Способ сепарации тонкозернистых материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области сепарации мелкозернистых и шламистых материалов по их плотности, в частности, в горнорудной промышленности. Техническая задача: осуществление высокопроизводительной эффективной гравитационной сепарации путем создания условий для осаждения и накопления тяжелой фракции обогащаемого материала при ламинарном течении пульпы по обеим сторонам вертикальной пластины. Для этого пульпу обогащаемого материала подают на смачиваемые водой пластины, установленные вертикально с зазорами относительно друг друга. Пластины имеют желобки, наклоненные к горизонту. На противостоящих поверхностях смежных пластин желобки наклонены во взаимно противоположных направлениях. Пульпу подают с определенной по математической зависимости объемной производительностью. Течение пульпы происходит по обеим сторонам пластин в ламинарном режиме по желобкам. Легкая фракция находится во взвешенном состоянии и удаляется вместе со стекающей пульпой. Тяжелая фракция оседает в желобах, ее удаление с пластин осуществляется смывной водой с определенной по математической зависимости объемной производительностью. Вода, подаваемая с такой производительностью, не может течь только по желобкам. Она перетекает из желобка в желобок через гребни, вымывая тяжелую фракцию. Сепаратор включает пластины описанной конструкции, питатель, устройство для подачи смывной воды, отвода легкой и тяжелой фракций. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области сепарации мелкозернистых и шламистых материалов по их плотности, в частности, в горнорудной и других областях промышленности.

Известен способ [1] гидравлической сепарации мелкозернистых материалов на конусном сепараторе. Способ заключается в том, что пульпу обогащаемого материала перемещают вниз по неподвижной наклонной поверхности. Легкая фракция находится во взвешенном состоянии, а тяжелая фракция оседает и скользит вниз по наклонной поверхности под действием силы тяжести и скоростного напора пульпы. Разгрузка легкой и тяжелой фракций происходит непрерывно.

Для обеспечения движения тяжелой фракции скорость пульпы должна быть достаточно большой, Это приводит к турбулизации потока и, как следствие, к перемешиванию частиц, что ограничивает эффективность сепарации и повышает нижний предел крупности обогащаемого материала.

Турбулизация пульпы отсутствует при сепарации по способу [1] на сепараторе "Бартлез-Мозли", принятом в качестве второго аналога. Способ заключается в том, что пульпу перемещают тонким слоем с малой скоростью по поверхности пластины, имеющей малый угол наклона (0-3^o). Тяжелая фракция оседает и не перемещается относительно этой поверхности. Легкая фракция находится во взвешенном состоянии и ее разгрузка происходит непрерывно благодаря орбитальному движению пластины. После прекращения подачи пульпы пластину наклоняют под углом 45 градусов и смывают водой тяжелую фракцию.

Недостатком способа является низкая объемная производительность, приходящаяся на единицу ширины потока пульпы при ее перемещении по пластине.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ [2] магнитного обогащения, заключающийся в том, что вводят в зону подачи пульпы, которая совмещена с зоной магнитного поля, вертикальные ферромагнитные пластины, установленные с зазором относительно друг друга, имеющие на своих поверхностях наклонные желобки, которые на противостоящих поверхностях смежных пластин наклонены во взаимно противоположных направлениях. Подают пульпу на пластины, отводят пульпу, вытекающую из зазоров между пластинами в легкий продукт сепарации - немагнитный продукт, выводят пластины из зоны подачи пульпы и магнитного поля, подают смывную воду в зазоры между пластинами и отводят вытекающую из зазоров смывную воду в тяжелый продукт сепарации - магнитный продукт.

При необходимости перед подачей смывной воды производят промывку магнитного продукта до вывода пластин из зоны магнитного поля.

Так как, в соответствии с этим способом, разделение частиц происходит по магнитным свойствам, то объемная производительность, с которой пульпа подается в зазоры между пластинами, определяется только соотношением магнитных сил и сил скоростного напора пульпы, действующих на частицы, и не имеет какого-либо другого физически обоснованного ограничения по верхнему пределу. Например, объемная производительность сепаратора 6ЭРМ 35/135, в котором реализуется данный способ обогащения, составляет 150 метров кубических в час. При такой производительности пульпа не может течь только по желобкам и проникает на всю глубину зазора в виде неразделившихся струй. Течение пульпы происходит в турбулентном режиме.

Рациональный угол наклона желобков, определенный экспериментальным путем, составляет 65 градусов. Под таким углом желобки наклонены в сепараторе 6ЭРМ 35/315.

Благодаря большому углу наклона желобков магнитная фракция не осаждается в них после смыва с гребней пластин, к которым она была притянута под действием магнитной силы. Поэтому производительность по смывной воде не имеет какого-либо физически обоснованного ограничения по нижнему пределу и выбирается только по технологическим условиям. Например, суммарная производительность сепаратора 6ЭРМ 35/315 по промывной и смывной воде составляла только 100 метров кубических в час, что меньше, чем производительность по пульпе, и по условию смыва магнитного продукта имела резерв дальнейшего уменьшения.

Способ магнитной сепарации реализуется в устройстве [2], состоящем из магнитной системы, ротора, расположенных в роторе с зазором относительно друг друга вертикальных ферромагнитных пластин, имеющих на своей поверхности желобки, которые на противостоящих поверхностях смежных пластин наклонены во взаимно противоположных направлениях, питателя и приспособлений для подачи смывной воды, приема тяжелого - магнитного и немагнитного - легкого продуктов сепарации. Между пластинами установлены дистанционные перемычки.

Данный способ магнитной сепарации и устройство для его осуществления приняты в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения в связи с тем, что при подаче пульпы на вертикальные пластины течение пульпы происходит вдоль обеих боковых поверхностей пластин, а не только по одной поверхности, как это имеет место в аналогах. Результатом этого является повышение производительности, приходящейся на одну пластину.

Недостаток ближайшего аналога заключается в отсутствии условий, обеспечивающих возможность накопления тяжелой фракции на вертикальных пластинах только под действием силы тяжести с последующим удалением этой фракции с пластин в тяжелый продукт сепарации.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ высокопроизводительной эффективной гравитационной сепарации мелкозернистых и шламистых материалов путем создания условий для осаждения и накопления тяжелой фракции обогащаемого материала на поверхностях вертикальных пластин при ламинарном течении по ним пульпы и для последующего удаления этой фракции с пластин под действием смывной воды.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе сепарации тонкозернистых материалов, включающем подачу пульпы на вертикальные пластины, установленные с зазором относительно друг друга и имеющие на своих поверхностях наклонные желобки, которые на противостоящих поверхностях сменных пластин наклонены во взаимно противоположных направлениях, отвод пульпы, вытекающей из зазоров между пластинами, в легкий продукт сепарации, прекращение подачи пульпы, подачу смывной воды в зазоры между пластинами, отвод смывной воды в тяжелый продукт сепарации, пластины выполнены из смачиваемого водой материала, подачу пульпы осуществляют с объемной производительностью приходящейся на 1 м длины зазора между пластинами по горизонтали, подачу смывной воды осуществляют с объемной производительностью где W - площадь поперечного сечения потока пульпы в желобке любого профиля при ширине свободной поверхности пульпы до 4·10^-3 м, м²; S -шаг размещения желобков на пластинах, м, а угол наклона желобков к горизонтали β < arctgϕ, град, где
tgϕ - коэффициент трения скольжения тяжелого минерала в водной среде.

После прекращения подачи пульпы на пакет пластин подают промывную воду с объемной производительностью

приходящейся на 1 м длины зазора между пластинами по горизонтали.

При осуществлении сепарации в многоярусном роторном сепараторе последовательной сепарации подвергают только легкие продукты сепарации, а тяжелые продукты всех вышележащих ярусов пропускают в режиме смыва тяжелого продукта сквозь зазоры между пластинами всех нижележащих ярусов вплоть до вывода из сепаратора в приемник тяжелого продукта.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в устройстве для сепарации тонкозернистых материалов, состоящем из расположенных с зазором относительно друг друга вертикальных пластин, имеющих на своей поверхности наклоненные желобки, которые на противостоящих поверхностях смежных пластин наклонены во взаимно противоположных направлениях, питателя, приспособлений для подачи смывной воды, приема тяжелого и легкого продуктов сепарации, пластины выполнены из смачиваемого водой материала, а желобки, расположенные на поверхности этих пластин, наклонены под углом менее 45^o к горизонтали.

Желобки прямоугольного или близкого к нему профиля имеют ширину поперечного сечения менее 4 мм.

Нижние полки желобков треугольного или близкого к нему профиля расположены под углом более 15^o к плоскости симметрии желобков.

При роторном многоярусном исполнении сепаратора все приспособления для передачи промежуточных продуктов от яруса к ярусу, а также приемники конечных продуктов сепарации расположены в пределах окружности ротора.

Причинно-следственная связь между признаками изобретения и достигаемым результатом заключается в следующем.

По замыслу изобретения пульпа в зазоры между пластинами должна поступать с такой достаточно малой производительностью, при которой она может двигаться по желобкам. При этом одна часть пульпы попадает на торцы пластин и стекает с них в желобки. Другая часть пульпы в виде струй двигается вниз по зазору, касаясь хотя бы одной из пластин. Под действием сил поверхностного натяжения эта пульпа вытекает из струй в желобки до полного исчезновения этих струн. Дальнейшее движение всей пульпы будет происходить в желобках при условии удержания ее там от перетекания через гребни, которые разделяют желобки. Удержать пульпу внутри желобков можно под действием сил поверхностного натяжения. Для этого поверхность пластин должна быть смачиваемой. Кроме того, ширина открытой поверхности пульпы в желобке любого профиля должна быть меньше двух радиусов R мениска устойчивой формы. Мениск устойчивой формы ограничивает свободную поверхность пульпы в желобке. Наши исследования и исследования других авторов показали, что радиус R такого мениска равен 2 мм. Соблюдение верхнего предела производительности позволяет получить требуемую ширину открытой поверхности пульпы в желобке и, следовательно, предотвратить ее перетекание через гребни.

Благодаря малой площади поперечного сечения потока пульпы в желобке ее течение может происходить только в ламинарном режиме. В таком спокойном потоке все частицы быстро оседают. Поэтому для разделения частиц очень важно, чтобы угол наклона желобков к горизонту был бы как можно больше, но не превосходил угол, при котором начинается массовое сползание тяжелых частиц. При таком условии только легкие частицы будут сноситься потоком вдоль желобков, а тяжелые частицы будут оседать и оставаться неподвижными в желобках. Предельное значение угла наклона желобков определяется как обратная тригонометрическая функция тангенса угла наклона желобков, равного коэффициенту трения скольжения тяжелого минерала в водной среде. Значения коэффициентов скольжения для различных материалов приведены в литературе [4, 5]. Практически все они лежат в пределах, соответствующих углу наклона до 45^o.

После прекращения подачи пульпы может, при необходимости, осуществляться промывка оставшейся в желобках тяжелой фракции. Подача промывной воды с заданным верхним пределом по производительности гарантирует, что течение промывной воды будет происходить только по желобкам и в том же режиме, в котором осуществлялось течение пульпы. Такое течение промывной воды обеспечивает вынос из желобков только легкой фракции и предотвращает смыв осевшей тяжелой фракции.

Для удаления из желобков тяжелой фракции в зазоры между пластинами подают смывную воду. По замыслу изобретения, смывную воду подают смывную воду. По замыслу изобретения, смывную воду подают с достаточно большой производительностью, при которой она не может двигаться только по желобкам. В результате этого вода перетекает через гребни, разделяющие желобки, и течет таким образом, вниз, вымывая тяжелый продукт из желобков. Производительность по смывной воде не имеет верхнего предела и может быть достаточно большой, чтобы ее течение происходило по всему сечению зазоров, что повышает эффективность удаления тяжелой фракции из желобков.

Благодаря тому, что нижняя полка желобка треугольного или близкого к нему профиля расположена под углом более 15 градусов к плоскости симметрии этого желобка, зерна тяжелого минерала осаждаются на поверхность, которая в направлении, поперечном движению пульпы, имеет угол наклона больший, чем угол трения скольжения этого минерала. В результате весь осаждаемый материал сползает по поверхности полки в направлении к вершине выступа, способствуя высвобождению и удалению зерен легкого минерала в легкий продукт сепарации.

Если на многоярусном роторном сепараторе последовательной сепарации подвергают только легкие продукты сепарации, осуществляя их передачу от вышележащего яруса непосредственно на нижележащий ярус, а тяжелые продукты всех вышележащих ярусов с высокой производительностью пропускают сквозь зазоры между пластинами нижележащего яруса, то пластины могут устанавливаться по всей длине радиуса ротора, что повышает производительность, приходящуюся на единицу площади, занимаемой сепаратором. Кроме того, все приспособления для передачи промежуточных продуктов от яруса к ярусу, а также приемники конечных продуктов сепарации могут быть расположены в пределах окружности ротора, что упрощает конструкцию сепаратора.

Ширина желобков прямоугольного или близкого к нему профиля должна быть менее 4 мм. В противном случае мениск устойчивой формы, ограничивающий свободную поверхность пульпы, будет вдавлен атмосферным давлением в желобок и процесс течения пульпы по желобкам будет нарушен.

Ширина желобков прямоугольного или близкого к нему профиля должна быть менее 4 мм. В противном случае мениск устойчивой формы, ограничивающий свободную поверхность пульпы, будет вдавлен атмосферным давлением в желобок и процесс течения пульпы по желобкам будет нарушен.

Из изложенного следует, что использование заявляемых признаков способа и устройства позволяет перемещать пульпу по обеим сторонам пластин в ламинарном режиме, осаждая и накапливая тяжелый продукт на их поверхностях. Подача смывной воды с заданной производительностью позволяет осуществлять смыв накопленного на пластинах тяжелого продукта. Благодаря этому в процессе гравитационной сепарации достигается повышение производительности при соблюдении условий, необходимых для сепарации тонкозернистых материалов.

Предлагаемый способ гравитационной сепарации был реализован на лабораторном сепараторе. Пластины выполнены из смачиваемого материала, имеют желобки с углом наклона 15^o, треугольного профиля шириной 4 мм. Высота пластин 200 мм, ширина зазора между пластинами 4 мм. Обогащаемый материал направлялся в зазор между пластинами с производительностью, удовлетворяющей условиям изобретения. Течение пульпы происходило только в желобках. Тяжелая фракция осаждалась в желобках, а легкая фракция по желобкам выносилась пульпой из зазора. После прекращения подачи питания производились промывка тяжелого продукта и последующий его смыв с пластин под действием смывной воды.

В качестве обогащаемого материала использовалась смесь порошков кварца (70%) и железа (30%) крупностью 100% менее 0,05 мм. Пульпы подавалась в зазоры между пластинами с объемной производительностью 0,05·10^-3 м³/с на один метр длины зазора по горизонтали при допустимом верхнем пределе производительности 0,134·10^-3 м³/мс. В один прием получен тяжелый продукт с содержанием железа 85%. Извлечение железа в тяжелый продукт составило 94%.

Указанная смесь порошков железа и кварца была для сравнения обогащена на концентрационном столе. При близком качестве тяжелого продукта извлечение железа было на 40% ниже.

На фиг. 1 представлена схема гравитационного сепаратора, на фиг. 2 - конструкция и взаимное расположение пластин, на фиг. 3 - схема расположения пульпы в желобках пластин, на фиг. 4 - схема удаления тяжелых частиц из желобков под действием смывной воды, на фиг. 5 - схема многоярусного роторного сепаратора с пропусканием тяжелого продукта сквозь зазоры между пластинами второго и третьего ярусов, на которых осуществляется перечистка легкого продукта верхнего яруса ротора.

Сепаратор (фиг. 1) имеет пластины 1, установленные вертикально с зазором 2 относительно друг друга. Над пластинами размещен питатель 3 и приспособления 4 для подачи смывной воды. Под пластинами находится приемник 5 для отвода продуктов разделения.

Пластины (фиг. 2) имеют на своих поверхностях желобки 6, которые могут быть треугольного, прямоугольного или любого другого профиля. На противостоящих поверхностях смежных пластин желобки наклонены во взаимно противоположных направлениях. Пластины могут быть жестко зафиксированы относительно друг друга их расклинивания с помощью дистанционных перемычек 7, или могут быть независимы друг от друга и свободно подвешены.

Физическая основа предлагаемого способа гравитационной сепарации иллюстрируется схемами, приведенными на фиг. 3 и фиг. 4. В качестве примера рассмотрено положение пульпы в желобках треугольного профиля при условии S > 2R. Согласно изобретению, пульпа подается на пластины 1 с производительностью, верхний предел которой ограничен. При соблюдении этого условия вся пульпа 8 (фиг. 3) движется только в желобках, удерживаясь в них под действием сил поверхностного натяжения. Свободная поверхность пульпы ограничена мениском устойчивой формы 9. Тяжелые частички 10 осаждаются в желобках под действием силы тяжести и поэтому не могут транспортироваться вдоль желобков под действием скоростного напора пульпы. Легкие частички 11 увлекаются потоком пульпы вдоль желобков и разгружаются в легкий продукт сепарации.

Согласно изобретению, смывную воду 12 (фиг. 4) подают на пластины всегда с большей производительностью, чем пульпу. Следовательно, она не может течь только вдоль желобков. Поэтому течение смывной воды происходит при ее перетекании из желобка в желобок через гребни 13, разделяющие желобки, или даже по всему сечению зазора между пластинами. При таком течении смывной воды происходит вымывание тяжелых частичек из желобков. Это становится возможным, так как вымывание происходит не вдоль, а поперек желобков, которые в этом направлении имеют размеры. Кроме того, смывная вода движется с большей скоростью, чем пульпа, так как ее течение происходит в вертикальном зазоре между пластинами, а не в наклонном желобке. Таким образом, физической основой предлагаемого способа гравитационной сепарации является изменение режима течения жидкости при измерении производительности, с которой она поступает в зазор между пластинами с заданными свойствами.

Сепаратор работает следующим образом. Пульпу обогащаемого материала подают на пластины, где она движется вдоль желобков. Вытекающую из зазоров пульпу собирают в легкий продукт сепарации. После прекращения подачи пульпы и вытекания ее из зазоров подают смывную воду и вымывают осевшие в желобках тяжелые частички в тяжелый продукт сепарации. В промежутках между окончанием подачи пульпы и началом подачи смывной воды при необходимости производится промывка осевшей в желобках тяжелой фракции.

При исполнении сепаратора в роторном варианте чередование подачи пульпы и смывной воды происходит за счет перемещения ротором пластин из зоны подачи питания в зону подачи смывной воды. Сепаратор может иметь несколько ярусов ротора, расположенных на одном валу. Каждый нижеследующий ярус служит для перечистки одного из продуктов сепарации вышележащего яруса. На фиг. 5 приведен вариант трехъярусного сепаратора, в котором легкий продукт верхнего яруса 14 подвергается перечистке, проходя сквозь ярусы 15 и 16 с производительностью, удовлетворяющей условию подачи питания. Конечный легкий продукт поступает в приемник 18. Тяжелые продукты пропускаются сквозь зазоры между пластинами среднего и нижнего ярусов с производительностью, необходимой для смыва тяжелого продукта. Следовательно, тяжелый продукт просто транспортируется сквозь все ярусы сепаратора в приемник тяжелого продукта 17. При такой организации процесса упрощается конструкция сепаратора и создается возможность размещения пластин 1 практически по всей длине радиуса ротора, что повышает производительность сепаратора, приходящуюся на единицу занимаемой площади пола.

Применение предлагаемого способа обогащения и устройства для его осуществления позволяет повысить производительность оборудования при сохранении или даже повышении эффективности сепарации мелких и шламистых материалов.

Сепаратор может изготавливаться серийно с использованием стандартного оборудования.

Источники информации
1. В. Н. Шохин, А. Г. Лопатин. "Гравитационные методы обогащения", М., "Недра", 1980 г., 400 с.

2. А.с. 1015911, СССР МКИ B 03 C 1/30. Магнитный сепаратор для обогащения слабомагнитных руд (В. Н. Потураев, А.М.Туркенич, Р.С.Улубабов и др. (СССР) - 3310278/22-03. Заявл. 01.07.81, опубл. 07.05.83, БИ N 17 (прототип).

3. Улубабов Р.С., Туркенич А.М. Увеличение ширины зазоров между пластинами роторных магнитных сепараторов // Горный журнал, 1986., N 5, с. 40-41.

4. Справочник по обогащению руд. Том 2 - М.: Недра, 1974 г., 447 с.

5. П. В. Лященко. Гравитационные методы обогащения. М.: Гостоптехиздат, 1940.

Формула изобретения

1. Способ сепарации тонкозернистых материалов, включающий подачу пульпы на вертикальные пластины, установленные с зазором относительно друг друга и имеющие на своих поверхностях наклонные желобки, которые на противостоящих поверхностях смежных пластин наклонены во взаимно противоположных направлениях, отвод пульпы, вытекающей из зазоров между пластинами, в легкий продукт сепарации, прекращение подачи пульпы, подачу смывной воды в зазоры между пластинами и отвод смывной воды в тяжелый продукт сепарации, отличающийся тем, что пластины выполнены из смачиваемого водой материала, подачу пульпы осуществляют с объемной производительностью

приходящейся на 1 м длины зазора между пластинами по горизонтали, подачу смывной воды осуществляют с объемной производительностью

где W - площадь поперечного сечения потока пульпы в желобке любого профиля, имеющего ширину свободной поверхности пульпы 4 · 10^-3 м, м²;
S - шаг размещения желобков на пластинах, м,
а угол наклона желобков к горизонтали
β < arctgϕ, град.,
где tgϕ - коэффициент трения скольжения тяжелого минерала в водной среде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после прекращения подачи пульпы на пластины подают промывную воду с объемной производительностью

приходящейся на 1 м длины зазора по горизонтали.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сепарации в многоярусном роторном сепараторе последовательной сепарации подвергают только легкие продукты сепарации, а тяжелые продукты всех вышележащих ярусов пропускают в режиме смыва тяжелого продукта сквозь зазоры между пластинами всех нижележащих ярусов вплоть до вывода из сепаратора в приемник тяжелого продукта.

4. Устройство для сепарации тонкозернистых материалов, состоящее из расположенных с зазором относительно друг друга вертикальных пластин, имеющих на своей поверхности желобки, которые на противостоящих поверхностях смежных пластин наклонены во взаимно противоположных направлениях, питателя, приспособлений для подачи смывной воды, приема тяжелого и легкого продуктов сепарации, отличающееся тем, что пластины изготовлены из смачиваемого водой материала, а желобки, расположенные на поверхности этих пластин, наклонены под углом менее 45^o к горизонтали.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что желобки прямоугольного или близкого к нему профиля имеют ширину менее 4 мм.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что нижние полки желобков треугольного или близкого к нему профиля расположены под углом более 15^o к плоскостям симметрии желобков.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что при роторном многоярусном исполнении сепаратора все приспособления для передачи промежуточных продуктов от яруса к ярусу, а также приемники конечных продуктов сепарации расположены в пределах окружности ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5