1.3. Середовища гравітаційних процесів

При гравітаційному збагаченні корисних копалин як середовища використовують воду, повітря, важкі рідини і суспензії, розчини електролітів. Реологічні властивості середовищ, що впливають на результати розділення: густина, в'язкість і стійкість.

Густина середовища – відношення маси середовища до його об’єму:

Δ = m* / W*, (1.5)

де Δ – густина середовища, кг/м³; m* – маса середовища, кг; W* – об’єм середовища, м³.

Найчастіше як середовище при гравітаційному розділенні корисних копалин використовується вода, густина якої за нормальних умов (тиск р = 0,1 МПа; температура Т = 293ºК) складає 1000 кг/м³. Густина повітря в нормальних умовах – 1,23 кг/м³.

Характеристики деяких важких рідин, застосовуваних в основному для аналізів і вивчення збагачуваності корисних копалин, наведені в табл. 1.3.

Таблиця 1.3 – Характеристики важких рідин

Назва	Хімічна формула	Густина, кг/м3	Розчинність у
			воді	спирті	бензині	бензолі	ефірі
Хлористий кальцій Хлористий цинк Хлорне олово Бромоформ Тетраброметан Рідина Туле Йодистий метилен Рідина Сушина-Рорбаха Срібно-барієвий йодид Рідина Клерічі	CaCl2 ZnCl2 SnCl4 CHBr3 C2H2Br4 HgI2 + KI CH2I2 BaI2 + HgI2 BaI2 + HgI2 + AgI CH2(COOTl)2·HCOOTl	1650 2070 2880 2890 2960 3170 3320 3500 3500 4200	+ + + + - + - + + +	- - - + + - + + - -	- - - + + - + + - -	- - - + + - + + - -	- - - + + - + + - -

Примітки.

У табл.1.3 зазначена максимальна густина розчину, що може бути отримана при розчиненні даної речовини.

Знак “+” показує, що речовина розчинна в зазначеному розчиннику, знак “–”, що вона нерозчинна.

Важка рідина повинна відповідати наступним вимогам:

- густина рідини повинна бути значно більшою густини легкого мінералу, повинна бути регульованою і не повинна змінюватися з часом;

- в'язкість рідини і її розчинність у воді повинні бути мінімальними;

- токсичність рідини повинна бути в межах санітарних норм і вона не повинна взаємодіяти з розділюваними мінералами;

- рідина повинна мати високу здатність до реґенерації, а її вартість не повинна бути високою.

Найбільш повно цим вимогам відповідає тетраброметан (нетоксичний, недорогий, не розчинюється в воді і т.д.).

Аналогічні вимоги висуваються і до суспензій. Крім того, суспензії не повинні бути абразивними.

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

(1.6)

або

, (1.7)

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

Для приготування суспензії з заданими реологічними властивостями обважнювач повинний задовольняти наступним вимогам:

- густина обважнювача повинна бути достатньої для готування стійкої нев'язкої суспензії заданої густини;

- обважнювач повинен легко реґенеруватися і не реагувати з водою;

- обважнювач повинен бути нетоксичним, недорогим і недефіцитним.

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, які задовольняють усім вимогам до обважнювачів.

В'язкість – властивість середовищ чинити опір відносному руху їхніх сусідніх елементарних шарів. Причина опорів, що виникають при русі рідин, є внутрішнє тертя між сусідніми дотичними шарами. Таким чином, для взаємного переміщення частинок реальної рідини необхідна деяка витрата енергії.

Відповідно до закону Ньютона сили внутрішнього тертя, що виникають між сусідніми рухомими шарами рідини, прямо пропорційні швидкості відносного руху і площі поверхні зіткнення:

F_T = S μ , Н, (1.8)

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 швидкість ковзання шарів один відносно одного стає рівною нулю і сила внутрішнього тертя зникає. Сили внутрішнього тертя не залежать від тиску, але залежать від різновиду середовища. З підвищенням температури в'язкість рідини зменшується, а газу – збільшується. При нормальних умовах динамічний коефіцієнт в'язкості води μ = 0,001 Па∙с, а повітря μ = 0,000018 Па·с.

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

, (1.9)

де μ_с , μ₀ - динамічні коефіцієнти в'язкості суспензії і води, Па∙с; с_о - об'ємна концентрація обважнювача, частки од.

Збільшення в'язкості розділового середовища 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 розділового середовища, яка не перевищує 0,007 Па∙с.

Стійкість суспензії – здатність її зберігати задану густину у різних по висоті шарах. Безструктурні суспензії, які застосовуються найбільш часто в практиці гравітаційного збагачення, є вкрай нестабільними системами. В міру збільшення структуроутворення або підвищення вмісту в ній 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 визначеного складу; додаванням реагентів-пептизаторів; 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, що подається у сепаратор. Тому, щоб не знизити точність розділення, при виборі швидкості висхідного потоку враховують тип сепаратора, склад збагачуваного матеріалу, тип обважнювача.

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

Підвищення стійкості суспензій при одночасному зниженні їхньої в'язкості на 15–35 % може бути досягнуто застосуванням реагентів-пептизаторів, що знижують ефект “злипаємості” частинок. Найбільш ефективні гексаметафосфат і триполіфосфат натрію. Реагенти-пептизатори застосовують при значному вмісті шламів в суспензіях і при збагаченні в суспензіях підвищеної густини (понад 2000 кг/м³). Вміст реагентів-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).