10. Факторы, влияющие на процесс электросепарации.
На технико-экономические показатели электрической сепарации влияют две группы факторов.
1. Физико - химические свойства обогащаемого материала, определяющие величину и знак заряда частицы и контактное сопротивление между частицей и заземленным электродом. Заряд частицы и контактное сопротивление зависит от состояния поверхности частицы и электрода. Заряд частицы зависит также от ее сопротивления, которое определяется химическим составом материала, его температурой, формой и размером частиц, кристаллическим строением.
Технико-экономические показатели электросепарации определяются также:
разницей в проводимости разделяемых частиц;
правильно выбранной предварительной обработкой обогащаемого материала;
реагентным режимом;
изменением влажности поверхности за счет предварительного нагрева материала, использования различных способов изменения гигроскопичности поверхности частиц;
кондиционированием воздуха;
облучение различными видами излучения.
2. Группа факторов, связанных с конструкцией применяемого сепаратора и режимом его работы:
напряженность электрического поля;
степень его неравномерности;
изменение градиента напряженности, что определяется напряжением, подаваемым на электроды, расстоянием между ними, формой электродов, нагрузкой на сепаратор; величиной механических сил.
10.1. Влияние физико-химических свойств обогащаемого материала
На процесс сепарации весьма сильно влияет контактное сопротивление. Оно является составной частью полного сопротивления частицы, в значительной степени определяя величину остаточного заряда частицы и, следовательно, влияет на величину электрических сил, действующих на частицу в электростатическом поле коронно – электростатического сепаратора.
Величину контактного сопротивления можно изменять, очищая поверхность частиц от примазок и посторонних включений обдиркой (перемешиванием при Т:Ж=1:1), промывкой водой или растворами кислот и/или щелочей, а также реагентной обработкой. Осадительный электрод, в принципе, можно покрывать подходящими составами или изготавливать из материала различной проводимости.
Экспериментально установлено, что частицы радиуса 0,2 мм с контактным сопротивлением меньше 2*1011 Ом проходят с барабаном сепаратора до отрыва от него (под действием центробежной силы) путь, соответствующий углу 74° по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через центр осадительного электрода. Частицы того же размера, имеющие контактное сопротивление больше, чем 4*1012 Ом, сметаются с барабана скребком, установленным под углом 2700. Если разница в проводимости частиц меньше, чем в 20 paз, то разделение материала на основании разницы в контактном сопротивлении не происходит. Следовательно, у величины контактного сопротивления частиц, подлежащих разделению, имеется критическая зона.
Внутри критической зоны значений величины контактного сопротивления угол отрыва частицы зависит также и от плотности материала. При относительно небольшой разнице в проводимости внутри критической зоны сепарация становится менее эффективной, если часть зерен в смеси с большим контактным сопротивлением имеет плотность больше, чем часть зерен с меньшим сопротивлением. Сепарация протекает лучше, если при малой разнице в величине проводимости зерна с более высоким сопротивлением имеет плотность меньше, чем частицы с меньшим сопротивлением.
В диапазоне критического значения контактной проводимости, кроме плотности, влияние на процесс сепарации оказывает также крупность частиц. Влияние крупности частиц оказывается значительно больше, чем плотности.
Экспериментально установлено, что частицы со средней величиной радиуса 0,04 мм и контактным сопротивлением R = 1,6*1013 Ом оторвутся от барабана в том же месте, где частицы с радиусом 0,44 мм и R = 1012 Ом. Следовательно, при разности проводимостей менее чем в 20 раз, частицы разного размера могут отрываться от барабана в одном и том же месте.
Это, в свою очередь, обуславливает необходимость при небольшой разнице проводимостей компонентов смеси минералов проводить классификацию по весьма узкой шкале.
Контактное сопротивление сильно изменяется в зависимости от влажности окружающего воздуха. С повышением влажности окружающего воздуха при условии близкой гигроскопичности разделяемых минералов разделение ухудшается из-за повышения влажности поверхности и, следовательно, снижения и выравнивания контактного сопротивления. Наоборот, при условии различной гигроскопичности поверхностей минералов, изменяя влажность воздуха, можно достичь более четкого разделения минералов.
Сопротивление частицы можно разделить на внутреннее и поверхностное. Внутреннее сопротивление постоянно для данного вещества и зависит от температуры, которую в некоторых пределах можно изменить. Изменением температуры можно регулировать также и поверхностное сопротивление. Кроме того, поверхностное сопротивление зависит от наличия на ней посторонних включений, примазок, шламов. Реагентная обработка может изменить поверхностную проводимость, также, как и влажность воздуха.
Величина проводимости кристаллических веществ (минералов) зависит от их химического состава и для одного и того же вещества меняется в зависимости от примесей. Например, марматит (разновидность цинковой обманки) обладает высокой проводимостью, а клеофан (другая разновидность цинковой обманки)– очень низкой. Это относится к касситериту, циркону, гранату, алмазам и другим минералам. Кроме того, проводимость зависит от направления по осям кристаллов. Так, например, у кварца электропроводность в направлении параллельном главной оси почти в 100 раз больше, чем в направлении, ей перпендикулярном.
Таким образом, поведение реальных минералов в процессах электросепарации отличается обычно неравномерностью. Проводимость частиц играет решающую роль при разрядке частиц на осадительном электроде. Первостепенное значение в этом случае имеет не вещество частиц (от которого также зависит величина заряда), а физическое состояние их поверхности.
Для повышения селективности разделения минералов при электрической сепарации непроводников в отдельных случаях следует применять соответствующую реагентную обработку для изменения их поверхностной проводимости. Реагентная обработка способствует стабилизации процесса сепарации, делает его менее зависимым от влияния влажности атмосферного воздуха и позволяет эффективно извлекать минералы, отличающиеся непостоянством состава. При поверхностной реагентной обработке минеральной поверхности резко повышается эффективность обогащения некоторых ценных руд и продуктов.
Установлено, что расходы, связанные с предварительной подготовкой сепарируемых материалов, намного ниже стоимости доизвлекаемого при этом металла.
Поверхностная реагентная обработка изменяет состав поверхности минералов либо путем образования нового химического соединения на поверхности разделяемых минералов, либо путем изменения сродства поверхности минералов к воде, т.е. их гидрофильности или гидрофобности.
Влияние температуры на электропроводимость различных веществ весьма существенно. Температура изменяет электропроводимость как кристаллических тел, так и аморфных. Для полупроводников, к которым, как известно, относятся многие минералы, характерно увеличение проводимости с повышением температуры. Ранее были описаны причины этого явления. Например, установлено что электропроводность гематита его возрастает более чем в 2 раза с повышением температуры от 0 до 1000С. Для кварца при повышении температуры от 20 до 1000С удельное сопротивление вдоль главной оси уменьшается почти в 150 раз, а для интервала от 20 до 3000С – даже более, чем в 2*106 раза. Это справедливо и для других минералов.
Зависимость электропроводимости минералов от температуры имеет следующий вид:
(10.1.1)
где А и В – некоторые постоянные; Т – абсолютная температура.
Убывание удельного сопротивления с ростом температуры установлено также для кристаллов каменной соли, флюорита, кальцита, угля и других минералов. Причем следует отметить, что для ряда минералов характерно наличие оптимальной температуры, при которой отмечается минимальное значение удельного сопротивления и изменение температуры в ту или другую сторону от оптимума приводят к повышению удельного сопротивления. Это характерно, например, для пирита и магнетита. При сепарации всегда необходим нагрев материала, так как это увеличивает разницу в проводимости разделяемых минералов.
Такие параметры, как влажность и гигроскопичность, также сильно влияют на процесс разделения минералов. Некоторые комплексы минералов не разделяются в сухом воздухе (т.е. при относительной влажности воздуха 40 – 50 %). Для их разделения целесообразно повысить относительную влажность воздуха. При этом поверхность одного из минералов быстрее покрывается пленкой воды и, следовательно, становится более проводящей, чем поверхность другого минерала. При повышении относительной влажности воздуха поверхностное сопротивление может снизиться на 4*105 Ом/см. Влажность окружающего воздуха влияет также на величину заряда частиц. Увеличение заряда во влажном воздухе происходит, в основном, вследствие уменьшения поверхностного сопротивления. Заряд частицы при большей влажности воздуха приближается к теоретическому, а при влажности, близкой к насыщению (83,5 %), значительно превышает предельный заряд проводящих частиц. Причиной этого является, видимо, не столько уменьшение поверхностного сопротивления частиц, сколько изменение самого процесса их зарядки. Очевидно, увеличение заряда частиц можно объяснить обволакиванием их слоем влаги.
Кондиционирование при определенной влажности воздуха при электрообогащении улучшает сепарацию и повышает ее селективность. В помещении, независимо от времени года, погоды и внутренних колебаний тепловой нагрузки, поддерживается определенный, заранее заданный режим сепарации и состояния воздуха. При кондиционировании поддерживается постоянными температура, влажность и (в некоторых случаях) давление воздуха.
Некоторые минералы становятся электропроводными при облучении светом, рентгеновскими лучами и другими видами излучения. Например, алмаз под влиянием видимого дневного света, сфалерит под действием ультрафиолетового света, эбонит под действием дневного света покрываются через некоторое время проводящей пленкой. В результате облучения алмазов рентгеновскими и гамма – лучами меняется их цвет, твердость, электрическое сопротивление.
При облучении минералов потоком нейтронов можно изменить их электропроводимость и смачиваемость. По этим признакам изученные минералы разделяются на три группы.
В первой группе (галенит, пирит, сфалерит) электропроводимость и смачиваемость уменьшается (у галенита, соответственно, с 63,5 до 27,2 Ом-1·см-1).
Во второй группе (пирротин) электропроводимость увеличивается, а смачиваемость уменьшается.
В третьей (халькопирит, флюорит) электропроводимость и смачиваемость увеличивается (у халькопирита, соответственно, с 7,1 до 8,4 Ом-1·см-1 и с 68,4% до 74,3%, у флюорита с 6,8·10-1 Ом-1·см-1до 8,4·10-1 Ом-1·см-1 и с 60,3% до 77,4%). При длительном нагревании минералов указанные изменения устраняются. Облучение вызывает протекание ядерных реакций, которые приводят к изменению свойств ядра, например, к появлению нового вида излучения, испускаемого ядром за счет образования изотопов и испускания гамма-излучения.
Влияние формы частиц различных материалов на процесс сепарации почти не изучено. При одних и тех же условиях частицы одного и того же вещества, одинаковой массы, но различные по форме ведут себя при электросепарации по-разному. Например, мелкие тонкопластинчатые частицы вольфрамита прилипают к барабану (осадительному электроду) и попадают не в тот бункер, в который попадают округлые частицы. В одних и тех же условиях на частицах одного вещества, но разной формы будет различное распределение участков, имеющих различный уровень поверхностной энергии, которая будет влиять на проводимость. Особенно это проявляется для частиц, имеющих неправильную форму, например частиц слюды, графита, часто барита, вольфрамита и ряда других минералов.
На процесс электросепарации влияет размер частицы. Известно, что заряды, получаемые частицами в зоне коронного разряда, пропорциональны поверхности, т.е. квадратам их радиусов. Следовательно, для улучшения показателей при электросепарации материал необходимо подвергать узкой классификации по крупности, чтобы свести к минимуму влияние разницы в величинах поверхности частиц на получаемый ими заряд.
С уменьшением крупности частиц возрастают удельные поверхности последних, а, следовательно, и роль электрических сил. Кроме возрастания доли электрических сил, на процесс электросепарации начинает оказывает влияние целый ряд сил. При этом необходимое соотношение электрических и механических сил нарушается и процесс электросепарации расстраивается.
В связи с этим обстоятельством, а также учитывая, что тонкие частицы, налипая на поверхность более крупных частиц и на поверхность осадительного электрода, изменяют поверхностную проводимость более крупных частиц и контактную проводимость частиц, необходимо перед электрической сепарацией на барабанных коронных, коронно-электростатических и трибоэлектрических (типа ПЭСС) сепараторах проводить обеспыливание материала. Обеспыливание или обесшламливание материала проводится по классу 0,04 ÷ 0,02 мм.
При электросепарации зернистых материалов необходимо учитывать влияние плотности частиц. Чем выше плотность непроводящих частиц, тем больше должна быть электрическая сила, удерживающая их на осадительном электроде, чтобы они не оторвались одновременно с проводящими. Для увеличения электрических сил необходимо повысить напряжение, подаваемое на электроды при неизменном расстоянии между ними или уменьшить это расстояние, сохраняя то же напряжение. Более удобен первый способ. Значение электрических сил может быть также увеличено путем надлежащей подготовки сепарируемого материала.
Еще одним способом влияния на процесс электросепарации является селективное измельчение. В ряде случаев комбинация избирательного измельчения с электросепарацией позволяет получить продукты, которые далее идут на разделение флотацией или каким-либо другим методом. При этом часть пустой породы отбрасывается в отвал. Избирательное измельчение проводится до крупности – 1 + 0,1 мм или – 1 + 0,074 мм. Избирательное измельчение с последующей электросепарацией позволяет получать в ряде случаев удовлетворительные результаты.
Селективность разделения минералов увеличивается после очистки их поверхности или отмывки с поверхности пыли, т.к. в этом случае частицы приобретают большее различие в поверхностной и/или контактной проводимости. Отмывают пылевидные частицы обычно механическим путем в мельнице с резиновой футеровкой. В зависимости от состава основного минерала и примазок материал промывают водой, плавиковой кислотой (5 %), раствором цианистого натрия. Пленку реагентов на поверхности минералов коллективных концентратов можно разрушать с помощью акустических колебаний. Ультразвуковую очистку всегда можно применять для очистки кварцевых песков, горного хрусталя, полевого шпата. При этом последующая доводка продуктов с помощью электросепарации и магнитного обогащения позволяет получить более высокие показатели. Акустическая обработка перед доводкой тантал - ниобиевых концентратов позволяет в 1,5 раза повысить производительность электросепараторов и в 2 раза снизать содержание ценных компонентов в отвальных хвостах. Например, при переработке черновых танталит – колумбит - касситеритовых концентратов сократилось время получения товарных концентратов тантала и олова и повысилось на 6 – 15 % извлечение в них ценного компонента. При переработке пирохлор - циркониевых концентратов отпала необходимость в их кислотной обработке и снизились на 30 – 40% потери ценного компонента с отвальными хвостами.
На качество получаемых продуктов сепарации оказывает большое влияние состав материала. Например, слюда является диэлектриком, однако она может сильно загрязнить проводниковую фракцию, т.к. поверхность у нее сильно развита и, кроме того, она обладает повышенной гидрофильностью. Выше было показано влияние влаги на величину заряда, поверхностную и контактную проводимость.
Графит, например, является хорошим проводником. Загрязняя поверхность диэлектриков, он изменяет (увеличивает) их контактную и поверхностную проводимость вплоть до полного нивелирования их свойств. Осложняет работу электросепараторов непостоянство состава ряда минералов (касситерита, сфалерита, циркона, граната). Исходя из вышеуказанного, при рассмотрении факторов, связанных со свойствами обогащаемого материала, которые влияют на показатели процесса электросепарации, необходимо проводить целый ряд подготовительных операций: сушку, обеспыливание, классификацию по крупности или по насыпной плотности, реагентную обработку.