Гравитационными процессами обогащения называют процессы, в которых разделение минеральных частиц, разных по плотности, размерам или форме, обусловлено разницей характера и скорости их движения в водной или воздушной среде под действием силы притяжения и сил сопротивления. К этим процессам относятся обогащение в тяжелых средах, отсадка, обогащение в струе воды, текущей по наклонной плоскости и центробежных потоках, промывка.

Промывка - процесс дезинтеграции (взрыхление, диспергирования) глинистого материала руды с одновременным отделением его от рудных частиц

в виде глинистой суспензии (шлама) под действием воды и соответствующих устройств.

Промывка достаточно широко применяется для обогащения сырья, в котором минеральные частицы не связаны взаимным проращиванием, а сцементированы относительно мягким глинистым материалом. Промывка используется при обогащении железных и марганцевых руд, рассыпных месторождений цветных, редких и благородных металлов, каолинов, известняков, фосфоритов.

Промывка полезных ископаемых может быть самостоятельным процессом для выделения готового концентрата или подготовительным процессом, после которого промытая руда направляется на следующие стадии обогащения.

Промываемость руды ориентировочно можно оценить по удельной затрате электроэнергии на промывку, которая в зависимости от свойств руды изменяется от 0,25 до 1 (кВт • час) /т.

Бичевая промывочная машина (горизонтальная корытная промывка) состоит из трех параллельно размещенных отделений А, Б, В (рис. 1.4). Первые два отделения предназначены для дезинтеграции (протирки) руды, а третье - для промывки.

Протирка и промывка материала в бичевой машине осуществляется в противоход промывочной воде по отношению к направлению движения руды. Затрата воды на промывку составляет 2-4 м3 на 1 т исходной руды.

Бичевые промывочные машины в основном применяются для промывки трудно промывных марганцевых руд (за рубежом применяют также для промывки отдельных типов глинистых бурожелезняковых руд). Производительность бичевой промывочной машины МПМ-3,2 на Марганецком ГОКе при промывке марганцевых руд Никопольского бассейна достигает 250 т/ч при затрате электроэнергии 0,3-0,5 (кВт • ч) /т исходной руды.

Преимуществом бичевых промывочных машин является простота запуска, большая производительность и наличие неподвижного слоя материала на дне ванны, который защищает днище ванны от износа. Недостатками таких машин является относительная сложность конструкции, повышенное измельчение рудных минералов и потеря их в сливе.

Регулирование работы бичевой промывочной машины осуществляется путем изменения числа бичей на валу, расхода воды на промывку, а также загрузкой отдельных классов крупности отдельно в разные отделения машины.

37

Суспензии минеральных порошков высокой плотности больше всего распространены как тяжелые среды для разделения полезных ископаемых в тяжелосредовых сепараторах. Как утяжелители используют помолотые до крупности меньше 0,1 мм разные минералы или их смеси (табл. 1.8).

Таблица 1.8 Характеристика утяжелителей, применяемых при обогащении Утяжелители Плотность утяжелителя, кг/м3 Максимальная возможная плотность суспензии, кг/м3 Глина 2500 1490 Кварцевый песок (Si02) 2650 1540 Барит (BaS04) 4400 2200 Пирит (FeS2) 5000 2500 Магнетит (Fe304) 5000 2500 Арсенопирит (FeAsS) 6000 2800 Молотый ферросилиций (85% Fe, 6900 3100 15% Si) Гранулированный ферросилиций 6900 3500 (90% сферический частиц, 85% Fe, 15% Si) 7500 3300 Галенит (PBS)

Важнейшими свойствами минеральных суспензий является плотность, вязкость и напряжение сдвига. Эти свойства суспензий определяют эффективность разделения полезных ископаемых.

Плотность суспензий определяет предельную плотность разделения. Преимущество отдают утяжелителям с большей плотностью. Применение таких утяжелителей позволяет уменьшить их объемный расход и уменьшить вязкость суспензии.

Сепараторы для обогащения в тяжелых средах применяют для обогащения средне - и крупнокускового материала. Обогащения мелко­зернистых материалов осуществляют в гидроциклонах.

Принципиальные схемы этих сепараторов представлены на рис. 1.6. Суспензия может подаваться совместно с исходной рудой или отдельно по патрубкам в середину конуса. Разгрузка легкой (всплывшей) фракции осуществляется самотеком или она удаляется принудительно механическим устройством в сборный желоб. Потом легкая фракция направляется на грохот для отделения утяжелителя. Тяжелая (утонувшая) фракция попадает в загрузочную часть аэролифта, транспортируется вверх по трубе и в дальнейшем направляется на другой грохот для отделения суспензии.

А Б

Рис. 1.6 Схемы основных типов сепараторов для обогащения в тяжелых средах: А - конусный; Б - пирамидальный; В - барабанный; Г - корытный

Конусные (рис. 1.6А), пирамидальные (рис. 1.6Б) и барабанные (рис. 1.6В) сепараторы более всего распространенными при обогащении руд. Корытные (рис. 1.6В) сепараторы применяют в основном для обогащения угля и других неметаллических полезных ископаемых. Во всех этих сепараторах процесс обогащения характеризуется статическими условиями разделения минералов.

Машины и аппараты, в которых разделение минералов осуществляется под действием центробежных сил, разделяются на центрифуги и гидроциклоны.

Гидроциклоны имеют широкое распространение. Принцип работы двухпродуктного гидроциклона с тяжелыми средами представлен на рисунке (рис. 1.7). Преимущество гидроциклонов с тяжелыми средами над аппаратами, в которых разделение происходит только под действием сил тяжести, заключается в наличии центробежного поля, которое приводит к значительному (в десятки раз) увеличению скорости разделения сырья по плотности. Кроме того, в гидроциклонах образуется турбулентный оборотный поток, разрушающий структуру суспензии, которая обусловливает уменьшение ее динамической вязкости. Это позволяет эффективно обогащать в гидроциклонах материал с минимальной крупностью до 0,15-0,2 мм.

Отсадка занимает одно из ведущих мест в технологии обогащения полезных ископаемых (особенно неметаллических), потому что это процесс эффективного разделения минеральных смесей при относительно низких материальных, трудовых и энергетических затратах.

Суть процесса отсадки заключается в разделении смеси зерен полезного ископаемого по плотности в водной или воздушной среде, которая колеблется (пульсирует) относительно разделяемой смеси в вертикальном направлении. Исходный продукт - смесь минеральных зерен разной плотности (рис. 1.8) подается на решето, через отверстия которого проходят переменные по направлению и скорости восходящие и нисходящие потоки воды.

В начальном положении при нулевой скорости выходной струи воды зерна минералов находятся в связанном состоянии. В период действия восходящего потока, который двигается со скоростью, большей скорости падения зерен данной плотности и крупности, материал взвешивается, что облегчает перегруппировку зерен по слоям плотности в соответствии со скоростями падения разных зерен. В период действия нисходящего течения происходит аналогичный процесс, но материал опускается и уплотняется. Через определенное время в зависимости от частоты и амплитуды колебаний водного потока происходит полное разделение зерен по слоям плотности: наиболее плотные концентрируются в нижнем слое (на решетке машины), а самые легкие - в верхнем.

Необходимо учесть, что подобное идеализированное разделение по плотности возможно только для зерен одинаковых по форме и размерам. Это связано с тем, что конечная скорость падения зерен зависит как от плотности, так и от других физических свойств и состояния среды разделения. Даже при отсутствии одинаково падающих зерен полное распределение материала по слоям плотности может осуществляться только при безграничной длительности разделения.

Рис. 1.7 Схема двухпродуктного сепаратора для обогащения в тяжелых средах: 1 - исходный продукт; 2 - легкая фракция; 3 - тяжелая фракция

*___ ________ б Рис. 1.8 Схема расслоения смеси зерен разной плотности в пульсирующем потоке воды: 1,2,3 - зерна соответственно легкие, промежуточные и тяжелые

Отсадка применяется для обогащения руд черных металлов, например, марганцевых руд Никополь-Марганецкого месторождения. В этих рудах пустая порода представлена глиной и кварцем (в виде песка, гравия и щебня), а ценные минералы (псиломелан, манганит, пиролюзит) свободны или находятся частично в сростках.

Значительное распространение приобрела отсадка для обогащения руд рассыпных месторождений олова, титана, циркония, золотоносных песков и алмазных россыпей.

В зависимости от вида среды разделения все отсадочные машины подразделяются на гидравлические (с водной рабочей средой) и пневматические (с воздушной рабочей средой). Пневматические отсадочные машины применяются на углеобогатительных фабриках.

Отсадочная машина с подвижным решетом представлена на рисунке 1.9а. Машины с подвижным решетом распространены при обогащении марганцевых руд. Существенным преимуществом машин этого типа есть незначительная затрата воды на обогащение.

Рис. 1.9 Схемы отсадочных машин: а - с подвижным решетом; б - поршневая; в - диафрагмовая, г - воздушно-пульсационная л. ф., т. ф., п. ф. - легкая, тяжелая, промежуточная фракции

Поршневая и диафрагмовая отсадочная машина показаны на рисунке 1.96 и рисунке 1.9в соответственно. Диафрагмовая отсадочная машина отличается от поршневой наличием эластичной диафрагмы. Позитивной особенностью диафрагмовой машины является постоянство хода диафрагмы, которая обеспечивает жесткий режим пульсаций среды. Диафрагмовые отсадочные машины чаще всего применяются при обогащении руд.

Воздушно-пульсационная (безпоршневая) отсадочная машина (рис. 1.9г) является наиболее совершенной в конструктивном и технологическом отношениях. Пульсация воды в рабочем пространстве создается периодическим выпуском сжатого воздуха в камеру роторным или клапанным золотниковым устройством - пульсатором. Воздушно-пульсационные отсадочные машины распространены при обогащении угля и в последние годы применяются для обогащения руд.

Обогащение в потоке воды на наклонной плоскости. Процессы сепарации в наклонных тонких потоках воды предназначены для обогащения мелких классов и шламов руд черных, цветных и редких металлов рассыпных месторождений.

Ниже описаны группы машин и аппаратов (шлюзы, наклонные желоба, винтовые сепараторы, концентрационные столы) для разделения полезных ископаемых в потоке воды на наклонной плоскости.

Шлюзы применяют для обогащения полезных ископаемых, которые характеризуются значительной разницей плотностей, например, как золото или серебро или оловосодержащие пески. Частица массой (т) находится в потоке воды, которая двигается на наклонной плоскости под углом а, и на неё действуют комплекс сил (рис. 1.10): направленной вниз силы тяжести с учетом выталкивающей силы Архимеда, силы динамической вязкости потока воды в направлении движения, силы трения, направленной в сторону, противоположную движению куска, силы действия вертикальной составной скорости потока, направленной вверх. Эта сила возникает от турбулентных вихрей, обусловленных скоростью потока. Следовательно, при движении минеральных частиц в потоке воды на шлюзе происходит их разделение по плотности и крупности в результате образования вихревых потоков в придонном участке и наличии вертикальных составных сил, действующих на частицы.

Рис. 1.10 Схема действия сил на частицу в потоке воды на наклонной плоскости

На днище шлюза укладывают трафареты, которые способствуют увеличению сил трения кусков об их поверхность за счет увеличения шерховатости и образования вихревых потоков. В качестве трафаретов применяют разные материалы: естественную крупнокусковую руду,

деревянные решетные конструкции, резиновые коврики с ямками разной глубины и формы. При обогащении мелких песков и тонкомолотых руд применяют ворсиновые покрытия, изготовленные из разных растительных и искусственных волокон (кордерон, плюш, войлок, полотно, шерсть и др.).

На шлюзах обычно осуществляется первичная обработка материалов разной крупности. Они являются аппаратами периодического действия. Длина шлюзов и их сечение могут быть разными в зависимости от крупности обрабатываемого материала.

Сужающийся желоб (рис. 1.11) - неподвижный аппарат, принцип работы которого основывается на гравитационном разделении минералов по крупности и плотности в несущем потоке воды. Эти аппараты по многим признакам идентичны шлюзам. Они достаточно эффективны при обогащении рассыпных песков, в которых смесь минералов представлена мелкими зернами разной плотности (титано-циркониевые пески, содержащие в свободном состоянии минералы рутил, ильменит, циркон, дистен, ставролит, кварц и другие).

Рис. 1.11 Схема разделения минеральных частиц в сужающемся желобе

Основными параметрами, влияющими на результаты разделения частиц в сужающихся желобах, является содержание твердого материала в питании, наклон желоба и его производительность.

Винтовые сепараторы (рис. 1.12) широко применяются для обогащения

мелкозернистых песков рассыпных месторождений, содержащих ильменит, рутил, циркон и другие полезные минералы, а также для обогащения руд редких и благородных металлов коренных месторождений, железных руд, фосфоритов, хромитов.

Процесс обогащения в винтовом сепараторе осуществляется в наклонном текущем и одновременно оборотном потоке воды со сложной кинематикой движения.

Качество получаемых продуктов обогащения регулируется содержанием твердого материала в пульпе, производительностью сепаратора и расходом сливной воды.

Рис. 1.12 Винтовой сепаратор