title-icon
Яндекс.Метрика
» » Гравитационные методы обогащения железных руд

Гравитационные методы обогащения железных руд

Гравитационные методы обогащения основаны на использовании различия в удельных весах рудных и нерудных минералов, а также различия в форме и крупности их зерен.
Разделение может производиться как в жидкой, так и в газообразной среде (воздухе). Однако в практике обогащения руд черных металлов в качестве среды, где производится разделение рудных и нерудных минералов, применяется в основном вода; в последнее время делаются попытки применять в качестве разделяющей среды так называемые тяжелые среды — суспензии тонкоизмельченного материала в воде, образующие среду, удельный вес которой значительно больше, чем воды.
К основным методам гравитационного обогащения относятся: 1) отсадка; 2) концентрация на сотрясательных столах: 3) разделение в тяжелых средах.
Из этих процессов рассмотрим более подробно отсадку.
Отсадка

Теоретические основы. Отсадкой разделяется смесь минеральных зерен разного удельного веса в вертикальной струе движущейся среды (воды, воздуха) на основе разности в скоростях падения зерен составляющих рудных минералов.
Для понимания сущности процессов, происходящих при отсадке, рассмотрим в общих чертах законы падения тел в среде.
При падении шара в спокойной среде действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз, и сопротивление среды, направленное вверх.
При диаметре шара d, плотности v и ускорении силы тяжести g первая сила может быть определена по формуле:
Гравитационные методы обогащения железных руд

При падении в среде с плотностью, равной A, согласно закону Архимеда, сила, направленная вниз, выражается уравнением:

Сила, направленная вверх, согласно квадратичному закону динамическою сопротивления Ньютона, равна:

где v — скорость движения тела вниз.
Пользуясь уравнениями (1) и (2), можно получить дифференциальное уравнение движения шара в среде:

где m— масса данного шара; m = пd3v/6.
Разделив обе части уравнения (3) на массу, получаем ускорение:

Таким образом, ускорение шара, падающего в среде, равно разности нaчального ускорения v-A/v*g = g0 и ускорения силы сопротивления v2A/2dv.
Ускорение силы сопротивления среды не является постоянной величиной, а зависит от плотности среды, удельного веса минерала, диаметра зерна и квадрата скорости.
Сила сопротивления увеличивается по мере увеличения скорости (v), благодаря чему суммарное ускорение тела уменьшается, быстро становится равным нулю, и тело начинает падать с постоянной скоростью. Эта постоянная скорость называется конечной или критической скоростью. Конечная скорость для зерен диаметром не менее 1,55 мм может быть определена по формуле:

Для зерен с одинаковой плотностью, т. е. при одном и том же удельном весе, конечная скорость падения нем больше, чем больше диаметр зерен минерала, а при разных диаметрах и плотностях минералов легко найти такие зерна, которые будут иметь одинаковую скорость падения. Зерна, имеющие одинаковую конечную скорость падения, называются равнопадающими зернами.
При выводе формулы (5) учитывалось только динамическое сопротивление среды и не учитывалось внутренее трение частиц среды. При рассмотрении движения шаров с малым диаметром сопротивление, испытываемое движущимся шаром благодаря внутреннему взаимному трению частиц самой среды, имеет первостепенное значение.
При принятых ранее обозначениях сопротивление трения для шара может быть выражено следующим образом:

где u — коэффициент вязкости.
Пользуясь этой формулой и принимая, что между телом и средой отсутствует скольжение, можно получить для конечной скорости следующее выражение:

Эта формула применима для мелких зерен (например, кварца — 0,175 мм, свинца < 0,12 мм).
Вопрос о том, какое сопротивление является преобладающим — динамическое сопротивление или вязкость среды — может быть решен, исходя из следующих соотношений:

В пределах размеров зерен от 1,55 до 0.12 мм формулы (5) и (6) не дают близких к истине значений v0.
Силу сопротивления, испытываемую падающим в среде шарообразным телом, можно выразить через коэффициент сопротивления следующим образом:


Сравнение коэффициента сопротивления с динамическим сопротивлением показывает, что коэффициент сопротивления w включает, во-первых, числовые величины (2/3 * п/4 * 1/2) и, кроме того, неучтенные силы трения и кинетическую энергию, затраченную на образование вихрей.
Пользуясь критерием Рейнольдса (R = dvA/u) и сравнивая коэффициент сопротивления с выражением для сопротивления трения вязкой среды, получаем:

Коэффициент сопротивления для ламинарного движения:

В общем виде конечная скорость падения может быть выражена следующим образом:

Приведенные формулы относятся к зернам шарообразной формы. Однако эксперименты показывают, что форма зерен и степень шероховатости поверхности оказывают существенное влияние на значение конечной скорости свободного падения.
Поэтому необходимо в приведенные ранее формулы вводить соответствующие поправочные коэффициенты.
Так. для формулы (5) в случае падения зерен неправильной формы нужно ввести следующие коррективы:

где KR — числовой коэффициент, определяемый экспериментально;
dэ — эквивалентный диаметр, равновеликий шару того же объема, какой имеет исследуемое зерно.
Как уже указывалось, равнопадающими зернами называются зерна различных минералов, которые при различном весе и диаметре обладают одинаковыми конечными скоростями падения в среде.
Обозначая диаметр и удельный вес зерна более легкого минерала через d1 и v1 и равнопадающего зерна тяжелого минерала d2 и v2, соответственно получаем, что d2 < d1.
Для размеров зерна, при которых применима формула (5), получаем:

Отсюда получаем отношение равнопадающих (коэффициент равнопадаемости):

Коэффициент равнопадаемости для размеров зерен, при которых применима формула (6):

Для формулы в общем виде с учетом коэффициента сопротивления коэффициент равнопадаемости равен:

При вычислении коэффициента равнопадаемости удобно пользоваться графическим методом проф. Чечотта.
Пользуясь формулой (7) для определения конечной скорости падения

Наклон линий, выражающих закон падения зерен, будет тем большим, чем больше удельный вес v данного минерала. Равнопадающие зерна находятся в результате проведения горизонтальных линий (например, ey).
Для обогащения в отсадочных машинах рудный материал предварительно должен подвергаться классификации путем грохочения на классы, в которых отношение наибольших размеров зерен к наименьшим не должно превышать коэффициента равнопадаемости.
На рис. 12 дана упрощенная диаграмма Чечотта — скоростей падения зерен двух минералов: А (тяжелого) и В (легкого); максимальная крупность зерен этих минералов d1.


Диаграмма показывает, что при выделении из рудной смеси зерен размером меньше d2=d1/e, где е — коэффициент равнопадаемости, отсадка дает возможность отделить зерна тяжелого минерала от зерен легкого, таким образом, что внизу соберутся все зерна тяжелого минерала, а в вверху — все зерна легкого минерала.
Если в рудной смеси не два минерала, а несколько, классифицировать по крупности надо таким образом, чтобы диаметры зерен наиболее тяжелого и наиболее легкого минерала находились в отношении, не превышающем наименьший коэффициент равнопадаемости.
Разделение смеси минеральных зерен в отсадочных машинах на слои по удельным весам происходит благодаря многократно повторяющимся падениям рудных частиц в плотной среде.
Поэтому важным фактором процесса отсадки является начальное ускорение.
Из дифференциального уравнения движения тела в воде (А = 1) для шарообразного тела получаем:

Первый член правой части уравнения представляет собой начальное ускорение, величина которого зависит исключительно от плотности тела и среды. Второй член, представляющий собой ускорение силы сопротивления, в начальный момент при v = 0 равен нулю и возрастает по мере увеличения скорости падения. При частых пульсациях воды даже неклассифицированные по объему рудные зерна разного удельного веса за короткий период падения в среде будут проходить различные пути, так как для каждого зерна будет различное ускорение:

Рис. 13 иллюстрирует сказанное. По оси ординат отложена скорость падения V, а по оси абсцисс — время t. Кривая OAP показывает изменение скорости падения зерна тяжелого минерала, а кривая OBP — равнопадающего зерна легкого минерала. Кривая OCP, показывает зависимость в изменении скорости падения зерна тяжелого минерала, но меньшего диаметра, у которого конечная скорость падения равна v02.

Рисунок показывает, что для короткого отрезка времени, например t1, расстояния, пройденные тяжелым и легким минералом, различны. Наибольшее расстояние DG пройдет зерно тяжелого минерала А. Уменьшая время периода пульсации, можно достигнуть различных путей прохождения в среде для зерен равнопадающих и неклассифицированных.
Устройство отсадочных машин. В зависимости от характера действия струи воды отсадочные машины можно разделить -на две группы:
1. Отсадочные машины с переменным действием восходящей и нисходящей струй. Эти машины бывают с неподвижным и подвижным решетом.
2. Отсадочные машины пульсирующего действия прерывистой восходящей струи воды.
Мы рассмотрим отсадочные машины только первого типа.

Схема устройства отсадочной машины с попеременным действием восходящей и нисходящей струй показана на рис. 14. На рис. 14, а изображена отсадочная машина с неподвижным решетом. В ящике 1 имеется перегородка 2; правая часть представляет собой поршневое отделение с поршнем 3, которому даётся возвратно-поступательное движение от вала с эксцентриком 4. Рудный материал загружается на решето; благодаря восходящим и нисходящим струям воды материал распределяется по слоям: внизу тяжелые по удельному весу минералы, выше — легкие. На рис. 14, б показана отсадочная машина с подвижным решетом.
На рис. 15 изображена отсадочная поршневая машина наиболее распространенного типа с неподвижным решетом. На поперечном разрезе справа представлено поршневое отделение с поршнем 1, который получает возвратно-поступательное движение от эксцентрика 2. При помощи перегородки 3 поршневое отделение отделяется от рабочего. Внизу находится пирамидальный ящик 4. Слева за перегородкой 3 горизонтально закреплено решето 5, представляющее собой стальной лист с круглыми или прямоугольными отверстиями. Отсадочная машина имеет три камеры; питание поступает в загрузочный ящик 6, а хвосты удаляются из третьей камеры чер,ез сливной порог в желоб 7. Решето каждой последующей камеры устанавливается ниже_предыдущего примерно на 100 мм.

Обычно машины описанного типа обрабатывают классифицированный материал, но могут быть приспособлены для переработки и не классифицированного материала. Для этого на решето должна быть уложена толстым слоем постель, состоящая из измельченной классифицированной магнетитовой или гематитовой руды или других специальных минералов. Удельный вес материала постели должен быть меньше, чем удельный вес тяжелых минералов, но больше, чем удельный вес легких материалов.
В процессе отсадки зерна концентрата собираются на верхнем слое постели и постепенно проходят вниз через промежутки между зернами постели, проваливаются через отверстия решета и собираются в нижней части ящика 4, откуда периодически по мере накопления разгружаются.

Разгрузка концентрата из отсадочных машин, работающих на классифицированном материале, может производиться двояко: боковой разгрузкой или центральной разгрузкой через трубу (рис. 15). При боковой загрузке (рис. 16, а) нижний слой выдавливается через щель между полуцилиндрическим или прямоугольным щитом 1 и решетом 2 и через разгрузочное окно удаляется в желоб 3. Выпускная щель регулируется надлежащей установкой щита 1 и планкой 4. Вход концентрата через окно дополнительно регулируется заслонкой 5. Центральная разгрузка (рис. 16, б) по устройству аналогична боковой разгрузке, но щит, создающий щель для выпуска, имеет форму сплошного цилиндра 1. Концентрат попадает в трубу 2 и удаляется в нижней части этой трубы 3.
В машинах с подвижным решетом вода остается спокойной, а решето с материалом совершает возвратно-поступательные движения. Машины этого типа предназначаются только для обогащения неклассифицированной смеси. Разгрузка концентрата в этих машинах производится только через решето. Машина имеет подрешетный ящик, разделенный на ряд отделений, в которых собираются различные по качеству продукты — от самого богатого в первом отделении, до самого бедного в последнем. Хвосты удаляются через сливной порог.
Производительность отсадочных машин зависит от качества и крупности исходных материалов, от величины хода поршня и числа качаний и колеблется в очень широких пределах от 0,56 до 1,2 т3/час на 1 м2 решета.
Применение отсадки для обогащения руд, состоящих из мелких зерен, малоэффективно. В этом случае отсадка заменяется концентрацией на столах.
Разделение в тяжелых средах

Обогащение железных руд методом разделения в тяжелых средах пока еще не нашло у нас промышленного применения, но, несомненно, этот метод имеет будущность.
Основными достоинствами метода разделения в тяжелых средах (жидкостях) являются:
1) более высокие технологические показатели, по сравнению с отсадкой;
2) большая производительность,
3) пригодность для разделения минералов с весьма малой (до 0,1) разницей в удельных весах;
4) отсутствие необходимости классификации материала перед обработкой;
5) простота аппаратуры и эксплуатации.
Недостаток метода при современном состоянии его состоит в том, что метод пригоден только для относительно крупновкрапленных руд. Для руд с тонким прорастанием, требующих тонкого дробления, метод разделения в тяжелых средах непригоден, так как малая скорость осаждения зерен в вязкой суспензии и трудность очистки концентратов от суспензии значительно усложняет процесс. В качестве тяжелых суспензий при обогащении железных руд применяют взвеси в виде тонко измельченных частиц ферросилиция в воде.

title-icon Подобные новости