книги из ГПНТБ / Олофинский Н.Ф. Трибоадгезионная сепарация

свойств, поверхностного состояния частиц, числа кон­ тактов, амплитуды вибрации и других факторов.

Способность частиц сепарируемого материала к селективному восприятию электрических зарядов как по величине, так и по знаку является одним из усло­ вий успешного применения трибоадгезнонной сепара­ ции для разделения различных полезных ископаемых по вещественному составу и крупности.

Трибоадгезионный метод сепарации первоначаль­ но трактовался с учетом действия только молекуляр­ ной составляющей силы адгезии. При дальнейшем развитии теории этого процесса на основе новых ра­ бот Б. В. Дерягина и его школы [16, 27—32, 52] установлено, что па формирование силы адгезии су­ щественно влияет и электрическая составляющая.

Молекулярная составляющая силы адгезии (см. формулу (2)] проявляется до непосредственного кон­ такта частиц и зависит в основном от размеров пос­ ледних и от площади истинного контакта. По Б. В. Дерягину [16], основная закономерность статиче­ ского прилипания может быть сформулирована следующим образом. Силы прилипания при прочих равных условиях обратно пропорциональны линейным размерам частиц. Следовательно, если имеются ма­ лые частицы, находящиеся только под действием сил прилипания и собственной массы (пропорциональной кубу их линейных размеров), то силы адгезионного взаимодействия с уменьшением размера -частиц воз­ растают.

В процессе прилипания'между поверхностями двух твердых тел возникает точечный контакт. При этом необходимая сила притяжения не относится к какойлибо площади, а устанавливается лишь зависимость этой силы от формы поверхностей вблизи точек кон­ такта.

Из рассмотренной выше теории адгезии'известно, что две соприкасающиеся частицы притягиваются друг к другу, если сила сцепления FM между ними превышает силу тяжести /ч одной из них, т. е. когда

где FM— молекулярная составляющая силы адгезии;

„39

А — безразмерный коэффициент, учитывающий фор­ му поверхности в местах контакта частицы; dcp — средний диаметр частицы; а — поверхностное натяже­ ние частицы на границе раздела с окружающей сре­

что коэффициент А не зависит от диаметра) и резко возрастает с уменьшением крупности частиц.

Из этого соотношения определяется граничный ди­ аметр частицы, ниже которого сила сцепления пре­

сила сцепления начинает проявляться более резко и превалирует над остальными силами, действующими на частицу, находящуюся на поверхности барабана сепаратора. В результате этого отдельные тонкоиз­ мельченные вещества (например, графит, тальк, каолин и др.) приобретают способность, подобно смачи­ вающим жидкостям, прочно прилипать к твердым по­ верхностям. Как указывалось, в формировании адге­ зии существенную роль играют, кроме статических сил, также электрические. Электрическая составляю­ щая силы адгезии [см. формулу (3)] представляет собой сумму силы взаимодействия, обусловленной двойным электрическим слоем, образующимся в мес­ те контакта, и силы взаимодействия заряда (равно­ мерно распределенного по сферической частице) с материалом подложки. Возникновение этого заряда, очевидно, связано с предварительной электризацией частиц. Заряды частиц могут возникать при сопри­ косновении как разнородных, так и однородных мате­ риалов за счет эффекта отрыва.

При нарушении адгезионной связи на границе металл — малая шарообразная частица диэлектрика или полупроводника вероятность возникновения газо­ вого разряда мала, так как с уменьшением размера частиц уменьшается объем между частицей и поверх­ ностью. Величина первоначального заряда частицы qo

40

и поверхностная плотность ее заряда в этом случае могут быть значительными. Благодаря этому при по­ падании заряженной частицы на поверхность бараба­ на сепаратора сила взаимодействия ее заряда и за­ ряда, индуцированного им, будет достаточна для удержания частицы на поверхности барабана.

Электрические силы, обусловленные зеркальным отображением, значительно больше молекулярных сил

II сил двойного электрического слоя. Ими в основном

иопределяются силы адгезии при трибоадгезиониой сепарации. Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью подложки (при наличии определенного зазора между соприкасающимися поверхностями) осо­ бенно сильно проявляется в начальный момент их

контакта с поверхностью.

Продолжительность действия сил зеркального отображения зависит от поверхностных свойств соп­ рикасающихся тел, состояния среды (влажность, тем­ пература), размеров частиц и др. Если поверхность незаземленная или непроводящая и мала вероятность утечки зарядов (например, за счет ионизации возду­ ха), то силы зеркального отображения могут доволь­ но долго обусловливать адгезию частиц.

В трибоадгезионных сепараторах поверхности ба­ рабана и лотка заземляются. Однако, так как они всегда покрыты тончайшим слоем сепарируемого ма­ териала или пленкой окисленного металла, это зат­ рудняет утечку трибозарядов частиц. Кроме того, частица находится на барабане непродолжительное время (менее 1 с при диаметре барабана 300 мм и оптимальной частоте вращения его около 1 м/с), поэ­ тому сила зеркального отображения останется зна­ чительной, и ее действие сохранится в течение всего периода нахождения частицы на поверхности вра­ щающегося барабана. В работе [22] определена сила адгезии слоя окиси алюминия и карбида кремния к стальной заземленной подложке без напряжения при подаче его на подложку. Установлено, что в этом слу­ чае суммарная сила адгезии к заземленной подложке примерно в полтора раза больше, чем к незаземлен­ ной подложке, находящейся под потенциалом.

Нами экспериментально доказано, что заряжен­ ная частица, независимо от знака ее заряда, прочно

41

удерживается на поверхности заземленного бараба­ на. При этом попадая на поверхность барабана час­ тица индуцирует на ней заряд, равный по величине и противоположный по знаку. Заряд, вызванный двой­ ным электрическим слоем на внутренней поверхности барабана, стечет в землю. Величины зарядов частиц, по выходу удерживаемой фракции сепарируемого ма­ териала учитывались нами косвенно.

Показано, что при предварительной зарядке час­ тиц с помощью вибролотка выход указанной фрак­ ции в три раза больше выхода частиц, заряженных трением друг о друга или о лоток и в пять—семь раз больше выхода незаряженных частиц, поступающих из бункера непосредственно на барабан. Кроме ука­ занных выше сил, иа частицу, находящуюся па по­ верхности барабана, действуют также составляющая силы тяжести п центробежная сила, зависящая от массы частицы, линейной скорости вращения бараба­ на и его диаметра.

2. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЧАСТИЦЫ СЕПАРИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Процесс трибоадгезионной сепарации характери­ зуется уравнением, представляющим собой сумму сил, действующих на частицу, находящуюся на по­ верхности вращающегося барабана сепаратора.

где FM—AdCp, Один — молекулярная составляющая си­ лы адгезии, определяемая в основном средним диа­ метром частиц.

Молекулярная составляющая силы адгезии прояв­ ляется до непосредственного контакта частиц, и за­ висит от площади истинного контакта, материала частиц, физического состояния соприкасающихся по­ верхностей, влажности окружающей среды и др. Дей­ ствие молекулярной составляющей силы адгезии рез­ ко возрастает с уменьшением размеров частиц.

Электрическая составляющая силы адгезии

42

При трибоадгезионной сепарации на величину F? влияет степень электризации частиц, вызываемая кон­ тактной разностью потенциалов и их начальным заря­ дом (перед попаданием на поверхность барабана). Влиять на величину заряда сепарируемых частиц можно внешними воздействиями — термической или

тателя (при перемещении частиц по его поверхности), гранулометрическим составом и др.

При перемещении в сепараторе частицы материа­ ла трутся друг о друга и электризуются. Поведение заряженных частиц на поверхности барабана опреде­ ляется характером имеющейся на ней подложки. В отдельных случаях, например при неэлектропровод-

иой подложке, электрические силы Fэ способствуют отрыву частиц от барабана.

Сила тяжести, действующая на частицу, находя­ щуюся на поверхности барабана, зависит от массы и

где т — масса частицы; g — ускорение силы тяжес­ ти; а — угол поворота барабана.

Знак и величина нормальной составляющей силы FT зависят от величины угла а: при а < 90° сила тя­ жести прижимает частицу к барабану, при а>90° отрывает ее от него.

Центробежная сила, действующая на частицу, на­ ходящуюся на поверхности вращающегося барабана,

где т — 1 jtdcpg'p; ѵ5 — частота вращения барабана;

Dб — диаметр барабана.

С увеличением і>о и Пб центробежная сила суще­ ственно влияет на частицу. При определенной ско­ рости важную роль играет также и масса частицы,

43

При трибоадгезиомной сепарации решающее зна­ чение имеет сила зеркального отображения. Варьи­ руя различными факторами, влияющими на величи-

Рис. 13. Векторная диаграмма сил, действующих на частицу на поверхности барабана

ну заряда частиц, можно добиться увеличения на несколько порядков электрической составляющей силы адгезии (по сравнению с молекулярной составляющей или другими силами адгезии, имеющими место при сепарации).

Векторная диаграмма этих сил показана на рис. 13. Минимальное значение их равнодействующей бу­ дет в точке X. Частицы, не оторвавшиеся в этом мес­ те, удерживаются на поверхности барабана и снима­ ются с него щеткой или скребком.

Для отрыва частицы от барабана необходимо, что­ бы сумма всех сил, действующих на нее, была боль­ ше нуля. Воздействуя на составляющие силы адге­ зии, можно добиться широкого использования три­ боадгезионной сепарации в обогатительной практике.

3.КОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ

ОТВЕРДЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Контактное заряжание является важным фактором электризации тонкодисперсных частиц сепарируемых"

44.

материалов. Трибоз'аряды, возникающие при кон­ такте частиц с твердой поверхностью (подложки) или друг с другом, существенно влияют на величину ад­ гезии, а следовательно, и на повышение эффективнос­ ти сепарации.

Расчет зарядов сложен, так как зависит от таких факторов, как гранулометрический состав и форма частиц, их влажность, степень загрязненности по­ верхности частиц посторонними веществами и адсор­ бированными атомами газов и др.

Все проведенные исследования, носящие в основ­ ном качественный характер, позволяют лишь прибли­ женно оценивать величины, которые определяют силы адгезии. В реальных условиях, на величину заряда частицы, а следовательно, и на силу адгезии влияют физико-химические свойства контактирующих тел, состояние их поверхности, окружающая среда, темпе­ ратура, скорость отрыва частиц от подложки и дру­ гие трудно учитываемые факторы. В связи с этим ве­ личины зарядов определяются экспериментальным пу­ тем.

Целью зарядки как однородных, так и разнород­ ных частиц минералов является создание на них мак­ симальных по величине и желательно различных по знаку зарядов. Важную роль при этом играет не аб­ солютная величина зарядов, а их разница, обусловли­ вающая эффективное разделение.

Контактная электризация обеспечивает гораздо большую разницу в величинах зарядов, чем электри­ зация в поле короны, хотя по абсолютной величине заряды в первом случае значительно меньше.

Так, например, при контактной электризации эф­ фективность селективного разделения полевого шпата и кварца, характеризующихся почти одинаковыми электрофизическими свойствами, значительно выше, чем при других способах зарядки (ионный ток корон­ ного разряда; поверхность, находящаяся под потен­ циалом высокого напряжения; облучение ультрафио­ летовыми или инфракрасными лучами; пьезоэффект

идр.) [48].

Уметаллических частиц величина заряда повыша­ ется пропорционально квадрату их радиуса [4, 35].

Распространить это положение на частицы полупро­

45

водников и диэлектриков, характеризующихся в ос­ новном произвольной формой, нельзя.

Существенное влияние на величину заряда имеет влажность материала. Обычно сепарация проводится при относительной влажности воздуха 55—60% [35]. При большей влажности частицы покрываются плен­ кой влаги, предотвращающей возможность увеличе­ ния заряда вследствие контакта, и силы адгезии уве­ личиваются под действием капиллярных сил, сни­ жающих сыпучесть материала. Заряжание таких ма­ териалов не идентично во времени.

На величину заряда также значительно влияет степень загрязнения поверхности частиц. В этом слу­ чае заряжание возможно как под действием поверх­ ностно-активных веществ (изменение физико-химиче­ ских свойств материалов), так и вследствие измене­ ния механизма заряжания (электролитическое заряжание).

Одним из основных факторов, от которого сущест­ венно зависит степень электризации частиц при кон­ такте, является их нагрев. При нагреве в большей части случаев достигается изменение электрофизиче­ ских свойств частиц минералов (поверхностная или объемная проводимость, диэлектрическая проницае­ мость) и одновременно разрушение поверхностной пленки влаги, что позволяет твердой частице заря­ жаться при непосредственном контакте ее с подлож­ кой.

Увеличению трпбозарядов способствует также виб­ рация, применяемая при перемещении частиц по пло­ скости питателя, что повышает число контактов ча­ стиц с твердой поверхностью.

Установлено [47], что заряженная частица, неза­ висимо от знака ее заряда, прочно удерживается на поверхности заземленного барабана.

Как уже указывалось, рассчитывать величины трибозарядов тонкодисперсных частиц, а следовательно, и силы взаимодействия электрической составляющей адгезии очень сложно, поэтому их учитывают косвен­ но — по выходу удерживаемой фракции сепарируемо­ го материала. Цель зарядки — образование на клас­ сифицируемых частицах однородных минералов за­ рядов максимально различных по величине и (жела-

46

телыю) противоположных по знаку. При этом важна не абсолютная величина зарядов, а разница их для отдельных классов крупности.

Известно несколько способов зарядки частиц ми­ нералов мельче 100—150 мкм.

3 а р я ж а н ие в но ни ом т о к е к о р о н н о г о р а з р я д а . В этом случае количество ионов, адсорби­ рованных на поверхности частицы, или ее заряд в зоне коронного разряда, зависят от величины тока короны времени нахождения частицы в зоне разряда, ее раз­ меров, формы, влажности, вещественного состава и др.

Для эффективной классификации частиц необхо­ димо однозначное соответствие между их размером (или массой) и зарядом. Так как в природе абсолют­ но нейтральных тел нет и классифицированные части­ цы, поступающие в зону коронного разряда, несут на себе трибоэлектрические заряды обоих знаков, кине­ тика зарядки частиц зависит от многих факторов и в основном происходит в соответствии с теорией Потенье. Время, за которое частицы могут получить мак­ симальный заряд находясь в зоне коронного разря­ да, составляет не более 1 с [55].

К числу недостатков рассматриваемого способа зарядки относятся необходимость применения источ­ ников высокого напряжения (десятки киловольт), ма­ лая концентрация частиц заряжаемого материала и зависимость величины заряда от траектории частицы в зоне коронного разряда.

ный способ, однако применять его целесообразно в основном при зарядке частиц проводников. Частицы, попав на металлическую пластину, соединенную с ис­ точником высокого напряжения, мгновенно достига­ ют заряда максимальной величины. Знак заряда сов­ падает со знаком потенциала.

Время заряжания частиц полупроводников зависит от электрического сопротивления материала частицы. Перенос заряда у частиц диэлектрика осуществляется только в точке контакта. Для эффективной зарядки частиц диэлектриков необходимо устройство, обеспе-

47

чиваіощее соприкосновение с зарядной пластиной всех точек частицы. Осуществить это весьма сложно, так как классифицируемые частицы в основном имеют неправильную форму.

Т р и б о з а р я д к а с п о м о щ ь ю в и б р о л о т к а. Заряжание частиц при их механическом трении друг о друга или ударе о поверхность известно давно, од­ нако природа этого явления и закономерности трибо­ зарядки до сих пор не ясны.

Трпбозаряды, образующиеся па частицах при их распылении, ударе и трении о поверхности, достигают значительных величин [55]. Трпбозаряд можно увели­ чить также подогревом плоскости трепня или вибра­ циями. Последние более эффективны, чем перемеще­ ние частиц по неподвижной плоскости трения, зигза­ гообразным желобам и др. Величины зарядов, полу­ чаемых частицами при движении по вибролотку, зависят от скорости их перемещения и амплитуды виб­ рации лотка, которая регулируется напряжением, по­ даваемым на электромагнит вибратора, и зазором между якорем катушки вибратора и нижней поверх­ ностью лотка. Оптимальная длина лотка 400 мм. При большей длине величина заряда почти не изменяется. Угол наклона лотка к горизонтали 30—35°. При ин­ тенсивной вибрации отдельные частицы перекатыва­ ются и взвешиваются в воздухе в течение большей части вибрационного цикла. При этом обеспечивается величина зарядов, достаточная для сепарации. При ударе о твердую поверхность также возможно увели­ чение площади контакта и разрушение поверхностных пленок.

Электризация трением (трибоэлектрнческий эф­ фект) наблюдается главным образом у диэлектриков. Изолированные металлы также электризуются при трении [1]. Плотность зарядов на разделенных по­ верхностях определяется физическими свойствами последних и окружающей средой.

При трении диэлектрики и полупроводники с большей диэлектрической проницаемостью заряжа­ ются положительно [54]. Плотность заряда граничных слоев пропорциональна разности диэлектрических проницаемостей соприкасающихся веществ. Заряды у диэлектриков больше, чем у металлов.

43