Совершенствование технологии обогащения кварцевых песков с применением гидросепараторов кипящего слоя и винтовых шлюзов

4. Специальная часть

Совершенствование технологии обогащения кварцевых песков с применением гидросепараторов кипящего слоя и винтовых шлюзов

4.1. Общие сведения и характеристика гидросепараторов с восходящим водяным потоком [47,48]

В последние 20 лет состоялся существенный подъем обогатительной техники для обогащения песка и гравия, что, в конечном итоге, позволило вовлечь в переработку месторождения ранее бывшие для этого непригодными. Такие аппараты для разделения тяжелых и легких минералов как отсадочные машины для крупных фракций и винтовые сепараторы для мелких, применявшиеся раньше для обогащения угля и металлсодержащих руд были усовершенствованы с целью обогащения кварцевых песков. Все в большем объеме стали применяться гидроциклоны, обезвоживающие грохота и лопастные мойки, но особенно интересными и весьма перспективными для этой цели оказались усовершенствованные аппараты для гидравлической классификации и сортировки частиц в диапазоне 0,1-5 мм в восходящем потоке. С помощью таких аппаратов в настоящее время решены вопросы, во-первых, вовлечения в переработку труднообогатимых кварцсодержащих руд многих ранее не пригодных к обогащению месторождений, во-вторых, из таких кварцевых песков получать высококачественную кварцсодержащую продукцию, пригодную для стекольной промышленности и, в-третьих, обеспечить высокую производительность обогатительных фабрик, обогащающих низкосортные кварцсодержащие руды. Особенностью таких аппаратов является то, что они гарантируют получение кварцевого песка в диапазоне крупности -0,5+0,1 мм и снижение содержания в нем органики до 0,01%. В настоящее время такие аппараты успешно работают на многих зарубежных обогатительных фабриках, обогащающих кварцевые пески. Такие аппараты работают и на новой обогатительной фабрике Раменского ГОКа, обогащающей кварцевые пески Чулковского месторождения. Причем на этих фабриках работают два типа таких аппаратов, которыми последовательно извлекаются в отвал из исходных песков, в первом из них сначала зерна в виде песков крупнее 0,5 мм, а затем из материала -0,5 мм, вторым типом этих аппаратов извлекаются в отвал в виде слива частицы -0,1 мм. В результате на дальнейшее гравитационное и магнитное обогащение поступают весьма чистые пески в достаточно узком диапазоне крупности. При этом, несмотря на то, что оба типа аппаратов базируются на одном и том же принципе разделения частиц в стесненных условиях по крупности, т.е. с учетом Закона Стокса, а именно разделения их в восходящем потоке за счет различной крупности, а, следовательно, конечной скорости падения частиц в жидкой среде, конструктивно такие аппараты значительно отличаются друг от друга.

На рисунке 4.1 представлена схема гидроклассификатора с восходящим водяным потоком типа Гидросорт II, обеспечивающим классификацию исходных песков по крупности на несколько фракций, в том числе в качестве хвостов: зернистую очищенную фракцию +0,5 мм и легкие примеси, щепу и органику, а также очищенный мелкий песок крупностью -0,5 мм. При этом крупная фракция удаляется со дна конической части и выносится вниз через зазор между отклоняющей плитой (3) и внутренней стенкой камеры аппарата. Легкие примеси, щепа и органика всплывают и удаляются в перелив в виде надрешетного продукта с неподвижной шпальтовой сетки, установленной на входе желоба для слива легкой фракции, пены и органики (7). Частицы средней крупности, фракция -0,5 мм, концентрируются в средней кольцевой камере (4), куда дополнительно сначала подается вода для дополнительной очистки этого материала от примесей, и он в виде готового очищенного от крупных частиц и примесей удаляется со дна этой камеры. Разделение частиц по крупности в этом аппарате происходит в разбавленной пульпе следующим образом: исходный материал крупностью от 2 мм после оттирки и первичного обесшламливания в виде пульпы плотностью 15%  твердого вводится в камеру (2) аппарата. Классификация происходит в восходящем потоке. Вода в аппарат поступает снизу, как во внутреннюю, так и во внешнюю его камеры. При скорости восходящего потока ~ 11 м/час. В верхней части внутренней камеры концентрируется фракция 0,5-0,35 мм, образуя здесь кипящий слой с концентрацией твердого ~ 1,8 т/см3. Материал крупностью менее 0,5 мм, а также различные легкие, но более крупные примеси проходят через этот кипящий слой, т.е. всплывают на поверхность более тяжелой суспензии и поступают во внешнюю кольцевую камеру (4), где также за счет восходящего потока также образуется так называемый кипящий слой, сквозь который легкие примеси всплывают в перелив и через наклонные шпальтовые сетки в виде надрешетного продукта направляются в отвал. Получаемая в процессе классификации исходных кварцевых песков крупнозернистая их часть, т.е. пески крупностью +0,5 мм с содержанием твердого ~ 50% разгружаются снизу через коническую часть внутренней камеры гидроклассификатора, после чего в виде хвостов направляется в отвал самотеком, а среднезернистая часть песков, т.е. пески крупностью -0,5+0 мм в виде готового продукта, разгружается снизу внешней кольцевой камеры, откуда они направляются самотеком на следующую стадию гидроклассификации в аппарате типа Гидросорт I.



Рис. 4.1. Схема гидроклассификатора ГИДРОСОРТ II (двухкамерный): 1 – загрузочное устройство; 2 – внутренняя камера; 3 – отклоняющая плита; 4 – внешняя кольцевая камера; 5 – измерительно-регулирующее устройство; 6 – задвижки для выпуска крупной и средней фракций; 7 – желоб для слива и мелкой фракции.



На рис. 4.2 приведена схема гидроклассификатора типа Гидросорт I, который по своей конструкции значительно отличается от рассмотренного выше аналогичного по своему назначению аппарата. Практика работы таких гидроклассификаторов на многих обогатительных фабриках, в том числе на Раменском ГОКе, показывает, что эти аппараты обеспечивают четкую классификацию и сортировку частиц кварца в пульпе крупностью менее 0,5 мм по классу -0,1 мм. Из приведенного рисунка следует, что исходная пульпа, содержащая ~ 15% твердого, подается сверху в приемный карман гидроклассификатора, а вода, создающая восходящий поток жидкости в нем, поступает в аппарат через ряд сопел в днище аппарата, что создает равномерно по площади восходящий поток в рабочей камере гидроклассификатора. При выбранной экспериментальной скорости восходящего потока обеспечивается вынос через сливной желоб частиц менее 0,1 мм. Этот процесс осуществляется следующим образом: с помощью регулирующих расход подаваемой снизу воды сопел подбирается скорость восходящего потока. При оптимальной скорости последнего в верхней части рабочей камеры концентрируется фракция крупностью 0,15-0,25 мм. Здесь же образуется кипящий слой с концентрацией твердого 1,7-1,8 т/м3. В результате в процессе работы гидроклассификатора через кипящий слой проходят частицы кварца и других минералов крупностью менее 0,1 мм, т.е. шламистая часть исходной пульпы, а также имеющиеся в ней примеси, склонные к вспучиванию – древесина, уголь различной плотности и пористые зерна. Вся эта выделенная смесь как бы всплывает на поверхность слоя более тяжелой суспензии, после чего в виде легкой фракции через желоб слива и шлама самотеком направляется в отвал. Промытый же песок в виде пульпы плотностью ~ 50% тв. разгружается через регулируемые задвижки из нижней части аппарата и также самотеком направляется на дальнейшее гравитационное обогащение, которое осуществляется с использованием винтовых шлюзов.



















Рис. 4.2. Схема гидроклассификатора ГИДРОСОРТ I (однокамерный): 1 – приемный карман; 2 – рабочая камера; 3 – дно с соплами; 4 – измерительно-регулирующее устройство с зондами; 5 – задвижки для выпуска тяжелой фракции; 6 – желоб для слива и легкой фракции.



Эксплуатация рассмотренных выше гидросепараторов на многих обогатительных фабриках, обогащающих различные по качеству кварцевые пески, показывает, что, несмотря на колебания нагрузки и гранхарактеристик исходного питания эти аппараты обеспечивают четкую стабильность грансостава отдельных фракций. Это обеспечивается автоматически путем изменения скорости восходящих потоков и режима разгрузки песковой фракции. С этой целью гидроклассификаторы комплектуются электронно-измерительными и регулирующими устройствами, с помощью которых автоматически можно регулировать работу аппаратов в ходе технологического процесса разделения минералов по крупности. Эти устройства в гидроклассификаторах особенно положительно зарекомендовали себя в тех случаях, когда нужно, как и в проекте нашей фабрики использовать только среднюю, т.е. более узкую фракцию. При этом наиболее оптимальные показатели разделения минеральных частиц по крупности в таких аппаратах достигается благодаря также постоянству исходной нагрузки и плотности питания этих аппаратов, т.е. в этом случае обеспечивается постоянство плотности их разгрузки.

В заключение следует отметить следующее:

1. В качестве основного принципа работы рассмотренных гидроклассификаторов с восходящим водяным потоком используются классифицирующие возможности кипящего слоя, который создается из мелких фракций исходного материала благодаря определенному расходу восходящего потока воды.

2. Разделительная среда в гидроклассификаторах создается автономно, т.е. без подачи дополнительных материалов.

3. Абсолютно гарантированное фракционирование основывается на автоматическом регулировании задвижек разгрузки верхней и нижней в аппарате Гидросорт II и только нижней в аппарате Гидросорт I продуктов сепарации. Регулирование задвижек разгрузки осуществляется пневматически, причем в последнем из них в сочетании с днищем, оснащенным специальными соплами, равномерно распределяющими восходящий поток по всему сечению аппарата.

4. В аппаратах используется низкое давление и тем самым небольшое количество воды для создания восходящих потоков. Использование автоматического и плавного регулирования задвижек разгрузки продуктов обеспечивает надежность этих аппаратов в эксплуатации.

5. Гарантия от забивки сопел днища сепараторов позволяет при отключении их не выгружать находящийся в них материал.

6. Гидроклассификаторы характеризуются отсутствием вращающихся частей, высокой экономичностью, простотой в обслуживании и небольшим износом.

7. Максимальная производительность по твердому в зависимости от типоразмера классификаторов достигает 200,0 т/час для Гидросорт II и 155,0 т/час для Гидросорт I.

4.2. Основные предпосылки по целесообразности использования гравитационных методов разделения минералов при обогащении кварцевых песков

Технология обогащения кварцевых песков зависит от технических требований, предъявляемых промышленностью при их использовании. Схемы обогащения кварцевых песков чрезвычайно разнообразны и существует связь между характером схемы и распределением железа по основным группам железоносителей. Наиболее простые схемы, включающие только промывку и классификацию по крупности, применяются для обогащения песков, в которых вредные примеси представлены в основном ожелезненными глинистыми минералами, а рудные железосодержащие минералы содержатся в них в небольшом количестве и концентрируются только в тонких фракциях. В иных случаях схемы обогащения кварцевых песков значительно сложнее.

Для удовлетворения потребностей народного хозяйства в выпуске высококачественной продукции из стекла необходимо снабжать стекольные заводы обогащенным кварцевым сырьем, в котором содержание Fe2O3 должно быть <0,03%. Это вызывает необходимость создания высокоэффективных методов обогащения кварцевых песков и строительства обогатительных фабрик с современным оборудованием и технологией. В связи с этим перед производителями стекольных кварцевых песков поставлена задача в необходимости создания технологии их обогащения, которая обеспечила бы достаточную точность и высокую эффективность разделения кварцевых зерен от различных железоносителей, представленных, как правило, глинистой породой и рудными минералами при высокой производительности специального применяемого для этого обогатительного оборудования.

Ранее большинство обогатительных фабрик, производивших стекольные пески, успешно работало по схеме, включающей в себя флотацию железосодержащих тяжелых минералов из предварительно оттертого с поверхности кварцевых зерен железистых пленок, дезинтегрированного и обесшламленного кварцсодержащего материала. При этом для флотации таких минералов применялись в зависимости от их природы различные флотационные реагенты, обеспечивающие получение высококачественных кварцевых стекольных песков. Однако применение флотационного извлечения железосодержащих минералов из кварцевых песков оказывало вредное влияние на состояние окружающей среды, а себестоимость готового продукта при этом была довольно высока.

Эти обстоятельства, а также повышение требований к качеству товарной стекольной продукции потребовали усовершенствования технологии обогащения кварцевых песков. В результате многие обогатительные фабрики, обогащающие кварцевые пески отказались от флотационного извлечения из них тяжелых железосодержащих минералов, заменив этот метод обогащения более дешевым методом гравитации, который, как показала практика, обеспечивает достаточно эффективное разделение легких зерен кварца от тяжелых минералов.

В настоящее время для обогащения кварцевых песков применяется различное гравитационное оборудование. Однако, как показывает практика его эксплуатации, наиболее перспективным из них для обогащения кварцевых песков являются винтовые шлюзы [21,35,36], т.к. они характеризуются следующими преимуществами:

- высокой удельной производительностью;

- простотой конструкции;

- отсутствием движущихся частей;

- небольшими энергозатратами и небольшим расходом воды;

- незначительной стоимостью;

- высокой эффективностью разделения минералов;

- наличием 4-5 параллельных рабочих поверхностей (желобов) в одном аппарате;

- наличием различных сил, используемых для разделения минералов;

- процесс разделения минералов осуществляется в пульпе, поступающей на обогащение самотеком, т.е. при небольшой скорости потока.

Учитывая целый ряд положительных факторов и преимуществ винтовых шлюзов перед другими аппаратами, в основе которых так же положен гравитационный метод разделения минералов в проектируемой обогатительной фабрике, на которой будет обогащаться кварцевый песок Чулковского месторождения для извлечения из него тяжелых минералов предусмотрены винтовые шлюзы. Причем гравитационное обогащение кварцевых песков узкого класса крупности (-0,5+0,1 мм), полученных после гидравлической классификации в восходящем водном потоке, в винтовых сепараторах осуществляется по двух стадиальной схеме, с дообогащением промежуточного производства первой стадии и получением суммарной фракции из тяжелых минералов и легкой кварцсодержащей фракции.

Ниже более детально рассмотрены общие сведения о винтовых шлюзах, теоретические основы и механизм процесса разделения минералов на винтовых сепараторах, результаты испытаний последних в лабораторных и опытно-промышленных условиях и рекомендации по использованию их в проектируемой обогатительной фабрике.

4.2.1. Общие сведения о винтовых шлюзах и их основных параметрах 

Винтовые шлюзы - это обогатительные аппараты, в которых разделение материала происходит в неглубоком безнапорном наклонном потоке. В отличии от других подобных аппаратов у них наклонный гладкий неподвижный желоб представляет собой спираль с вертикальной осью (рис.4.3). При движении в потоке, на зёрна действуют не только гравитационные и гидродинамические силы, но также развиваются и центробежные. Тяжелые минералы движутся по внутреннему борту желоба, а легкие – по внешнему. В поперечном сечении желоб винтовых шлюзов есть четвертая часть окружности или вытянутого эллипса.



Рис. 4.3. Двухжелобной винтовой шлюз ШВ2-1000







Винтовые шлюзы являются разновидностью винтовых сепараторов. Они имеют более широкий желоб, который характеризуется малым наклоном днища. Их предназначение - обогащение тонкозернистых материалов с различным удельным весом при незначительных скоростях движения потока пульпы в желобе. Основными параметрами винтовых шлюзов является диаметр желоба, его поперечное сечение, шаг, количество витков, и их длина, а также их рабочая поверхность.

Диаметр желоба является одним  из основных параметров винтовых аппаратов, от величины которого зависят его геометрические данные, а также техническая характеристика и технологические показатели обогащения. Размеры аппарата, занимаемая им производственная площадь, вес и производитель?ность определяются в соответствии с диаметром. Существует зависимость между величиной центробежной силы инерции и диаметром желоба, которая проявляется у зерен минералов при их движении по нему.

С увели?чением диаметра желоба при неизменном поперечном его сечении, шаге и режимных условиях процесса концентрации, извлечение тяжелых минералов в продукты обогащения возрастает.

Поперечное сечение желоба винтовых шлюзов также является важнейшим их параметром, т.к. каждый элементарный его участок характеризует расстояние до оси аппарата и угол наклона к горизонту, изменение которого меняет глубину, характер распределения и величину скорости потока. Формой (профилем) поперечного сечения желоба называется след, образованный плоскостью, проходящей через ось аппарата. 

Применяемое в обогащении винтовое оборудование имеет различную форму поперечного сечения желоба. На обогатительных фабриках используются винтовые сепараторы с профилем желоба вогнутой и выпуклой формы, в виде окружности, горизонтального и вертикального эллипса, а также с профилем, образованным горизонтальной прямой и прямой, имеющей наклон к горизонту. Для селективного разделения зернистого материала крупностью 0,03-0,2 мм наиболее приемлемым является параболический профиль желоба, который обеспечивает необходимые глубины и скорости потока на участке движения промпродукта и концентрата.

Для осуществления безнапорного транспортирования материала и установления благоприятных гидродинамических условий процесса разделения зерен необходим соответствующий шаг или угол наклона винтового желоба. При оценке угла наклона желоба, независимо от размера аппарата, можно использовать отношение величины шага к диаметру. Этот параметр очень удобен, однако, он не может полно характеризовать уклон винтового желоба по ширине. Угол наклона желоба у внешнего борта меньше, чем угол наклона у внутреннего борта. Это одна из особенностей винтовых желобов при их сравнении с прямолинейными наклонными лотками. Каждый винтовой аппарат можно характеризовать углом наклона желоба в области концентрата (или расстоянием от оси до начала области концентрата для данного аппарата) и отношением шага к диаметру. То есть при осуществлении процесса концентрации на винтовом сепараторе данного диаметра важно знать оптимальную ширину потока или смоченный периметр.

Отношение шага к диаметру должно обеспечивать скорости потока, позволяющие иметь их минимальные значения. При этом чем больше степень концент?рации, тем шире веер концентрата. Что касается глубин потока, то если они будут большими в области концентрата, то крупные ценные частицы будут теряться среди тяжелых минералов.

Полнота извлечения ценных минералов при использовании винтовых аппаратов зависит также от длины желоба. Водные частицы у дна проходят путь от внешнего борта до внутреннего за 1,5 витка. Частицы же минералов (одиночные и в группе) движутся по такой же траектории. Однако при полной нагрузке сепаратора тяжелым частицам из-за влияния на них массы других частиц требуется более, чем 1,5 витка. 

Таким образом из выше сказанного следует, что при использовании винтовых шлюзов для гравитационного обогащения прослеживается четкая взаимосвязь длины желоба от его диаметра и количества витков. Следовательно, винтовые аппараты, имеющие разную величину диаметра желоба при одинаковом числе витков, будут отличаться между собой длиной желоба. При этом исследованиями и практикой работы с винтовыми шлюзами было установлено, что результаты разделения зернистых материалов по удельным весам лучше происходят на аппаратах с большим числом витков. При этом было показано, что необходимое количество витков желоба зависит от физических свойств минералов, подлежащих разделению. Причем, оно находится в обратной зависимости от разницы в плотностях ценных минералов и пустой породы, а также от величины исходного материала, и в прямой - от содержания сростков в нём.

При эксплуатации винтовых шлюзов большое значение уделяется футировке рабочей поверхности желобов, которая определяет надежность работы аппаратов. Поэтому чтобы избежать изнашивания желоба винтового аппарата от абразивного воздействия пульпы, его рабочую поверхность футеруют износоустойчивым материалом. Выбирая покрытие для винтового желоба, учитывают технические данные футеровки и её возможное влияние на процесс. Различные покрытия отличаются между собой чистотой обработки и коэффициентами трения, это влияет на скорость движения зерен минералов.

Как показала практика наиболее эффективна резиновая рабочая поверхность желобов, поскольку наибольшее отличие скорости лёгких частиц от скорости тяжёлых получаются на поверхности желобов, футерованных резиной [35, 37, 38].

4.3. Рекомендуемые технология и техника для селективного разделения зерен тяжелых минералов от кварца на проектируемой фабрике

Для решения вопроса о том, при помощи какого гравитационного аппарата удалять тяжелые минералы из кварцевого песка, была исследована практика работы многих обогатительных фабрик, похожих на проектируемую, выполнен обзор литературных источников по обогащению кварцевых песков, а также изучен целый комплекс исследований, основными задачами которых, являлись:

- изучение вещественного состава исходных кварцевых песков Чулковского месторождения и возможности получения обогащенных песков марки ОВС-025-1 при помощи различных гравитационных аппаратов, а именно: винтового сепаратора и винтового шлюза. Для выбора наиболее эффективного гравитационного аппарата на Раменском ГОКе специально проводились соответствующие исследования. С этой целью исследовались  пробы исходных песков и пробы песков с карты намыва, содержание оксидов железа (Fe2О3) в которых колебалось в пределах от 0,07% до 0,13%. При этом проводилась экспертная оценка целесообразности удаления тяжёлых минералов как на винтовых сепараторах, так и на винтовых шлюзах в начале процесса обогащения, обеспечивающей снижение содержания вредных примесей в кварцевых концентратах. Кроме того, была определена эффективность работы этих винтовых аппаратов применительно к пескам Чулковского месторождения. На основании этих исследований лучшие результаты были получены с использованием винтовых шлюзов, в связи с чем на обогатительной фабрике Раменского ГОКа были внедрены именно эти аппараты. В данном дипломном проекте, учитывая положительный опыт эксплуатации винтовых шлюзов на ГОКе, они также запроектированы для удаления тяжёлых фракций;

- технология получение высококачественных кварцевых концентратов, посредством извлечения из них зёрен тяжелых минералов с помощью винтовых шлюзов, была проверена на укрупненно-лабораторной установке (ОПУ) в Бронницкой ГТЭ ИМГРЭ. При этом была исследована обогатимость проб с использованием фазового анализа, позволившего выявить носители вредных примесей и изучить распределение массовой доли оксидов железа по ним. Исследования гравитационного обогащения исходных песков на ОПУ с применением винтового шлюза типа ШВ З-750 проводились на нескольких пробах исходных песков Чулковского месторождения с содержанием Fe2О3 от 0,2 до 0,045%. На шлюзах ШВ З-750 был получен кварцевый концентрат марки ВС- 030-В (таблица 4.1).

Таблица 4.1.

Показатели промышленных испытаний обогащения кварцевых песков методом гравитации. Марка ВС-030-В

Продукт

?, %

?, %

?, %

Исходный песок

Товарный песок

Отходы

100

85,0

15,0

0,1

0,026

0,53

100

20,6

79,4

Одновременно на ОПУ было проведено сравнительное обогащение проб кварцевых песков с использованием различных гравитационных аппаратов. Было выявлено преимущество винтовых шлюзов перед другими аппаратами по гравитационному обогащению кварцсодержащего сырья Чулковского месторождения.

В процессе проведения испытаний было выявлено следующее:

- винтовой шлюз высокоэффективен для гравитационного обогащения кварцевых песков Чулковского месторождения;

- большие отличия в плотностях исходного питания почти не влияют на обогащение на винтовых шлюзах, т.к. в процессе происходит выравнивание плотностей, что выгодно отличает их от другого оборудования. Неравномерная подача питания также практически не сказывается на протекании процесса гравитации и качестве обогащения;

- простота обслуживания винтового шлюза; отсутствие энергозатрат непосредственно на работу шлюза, за исключением подачи смывной воды;

-высокая возможность регулирования качества
получаемых продуктов, за счёт простого передвижения разгрузочных шиберов.



В соответствии с вышесказанным, было принято решение, в целях повышения эффективности обогащения песков Чулковского месторождения, в промышленную схему проектируемой фабрики установить шлюзы ШВ 3-750, обогащение на которых проводить после операций дезинтеграции, обесшламливания, оттирки и гидравлической классификации исходных кварцевых песков.

4.4. Теоретические основы и процессы разделения частиц минералов на поверхности желобов винтовых шлюзов

Процесс обогащения минерального сырья на винтовых аппа?ратах – это целая система взаимосвязанных явлений, протека?ющих в потоке пульпы, который представляет собой сложное трехмерное движение двух составляющих потоков: несущей жидкости и твердой фазы. При этом происходит разрыхление твердой фазы, а также ее расслоение, и  перераспределение по ширине желоба на фракции, которые отличаются по физическим свойствам (крупности, плотности и др.). При из?ложении основных закономерностей этого процесса рассматриваются: движение отдельных фаз по поверх?ности аппарата, роль и влияние водного потока, а также его взаимодействие с твердой фазой. Дается качественная оценка характера слоевого и группо?вого движения зерен, и объясняются физиче?ские явления, имеющие место при концентрации на винтовой поверхности.

Поток воды, текущий по винтовому желобу, имеет слож?ный характер движения и ряд особенностей.

Особенности потока. Экспериментальным путем были выявлены следующие особенности потока.

1.? Винтовой поток различных зон поперечного сечения от?личается по скорости своего движения и глубине.

2.? Существуют два режима движения винтового потока — близкий к ламинарному вблизи внутренней границы, и тур?булентный — проявляется у внешнего борта.

3.? Размеры и форма поперечного сечения потока находятся в зависимости от расхода воды на желобе. Глубина потока в зоне внутреннего борта, а, следовательно, и харак?тер движения, практически не изменяются с увеличением расхода, но зато в зоне, прилегающей к внешнему борту, растет площадь поперечного сечения потока (рис. 4.4, а). Это возрастание происходит за счет увеличения глу?бины потока и смоченного периметра (рис. 4.4, б). Однако, при уменьшении расхода, внутренняя зона водного потока также остается неизменной.



























Рис. 4.4. Изменение формы сечения (а) и глубины (б) винтового потока при различных расходах воды, л/сек: 1 – 0,61; 2 – 0,84; 3 – 1,56; 4 – 2,42

4. Водные массы при их движении по винтовому желобу дважды совер?щают вращение — внутри потока и вокруг вертикальной оси желоба, непрерывно циркулируя между его бор?тами (рис. 4.4).





Рис. 4.5. Циркуляция в винтовом потоке: 1 – 2 – траектории движения соответственно поверхностного и придонного слоев потока

Движущаяся в потоке пульпы минеральная частица испытывает одновременное воздействие различных по величине и направлению сил. Их равнодействующая определяет положение частицы в поперечном сечении потока, а также ее траекторию движения (рис. 4.5).



Рис. 4.6. Действия сил на легкие (а) и тяжелые (б) зерна минералов и траек?тории их перемещения (в):

Р1, РY, РZ — вес зерна в воде и его составляющие; Q, QY, QZ - центробежная сила инерции и ее составляющие; F, FY — гидродинамическая сила и её составляющая; TY - составля?ющая силы трения; d - диаметр зерна; U, V - скорости потока, зерна; ? - ко?эффициент сопротивления; ? - радиус кривизны

Гидродинамическая сила F. Её величина является функцией положения частицы в потоке. Наличие поперечной циркуляции также создает гидродинамическое давление. Действуя совместно, эти силы способствуют поддержанию частиц в полувзвешенном состоянии, т. к. создают повышенную подъёмную силу.

Р - сила тяжести частиц в водной среде. Величину силы трения определяет нормальная составляющая силы тяжести вместе с другими, а тангенциальная составляющая вместе с другими - величину силы, влекущей частицы вдоль желоба вниз по потоку и в сторону внутреннего борта в поперечном направлении. Частица, лежащая на дне, обычно стремится попасть в приосевую зону водного потока, тогда как взвешенная частица - во внешнюю зону.

Q - центробежная сила. Она имеет малое влияние на скорости движения частиц вдоль желоба, однако является одной из основных сил, определяющих их поперечное движение (особенно для взвешенных частиц). При скорости потока = 1 м/с и менее, центробежное ускорение невелико и обычно держится в интервале от lg до (0,1 - 0,2)g, его максимальное значение наблюдается близ внешнего борта. В придонных слоях центробежные составляющие меньше.

Сила трения Т. Эта сила возникает при контактировании частицы с поверхностью желоба, а также с лежащими на ней другими частицами. Она всегда направлена против движения частицы. С возрастанием размеров и увеличением скорости движения частиц в потоке пульпы коэффициент и сила трения уменьшаются. Например, для изометричных частиц кварца крупностью 0,2 и 1,4 мм в случае их движения по желобу из полимербетона, значение коэффициента трения соответственно 0,6 и 0,13 мм. Медленно движущиеся мелкие частицы скользят, тогда как крупные зерна - катятся [36, 37].

Процесс концентрации в потоке пульпы при его движении по желобу винтового сепаратора можно условно разделить на следующие фазы: подготовительную, охватывающую начальный этап движения пульпы, сопровождающийся расслоением минеральных зерен; распределительную, когда движение ранее расслоившихся зерен ещё не установилось (происходит перераспределение зерен в потоке по их физическим свойствам); завершающую фазу установившегося движения, при которой зерна, достигнув равно?весного состояния и конечной скорости движения, перемещаются по винтовым траекториям, различающимся величиной радиуса.

Рассмотрим подробнее эти фазы процесса концентрации (рис. 4.7).

Расслоение зерен в винтовом потоке.





















Рис. 4.7. Основные фазы процесса концентрации и зоны расположения продуктов обогащения на винтовом желобе:

а – начальное состояние; б – расслоение; в – сепарация

Твердая фаза, при её перемещении в потоке по желобу, находится в полувзвешенном или во взвешенном состоянии движения. При определенном режиме минеральные зерна в виде разрыхленного слоя склонны осаждаться из потока на дно. При этом каждое зерно находится во взвешенном состоянии.

В конце периода расслоения наблюдается следующее: мелкие зерна большой плотности достаточно быстро проникают в нижние слои потока, где они непосредственно контактируют с несущей поверхностью желоба винтового аппарата. Эти зерна испытывают наибольшее сопротивление движению из-за относительно большой силы трения. Они меньше подвергнуты воздействию водного потока, однако испытывают большее влияние зерен над ними.

Зерна минералов, характеризующиеся большой плотностью и средней крупностью, располага?ются над мелкими зернами, промежутки же между ними занимают мелкие зерна легкой породы. В верхних слоях расположены крупные зерна легкой породы, а между ними зерна легкой породы сред?ней крупности (см. рис. 4.7,б).

Перераспределение расслоившихся зерен. Процесс движения рудного материала по винтовому желобу сопровождается расслоением зерен минералов и их последующим перераспределением по ширине потока. Причиной этого являются силы, действующие на зерна, отличающиеся по своим физическим свойствам. Эти силы различ?ны по величине и направленности.

Находящиеся непосредственно у дна жело?ба зерна большой плотности, как отмечалось ранее, испытывают самое большое сопротивление дви?жению. Поэтому они перемещаются с неболь?шой скоростью, а действие центробежной силы инерции очень мало. Зерна большой плотности движутся в направлении внутреннего борта желоба.

Установившееся движение зерен. Когда зерна перераспределяются по ширине потока, они начинают двигаться равномерно, образуя при этом сформированные потоки продуктов обогащения, однородных по своим свойст?вам. Зерна в это время движутся по вин?товым траекториям. Такой поток можно разделить на четыре зоны (см. рис. 4.7, в).

Зона транспортирования концентрата расположена близ внутренней границы потока.

Зона транспортирования промпродукта расположена в середине потока.

Зона хвостов расположена у внешней части винтового желоба.

Шламы располагаются у наружного борта винтового желоба.

Выводы

1.В настоящее время перед обогащением кварцевых песков поставлена задача, которая заключающейся в необходимости создания технологии, которая обеспечивала бы достаточную точность и эффективность разделения кварцевых зёрен от вмещающей породы при высокой производительности обогатительного оборудования.

2.Большинство обогатительных фабрик, производивших стекольные пески, работают по схеме, включающей в себя флотацию с предварительной флотооттиркой и с последующей подачей реагентов, с помощью которых флотируются железосодержащие минералы. Однако наблюдается отрицательное влияние этой технологии на состояние окружающей среды. Кроме того, увеличение стоимости реагентов привело к повышению себестоимости готового продукта.

3.Учитывая эти обстоятельства, а также вследствие повышения требований к качеству товарного продукта, возникла необходимость усовершенствования технологии обогащения кварцевых песков и создания такой технологии, которая бы позволила получать продукт необходимого качества. В соответствии было принято решение отказаться от процесса флотации, с заменой её на гравитационное разделение зёрен минералов по крупности с применением гидросепараторов с восходящим водным потоком, а также отделением зерен кварца от тяжёлых минералов с применением винтовых шлюзов, т.к. в настоящее время для обогащения кварцевых песков применяются различные виды гравитационного оборудования, лучшим из которого являются винтовые шлюзы. В целях повышения эффективности обогащения песков Чулковского месторождения, было принято решение в промышленную схему проектируемой фабрики установить шлюзы ШВ 3-750, обогащение на которых проводить после операций дезинтеграции, обесшламливания, оттирки и классификации исходных .......................