Теоретичні основи електричного збагачення

При електричній сепарації використовують в основному такі електричні властивості мінералів, як електропровідність, діелектрична проникність, а також їх здатність заряджатися під впливом деяких фізичних ефектів (трибо-, піро- і п’єзоелектричний ефекти, контактний потенціал). Процес електричної сепарації полягає у взаємодії електричного поля з зарядженою мінеральною частинкою. Електрична сепарація застосовується для збагачення зернистих сипучих матеріалів крупністю 0,05–3 мм, коли їхня переробка іншими методами неефективна або неекономічна. Крім сепарації застосовують також електричну класифікацію і знепилення різних матеріалів, ці процеси у ряді випадків більш ефективні, ніж гравітаційні і відцентрові.

Електричне поле (рис. 3.61 ) діє на заряджені частинки. Рух частинок у електричному полі залежить від його напруженості і неоднорідності, а також від заряду частинок, а конфігурація поля – від форми і розташування електродів.

Напруженістю електричного поля Е в точці називається величина, що дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на позитивний заряд у даної точці, до цього заряду:

, В/м, (3.47)

де F – сила, що діє на заряд, Н; Q – величина заряду, Кл.

Рис. 3.61. – Конфігурації електричних полів:

а – двох різнойменних зарядів; б – двох однойменних зарядів;

в – двох різнойменних пластин; г – різнойменних дроту і пластини.

Для електричної сепарації використовуються поля з напруженістю близько 6 · 10⁵ В/м при напрузі на електродах U = 20 – 70 кВ.

Між паралельними плоскими полюсами-електродами (рис. 3.60 в) силові лінії паралельні і поле однорідне. При точкових відокремлених полюсах (рис. 3.60 а, б, г) силові лінії розходяться по радіусах і число їх зменшується пропорційно квадрату відстані від полюса. У цьому випадку поле – неоднорідне. Неоднорідність поля характеризується ґрадієнтом напруженості:

, В/м², (3.48)

де dE – зміна напруженості поля у напрямку x на відрізку dx.

Величина напруженості поля залежить від діелектричної проникності середовища, у якому знаходиться поле, температури та інших факторів.

Діелектрична проникність середовища показує, у скільки разів сила взаємодії зарядів у даному середовищі менша, ніж у вакуумі. Абсолютна діелектрична проникність ε_а діелектрика – величина, що дорівнює добутку діелектричної проникності діелектрика ε і електричної сталої ε₀ (ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м):

ε_а = ε · ε₀. (3.49)

Результати взаємодії мінеральної частинки з електричним полем залежать від її електричних властивостей. При електричній сепарації використовують в основному відмінності мінералів у електропровідності, діелектричній проникності, електризації тертям і адґезії. Залежно від електропровідності усі мінерали поділяють на три групи:

– провідники з питомою електропровідністю 10^-1 ≤ ρ ≤ 10⁴ Сим/м (Сименс/м). До провідників належать самородні метали, багато сульфідних мінералів, графіт, ільменіт, рутил, титаномагнетит і ін.;

– напівпровідники з питомою електропровідністю 10^-2 ≤ ρ ≤ 10^-10 Сим/м. До напівпровідників відносять ґранат, лімоніт, гематит, сидерит, молібденіт, псиломелан, станін і ін.;

– непровідники (діелектрики) з питомою електропровідністю 10^-11 ≤ ρ ≤ 10^-20 Сим/м. Непровідниками є алмаз, каситерит, циркон, шеєліт, кварц, кальцит і ін.

Електропровідність мінеральних частинок характеризується об’ємною і поверхневою складовими. Об’ємна електропровідність мінералу може коливатися у значних межах залежно від вмісту у мінеральних частинках сторонніх домішок. Поверхнева електропровідність залежить від стану поверхні, наявності на поверхні мінералу окисних плівок, вологи, поверхнево-активних речовин і т.д. Природну поверхневу електропровідність мінералів у ряді випадків можна змінити в необхідному напрямку обробкою їх спеціальними реаґентами. Внаслідок обробки збільшується різниця у електропровідності мінералів, особливо діелектриків, а отже, поліпшуються умови їх розділення. На електричні властивості провідників обробка реаґентами практично не впливає.

Під дією електричного поля у частинці незарядженого провідника відбувається вільне переміщення електричних зарядів. На кінці частинки, що звернена до позитивного електрода, виникає негативний заряд, а на другому кінці – позитивний заряд (явище електростатичної індукції). У непровідників в електричному полі не відбувається вільного переміщення зарядів, а спостерігається тільки зсув негативного заряду у напрямку позитивного електрода, а позитивного заряду – у напрямку негативного електрода (явище поляризації). При цьому під впливом постійного напруження рух електричних зарядів у провідниках відбувається безперервно, а у діелектриках зсув зарядів швидко припиняється, після чого вони залишаються поляризованими. При поляризації діелектрика на поверхні частинок з протилежних кінців створюються заряди протилежних знаків, але ці заряди, на відміну від індукованих у провіднику, є зв’язаними і їх не можна розділити.

Зарядження частинок можна виконувати йонізацією у полі коронного розряду, йонізацією α- або β-випромінюванням, електризацією тертям, індукуванням зарядів, контактом із зарядженим електродом, нагріванням, а також різними комбінаціями цих способів. Але основне практичне значення при електричній сепарації мають такі способи: контактна електризація, індукція, йонізація у полі коронного розряду і електризація тертям.

При контактній електризації дотик мінерала-провідника до поверхні електрода приводить до того, що він практично миттєво набуває потенціалу електрода. Діелектрики до потенціалу електрода заряджаються поступово, свій потенціал (первинний заряд) вони можуть зберігати протягом кількох секунд або хвилин.

При індукційній електризації мінеральні частинки вільно рухаються між електродами і внаслідок різної природи та кінетики утворення електричні заряди, що виникають на провідниках і діелектриках, відрізняються величиною. Але за абсолютною величиною ця різниця зарядів мала, що не дозволяє ефективно розділяти мінеральні суміші.

При комбінованому способі електризації контактом і індукцією мінеральні частинки отримують великі потенціали, але провідники швидко розряджаються на заземленому електроді і набувають його потенціалу. У цьому випадку різниця у потенціалах зарядів частинок значно більша, ніж при застосуванні тільки індукційного способу.

Найбільш розповсюдженим способом зарядки мінеральних частинок є зарядження у полі коронного розряду або радіоактивного або іншого жорсткого випромінювання.

Коронний розряд створюється між двома електродами, один з яких (коронуючий) має малий радіус кривизни (тонкий дріт, вістря і т.п.), а другий (заземлений) виконаний у вигляді барабана або пластини. Під впливом електричного поля потік газових йонів рухається від коронуючого електрода до заземленого. Мінеральні частинки, що переміщуються крізь потік йонів, заряджаються. Різниця у величинах зарядів, що одержали частинки в результаті йонізації, посилюється способом розрядки через заземлений електрод. Провідник швидко віддає свій заряд і стає нейтральним до електрода, діелектрики розряджаються повільніше. Різниця в швидкостях розрядження провідників і діелектриків достатньо велика і пропорційна різниці у електропровідності мінералів, які розділяють при збагаченні. Цей спосіб зарядки найчастіше застосовується при сепарації мінералів за електропровідністю.

Електризація тертям застосовується при розділенні мінералів, близьких за електропровідністю. Електризація тертям здійснюється двома способами: інтенсивне перемішування мінеральних частинок з їх частим зіткненням і транспортування мінеральної суміші по поверхні електризатора, виконаного у формі лотка. Внаслідок тертя одні мінерали здобувають позитивний заряд і в електричному полі притягуються до негативного електрода, інші мінерали здобувають негативний заряд і притягуються до позитивного електрода. Деякі мінерали не володіють здатністю електризуватися тертям.

В електричному полі сепаратора розділення по-різному заряджених частинок здійснюється внаслідок взаємодії електричних і механічних сил.

Електричні сили, що діють між частинками, визначаються такими параметрами електричного поля: наявність носіїв заряду (поле з рухомими носіями зарядів або без них), полярність поля (постійна або змінна), однорідність поля (однорідне або неоднорідне), система електродів (замкнена або відкрита), середовище сепарації (рідина або газ).

Сили, що діють на частинку:

– електрична кулонівська сила, що обумовлена притяганням частинки до протилежного за знаком електрода і відштовхуванням від однойменного:

, Н, (3.50)

де Q – заряд частинки, Кл; E – напруженість електричного поля В/м.

Електрична сила проявляється при всіх указаних параметрах поля, тому електричне збагачення можливе як у однорідному, так і у неоднорідному полях (на відміну від магнітного збагачення). Але вплив цієї сили на траєкторію руху частинки у полі змінної полярності незначний внаслідок великої механічної інерції частинок;

– сила дзеркального відбиття виникає під дією індукованого на електроді заряду, що дорівнює заряду частинки. Сила спрямована до електрода і намагається втримати частинку на ньому або біля нього, для повітряного середовища вона дорівнює:

, Н, (3.51)

де r – радіус частинки, м; ε₀ – електрична стала (ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м).

Сила дзеркального відбиття виникає також при всіх параметрах поля, але дія її помітна тільки поблизу електрода або при контакті з ним. За абсолютною величиною вона значно менша від електричної сили;

– пондеромоторна сила обумовлена різницею між діелектричними проникностями частинки (ε) і середовища (ε_*), у якому здійснюється сепарація:

, (3.52)

де gradE – похідна напруженості електричного поля у напрямку її максимальної зміни, В/м².

Напрямок дії пондеромоторної сили не залежить від знака заряду електрода. Ця сила намагається виштовхнути частинку у слабкіші ділянки поля при ε < ε_* і, навпаки, втягнути при ε > ε_*. Пондеромоторна сила проявляється тільки в неоднорідному полі, і її значення залежить від характеристики середовища. При сепарації у повітряному середовищі вона дуже мала у порівнянні з електричною, але в рідині з високою діелектричною проникністю досягає значень достатніх, для розділення матеріалів;

– відцентрова сила, що виникає при обертанні осаджувального електрода і діє на частинку у напрямку від осі електрода до його поверхні:

, ^Н, (3.53)

де т – маса частинки, кг; V – окружна швидкість обертання барабана сепаратора, м/ с; D – діаметр барабана, м.

– гравітаційна сила, величина нормальної і тангенціальної складових якої залежить від положення частинки на барабані:

, ^{Н. (3.54)}

Таким чином, результуюча сила, що притискає частинку до поверхні барабана, дорівнює:

, ^{Н. (3.55)}

В залежності від положення частинки на поверхні барабана величина цих сил неоднакова.

При виході частинки із зони дії коронного розряду дія сил F_ел i F_пм припиняється. Крім того, при віддаленні частинки з зони коронного розряду слабшає дія сили дзеркального відбиття F_дз , тому що частинка поступово розряджається.

Неоднакова дія й сили ваги: на верхній ділянці барабана вона притискає частинку до поверхні, а на нижній – відриває.

Величина пондеромоторної сили дуже мала у порівнянні з електричною і дзеркального відбиття, тому нею при розрахунках можна знехтувати. Також дуже мала в зоні дії коронного розряду величина сили ваги, отже, результуюча сила, що притискає частинку до поверхні барабана, дорівнюватиме:

, ^{Н, (3.56)}

а результуюча сила, що утримує частинку після її виходу із зони дії коронного розряду, буде:

, ^{Н. (3.57)}

Сили молекулярного зчеплення частинок між собою і з електродом до уваги не беруться, бо для зернистого матеріалу вони відносно малі. Інерційні сили діють на завершальному етапі і вирішального значення не мають.

Електричні сепаратори

Електричний метод сепарації полягає у зміні траєкторії руху заряджених мінеральних частинок під дією електричного поля. Існує багато конструкцій електричних сепараторів, які відрізняються методом сепарації, способами зарядки мінералів, електричними і механічними силами, що діють на частинки, та іншими ознаками. Основні конструкційні типи сепараторів, що використовуються у практиці збагачення, такі:

– електростатичні (барабанні, камерні, каскадні, пластинчаті);

– коронні і коронно-електростатичні (барабанні, камерні);

– трибоелектричні.

Умовні позначки електричних сепараторів наведені в табл. 3.11.

Таблиця 3.11. – Умовні позначки електричних сепараторів

Літерні позначки	Цифрові позначки
СЕС – сепаратор електростатичний ЕКС – сепаратор коронно-електростатичний СТЕ – сепаратор трибоелектричний	L – довжина осаджувального електрода, мм

В електростатичних барабанних сепараторах (рис. 3.62 а) розділення частинок здійснюється за різницею у їх електропровідності. Процес сепарації відбувається таким чином. Вихідний матеріал з бункера 1 подається на заряджений барабан 2, що обертається. На поверхні барабана частинки провідників заряджаються швидко і в результаті взаємодії однойменних зарядів відштовхуються від барабана і падають у збірник 3. Частинки непровідників заряджаються повільно, утримуються на барабані і знімаються щіткою 4 у збірник 5. Кількість і якість провідної і непровідної фракцій регулюється шиберами 6. Суміш зерен різної електропровідності концентрується у збірнику 7. Для збільшення кута відхилення провідників і підвищення ефективності розділення в сепаратори паралельно першому зарядженому барабану 2 установлений другий відхиляючий барабан 8 протилежної полярності. Процес сепарації здійснюється більш успішно, якщо частинки додатково підзарядити, наприклад, за допомогою йонізації.

Для розділення мінералів за електропровідністю можна застосовувати пластинчатий каскадний сепаратор (3.62 б), який складається з шістнадцяти паралельних пластинчатих електродів. Нижні електроди 9 – гладкі, верхні 10 – жалюзійні. Один ряд електродів заземлений, а на другий, закріплений на ізоляторах, подається висока напруга.

Вихідний матеріал, що переміщується зверху униз між електродами, послідовно піддається дії шістнадцяти електричних полів.

Частинки-провідники відриваються від гладкого електрода, проходять через жалюзі протилежного електрода і виводяться у збірники 3. Непровідники проходять через всі каскади сепаратора і потрапляють у збірник 5. Процес регулюється кутом нахилу пластин, відстанню між ними і величиною напруги на пластинах.

Рис. 3.62. – Схеми електростатичних сепараторів:

а – барабанний; б – пластинчатий каскадний.

1 – бункер; 2 – заряджений барабан; 3 – збірник провідників;

4 – щітка; 5 – збірник непровідників; 6 – шибер; 7 – збірник суміші мінералів; 8 – відхиляючий електрод; 9 – гладкі електроди;

10 – жалюзійні електроди.

Найбільше поширення у практиці електричного збагачення дістали коронно-електростатичні сепаратори, у яких розділення мінеральних частинок здійснюється у полі коронного розряду.

К оронно-електростатичний сепаратор (рис. 3.63) складається із завантажувального бункера 1 з електричним підігрівачем 2 і живильником та одного або декількох однакових блоків сепарації. Кожний блок сепарації включає відсаджувальний електрод 3, коронуючий електрод 4, відхиляючий електрод 5, щітку 6, шибери 7 і збірники продуктів 8, 9, 10. Робота сепаратора здійснюється таким чином.

Вихідний матеріал після підігріву в електричному підігрівачу 2 живильником подається тонким шаром на відсаджувальний електрод 3, який являє собою барабан діаметром 120 – 160 мм з полірованою поверхнею. Паралельно твірній відсаджувального електрода встановлені голковий коронуючий 4 і трубчатий відхиляючий 5 електроди. При обертанні відсаджувального електрода матеріал транспортується у зону дії електричного поля коронного розряду, де кожна частинка одержує заряд, знак якого відповідає знаку корони.

Оскільки під час зарядження частинки знаходяться у контакті з поверхнею заземленого відсаджувального електрода, то одночасно відбувається і їх розрядження. Частинки з високою електропровідністю, виходячи з зони дії коронного розряду, швидко віддають свій залишковий заряд відсаджувальному електроду і відцентровими силами скидаються з поверхні барабана, потрапляючи до збірника 8. Частинки з меншою електропровідністю віддають свій заряд відсаджувальному електроду повільніше і відриваються від нього пізніше і розвантажуються у збірник 9. Частинки-непровідники не встигають розрядитися за один оборот відсаджувального електрода і знімаються з нього щіткою 6 у збірник 10.

Таким чином, залежно від швидкості передачі свого заряду відсаджувальному електроду, яка, у свою чергу, залежить від електропровідності, частинки мають різні координати точок відриву від поверхні барабана. Кількість і якість продуктів розділення регулюються шиберами 7, а також положенням коронуючого і відхиляючого електродів і напругою на них.

Трибоелектричні сепаратори (рис. 3.64) призначені для розділення корисних копалин, що складаються з суміші зерен діелектриків і напівпровідників, які здатні при електризації тертям одержувати різнойменні заряди. Сепаратор має електризатор 3 у формі вібролотка, укомплектованого підігрівачем 2, який забезпечує підігрів матеріалу до 120-200°С. Це дозволяє збільшити контрастність властивостей мінералів, схильних до піроелектризації.

В результаті багаторазових струшувань на вібролотку (електризатор) 3 одні мінерали електризуються позитивно, інші – негативно. Розділення по-різному заряджених мінеральних частинок здійснюється в електростатичному полі, що створюється двома протилежно зарядженими електродами 4 і 5. Позитивно заряджені частинки відштовхуються від заземленого електрода 4 як однойменно заряджені і потрапляють у збірник 8. Негативно заряджені частинки утримуються поверхнею позитивно зарядженого електрода і знімаються з нього щіткою 6 у збірник 10. Регулювання процесу здійснюється шиберами 7, температурою підігріву живлення і напругою на відхиляючому електроді.