Принцип действия метода с использованием плотных сред Обогащение полезных ископаемых

Обогащение полезных ископаемых с использованием тяжелых сред представляет собой метод гравитационного разделения, при котором минералы отделяются в среде (тяжелой среде), плотность которой превышает плотность воды. В процессе разделения минералов плотность среды превышает плотность более легких минералов, подлежащих отделению, но уступает плотности более тяжелых минералов. Обогащение полезных ископаемых в тяжелых средах основывается в первую очередь на плотности частиц, при этом размер и форма частиц оказывают относительно небольшое влияние. Из показателей эффективности гравитационного разделения видно, что значение E увеличивается с ростом плотности среды, что свидетельствует о том, что точность разделения при переработке полезных ископаемых в тяжелых средах выше, чем при использовании водных сред, что позволяет эффективно разделять два типа минеральных частиц с разницей в плотности 50–100 кг/м³. Тяжелые среды подразделяются на две категории: тяжелые жидкости и тяжелые суспензии. К первым относятся некоторые органические жидкости высокой плотности или растворы неорганических рассолов. Вторые представляют собой суспензию утяжелителя (мелкоизмельчённых тяжёлых минералов или сплавов), смешанного с водой. Тяжелые жидкости токсичны и дорогостоящи, поэтому используются только в лабораторных условиях. Тяжелые суспензии недороги, легко доступны и нетоксичны, поэтому широко используются в промышленности. Верхний предел размера частиц сырья при обогащении в тяжелых средах составляет 300 мм, а нижний — 0,5 мм, при этом плотность разделения составляет 1300–3800 кг/м³. Гравитационный анализ и построение кривых эффективности сепарации являются широко используемыми методами для определения размера частиц сырья, плотности сепарации и достижимых параметров сепарации руды при обогащении в тяжёлых средах.

Существует множество типов сепараторов с утяжеляющей средой, которые в основном подразделяются на пять категорий: конусообразные сепараторы с утяжеляющей средой, барабанные сепараторы с утяжеляющей средой, вибрационные шлюзы с утяжеляющей средой, гидроциклоны с утяжеляющей средой и вихревые гидроциклоны с утяжеляющей средой. Первые два типа относятся к оборудованию для статической сепарации, а последние три — к оборудованию для динамической сепарации. Статическая сепарация характеризуется низкой скоростью движения среды, использованием в качестве среды относительно стабильной суспензии мелких частиц, а плотность среды близка к фактической плотности сепарации. Динамическая сепарация характеризуется воздействием на среду внешних сил, приводящих к высокоскоростному вращательному движению или вертикальной пульсации; в качестве среды используется нестабильная суспензия с относительно крупными частицами, а фактическая плотность сепарации превышает плотность подаваемой среды, что позволяет использовать утяжеляющие среды с более низкой плотностью.

2.2.2 Сепаратор с тяжелой средой

2.2.2.1 Конический сепаратор с утяжеляющими средами

Конструкция конического сепаратора с утяжеляющей средой показана на рисунке 2-1. Существует два типа таких сепараторов: с внутренним подъемом и с внешним подъемом. Он представляет собой конический желоб, внутри которого расположены медленно вращающиеся (4–5 об/мин) лопасти мешалки, обеспечивающие стабильность суспензии тяжелых фракций. Во время работы руда подается сверху над поверхностью жидкости, а суспензия с тяжелой средой — из точки подачи и с разных глубин внутри конуса. Легкие фракции переливаются через переливной порог вокруг конуса, а тяжелые фракции отводятся со дна с помощью пневмоподъемника или насоса. Конический сепаратор с тяжёлой средой представляет собой статический сепаратор с глубоким желобом. Благодаря большому и стабильному объёму желоба сепаратора частицы руды остаются в нём в течение длительного времени, что обеспечивает высокую точность отделения мелких частиц. Он подходит для переработки материалов с высоким выходом лёгких фракций. Недостатком является большой объём среды и большой объём циркулирующей среды. Как правило, размер частиц сырья составляет 50–3 мм, диаметр конуса — 2–6 метров, а производительность — 25–150 тонн/час.

а — с внешним подъемом; б — с внутренним подъемом

Рисунок 2-1. Схематическое изображение конусообразного сепаратора с утяжелённой средой

1 — Подача; 2 — Среда; 3 — Легкий продукт; 4 — Тяжёлый продукт; 5 — Насос; 6 — Пневматический подъёмник

2.2.2.2 Сепаратор с тяжелыми средами барабанного типа

Его конструкция показана на рисунке 2-2. Существуют однокамерные и двухкамерные варианты. В однокамерном варианте используется только одна среда, тогда как в двухкамерном — две среды с различной плотностью. Во время работы суспензия и руда подаются в барабан с одного конца, а более лёгкий продукт выгружается с другого конца. Более тяжёлый продукт оседает на дно и поднимается подъёмными пластинами, установленными на стенке барабана, в выпускной желоб для выгрузки. Барабанный сепаратор с тяжёлыми средами представляет собой статический сепаратор с неглубоким лотком. Глубина суспензии невелика; перемешивающее действие барабана стабилизирует плотность суспензии. Разгрузочный желоб относительно широк, что позволяет выгружать более крупные частицы руды. Однако интенсивное перемешивание затрудняет осаждение мелких частиц, что делает его непригодным для переработки мелких частиц руды. Он подходит для применения в условиях высокого выхода тяжелого продукта, при этом объем среды и объем циркуляции меньше, чем у конусного сепаратора с тяжелой средой. Как правило, размер частиц подаваемого материала составляет 150~6 мм, диаметр барабана — 1,5~3 метра, а производительность — 20~100 тонн/час.

а — однокамерный тип с двумя продуктами; б — двухкамерный тип с тремя продуктами

Рисунок 2-2. Схематическое изображение барабанного сепаратора с утяжеленными средами

1 — Сырье; 2 — Среда; 3 — Легкий продукт; 4 — Тяжелый продукт; 5 — Среда высокой плотности;

6 — среда низкой плотности; 7 — промежуточный продукт; 8 — камера низкой плотности; 9 — камера высокой плотности.

2.2.2.3 Тяжёлая вибрационная шлюзовая коробка среднего размера

Его конструкция показана на рисунке 2-3. Это длинный вибрирующий шлюзовой лоток с перфорированным решетом в нижней части и водяной камерой под решетом. Во время работы суспензия руды и тяжелой среды подается с подающего конца. Благодаря колебаниям дна шлюза и поднимающемуся потоку воды под ситом среда образует в шлюзовом лотке слой высокой плотности с хорошей сыпучестью. Руда стратифицируется по плотности и перемещается вдоль шлюзового лотка, в конечном итоге выгружаясь отдельно в виде лёгкого и тяжёлого продуктов через разделительную перегородку на выпускном конце. К её преимуществам относятся возможность использования крупнозернистой (-2 мм) утяжеляющей среды, достижение объёмной концентрации твердого вещества до 60%, а также обеспечение высокой плотности сепарации даже при использовании утяжеляющей среды с более низкой плотностью (например, магнетита). Регенерация и очистка среды не представляют сложности. Размер частиц сырья составляет 75–6 мм, ширина шлюзового ящика — 0,4–1,0 м, а производительность — 25–80 тонн/час. Из-за сильной вибрации оборудования в настоящее время оно используется редко.

Рисунок 2-3. Вибрационный желоб для плотных сред

1 — Корпус желоба; 2 — Опорная пружинная пластина; 3 — Ситовая пластина; 4 — Водяная камера; 5 — Разделительная перегородка

2.2.2.4 Гидроциклон для тяжелых сред

Его конструкция аналогична конструкции обычного гидроциклона, который часто устанавливается под углом, причем его ось расположена под углом 18°–30° к горизонтали. Во время работы руда и тяжелая суспензия подаются в гидроциклон в определенном соотношении (1:(4–6)) и под давлением (0,08–0,2 МПа). Тяжелые фракции выводятся через отвод нижнего потока, а легкие — через переливную трубу. Когда тяжелая суспензия вращается с высокой скоростью внутри гидроциклона, возникает эффект концентрации. Плотность суспензии вблизи переливной трубы и центральной оси низкая, тогда как плотность суспензии вблизи отводящего отверстия и стенки высокая. Следовательно, фактическая плотность фракции, подлежащей отделению, превышает фактическую плотность подаваемой суспензии. На плотность сепарации влияют конструктивные параметры гидроциклона; увеличение угла наклона конуса и отношения диаметра переливной трубы к диаметру отводного отверстия может повысить плотность сепарации. Его особенностями являются простая конструкция, небольшая занимаемая площадь и возможность использования утяжелителей с более низкой плотностью. Нижний предел размера частиц подаваемого материала может достигать 0,5 мм, а типичный размер частиц составляет 20–2 мм, что обеспечивает широкое применение данной конструкции. Производительность гидроциклона с утяжеляющей средой диаметром φ430 мм составляет 45 тонн/час.

2.2.2.5 Вихревой гидроциклон с плотной средой

Его конструкция показана на рисунке 2-4. Существует три типа вихревых гидроциклонов с тяжелой средой: тип Тагава, тип Дайнер и трехпоточный тип. Принцип его работы аналогичен принципу работы гидроциклона с тяжелой средой, однако при монтаже впускное отверстие для нижнего потока направлено вверх, а труба перелива — вниз, что позволяет увеличить диаметр впускного отверстия для нижнего потока и, таким образом, улучшить размер частиц подаваемой руды. Размер частиц подаваемой руды обычно составляет 40–2 мм.

Рисунок 2-4. Схематическое изображение вихревого циклонного сепаратора с тяжелой средой

1 — сырьё; 2 — среда подачи; 3 — лёгкий продукт; 4 — тяжёлый продукт; 5 — воздуховод; 6 — промежуточный продукт

Вихревой гидроциклон типа Тагава представляет собой гидроциклон с вертикально перевернутой конструкцией. В отверстие для выпуска тяжелого продукта вставлен воздуховод, служащий для стабилизации воздушного столба внутри гидроциклона. Выход легкого и тяжелого продуктов можно регулировать путем изменения вертикального положения воздуховода или изменения соотношения диаметров отвода нижнего потока и переливной трубы. Диаметр гидроциклона составляет 300–500 мм, размер частиц сырья — 30–75 мм, а производительность — 20–80 тонн/час.

Вихревой гидроциклон типа DINA представляет собой цилиндрический гидроциклон, установленный под углом 25° к горизонтали. Центральные отверстия в верхней и нижней частях цилиндра служат в качестве входа для подачи сырья и выхода легкого продукта. Во время работы суспензия подается тангенциально через входное отверстие, расположенное вблизи дна цилиндра, а тяжёлый продукт выгружается тангенциально через выходное отверстие, расположенное вблизи верха цилиндра. К его преимуществам относится раздельная подача руды и суспензии, что упрощает контроль плотности суспензии. Одновременно суспензия выступает в качестве защитного слоя для стенки сосуда, что приводит к минимальному износу цилиндра. Соотношение выхода тяжёлого продукта к лёгкому продукту можно регулировать в широком диапазоне (от 9:1 до 1:9). Размер частиц сырья составляет 40–2 мм. Диаметр цилиндра — 225–400 мм, а производительность — 10–80 тонн/час.

Трехпоточный вихревой гидроциклон представляет собой двухступенчатый гидроциклон типа DINA, каждая ступень которого имеет отдельный вход для сырья и выход для тяжелого продукта. Сырье поступает на первую ступень, легкий продукт с первой ступени поступает на вторую ступень, а конечный легкий продукт выводится со второй ступени. На обе ступени могут подаваться суспензии одинаковой или различной плотности. Первый вариант используется для отделения тяжелого продукта, легкого продукта и промежуточного продукта, подлежащего дальнейшей переработке. Второй вариант применяется для отделения двух тяжелых продуктов с различными свойствами и одного легкого продукта. Его основной особенностью является высокая эффективность сепарации. Диаметр цилиндра составляет 250–500 мм, а производительность — 15–90 тонн/час.