيكلها في الشكل 2-4. وهناك ثلاثة أنواع من الهيدروسيكلونات الدوامة ذات الوسائط الثقيلة: نوع تاغاوا، ونوع داينر، ونوع التدفق الثلاثي. ويعمل هذا الجهاز بنفس مبدأ عمل الهيدروسيكلون ذي الوسائط الثقيلة، ولكن أثناء التركيب، يكون مدخل التدفق السفلي متجهًا لأعلى وأنبوب التدفق الفائض متجهًا لأسفل، مما يتيح زيادة قطر مدخل التدفق السفلي لتحسين حجم جسيمات الخام المُغذى. ويتراوح حجم جسيمات الخام المُغذى عمومًا بين 40 و2 ملم.

الشكل 2-4: رسم تخطيطي لفاصل دوامي دوامي متوسط ثقيل

1—المادة الأولية؛ 2—وسط التغذية؛ 3—المنتج الخفيف؛ 4—المنتج الثقيل؛ 5—قناة الهواء؛ 6—المنتج الوسيط

الهيدروسيكلون الدوامي من نوع تاغاوا هو هيدروسيكلون مقلوب عموديًا. يتم إدخال مجرى هوائي عند منفذ تصريف المنتج الثقيل لتثبيت عمود الهواء داخل الهيدروسيكلون. يمكن ضبط إنتاجية المنتجات الخفيفة والثقيلة عن طريق تغيير الوضع الرأسي لمجرى الهواء أو عن طريق تغيير نسبة قطر منفذ التدفق السفلي إلى أنبوب التدفق الفائض. يبلغ قطر الهيدروسيكلون 300–500 مم، وحجم جسيمات التغذية 30–75 مم، وتبلغ سعة المعالجة 20–80 طنًا في الساعة.

الهيدروسيكلون الدوامي من طراز DINA هو هيدروسيكلون أسطواني يتم تركيبه بزاوية 25 درجة بالنسبة للأفق. ويُستخدم المخرج المركزي الموجود في الطرفين العلوي والسفلي للأسطوانة كمدخل للتغذية ومخرج للمنتج الخفيف. أثناء التشغيل، يتم تغذية المعلق بشكل عرضي من المدخل القريب من قاع الأسطوانة، ويتم تفريغ المنتج الثقيل بشكل عرضي من المخرج القريب من قمة الأسطوانة. وتشمل مزاياها التغذية المنفصلة للخام والمعلق، مما يسهل التحكم في كثافة المعلق. وفي الوقت نفسه، يعمل المعلق كطبقة واقية لجدار الوعاء، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من التآكل على الأسطوانة. يمكن ضبط نسبة إنتاج المنتج الثقيل إلى المنتج الخفيف على نطاق واسع (من 9:1 إلى 1:9). يتراوح حجم جسيمات التغذية بين 40 و2 ملم. ويبلغ قطر الأسطوانة 225–400 ملم، وتبلغ سعة المعالجة 10–80 طن/ساعة.

الهيدروسيكلون الدوامي ثلاثي التدفق هو هيدروسيكلون من طراز DINA ذو مرحلتين، حيث تحتوي كل مرحلة على مدخل منفصل للمادة المتوسطة ومخرج منفصل للمنتج الثقيل. تدخل المادة الخام إلى المرحلة الأولى، ويدخل المنتج الخفيف الناتج عن المرحلة الأولى إلى المرحلة الثانية، ويتم تفريغ المنتج الخفيف النهائي من المرحلة الثانية. يمكن تغذية المرحلتين بمعلقات ذات كثافات متماثلة أو مختلفة. تُستخدم المرحلة الأولى لفصل المنتج الثقيل والمنتج الخفيف والمنتج المتوسط المراد معالجته. أما المرحلة الثانية فتُستخدم لفصل منتجين ثقيلين ذوي خصائص مختلفة ومنتج خفيف واحد. وتتمثل ميزتها الرئيسية في كفاءة الفصل العالية. يبلغ قطر الأسطوانة 250–500 مم، وتبلغ سعة المعالجة 15–90 طنًا في الساعة.