5.3. Подготовка исходного питания перед электрической сепарацией.

Находясь на осадительном электроде, минеральные частицы непрерывно заряжаются и непрерывно разряжаются, причем в этом процессе участвуют три вида проводимости: поверхностная, объемная и контактная (на переходе частица – осадительный электрод). В связи с этим возникают обязательные требования к подготовке исходного материала к любому процессу электрической сепарации.

1. Материал перед электростатической сепарацией должен быть обесшламлен или обеспылен.

С поверхности минералов должны быть удалены частицы крупностью менее 40 - 45 мкм. Наличие на поверхности частицы одного минерала шламовых частичек другого минерала изменяет поверхностные свойства и контактную проводимость. Для успешного проведения процесса электросепарации каждая частица должна иметь свою собственную проводимость.

2. Крупность материала, направляемого на электросепарцию, должна находится в пределах минус (3 ÷ 4) плюс 0,074 мм. Материал должен быть классифицирован на узкие классы, например: - 3 + 2 мм; - 2 + 1 мм и т.д. Это связано с тем, что механические силы (центробежная и сила тяжести) зависят от объема частицы, т.е. от размера в третьей степени, а электрические силы зависят от поверхности частицы, т.е. от размера во второй степени.

4. Материал должен быть высушен и нагрет до температуры 80 ÷ 60 ⁰С, т.к. наличие влаги искажает проводимость, нивелируя ее значение для всех материалов.

5. В рабочую зону материал должен подаваться равномерно монослоем. Последнее обстоятельство не позволяет поднять удельную производительность сепараторов выше 1 - 1,5 т/метр. Для получения высоких технико-экономических показателей необходим контакт каждой частицы с поверхностью осадительного электрода. В связи с этим применение электрической сепарации целесообразно для доводки черновых гравитационных концентратов.

5.4. Электрические силы, действующие на частицу в электростатическом сепараторе.

В начале своего движения, попавшая из питателя на электрод, заряжается за счет индукции и на нее начинает действовать электрическая сила F_эл1,

F_эл1 = q₁*E₁ =4π ε₀ r²E² , где: (5.4.1)

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;

r - радиус частицы,

E - напряженность электрического поля вместе нахождения центра тяжести частицы.

До поступления в зону коронного разряда частицам помогает удержаться на электроде сила тяжести, так как она направлена в сторону действия электрической силы F_эл1.

Затем частицы, попадают в зону коронного разряда и заряжаются за счет адсорбции ионов, движущихся oт коронирующего электрода к осадительному. Заряд минералов в зоне ионизации (зоне коронного разряда) имеет знак, противоположный заряду осадительного электрода и возрастает от нуля у начала зоны ионизации до максимального значения в зоне наименьшего расстояния между осадительным и коронирующим электродом, а затем вновь уменьшается.

Частицы непроводников при этом относительно медленно отдают свой заряд осадительному электроду, а проводящие частицы разряжаются относительно быстро, причем скорость разрядки определяется величиной заряда, полученного частицей в зоне коронного разряда и величиной поверхностного и контактного электрического сопротивления между частицей и осадительным электродом.

Так как частицы в зоне коронного разряда непрерывно заряжаются ионами, идущими от осадительного электрода и непрерывно разряжаются, то в зоне коронного разряда на частицах останавливается равновесный заряд q_p. Величина этого равновесного заряда определяется соотношением скоростей зарядки и разрядки частиц, а электрическая сила F_эл2, удерживающая частицу в этой зоне на поверхности осадительного электрода, имеет выражение

F_эл2 = q_p*E_к , где

E_к - напряженность электрического поля в зоне ионизации вблизи поверхности осадительного электрода.

Электрическая сила F_эл2, удерживающая частицу в зоне ионизации, равна

(5.4.2)

F_эл2 для хороших проводников стремится к нулю, а для хороших диэлектриков к максимальному значению. Следовательно, при вращении осадительного электрода те частицы, равновесный заряд которых недостаточен для их удержания на поверхности осадительного электрода (т.е. частицы проводников), отрываются от последнего под действием силы тяжести и центробежной силы в конце зоны коронного разряда и падают в первый приемник для сбора проводниковой фракции.

В коронно-электростатических сепараторах оторвавшиеся частицы испытывают дополнительное притяжение к отклоняющему электроду, имеющему заряд одноименный с коронирующим и противоположный знаку заряда разрядившихся частиц. В результате веер разделяемых частиц существенно расширяется и эффективность разделения повышается.

Частицы непроводников по выходе из зоны ионизации частично сохраняют свой заряд, так называемый остаточный заряд q_ост, противоположный по знаку заряду барабана и продолжают притягиваться к поверхности барабана с силой F_эл3, зависящей от напряженности в зоне отклоняющего электрода E_отк и величины οстаточного заряда.

(5.4.3)

Видно, что q_ост убывает от q_ост = q_р при t = 0 в месте перехода от зоны коронирующего электрода к зоне отклоняющего электрода до значения q_ост = q_ост1 в момент времени t₁, соответствующий времени выхода частицы из зоны электростатического поля. Подставив в выражение q_ост1 значение q_р, получим

(5.4.4)

Электрическая сила F_эл3, удерживающая частицы на поверхности барабана в зоне отклоняющего электрода, составит

где: (5.4.5)

Е_отк- напряженность электрического поля в зоне отклоняющего электрода.

В зоне действия отклоняющего электрода частицы проводников будут притягиваться им, так как знаки зарядов у них противоположные, частицы же непроводников будут прижиматься отклоняющим электродом к осадительному, так как знаки зарядов будут у них одинаковые. Это способствует повышению селективности процесса электросепарации. При выходе из электрического поля частицы могут удерживаться остаточным зарядом q_ост2, если электрическая сила будет достаточна для преодоления сил, отрывающих частицу от барабана.

При выходе из электрического поля непроводящие частицы будут удерживаться на поверхности осадительного электрода под действием заряда q_ост2 силой зеркального отображения, которая может быть определена по формуле

(5.4.6)

Таким образом, в коронно-электростатическом сепараторе по мере продвижения частиц через зону коронирующего и отклоняющих электродов электрическая сила, удерживающая частицы на поверхности барабана, меняется в различных зонах, составляя F_эл2 в зоне ионизации, F_эл3 – в зоне статического поля и F_эл4 в зоне, где отсутствует электрическое поле.

В коронном сепаратора, где отсутствует статическое поле отклоняющего электрода, частицы подвергаются воздействию сил F_эл1, F_эл2 и F_эл4. В коронных электрических сепараторах частицы удерживаются на поверхности осадительного электрода на большем участке барабана, что приводит к более узкому вееру продуктов, и снижению показателей по разделению минералов.

Полученные уравнения отражают физическую сущность происходящих процессов, но использовать их для расчетов затруднительно, так как трудно определить, например, контактное сопротивление между частицей и электродом, трудно определить электрическую емкость частицы и электрода, которая зависит от форм частиц, площади контакта частиц с барабаном, причем эта величина не остаются постоянными при сепарации. Для расчетов необходимо в указанные выражения вносить поправочные коэффициенты. При коронном разряде электрическое поле у поверхности осадительного электрода, т.е. вдали от коронирующего электрода близко к однородному, поэтому градиент напряженности очень мал и, следовательно, весьма мала будет электростатическая сила F_эл2:

(5.4.7)

Для увеличения значения электростатической силы в электрическое поле можно ввести диэлектрик, который будет искажать его, а электростатическая сила будет увеличиваться.

Изменяя расстояние между отклоняющим электродом и барабаном, можно также в некоторых пределах изменять значение gradE, и, следовательно, пондеромоторную силу до величины, достаточной для отрыва и отклонения частицы от барабана, но все же главной силой, определяющей возможность отрыва проводящих частиц от осадительного электрода, является сила F₃. Величина центробежной силы зависит от радиуса частицы в третьей степени, от плотности частицы и от диаметра осадительного электрода. Как это скажется на разделении минералов, будет показано при рассмотрений факторов, влияющих на процесс электросепарации. Действие силы тяжести на процесс сепарация зависит от углового расстояния, на которое смешается частица (считая от верхней точке барабана). Горизонтальная составляющая силы тяжести может вызвать скольжение частиц по поверхности барабана, что может привести к возникновению дополнительной центробежной силы и вызвать нежелательный отрыв частиц от осадительного электрода. Экспериментально доказано, что сила трения между частицей и поверхностью барабана настолько значительна, что уравновешивает тангенциальную составляющую силы тяжести. Действие нормальной составляющей силы тяжести при движении частицы по периметру барабана имеет различную величину, при изменении угла α от нуля до 90⁰. В первой четверти барабана нормальная составляющая силы тяжести помогает электрической силе удерживать непроводящие частицы на поверхности осадительного электрода и наоборот препятствует отрыву проводящих частиц.

При увеличении угла α свыше 90⁰ (рассматривая движение с момента попадания частицы на барабан) сила тяжести стремится оторвать частицы от барабана.

В последнее время появились работы, в которых произведен расчет электрические сил, действующих на частицы, находящихся в контакте с электродом, на основе ряда новых положений. Кинетика процесса рассчитывается с учетом тока коронного разряда в индукционной зарядки, учитывается сопротивление и форма частиц. В этих работах предлагаются расчеты, более удобные для практического использования по сравнению с теми, которые изложены выше.