Характеристика процесу

Процес збагачення у важких середовищах полягає в розділенні корисних копалин за густиною в гравітаційному або відцентровому полі в середовищі, густина якого є проміжною між густинами компонентів, які розділяються. Збагачення у важких середовищах – найбільш ефективний гравітаційний процес, що дозволяє досягти чіткого розділення корисної копалини за заданою густиною.

Процес збагачення базується на законі Архімеда: на тіло, занурене у рідину, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі витісненої тілом рідини.

При зануренні корисної копалини у важке середовище зерна, густина яких менша густини середовища, спливають, а зерна більшої густини тонуть.

Як важкі середовища можуть бути використані розчини неорганічних солей, органічні рідини і важкі суспензії. Розчини неорганічних солей (найчастіше розчини CaCl₂ і ZnCl₂ з максимальною густиною до 2000 кг/м³) і органічні рідини (тетраброметан з густиною 2900 кг/м³, рідина Сушина-Рорбаха з густиною 3650 кг/м³, рідина Клеричи з густиною 4200 кг/м³ і ін.) звичайно застосовуються при вивченні фракційного складу корисних копалин. У виробничих умовах використовують важкі мінеральні суспензії, що являють собою зависі тонкоподрібненої твердої речовини (обважнювача) у воді (дисперсійне середовище).

Обважнювачі, застосовувані для приготування суспензій (табл. 3.2), повинні відповідати певним вимогам:

• мати високу і постійну густину для отримання стійких та малов’язких суспензій при об’ємній концентрації С=0,15-0,25;

• бути дешевими і недефіцитними;

• легко відділятися від продуктів збагачення та шламів (легко реґенеруватися);

• не бути абразивними і мати високу механічну міцність;

• бути хімічно неактивними, нерозчинними у воді та нетоксичними;

• не містити шкідливих компонентів, що погіршують якість концентратів.

Таблиця 3.2. – Характеристика обважнювачів

Обважнювач	Густина, кг/м3
	обважнювача	суспензії (максимальна)
Барит Піротин Пірит Магнетит Арсенопірит Феросиліцій Ґаленіт	4400 4600 5000 5000 6000 6900 7500	2200 2300 2500 2500 2800 3100 3300

Результати збагачення багато в чому залежать від фізичних властивостей суспензій – густини, в'язкості і стійкості, а також від властивостей обважнювача.

Густина суспензій визначається густиною обважнювача і його об'ємним вмістом у суспензії:

(3.1)

або

, (3.2)

де – густина суспензії, води і обважнювача, кг/м³; – об'ємна концентрація обважнювача в суспензії, частки од.

У практиці гравітаційного збагачення для приготування суспензій на вуглезбагачувальних фабриках використовують магнетитовий концентрат густиною 4400–4700 кг/м³, на рудозбагачувальних фабриках – феросиліцій густиною 6800 – 7200 кг/м³.

В'язкість – властивість середовищ чинити опір відносному руху їхніх елементарних шарів. Причиною опорів, що виникають при русі рідин, є внутрішнє тертя між сусідніми дотичними шарами. Таким чином, для взаємного переміщення частинок реальної рідини необхідна певна витрата енергії. Відповідно до закону Ньютона сили внутрішнього тертя, що виникають між сусідніми шарами рідини, що рухаються, прямо пропорційні швидкості відносного руху і площі поверхні зіткнення:

F_T = S μ , (3.3)

де F_T – сила внутрішнього тертя, Н; S – площа дотичних шарів, м²; μ – динамічний коефіцієнт в'язкості, Па∙с; du – різниця швидкостей руху сусідніх елементарних дотичних шарів, м/с; dh – відстань між осями сусідніх елементарних шарів, м; du/dh – ґрадієнт швидкості, с^-1.

Поняття “в’язкість” характерне лише для динамічно рухливих середовищ, тому що з припиненням руху середовища швидкості відносного ковзання шарів стають рівними нулю і зникають сили внутрішнього тертя. Сили внутрішнього тертя залежать від роду середовища. З підвищенням температури в'язкість рідини зменшується. При нормальних умовах динамічний коефіцієнт в'язкості води μ = 0,001 Па∙с.

В'язкість суспензії збільшується зі зростанням об'ємної концентрації обважнювача і його дисперсності і не залежить від природи обважнювача та його густини. Динамічний коефіцієнт в'язкості суспензії при об'ємній концентрації обважнювача до 40 % визначається за формулою Ванда:

, (3.4)

де – динамічні коефіцієнти в'язкості суспензії і води, Па∙с; - об'ємна концентрація обважнювача, частки од.

Збільшення в'язкості середовища розділення при гравітаційному збагаченні приводить до зниження ефективності процесу. Магнетитові суспензії при високому вмісті обважнювача, наявності шламу і глини стають структурно в'язкими. У таких суспензіях погіршується процес розділення корисної копалини, особливо дрібних зерен, що не тонуть і не спливають, тому що не можуть перебороти опір середовища. Нормальні умови розділення забезпечуються при динамічній в'язкості важкого середовища, яка не перевищує 0,007 Па∙с.

Стійкість суспензії – здатність її зберігати задану густину у різних за висотою шарах. Безструктурні суспензії, застосовувані найчастіше в практиці гравітаційного збагачення, є досить нестабільними системами. По мірі збільшення структуроутворення або підвищення вмісту в суспензії твердого підвищується і її стійкість.

Ступінь стійкості суспензії багато в чому визначає конструкцію збагачувального обладнання, режим і умови його роботи, точність розділення корисної копалини. Підвищення стійкості суспензій може бути досягнуто різними способами: створенням висхідних і горизонтальних потоків; застосуванням обважнювачів певного складу; додаванням спеціальних реаґентів-пептизаторів, стабілізаторів тощо; фізико-механічними впливами.

Метод стабілізації суспензії шляхом створення в робочій зоні сепаратора висхідних і горизонтальних потоків є основним і тому найпоширенішим. Висхідний потік підвищує густину розділення в порівнянні з густиною суспензії, яка подається в сепаратор. Тому, щоб не знизити точність розділення, при виборі швидкості висхідного потоку враховують тип сепаратора, склад збагачуваного матеріалу, тип обважнювача.

Стійкість суспензії підвищується при добавці в неї тонких класів обважнювача і рудних шламів. Іноді додають 1–3 % глинистих матеріалів або застосовують суміш порошків матеріалів різної густини (напр., суміш феросиліцію з магнетитом або з піротином).

Підвищення стійкості суспензій при одночасному зниженні їхньої в'язкості на 15–35 % може бути досягнуто застосуванням реаґентів-пептизаторів, що знижують злипання частинок. Найбільш ефективні гексаметафосфат і триполіфосфат натрію. Реаґенти-пептизатори застосовують при значному вмісті шламів у суспензіях і при збагаченні в суспензіях підвищеної густини (понад 2000 кг/м³). Вміст реаґентів-пептизаторів у суспензії не повинен перевищувати 0,001–0,5 % від маси обважнювача.

Стійкість суспензії може бути підвищена при одночасному зниженні її в'язкості на 30–40 % за рахунок фізико-механічних впливів (напр., за рахунок коливань з частотою 5–8 Гц і амплітудою 6–10 мм).