Обогащением называют процесс разделения рудного материала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а также вредных примесей.
концентрат - продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла.
хвосты – отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительная часть извлекаемого металла.
промежуточный продукт- в котором содержание металла больше, чем в хвостах, и меньше, чем в концентрате. Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению. Иногда промежуточный продукт не выделяют, а получают только концентрат и хвосты.
Обогащение руды осуществляется преимущественно механическими, а также термическими и химическими методами. Дробление. К дроблению относятся механические процессы, посредством которых добытая в руднике порода разбивается до размеров, подходящих для дальнейшего измельчения посредством размалывания. Устройства, которые разбивают добытое в руднике сырье, относятся к первичным дробилкам; дробилки щекового и конусного типов среди них являются основными. Вторичное дробление осуществляется в один, два, реже в три этапа.
Промывка понимают процесс дезинтеграции глинистого материала, цементирующего руду, с одновременным отделением его от рудных частиц под действием воды и соответствующих механизмов (барабанные промывочные грохоты, скрубберы, корытные мойки, промывочная башня).
Грохочение. Грохочение применяется для приготовления материала определенной размерности, поступающего на концентрирование. Грохотами обычно разделяют зерна, размер которых превышает 3-5 мм; механические классификаторы используются для более тонкой сепарации мокрого материала.
МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ
Механические методы обогащения позволяют отделить ценные рудные частицы от частиц пустой породы с использованием чисто физических процессов, без химических превращений.
Обогащение в тяжелой среде. Метод обогащения в тяжелой среде основан на использовании суспензии, состоящей, помимо частиц руды, из воды и твердого компонента. Плотность суспензии варьируется от 2,5 до 3,5 в зависимости от свойств разделяемых минералов. При этом используются конические или пирамидальные емкости.
Гравитационная концентрация . Гравитационная концентрация основана на использовании разной плотности различных минералов. Частицы разной плотности вводятся в жидкую среду, плотность которой имеет промежуточное значение между плотностями минералов, подлежащих разделению. Этот принцип можно проиллюстрировать отделением песка от опилок, когда их бросают в воду; опилки всплывают, а песок тонет в воде.
Отсадочные машины . Отсадочная машина - это один из видов гравитационного концентратора, в котором суспензия состоит из воды и рудных частиц.
Флотация. Флотация основана на различиях физико-химических свойств поверхности минералов в зависимости от их состава, что вызывает селективное прилипание частиц к пузырькам воздуха в воде.
Шлюзы . Концентрационный шлюз представляет собой наклонный желоб с шероховатым дном, вдоль которого перемещается гравий россыпи (золотоносной или оловоносной), увлекаемый потоком воды; при этом тяжелые минералы оседают на дне углублений и удерживаются там, тогда как легкие выносятся.
Электрическая и магнитная сепарация. Сепарация такого рода основана на различной поверхностной проводимости или магнитной восприимчивости разных минералов.
Магнитная сепарация. Магнитная сепарация применяется для обогащения руд, содержащих минералы с относительно высокой магнитной восприимчивостью.
Электростатическая сепарация. Электростатическая сепарация основана на различной способности минералов пропускать электроны по своей поверхности, когда они находятся под поляризующим воздействием электрического поля.
Электрические методы обогащения основаны на различии в электрических свойствах минералов, а именно на различии в электропроводности и диэлектрической проницаемости.
Во многих веществах существуют свободные заряженные микрочастицы. Свободная частица отличается от "связанной" тем, что она может передвигаться на большое расстояние под действием сколь угодно малой силы. Для заряженной частицы это означает, что она должна приходить в движение под действием сколь угодно слабого электрического поля. Именно это наблюдается, например, в металлах: электрический ток в металлическом проводе вызывается сколь угодно малым напряжением, приложенным к его концам. Это и свидетельствует о наличии в металле свободных заряженных частиц.
Характерно, что носители свободны только внутри проводника, то есть не могут беспрепятственно выходить за его границу.
Проводниками являются металлы, электролитические жидкости. В металлах носителями являются электроны, в электролитических жидкостях носителями являются ионы (могут иметь положительный и отрицательный заряд).
Под действием внешнего электрического поля положительные носители движутся вдоль поля, а отрицательные – против поля. Это приводит к возникновению тока, направленного вдоль поля.
Упорядоченное движение носителей зарядов, приводящее к переносу заряда, называется электрическим током в веществе. Электрический ток возникает под действием электрического поля. Свойство вещества проводить электрический ток называется электропроводностью.
По величине электрической проводимости все минералы делятся на три группы:
1. Проводники с электрической проводимостью 10 2 – 10 3 См/м
Сименс (См) – проводимость такого проводника, в котором проходит сила тока 1А при напряжении на концах проводника в 1В.
2. Полупроводники с электрической проводимостью 10 – 10 -8 См/м
3. Непроводники (диэлектрики) с электрической проводимостью
< 10 -8 См/м
Например, графит, все сульфидные минералы являются хорошими проводниками. Вольфрамит (Fe,Mn)WO 4 (10 -2 -10 -7) и касситерит SnO 4 (10 -2 -10 2 или 10 -14 -10 -12) обладают умеренной электропроводностью, а силикатные и карбонатные минералы очень плохо проводят электричество.
Электрические методы применяются при обогащении титаноциркониевых, титанониобиевых, оловянно-вольфрамовых коллективных концентратов, а также при обогащении фосфоритов, угля, серы, асбеста и многих других полезных ископаемых, переработка которых другими методами (гравитационным, флотационным, магнитным) не эффективна.
Физическая сущность процесса электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом.
В электрическом поле заряженные частицы под действием электрических и механических сил движутся по различным траекториям.
Это свойство используется для разделения минеральных зерен в аппаратах, называемых электрическими сепараторами.
Электрические силы, действующие на минеральные частицы пропорциональны величине заряда и напряженности электрического поля, так как
где - диэлектрическая проницаемость, равная ,
Е- напряженность в данной среде.
Механические силы пропорциональны массе:
Сила тяжести:
Центробежная сила:
У мелких частиц электрические силы больше механических, а у крупных частиц механические преобладают над электрическими, что ограничивает крупность материала мельче 3 мм, обогащаемого в электрических сепараторах.
В пространстве вокруг электрически заряженной частицы или между двумя заряженными частицами возникает электрическое поле.
Используя электрические свойства минералов при обогащении, применяют следующие разновидности сепарации: по электропроводимости (рис. 14.8), по диэлектрической проницаемости, по трибоэлектростатическому и пироэлектрическому эффекту.
Рис. 14.8 Сепараторы для разделения по электропроводности
а. Электростатический сепаратор; б. Электрический коронный сепаратор;
в. Коронно - электростатический сепаратор
1- бункер; 2 - барабан; 3 – щетка для снятия проводниковой фракции; 4, 5, 6 - приемники для продуктов; 7 – электрод; 8 – отсекатель; 9 – коронирующий электрод; 10 - отклоняющий электрод.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ю.Л. Папушин
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
"Магнитные и электрические процессы обогащения"
ч. 2 "Электрические процессы обогащения"
для студентов специальности 7.090302
("Обогащение полезных ископаемых")
Утверждено на заседании
методкомиссии специальности
"Обогащение полезных ископаемых"
Донецк – 2002
Конспект лекций по дисциплине "Магнитные и электрические процессы обогащения", часть 2 –"Электрические процессы обогащения" (для студентов специальности 7.090303 «Обогащение полезных ископаемых» дневной и заочной форм обучения) /Ю.Л. Папушин. – Донецк: ДонНТУ, 2002. –20 с.
Конспект подготовлен в соответствии с действующей программой дисциплины "Магнитные и электрические процессы обогащения" и содержит вторую ее часть – "Электрические процессы обогащения", где рассмотрены вопросы: физические основы электрического обогащения, виды электрической сепарации и способы их реализации, динамика движения руды в сепараторах, конструкции электрических сепараторов, подготовка руд к электрической сепарации.
Составитель доц. Ю.Л. Папушин
Рецензенты к.т.н. В.Н.Бредихин
Электрическое обогащение основано на применении различия в электрических свойствах разделяемых минералов. К этим свойствам относятся: электропроводность, диэлектрическая проницаемость, проявление эффектов - трибоэлектрического, контактного потенциала, пироэлектрического.
Сущность электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом. Заряд частицы получают искусственно одним из способов, выбираемым в зависимости от их наиболее контрастных электрических свойств. Электрическая сепарация осуществляется как в однородном, так и в неоднородном электрическом поле.
Диэлектрическая сепарация может осуществляться только в неоднородном электрическом поле, где возникают пондеромоторные силы, зависящие от диэлектрической проницаемости среды и разделяемых минералов.
Обогащения производится в электрических или диэлектрических сепараторах.
Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых материалов крупностью от 3 до 0.05 мм, обогащение которых другими методами малоэффективно либо экономически нецелесообразно.
Область применения данных методов весьма обширна. Это - обогащение кварца, граната, алмазов, вольфрамовых, фосфоритовых, касситеритовых, тантало-ниобиевых, титаносодержащих руд и россыпных песков.
Например, при обогащении вольфрамитовых руд крупностью 0.1 – 1.5 мм с содержанием вольфрамита в исходном 1.5 % получают концентрат с содержанием вольфрамита 33 – 35 % при извлечении до 97 %.
Методы применяются и при доводке коллективных концентратов таких, как титано-цирконовых, ильменито-рутило-цирконо-моноцитовых, тантало-ниоби-евых, танталит-колумбитовых, оловяно-вольфрамовых и др.
Например, из первичного тантало-ниобиевого концентрата электрическими методами (совместно с магнитными) извлекают танталит (тантал), колумбит (ниобий), монацит (торий, цезий), циркон (цирконий, гафний, торий), касситерит (свинец), берилл (бериллий, изумруд, аквамарин), гранат и пр.
Электрические методы нашли применение и при сухой классификации материалов по крупности, например, при обеспыливании и классификации строительных и кварцевых песков, вермикулита, различных солей, металлических и неметаллических порошков и пр.
Электрическое поле – форма существования материи вблизи электрических зарядов. Более конкретно – это пространство, в котором проявляется действие электрических сил на заряженные частицы.
Основная характеристика электрического поля – напряженность (Е). Напряженность поля в точке – это величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный заряд, помещенный в данную точку, к величине этого заряда, т.е. E = F / Q .
Электрическое поле, как и магнитное, может быть однородным (рис.1.1а) и неоднородным (рис.1.1б). Неоднородность поля характеризуется градиентом: grad Е= dE / dx . Для однородных электрических полей gradЕ = 0.
С
реда,
в которой взаимодействуют электрические
заряды, характеризуетсядиэлектрической
проницаемостью
(ε
с
),
которая показывает, во сколько раз сила
взаимодействия зарядов в данной среде
меньше, чем в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость вещества (ε в ) характеризует поляризуемость диэлектрика.
Вспомним и о понятии абсолютной диэлектрической проницаемости–(ε а ), которая оценивается: ε а = εε о , где ε о – электрическая постоянная, ε о = 8.85·10 -12 Ф/м.
Одна из основных электрических характеристик веществ - электропроводность (единица измерения - Сименс), либо удельная электропроводность (единица измерения –См/м). Последний показатель – величина, обратная удельному сопротивлению.
По электропроводности все минералы классифицируются на 3 группы:
Проводники (П) – удельная электропроводность 10 – 10 4 См/м.
Полупроводники (ПП ) – удельная электропроводность 10 -1 – 10 -8 См/м.
Непроводники (НП) – удельная электропроводность <10 -8 См/м.
Величина электропроводности слагается из объемной и поверхностной составляющей. Последняя зависит от состояния поверхности. Путем нанесения на поверхность реагентов в виде аэрозолей можно целенаправленно изменять проводимость минералов в нужном направлении.
К минералам проводниковой группы относятся магнетит, титаномагнетит, ильменит, рутил, пирит, галенит, графит и другие минералы.
К полупроводникам относятся доломит, гематит, псиломелан, халькопирит, молибденит, вольфрамит, сфалерит и пр.
К непроводникам относятся кварц, циркон, турмалин, асбест, боксит, пирохлор и другие минералы.
В электрическом поле минералы проводниковой и непроводниковой группы ведут себя различно.
На поверхности проводника, помещенного в электрическое поле, появляются электрические заряды, причем на одном конце концентрируется избыток электронов (вблизи положительного электрода), на другом – наблюдается их недостаток, т.е. появляется положительный заряд. Это явление связано с переходом электронов от атома к атому на верхних орбитах их движения. При удалении проводника из поля восстанавливается первоначальное состояние.
При контакте проводника с заряженным телом (электродом) происходит обмен зарядов, проводник приобретает одноименный заряд и испытывает силы отталкивания от электрода.
Помещение в электрическое поле непроводника (диэлектрика) сопровождается смещением в нем зарядов (переориентацией электрических диполей в соответствии с направлением напряженности электрического поля). На концах диэлектрика также появляются заряды, но при контакте с электродом переход зарядов невозможен, кулоновские силы притягивают непроводник к электроду.
Электрическое обогащение – это процесс разделения сухих частиц полезных ископаемых, которое основано на различии в электрических свойствах разделяемых компонентов.
К этим свойствам относятся: электропроводность; диэлектрическая проницаемость; контактный потенциал; трибоэлектрический эффект и др.
Применяется для доводки черновых концентратов алмазных и редкометалльных руд: титано-циркониевых; тантало-ниобиевых; оловянно-вольфрамовых; редкоземельных (монацит-ксенотимовых). Менее распространены электрическая сепарация гематитовых руд, разделение кварца и полевого шпата; обогащение калийных (сильвинитовых) руд, извлечение вермикулита и некоторых других неметаллических полезных ископаемых.
Впервые электрическая сепарация предложена в 1870 г. в США для очистки волокон хлопка от семян и была основана на различии в скорости перезарядки. В 1901 г. В США сконструирован барабанный электросепаратор, основанный на различии в электропроводности частиц и применен для обогащения цинковой руды. В 1936 г. советскими учеными Н.Ф. Олофинским, С.П. Жибровским, П.М. Рывкиным и Е.М. Балабановым изобретен коронный сепаратор. В 1952 г. предложена трибоадгезионная электросепарация, в 1961 г. – непрерывнодействующая диэлектрическая сепарация. Серийно электросепараторы начали производиться с 1971 г.
Сущность электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом. Под действием электрического поля изменяются траектории движении частиц минералов в зависимости от их электрических свойств.
Важнейшая стадия электрической сепарации – это зарядка частиц (электризация). Она может осуществляться путем создания на частицах избыточных зарядов какого-либо одного знака, либо создания на противоположных концах частицы зарядов разного знака.
Существует несколько способов зарядки частиц. Способ выбирается в зависимости от наиболее контрастных электрических свойств минерала.
На рис. 9.3 представлена схема зарядки частиц с помощью коронного разряда. Последний возникает в результате частичного пробоя воздуха между коронирующим (верхняя игла) и осадительным электродом (нижняя плоскость). Между этими электродами – высокий потенциал в 30 – 40 кВ.
Корона – это большое количество ионов воздуха, которые осаждаются на все частицы (на схеме П и НП).
При касании частиц о нижний электрод частицы ведут себя по разному: проводники (справа) быстро отдают заряд электроду, получают от него заряд другого знака, т.е. «+». Возникает сила отталкивания этих частиц, которая и изменяет траекторию их движения. Непроводники не могут отдать свой заряд и, следовательно, притягиваются к нижнему электроду.
Рассмотренный механизм зарядки частиц наиболее часто применяется в промышленности.
На рис. 9.4 показана схема наиболее распространенного коронно-электростатического барабанного сепаратора.
Здесь добавлен отклоняющий электрод, предназначенный для дополнительного отклонения проводниковой фракции, сброшенной с поверхности барабана.
Для усиления контрастности электрических свойств разделяемых минералов исходный материал иногда подогревается в бункере и питателе.
В зависимости от способа образования на частицах заряда и его передачи в процессе электрического разделения различают:
Электростатическую,
Коронную,
Диэлектрическую.
При электростатической сепарации разделение проводится в электростатическом поле, частицы заряжаются контактным или индукционным способами. Разделение по электропроводности происходит при соприкосновении частиц с электродом (например, заряженной поверхностью барабана; проводниковые частицы при этом получают одноименный заряд и отталкиваются от барабана, а непроводниковые не заряжаются).
Образование разноименных зарядов возможно при распылении, ударе или трении частиц о поверхность аппарата (трибоэлектрическая сепарация ). Избирательная поляризация компонентов смеси возможна при контакте нагретых частиц с холодной поверхностью заряженного барабана (пироэлектрическая сепарация ).
Коронная сепарация проводится в поле коронного разряда, частицы заряжаются ионизацией. Коронный разряд создается в воздухе между электродом в виде острия или провода и заземленным электродом, например, барабаном; при этом проводниковые частицы отдают свой заряд заземленному (осадительному) электроду.
Диэлектрическая сепарация проводится за счет пондеромоторных сил в электрическом поле; при этом частицы с различной диэлектрической проницаемостью движутся по различным траекториям.
Наряду с электрической сепарацией применятся электрическая классификация, которая основана на различном поведении в электрическом поле частиц, отличающихся по крупности.
Электрическая классификация очень эффективна при обеспыливании материалов, так как пыль практически полностью удерживается электрическим полем (например, классификация слюды, асбеста, строительных песков, солей, различных порошков).
Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых сыпучих материалов крупностью от 0.05 до 3 мм, обогащение которых другими методами малоэффективно либо экономически нецелесообразно. Электрические методы, как правило, используются в сочетании с другими методами (магнитными, гравитационными, флотационными).
