7.3. Закономірності розділення матеріалу в процесі відсаджування

Необхідною умовою розділення матеріалу за густиною в процесі відсаджування є повторювані у кожному циклі підйом і розпушування постелі, що здійснюються вертикальними коливаннями середовища (або решета) і висхідним потоком підрешітної води. Від розпушення постелі залежить її густина, яка є основним параметром контролю і автоматизації процесу відсаджування.

Розпушеність постелі (або окремого її шару) характеризують коефіцієнтом розпушення, що дорівнює відношенню об’єму рідини в постелі (шарі) до її загального об’єму:

, (7.12)

де – об’єм рідини і твердого в постелі (окремому шарі).

Розпушеність будь-якого шару постелі визначається відносним збільшенням його висоти в порівнянні з його зімкненим станом. Середнє значення коефіцієнта розпушення постелі в деякий момент циклу визначається формулою:

, (7.13)

де – коефіцієнт розпушення постелі в зімкненому стані;– висота постелі в зімкненому стані, м;– переміщення верхнього і нижнього шарів постелі відносно решета, м.

Середнє значення змінюється звичайно протягом циклу в межах 0,50 – 0,55. Середнє за цикл значення коефіцієнта розпушення постелі визначається формулою:

, (7.14)

де – моменти часу, в які постіль зависає і повертається в зімкнений (стиснутий) стан, с.

Тривалість початкового періоду циклу , протягом якого сила дії потоку води на частинки не перевищує їх ваги у воді і постіль не зависає, при однорідній постелі для гармонічного циклу визначається за формулою:

, (7.15)

або

, (7.16)

де – амплітуда коливань середовища, м;– число коливань середовища, хв^-1; – критична швидкість потоку, при який постіль починає зависати, м/с;– швидкість підрешітної води, м.

Для ширококласифікованої постелі існують дві критичні швидкості – нижня, при якій зависають найдрібніші частинки постелі, і верхня, при якій зависають найкрупніші частинки. Швидкість руху підрешітної води в відсаджувальних машинах при збагаченні руд звичайно не перевищує 0,6 см/с. При такій швидкості розпушується шар частинок дрібніше 0,5 мм. Постіль з частинок крупніше 0,5 мм розпушується, в основному, коливаннями води (або решета).

Відомі дві гіпотези механізму розпушення постелі коливаннями води. За першою гіпотезою розпушення відбувається в результаті підйому зімкненої постелі висхідним потоком і відділення її нижніх шарів під дією сили ваги окремих частинок. При цьому розпушення постелі, що складається з однорідних частинок (штучна постіль), починається знизу і поступово поширюється вгору. Розпушення ширококласифікованої постелі може починатися з верхніх шарів, де звичайно знаходяться частинки меншої гідравлічної крупності. При досягненні пульсуючим потоком води швидкості, достатньої для зависання нижнього шару постелі, починається розпушення цього шару, яке поширюється від верхнього і нижнього шарів до середньої частини постелі.

За другою гіпотезою розпушення постелі відбувається одночасно в обидва боки від її середини під дією гідродинамічних сил. При цьому розширення постелі вгору призводить до затримання нижніх шарів біля решета і пізнішому їх висхідному руху.

Перша гіпотеза дозволяє за формулою (7.16) зробити приблизний розрахунок середнього розпушення постелі з однорідних частинок при різних циклах відсадки. Розрахунки і результати експериментів дозволяють зробити таки висновки:

– розпушення постелі, що створюється коливаннями води, залежить від висоти постелі, крупності і густини її частинок, амплітуди і частоти коливань води, циклу відсадки;

– зі збільшенням висоти постелі її розпушеність зменшується (див., формулу (7.13));

– зі зменшенням гідравлічної крупності частинок при заданих амплітуді і частоті коливань води розпушеність шару збільшується від мінімального в зімкненому стані (для достатньо крупних частинок) до максимального (для частинок визначеної крупності), а потім зменшується;

– при гармонічному циклі руху води в відсаджувальній машині і постійній амплітуді коливань зі збільшенням частоти коливань розпушеність постелі збільшується до деякої межі, а потім зменшується до значення близького розпушенню в зімкненому стані;

– розпушення постелі при постійній частоті коливань збільшується при збільшенні амплітуди, при цьому максимальний коефіцієнт розпушення постелі:

, (7.17)

В процесі відсаджування розпушення шару частинок невелике, воно відбувається за густиною і крупністю і може здійснюватись як за закономірностями розділення в завислому шарі, так і за закономірностями сегрегації.

Єдиного уявлення про механізм розшарування матеріалу в постелі відсаджувальної машини зараз не існує. Відомі два основних напрямки у вивченні явищ розшарування: детерміністський і статистичний.

За детерміністським напрямком досліджується рух окремої частинки, яка має визначений розмір, густину і форму і знаходиться серед частинок іншого розміру і густини. Розглядаються сили, що діють на частинку, складаються і в окремих випадках вирішуються рівняння її руху при визначених граничних і початкових умовах. Розрахунки здійснюються для деяких середніх (для даного класу) частинок, тому що врахувати індивідуальні особливості кожної частинки в постелі неможливо. При правильному визначенні граничних умов і сил, що діють на частинку, математичне визначення траєкторій навіть середніх частинок може служити основою розрахунку процесу відсадки. Практичне застосування цього напрямку для розрахунку розшарування частинок при відсаджуванні утруднено відсутністю математичного опису сил взаємодії між частинками.

В результаті детерміністського дослідження процесу запропоновані дві гіпотези розділення частинок при відсадженні:

– гіпотеза початкових швидкостей, у відповідності з якою розділення частинок відбувається в початковий період їх падіння в рідині, коли швидкості малі, а прискорення великі. Разом з тим, для реалізації цієї гіпотези частота коливань повинна бути значно більшою, ніж та, яку застосовують;

– гіпотеза розділення в середовищі, яке рухається прискорено, у відповідності з якою можливість відсадження пояснюється додатковою дією на частинки прискорень рідини.

Застосування у відповідності з цими гіпотезами підвищеної частоти коливань при відсадженні практикою не підтвердилося. Недоліком детерміністського напрямку є ігнорування масового характеру процесу розшарування і випадкових явищ, що відбуваються при відсаджуванні (напр., процесу перемішування).

За статистичним напрямком відсаджування розглядається як масовий процес, обумовлений різноманіттям фізичних характеристик частинок, що підлягають розділенню (розмір, форма, густина, положення центру ваги), і станом системи частинок, що піддається в процесі відсадження безупинному розпушенню і зімкненню під дією вертикальних коливань. В результаті статистичного дослідження запропоновані гіпотези розділення частинок при відсадженні – швидкісна, суспензійна, енергетична і статистична.

Розділення частинок по вертикалі супроводжується їх горизонтальним переміщенням, при цьому однорідні частинки розташовуються не горизонтальними шарами, а мають вигляд віяла з нахилом променів в бік розвантаження продуктів розділення (рис. 7.3), чому сприяє нерівномірність швидкості горизонтального руху різних за висотою шарів (нижні шари рухаються повільніше).

Таким чином, крізь найближчу до завантаження ділянку постелі проходять найбільш важкі частинки, далі – важкі зростки і т.д. При сталому режимі відсадження необхідно, щоб шари продуктів не виходили за межі відповідних відсаджувальних відділень.

При відсадженні дрібного матеріалу, в зв’язку з швидким зносом і забиванням сит з отворами малих розмірів, застосовують сита з великими отворами, на які поміщають штучну постіль. Штучну постіль складають з частинок, що мають велику густину (як правило, не менше густини важкого компоненту збагачуваного матеріалу) і крупність в 2,5–6 разів більше максимальної крупності частинок в живленні. Штучна постіль є не тільки своєрідним решетом, що пропускає важкі частинки і затримує легкі, але й засобом розділення мінеральних зерен.

Швидкість проходження мінеральних зерен крізь постіль залежить від багатьох факторів: відмінності в густині і розмірах зерен живлення і постелі, висоти постелі, її густини, форми частинок та ін.:

, м/с, (7.18)

де – швидкість проходження матеріалу крізь постіль, м/с;– кількість матеріалу, що проходить крізь постіль за одиницю часу, кг/с;– густина важких частинок, що проходять крізь постіль, кг/м³; – площа поперечного перетину постелі, м²; – середній коефіцієнт розпушення постелі;k – коефіцієнт, який враховує інші фактори, зокрема гранулометричний склад штучної постелі, особливо її верхнього шару, який контактує з відсаджуваним матеріалом.

Швидкість проходження частинок крізь постіль знижується зі збільшенням висоти і густини постелі, а також зі зменшенням розміру частинок матеріалу, що відсаджується. Швидкість проходження частинок крізь постель підвищується зі збільшенням розходження в густині зерен живлення і постелі. Збільшення сферичності зерен постелі сприяє підвищенню швидкості проходження частинок крізь неї, максимальна швидкість досягається для постелі, що складається з куль. Але сферична форма зерен штучної постелі не є оптимальною, тому що пропускає зерна малої густини. Більш доцільною являється постіль, що складається з зерен кубічної, циліндричної та інших форм. Штучна постіль з мінералу, напр., кварцу, характеризується неправильною формою зерен.