8.5. Ґвинтова сепарація

Ґвинтові сепаратори і шлюзи – це різновид апаратів, в яких розділення матеріалу відбувається в безнапірному нахиленому потоці малої глибини в гладкому спіральному жолобі.

Ґвинтові сепаратори і шлюзи застосовують для вилучення питомо-важких мінералів з корінних і розсипних руд і додаткового вилучення коштовних мінералів з високою густиною з відходів флотаційного або магнітного збагачення. Вони знайшли широке застосування для збагачення дрібнозернистих пісків, що містять ільменіт, циркон, рутил і інші корисні копалини, а також для збагачення корінних руд рідкісних і благородних металів, залізних руд, фосфоритів, хромітів, кам’яного вугілля і алмазів.

Галузь застосування того або іншого типу ґвинтового апарата визначається крупністю цінних мінералів. При крупності цінних мінералів 0,1 – 3 мм застосовують ґвинтові сепаратори, для дрібнішого матеріалу 0,05 – 0,2 мм використовують ґвинтові шлюзи. Принцип дії ґвинтових апаратів однаковий, вони відрізняються лише за формою жолоба: жолоб сепаратора – частина круга або еліпса, жолоб шлюзу – прямокутний і ширший ніж у сепаратора.

Ґвинтовий сепаратор (рис. 8.21) являє собою нерухомий спіральний жолоб 1 з вертикальною віссю 2, яка служить йому опорою. У завантажувальний пристрій 3, що знаходиться в верхній частині жолоба подається попередньо класифікована руда разом із водою (пульпа).

Під дією сили ваги пульпа стікає вниз в вигляді тонкого потоку різної глибини. При цьому на мінеральні частинки діють гравітаційні, гідро­ди­намічні і відцентрові сили. Взаємодія зазначених сил призводить до розді­лення матеріалу за густиною: зерна важких мінералів концентруються в придонній частині біля внутрішнього борту жолоба, а зерна легких мінера­лів виносяться у верхні шари потоку і зносяться до зовнішнього борту.

8.5.1. Процес збагачення у ґвинтових сепараторах

Рух потоку пульпи у ґвинтовому жолобі носить складний характер і відрізняється такими особливостями:

– під впливом відцентрових сил потік приймає нахилене до горизонту положення з характерним серпоподібним профілем (рис. 8.22). Форма поперечного перетину потоку обумовлюється витратою води, при цьому зі збільшенням витрати води глибина потоку в зоні А практично не змінюється, в той час як в зоні Б зростає і глибина потоку і його турбулентність;

– глибина потоку в різних зонах поперечного перетину різна: мала – в зонах біля внутрішнього борту, максимальна – в середній частині біля зовнішнього борту. Зі збільшенням витрат пульпи збільшуються глибина потоку в середній частині жолоба і змочений периметр жолоба, при цьому товщина і форма потоку біля внутрішнього борту практично не змінюються;

– швидкість ґвинтового потоку в різних зонах поперечного перетину також різна і вона змінюється за параболічним законом (при ламінарному русі в тонких внутрішніх шарах) або за логарифмічним законом (при турбулентному русі в глибокій зовнішній частині потоку). Крім того, у ґвинтовому жолобі швидкості розрізняються не тільки за глибиною (на поверхні потоку вони більші), але й за радіусом (збільшуються в напрямку від внутрішнього борту до зовнішнього). Максимальна подовжня швидкість потоку біля зовнішнього борту сепаратора досягає 1,5 – 2 м/с, а мінімальна – біля внутрішнього борту – 0,1 – 0,2 м/с. Залежно від радіусу обертання середня подовжня складова швидкості ґвинтового потоку може бути приблизно визначена за формулою:

, м/с, (8.35)

де – відстань від осі обертання, м;– прискорення вільного падіння, м/с²; – кут поперечного нахилу жолоба сепаратора до горизонту, град.

Середня швидкість потоку по жолобу сепаратора визначається за формулою Шезі (8.15);

– внаслідок розходження швидкостей по глибині потоку в ньому виникають циркуляційні течії: верхні шари потоку віддаляються від осі обертання до зовнішнього борту, а внутрішні шари переміщаються в напрямку найбільшого нахилу ґвинтової поверхні – до осі обертання і внутрішнього борту (рис. 8.22). Це явище називають поперечною циркуляцією потоку, її характер залежить від витрат води. Швидкість циркуляційної течії вздовж дотичної до поперечного перетину жолоба визначається за формулою:

, м/с, (8.36)

де – подовжня швидкість потоку (8.35), м/с;– кут між горизонтальними проекціями радіальної і тангенціальної складових швидкості елементу потоку, град;– подовжній і поперечний кути нахилу жолоба, град.

Швидкість циркуляційної течії у 3–5 разів менша подовжньої швидкості потоку, але максимальна циркуляція має місце лише у граничних шарах, середні шари в циркуляції участі не беруть (для них ).

Довжина пробігу елементів потоку від зовнішнього борту до внутрішнього в ґвинтових апаратах складає від 0,7 до 1,5 витків.

Мінеральне зерно, що рухається в потоці пульпи по ґвинтовому жолобу, зазнає одночасно впливів різних за величиною і напрямком сил, рівнодіюча яких визначає його траєкторію і положення у потоці (рис. 8.23). У ґвинтовому потоці мінеральні зерна переміщаються не тільки вздовж жолоба, як в шлюзах, але й в поперечному напрямку. В результаті цього легкі зерна, що мають більшу швидкість переміщення в потоці, не тільки обганяють зерна придонного шару, але й зміщаються під дією більшої відцентрової сили і поперечної циркуляції до зовнішнього борту. Таким чином, при русі зерен в ґвинтовому потоці можливі два випадки: зерно рухається у зваженому стані (легкий мінерал) і зерно рухається по дну ґвинтового жолоба (важкий мінерал).

Основні сили, що діють на мінеральну частинку, що рухається в ґвинтовому жолобі, такі:

– гравітаційна сила (8.1). Нормальна складова гравітаційної сили визначає величину сили тертя (8.4), а тангенціальна – величину тягнучої сили в напрямку найбільшого нахилу дна жолоба (вздовж жолоба вниз за потоком і в бік внутрішнього борту в поперечному напрямку). Зерно, що лежить на дні, має більшу можливість попасти у внутрішню зону потоку, в той час як зважене зерно прагне переміститься у зовнішню зону;

– гідродинамічна сила (8.2). Величина гідродинамічної сили залежить від положення зерна по висоті потоку. Наявність поперечної циркуляції створює додатковий гідродинамічний тиск. Гідродинамічні сили діють разом з вертикальними складовими швидкості (8.3), що виникають при турбулентній течії потоку, і створюють підвищену підіймальну силу, яка сприяє підтримці зерен у зваженому стані (в глибокій частині потоку);

– відцентрова сила мало впливає на швидкість руху зерна вздовж жолоба, але вона є однією з основних сил, що визначають поперечний рух зерен (особливо зважених):

, Н, (8.37)

де – маса зерна, кг;– швидкість зерна в напрямку дії відцентрової сили, м/с;– радіус обертання зерна, м.

При швидкостях потоку до 1 м/с величина відцентрового прискорення звичайно мала – (0,1–1,0)g. Максимальні значення відцентрового прискорення спостерігаються в зонах біля зовнішнього борту, а в придонних шарах відцентрові складові значно менші;

– сила тертя (8.4) виникає при контакті зерна з поверхнею жолоба або з іншими зернами. Ця сила завжди орієнтована в напрямку протилежному руху зерна. Зі збільшенням швидкості руху і розмірів зерен коефіцієнт тертя і сила тертя зменшуються. Дрібні зерна при малих швидкостях рухаються переважно ковзанням по поверхні, а крупні – перекочуються по поверхні.

Для одиничного зерна, що знаходиться у зваженому стані, рівнодіюча швидкостей на напрям дотичної до лінії перетину жолоба при сталому режимі руху дорівнює:

, м/с, (8.38)

де – швидкість падіння зерна у воді, м/с; інші позначення попередні.

Результати розрахунків швидкості частинок за формулою (8.38) показали, що зерна важких мінералів (т/м³) крупністю 0,074 – 2,5 мм рухаються в напрямку до осі сепаратора () і можуть потрапити в концентрат. Зерна поза цією крупністю відкидаються до периферії і потрапляють у відходи. Оптимальніша крупність важких мінералів, що збагачуються ґвинтовою сепарацією, складає 0,2 – 2 мм, але для легких мінералів верхня межа крупності може бути збільшена до 12 мм, тому що крупні зерна будуть змиватися водою і в концентрат не потраплять.

Процес розділення зернистого матеріалу в жолобі ґвинтового сепаратора здійснюється в два етапи:

1-й етап полягає в розшаруванні матеріалу по вертикалі і переході важких мінералів в придонний шар. Цей етап спільний для всіх процесів розділення в тонкому шарі пульпи, що рухається по похилій поверхні. Для процесу розшарування важливе значення мають турбулентні пульсації потоку і явища сегрегації при русі зімкненого придонного шару. На першому етапі в придонний шар вибірково переходять крупні важкі зерна і менш вибірково – дрібні важкі зерна. Основні фактори розділення на цьому етапі – крупність і густина зерен.

2-й етап полягає в перерозподілі зерен у радіальному напрямку зі створенням мінерального віяла продуктів сепарації. В результаті поперечного перерозподілу зерна формують окремі шари потоку (концентрат, промпродукт, відходи) і набувають сталого характеру руху. Перерозподіл зерен закінчується в основному після проходження двох-трьох витків, далі зерна рухаються на постійних радіусах по ґвинтовим траєкторіям. Зерна, що потрапили випадково в «чужу» зону, перерозподіляються далі завдяки подачі змивної води в зону внутрішнього борту жолоба.

Швидкість розшарування зерен у ґвинтовому сепараторі є експоненціальною функцією від часу (або від довжини пробігу пульпи по жолобу). Високій швидкості розшарування в початковий період сприяє те, що пульпа має високий ступінь розпушення. Швидкість розділення зерен по висоті потоку характеризується створенням донного шару важких мінералів на етапі формування потоку в ґвинтовому жолобі, отже на перших двох витках, де швидкості потоку і зерен ще не встановилися.

Оптимальна довжина жолоба для зерен різної крупності різна. Для виділення крупних зерен в сепараторі достатньо двох витків, в той час, як для виділення дрібних ( – 0,1 мм) – необхідно чотири витка. Якщо цінні важкі мінерали представлені зернами різної крупності, розвантаження концентрату необхідно здійснювати не одноразово в кінці жолоба, а розосереджено – на другому, третьому, четвертому витках. Але в кожному конкретному випадку довжина жолоба повинна бути оптимальною, тому що зі збільшенням довжини жолоба відбувається перемішування шарів пульпи і знижуються технологічні показники процесу.