Геолого-технологическое картирование»

61. Физико-геологические основы флотационного обогащения. Основные факторы, оказывающие влияние на протекание процессов флотации.

Флотационный метод обогащения использует явления, происходящие при взаимодействии поверхностей твердых, жидких и газообразных веществ, называемых фазами и обозначаемых: твердая — т, жидкая — ж, газообразная — г. Основные из них — явления поверхностное натяжение и смачивание.

Поверхностное натяжение на границе взаимодействующих фаз обусловливается неуравновешенностью сил, действующих на молекулы, находящиеся на поверхности раздела этих фаз. Если взаимодействуют две фазы, разные по плотности, в поверхностном слое более плотной фазы появляется запас свободной поверхностной энергии. Отношение свободной поверхностной энергии к единице площади раздела фаз называют удельной поверхностной энергией, которая численно равна коэффициенту поверхностного натяжения, обозначаемому буквой σ (сигма) и определяемому по формуле

σ=F/l, (1)

где F — сила поверхностного натяжения, Н; l — длина границы поверхностного слоя, м.

Смачивание характеризует силы сцепления молекул разных фаз на границе их взаимодействия. Если силы сцепления молекул жидкой фазы меньше сил сцепления между молекулами жидкой и твердой фазы, частицы твердой фазы смачиваются. Если же силы сцепления молекул жидкой фазы больше, твердые частицы не смачиваются или смачиваются плохо. Например, окунув в воду стеклянную и картонную пластинки, мы заметим, что стеклянная покрывается слоем воды, а картонная нет. В этом случае силы сцепления молекул воды и стекла выше, чем силы сцепления молекул воды между собой, т. е. стекло смачивается водой. Картон же, наоборот, не смачивается.

Поверхностное натяжение и смачивание при определенных условиях обеспечивает флотацию (всплываниё) в воде одних минеральных частиц и нефлотируемость других. Для частиц, подвергаемых флотации, силы сцепления молекул при смачивании и силы поверхностного натяжения должны превышать архимедову силу и силу тяжести. Ослабить действие силы тяжести и архимедовой силы можно уменьшив размеры частиц, при этом площадь их поверхности и, следовательно, силы сцепления с другими фазами увеличатся. Поэтому флотации подвергают тонкоизмельченные (менее 1мм и только в редких случаях до 3мм) полезные ископаемые.

В зависимости от способа взаимодействия минеральных частиц с жидкой и газообразной фазами различают пленочную, масляную и пенную флотацию, пенную сепарацию и флотогравитацию. Для всех процессов фазой, в которой осуществляется всплывание (флотация) частиц, является вода. Явление смачивания тел водой называется гидрофилизацией, а несмачивания — гидрофобизацией, тела же соответственно гидрофильными и гидрофобными. По способности смачиваться водой минералы делят на три группы: минералы с гидрофобной поверхностью (молибденит, графит, тальк, самородная сера), с незначительной гидрофобностью (сульфиты — галенит, сфалерит, пирит и др.) и с гидрофильной поверхностью (кварц, долевые шпаты, слюды, кальций и др.). Мерой гидрофобности поверхности минеральных частиц является косинус краевого угла смачивания, обозначаемый буквой θ (тета). Краевым углом смачивания θ называется угол между поверхностью минерала и касательной к поверхности воздушного пузырька (рис. 1, а, б ), или капли воды (рис. 1, в) в любой точке трехфазного периметра смачивания. Он всегда отсчитывается от поверхности минерала в сторону жидкой фазы, т.е. между лучами угла должна быть жидкая фаза.

Периметром смачивания называется линия АВА₁В₁ (см. рис.1, в), по которой соприкасаются все три фазы. Капля воды, нанесенная на поверхность, будет находиться в равновесии в том случае, если силы поверхностного натяжения на границах фаз будут соответствовать условию

σ_Т–Г = σ_Ж–Г cos θ + σ_Т–Ж, (2)

где σ_Т–Г, σ_Ж–Г, σ_Т–Ж — силы поверхностного натяжения на границах соприкосновения соответственно твердого — газа, жидкости — газа и твердого — жидкости.

Отсюда величина, характеризующая гидрофобность поверхности тела, — cos θ будет равна

cos θ = (σ_Т–Г – σ_Т–Ж)/σ_Ж–Г, (3)

На полностью смачиваемой (гидрофильной) поверхности капля растекается, краевой угол θ ≈ 0, а cosθ = 1. Для полностью гидрофобной поверхности θ ≈ 180°, а cos θ = –1. Переходную точку, в которой θ = 90°, а cos θ = 0, называют точкой инверсии. Флотация минеральных частиц происходит при углах, значительно меньших 90°, иногда при θ = 1-2°. Для каменного угля θ = 60-90°, для талька — 70-90°, для некоторых сульфидов 70-85°.

Пленочная флотация — это процесс, при котором тонкоизмельченное полезное ископаемое, содержащее природногидрофобные минеральные частицы, осторожно, тонким слоем подается на поверхность воды. Силы сцепления молекул гидрофильных частиц преодолевают поверхностное натяжение воды на границе вода - воздух, и эти частицы тонут. Частицы с гидрофобной поверхностью практически не имеют сил, способных вступить во взаимодействие с поверхностью воды, и остаются на ней, образуя своеобразную пленку. Для увеличения гидрофобности частиц минералов их иногда обрабатывают небольшим количеством масла. В виду низкой эффективности и небольшой производительности на единицу площади поверхности воды пленочная флотация (как самостоятельный процесс обогащения) практически почти не применяется, но принцип ее используется при флотогравитации.

Флотогравитация представляет собой процесс гравитационного обогащения с использованием операций аэрации суспензии и обработки мелких минеральных частиц реагентами. В результате такого обогащения получают продукты гравитационного обогащения и флотационные хвосты или концентрат.

Масляная флотация заключается в следующем. Тонкоизмельченную руду перемешивают с большим количеством масла, плотность которого значительно меньше плотности воды. При перемешивании хорошо смачиваемые маслом частицы обволакиваются масляной пленкой. Обработанную маслом смесь минералов загружают в емкость с водой и перемешивают. Частицы, покрытые масляной пленкой, поднимаются на поверхность воды или в ее верхний слой. Непокрытые маслом частицы, чаще всего гидрофильные (хорошо смачиваемые водой), тонут. Масло в этом процессе выполняет роль подъемной силы, обеспечивающей всплывание флотируемых частиц. После отделения от всплывшей фракции масло направляют обратно в процесс. Потери масла с продуктами обогащения составляют более 2%. Вследствие высокой стоимости масла и большого его расхода масляная флотация не нашла широкого применения в практике обогащения полезных ископаемых.

Пенная флотация (рис. 2, а) представляет собой процесс, при котором в емкости (камере) с водой создается большое количество пузырьков воздуха или газа размером менее 2 мм. Гидрофобные частицы загруженного в камеру материала закрепляются на этих пузырьках и всплывают вместе с ними на поверхность. Гидрофильные частицы смачиваются водой и тонут. Большое количество всплывших пузырьков называют пеной, пузырьки закрепленными на них минералами — минерализованной пеной, всю массу поднятых пузырьками частиц, — пенным продуктом. Потонувшие частицы образуют камерный продукт. Если в пенный продукт извлекаются ценные минералы, а в камерный — хвосты, процесс флотации называют прямым, а если процесс протекает наоборот, — обратным. Пенная флотация получила широкое распространение после решения таких вопросов, как возможность получения прочных пузырьков и обеспечение закрепления частиц минералов на их поверхности. То и другое стало возможным при развитии химической промышленности, позволившем получать дешевые вещества (реагенты), добавление которых в суспензию обеспечивает прочность пузырьков и может изменять гидрофобность или гидрофильность поверхности частиц разделяемых минералов.

При воздействии реагентов на многофазную систему или на отдельную фазу (например, минеральную частицу) происходит адсорбция, т. е. на поверхности раздела фаз твердое — жидкость или жидкость — газ увеличивается концентрация этого реагента по сравнению с концентрацией его в объеме отдельной фазы (например, жидкости). В том случае, когда на поверхности раздела произойдет химическая реакция и образуется слой нового химического соединения, процесс называется хемосорбцией. Если же на поверхности раздела увеличение концентрации обусловлено силами межмолекулярного притяжения, процесс называется физической адсорбцией. В результате адсорбции реагентов на поверхности минеральных частиц изменяется их способность смачиваться водой, т. е. создается возможность регулировать гидрофобность поверхности разделяемых минералов. Адсорбируясь на поверхности раздела фаз газ — жидкость, реагенты уменьшают поверхностное натяжение воды, при этом воздушные пузырьки стабилизируются и, всплывая на поверхность суспензии образуют устойчивую пену.

В результате адсорбции реагентов на поверхности минеральных частиц изменяется их способность смачиваться водой, т. е. создается возможность регулировать гидрофобность поверхности разделяемых минералов. Адсорбируясь на поверхности раздела фаз газ — жидкость, реагенты уменьшают поверхностное натяжение воды, при этом воздушные пузырьки стабилизируются и, всплывая на поверхность суспензии образуют устойчивую пену.

Изменение поверхностного натяжения происходит при растворении веществ в воде. Вещества, которые при растворении в воде повышают поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными, а вещества, при растворении понижающие поверхностное натяжение на границе газ — жидкость, называются поверхностно-активными (ПАВ). В зависимости от химической активности и строения все вещества подразделяются на полярные, аполярные и гетерополярные.

Полярные вещества химически активны, хорошо растворяются в воде, при этом их молекулы диссоциируют на ионы. К ним относятся неорганические соли и кислоты, вода и ряд природных минералов. Твердые полярные вещества гидрофильны.

Аполярные (неполярные) вещества химически малоактивны, плохо растворяются в воде. К ним относятся многие жидкие органические вещества (минеральные масла, жиры и др.) и твердые вещества с насыщенными ковалентными связями. Эти вещества гидрофобны.

Гетерополярные вещества состоят из молекул, в состав которых входят одновременно полярная группа и аполярная углеводородная цепь. Эти вещества обладают свойствами полярных и неполярных веществ.

Полярные концы молекул гидрофильны, аполярные гидрофобны. Во флотационной суспензии гетерополярные вещества адсорбируются на поверхности раздела в соответствии с полярностью фаз: аполярный конец молекулы направлен в сторону менее полярной фазы. Поэтому молекулы гетерополярных веществ ориентируются на границе раздела жидкость-газ таким образом, что полярные группы направлены в воду, а аполярные в воздух (рис. 3, а). Молекулы гетерополярных веществ на схемах изображаются в виде спичек, головки которых представляют полярные группы. Эти вещества являются органическими соединениями, у которых аполярной частью является углеводородная цепь. Ориентация молекул гетерополярного вещества на поверхности раздела частица минерала — вода или частица — воздух зависит от физико-химических свойств поверхности минеральных частиц. Если молекулы гетерополярного вещества будут ориентироваться полярной группой к частице, а неполярной к воде (рис. 3, б); то гидрофобность частицы увеличится, если же ориентация молекул будет противоположна, т. е. полярная группа будет обращена к воде, а аполярная к поверхности частицы, то гидрофобность частицы уменьшится.

Контактирование гидрофобизированных частиц с пузырьками воздуха или газа обеспечивается массовым образованием пузырьков и пропусканием их через все слои суспензии. В результате закрепление частиц на пузырьках (основной акт флотации) происходит самопроизвольно, т.е. по второму закону термодинамики, согласно которому самопроизвольно могут протекать лишь процессы, приводящие к уменьшению свободной энергии системы.

Рассмотренные зависимости справедливы для статических условий, процесс же прилипания частиц к пузырькам воздуха происходит в суспензии, которая постоянно перемешивается. Поэтому процесс флотации зависит от большого количества факторов: физико-химических свойств поверхности флотируемых минералов, свойств и концентрации реагентов: интенсивности перемешивания суспензии, вероятности столкновения частиц с пузырьками, свойств воды, в которой осуществляется флотация, и др. Закрепление частиц на пузырьке воздуха или газа, а значит и флотируемость улучшаются благодаря явлению гистерезиса смачивания.

Гистерезисом смачивания называется отставание изменения периметра смачивания от изменения краевого угла. Если на горизонтальную поверхность минерала в воде поместить пузырек воздуха (см. рис. 1, а), то образуется определенный равновесный угол и определенный периметр смачивания. При наклоне поверхности минерала (см. рис. 1, б) краевой угол изменится, периметр же смачивания (закрепления) пузырька остается неизменным, т. е. изменение периметра смачивания отстает от изменения краевого угла.

Гистерезис смачивания зависит от:

– порядка смачивания, т. е. вытесняется ли с поверхности минеральной частицы вода воздухом при прикреплении ее к воздушному пузырьку и вытесняется ли воздух водой при отрыва частицы от воздушного пузырька;

– абсолютной скорости перемещения пузырька по поверхности частицы;

– наличия адсорбированного слоя ориентированных молекул реагентов, которые могут препятствовать растеканию воды по поверхности частицы;

– неровности (шероховатости) поверхности частицы. На шероховатой поверхности гистерезис смачивания всегда выше, поэтому прилипание пузырьков воздуха к такой поверхности и флотируемость частиц улучшаются.

Частицы обогащаемого полезного ископаемого перемешиваются с водой (смачиваются) в процессе подготовительных операций. Смачивание водой сопровождается образованием вокруг каждой частицы гидратной оболочки. Это явление называется гидратацией, а частицы гидратированными. Гидратация обусловлена тем, что поверхность многих веществ под действием, диполей воды диссоциирует на ионы. Вокруг ионов в воде мгновенно образуется слой диполей воды, т. е. ион гидратируется. Образование гидратного слоя означает, что взаимосвязь между гидратированным ионом и диполями воды больше, чем между диполями воды. Полярные молекулы гидратируются сильнее, аполярные слабее. Гетерополярные молекулы гидратируются в зависимости от структуры, причем полярная группа гидратируется сильнее, неполярная значительно слабее.

Гидратация оказывает значительное влияние на прилипание частицы к пузырьку. Если поверхность частицы гидрофобна, то гидратная оболочка неустойчива, поэтому при столкновении частицы с пузырьком она разрывается самостоятельно, но не до конца. На участке прилипания частицы к пузырьку в пределах площади прилипания остается тонкая пленка воды (см. рис. 3, б) являющаяся новой двухмерной фазой, принципиально отличной по своим свойствам от объемной жидкости. Толщина водной прослойки в этом случае равна 4·10^{-8 м. Но эта тонкая устойчивая пленка не препятствует прилипанию частицы к пузырьку. У гидрофильных поверхностей частиц гидратная прослойка значительно больше, она термодинамически устойчива, поэтому прилипания частицы к пузырьку не происходит — пузырек будет отталкиваться от частицы. Установлено, что удалению гидратной пленки с поверхности минерала способствует образование на гидратной поверхности частиц микропузырьков, которые сливаются (коалесцируют) с пузырьком и увеличивают площадь прилипания, что улучшает прочность закрепления частицы на пузырьке.}

Для осуществления флотации минеральных частиц пузырек, к которому они прилипли, должен поднять их на поверхность суспензии. При всплывании минерализованный пузырек испытывает действие различных механических сил (действие движущихся частей механизмов, струй суспензии и др.), которые могут оторвать частицу от пузырька. Поэтому прочность закрепления частицы на пузырьке и прочность самого пузырька должны быть значительно выше максимальной из всех действующих на агрегат пузырек — частица сил. Установлено, что при закреплении частиц минералов на пузырьке прочность его увеличивается.

При пенной флотации, кроме образования прочного агрегата частица — пузырек и всплывания его на поверхность суспензии, важно и то, за какое время протекают эти процессы. От этого зависит производительность аппаратов при заданном качестве продукта обогащения. Процесс флотации с момента загрузки материала в камеру разделения и до получения пенного и камерного продуктов заданного качества оценивается скоростью флотации.

На практике в зависимости от флотируемости минералов, качества получаемых продуктов и извлечения ценных минералов, время флотации принимают для основных операций от 5 до 40 мин, а для перечистных и контрольных не выше 5-15 мин.

Пенная сепарация (см. рис. 2, б) отличается от пенной флотации тем, что отделение гидрофобных минералов от гидрофильных производится непосредственно в пенном слое. Этот процесс нашел широкое применение при флотации крупнозернистых (до 3мм) калийных руд. Загрузка исходного сырья в машины пенной сепарации, называемые иногда пенными сепараторами, производится на слой пены.

Флотационные реагенты. В зависимости от назначения флотационные реагенты делятся на группы: пенообразователи, собиратели, активаторы, подавители и регуляторы среды. Активаторы, подавители и регуляторы среды иногда называют модификаторами.

Пенообразователями называются вещества, при добавлении которых в воду создаются условия образования достаточно прочных пузырьков воздуха и устойчивого слоя пены. Пенообразователи являются гетерополярными поверхностно-активными веществами и способны адсорбироваться на границе раздела жидкость — газ. К пенообразователям относятся вещества, имеющие в своем составе одну из полярных групп: —ОН (гидроксил), —СООН (карбоксил), —С—О (карбонил), —NН₂ (аминогруппа), —SО₂ОН и др. В зависимости от состава полярной группы пенообразователи подразделяют на кислые (спиртовые и крезоловые аэрофлоты, фенолы, алкиларилсульфонаты и др.), нейтральные (сосновое масло, терпинеол,Т-66, ОПСБ, ОПСМ и др.) и основные (тяжелый пиридин). Пенообразователи подают непосредственно в камеры флотационных машин.

Собиратели. Высокую естественную гидрофобность имеет ограниченное число минералов. Кроме этого она в значительной степени изменяется в процессе измельчения полезного ископаемого. Для избирательной гидрофобизации поверхности флотируемых минералов применяют реагенты-собиратели. При контактирований частиц минералов с реагентом-собирателем происходит закрепление молекул или ионов его на поверхности частиц и увеличивается гидрофобность этой поверхности. В отличие от пенообразователей в качестве реагентов-собирателей используются вещества, не имеющие гетерополярной структуры и представляющие собой углеводородные аполярные жидкости. Такие вещества не диссоциируют в воде на ионы и называются неионогенными аполярными собирателями. Эти собиратели применяют для флотации минералов, обладающих хорошей природной гидрофобностью: угля, графита, серы, молибденита, алмазов и др. Их применяют также в сочетании с жирными кислотами для гидрофобизации силикатов, карбонатов и окислов и в сочетании с ксантогенатами для флотации, сульфидов. К аполярным собирателям относятся керосин, трансформаторное, машинное и смазочные нефтяные масла, смолы и продукты перегонки угля, сланца, торфа и др. Керосин не обладает пенообразующими свойствами, поэтому иногда используется для гашения излишней пены.

Реагенты-дификаторы (регуляторы) представляют собой большую группу веществ, которые изменяют флотируемость минералов путем регулирования действия собирателя на поверхность их частиц. Они повышают активность действия собирателей и тем самым обеспечивают четкое разделение минералов при флотации. Эти реагенты позволяют из комплексных руд выделить последовательно все ценные минералы в отдельные концентраты или, выделив сначала все ценные минералы в один коллективный концентрат, затем разделить их на отдельные концентраты. Например, при флотации руды, содержащей галенит PbS, сфалерит ZnS и пирит FeS₂ сначала флотируют галенит, а гидрофобность частиц сфалерита и пирита подавляют известью, цианистой солью или цинковым купоросом. Этот процесс называют подавлением флотируемых свойств, а реагенты подавителями. После флотации PbS восстанавливают гидрофобность частиц сфалерита добавлением медного купороса, одновременно добавляют известь для подавления пирита. Процесс восстановления флотируемости называют активацией, а реагенты для его осуществления активаторами. Сфлотировав частицы сфалерита, проводят активацию пирита, например серной кислотой, и флотируют его в пиритный концентрат.

62. Физико-геологические основы гравитационных методов обогащения. Области применения основных методов.

Гравитационный метод обогащения основан на законах движения отличающихся по плотности минеральных частиц в воздухе, воде, тяжелых жидкостях или водно-минеральных суспензиях. Обогащение в воздухе называется пневматическим; в воде, тяжелых жидкостях и суспензиях — гидравлическим. В зависимости от плотности минералы делят на группы: тяжелые, плотностью больше 4000кг/м³; с промежуточной плотностью 2700-4000кг/м и легкие плотностью менее 2700кг/м³.

Если минеральную частицу шарообразной формы диаметром dи плотностью δ, поместить в жидкую среду с плотностью Δ, на нее будут действовать сила тяжести, обусловленная тяготением и направленная вниз, и динамическая сила Рсопротивления среды, направленная вверх. По закону Архимеда вес Gтела жидком G₁ тела в вакууме на величину G₂, равную весу жидкости в объеме этого тела:

G = G₁ – G₂ = (δ – Δ) gπd³/6, (6)

где G₁ = δgπd³/6; G₂ = Δgπd³/6; g — ускорение свободного падения.

Сила сопротивления среды Р(H) определяется по формуле

P = πd² v ²Δ/16, (7)

где v — скорость движения частицы.

Конечные скорости v ₀ свободного или стесненного падения частиц определяют по формулам 6 и 7. Падение частиц в среде возможно только в том случае, когда плотность их больше или равна плотности среды. В этом случае G₁ G₂, поэтому частица имеет определенную скорость падения. Такое явление наблюдается при разделении материала на классификаторах. В этих аппаратах процесс классификации по крупности почти всегда сопровождается процессом гравитационного обогащения по плотности. Разделение по крупности, т. е. чистая классификация, может происходить только в том случае, если частицы различаются по крупности, но одинаковы по плотности. В том случае, когда разделению подлежат частицы, одинаковые по крупности и разные по плотности, в классификаторах будет происходить гравитационное обогащение. Поэтому для повышения эффективности гравитационного обогащения очень часто руду предварительно разделяют на классы крупности, и каждый класс обогащают самостоятельно.

Если минеральные частицы, погруженные в среду, имеют плотность меньше плотности среды, то G₁ < G₂, и частицы будут выталкиваться на поверхность, т.е. всплывать.

Группы минералов определенной плотности, полученные при гравитационном разделении, называются фракциями.

Группа всплывших частиц называется легкой фракцией, утонувших — тяжелой фракцией, а средних (взвешенных) — трудной фракцией.

К гравитационным процессам относят: обогащение в тяжелых средах, отсадку, обогащение в потоке воды, текущей по наклонной плоскости, и пневматическое обогащение.

Обогащение в потоке воды, текущей по наклонной плоскости. При движении потока суспензии по наклонной плоскости (например, желобу) находящиеся в ней зерна минералов будут двигаться с неодинаковой скоростью, зависящей от их плотности. Более тяжелые частицы под действием силы тяжести оседают на дне желоба и двигаются с меньшей скоростью, более легкие находятся в верхнем слое потока и двигаются со скоростью, близкой к скорости потока. При создании на пути движения потока препятствий в виде реек создается турбулентный (вихревой) характер движения потока суспензии в нижнем слое и ламинарный (спокойный) — в верхнем. Тяжелые зерна минералов задерживаются рейками, а легкие уносятся потоком. Вследствие турбулентного характера движения потока в нижнем слое происходят перемешивание осевших зерен и вынос легких частиц в верхний слой потока. На этом принципе разделения минералов по плотности основана работа многих аппаратов: шлюзов, концентрационных столов, струйных, конусных и винтовых сепараторов. Используя одинаковый принцип разделения минеральных частиц, они отличаются способами улавливания и разгрузки тяжелых и легких фракций.

Шлюз (рис. 7) представляет собой наклонный желоб 1 прямоугольного сечения, на дне которого уложено шероховатое покрытие — мат 3 или рейки — трафареты 2 (может быть и то и другое одновременно). Загружаемая в верхнем конце суспензия движется со скоростью, определяемой наклоном желоба. При движении суспензии тяжелые минералы концентрируются на дне и задерживаются шероховатой поверхностью мата или трафаретами, легкие выносятся потоком к нижнему разгрузочному концу желоба. Осевшую тяжелую фракцию — концентрат называют шлихами. Для снятия шлихов подачу исходной суспензии прекращают. Операцию снятия называют сполоском. Для исключения потерь ценных минералов необходимо своевременно производить сполоск.

Эффективность разделения в шлюзах зависит от характера покрытий, наполнения шлюза суспензией, угла его наклона, Ж:Т суспензии и частоты сполосков. Высота трафаретов не должна быть больше глубины потока. Глубина же потока должна быть в 1,5-3 раза больше размера самого крупного куска материала. В качестве матов применяют войлок, грубошерстное сукно и т.п. Ж:Т суспензии колеблется в пределах (5-10):1. Производительность шлюзов невысокая и характеризуется массой твердого (в тоннах) в обогащаемой суспензии на 1 м² поверхности в сутки.

Рассмотренный шлюз изготавливается обычно из дерева и называется стационарным. Мат у него может быть съемным и несъемным. При несъемном мате сполоск производят сильной струей воды при перекрытом хвостовом желобе. При съемном — мат скатывают в рулон и затем промывают. В настоящее время для гравитационного обогащения применяют шлюзы: стационарные с опрокидывающейся декой, подвижные ленточные и автоматические многодечные. Во всех этих машинах сполоск шлихов механизирован.

Эффективное разделение на шлюзах происходит в том случае, когда разность разделяемых минералов по плотности достаточно высока (плотность ценных минералов 6 т/м³ и более). Применяются они обычно для обогащения россыпей золота, платины, вольфрама, олова и др.

Концентрационный стол (рис. 8, а)представляет собой наклонную плоскость 8, изготовленную из сосновых досок и покрытую линолеумом, поверх которого набиты деревянные рейки. Наклонную плоскость называют декой. Дека с помощью шарнирных опор крепится на раме 4. От электродвигателя 7 с помощью приводного механизма 1 и возвратной пружины 3 дека приводится в возвратно-поступательное движение, параллельное нарифлениям. Скорость движения деки минимальна в начале переднего хода и максимальна в конце его: при обратном движении наоборот — в начале хода максимальна, в конце минимальна. Наклон деки в поперечном и продольном направлениях регулируется с помощью маховичков кренового механизма, тяги 2 и винта 5. Суспензия подается в загрузочную камеру 9 и стекает со скоростью, зависящей от наклона стола и Ж:Т суспензии в направлении, поперечном нарифлениям. При движении потока суспензии тяжелые минералы задерживаются набитыми на деке рейками и благодаря возвратно-поступательному движению деки, двигаются вдоль нарифлений, а легкие частицы продолжают движение с потоком в поперечном направлении. Высота нарифлений снижается в сторону, противоположную приводу, поэтому слой осевшего и задержанного нарифлениями материала будет уменьшаться благодаря смывному действию воды, подаваемой в продольный желоб 10. При наличии сростков тяжелого и легкого минералов смываются потоком воды вслед за легкими минералами сростки с малым содержанием тяжелого минерала, затем сростки с высоким содержанием тяжелого минерала, и в конце деки разгружаются тяжелые минералы. Образуется своеобразный веер распределения продуктов по плотности (рис. 8, б).

Концентрационные столы применяют для обогащения углей, руд цветных и редких металлов и россыпей. Для руд крупность исходного сырья не превышает 4мм, для угля может быть 0,1-40мм.

Для улучшения процесса расслаивания материала на столе исходное сырье перед обогащением подвергают классификации по крупности. Высоту нарифлений и расстояние между ними принимают в зависимости от плотности обогащаемых минералов, качества получаемых продуктов и производительности стола. В зависимости от характера и крупности обогащаемого материала устанавливают угол поперечного наклона деки: для крупного материала 6-10°, для тонкого 1-2,5°. Угол продольного наклона зависит также и от высоты нарифлений. Значительное влияние на процесс разделения оказывает водный режим, Ж:Т принимается в исходной суспензии от 3:1 до 6:1; количество смывной воды зависит от крупности. В зависимости от обогащаемого материала различают песковые и шламовые столы; по конструкции они могут быть одноярусные, и многоярусные.

Струйный концентратор (рис. 9) представляет собой суживающийся желоб 1 с гладкой поверхностью. Желоб устанавливается под углом 16-22° к горизонту. Суспензия подается в верхний конец желоба струей равномерной толщины с небольшой скоростью по всей ширине желоба. При движении по желобу минералы расслаиваются по плотности. В конце желоба в результате сужения высота потока увеличивается, и при помощи отсекателей 2 поток делится на слои, содержащие легкую, среднюю и тяжелую фракции, которые собираются в приемники 3.

Конусный сепаратор по внешнему виду имеет форму опрокинутого конуса и состоит из нескольких десятков желобов, суживающихся к центру. Струйные и конусные сепараторы применяют в сочетании с другими обогатительными аппаратами с целью повышения их эффективности, а также для обогащения песков.

На извлечение и качество концентрата влияют гранулометрический состав питания, форма и разница в плотности отдельных зерен минералов, содержание глины и шламов.

Обогащение в тяжелых средах. Тяжелыми называются жидкости, плотность которых выше плотности воды органические (трихлорэтан C₂HCl₃), плотность 1460 кг/м³, четыреххлористый углерод CCl₄, плотность 1600кг/м³и др) неорганические, представляющие собой растворы солей хлористого кальция СаС1₂, плотность 1654 кг/м³; хлористого цинка ZnС1₂, плотность 2070 кг/м³; йодистого калия KI, плотность 3196 кг/м³ и др). Взвесь тонкоизмельченного (менее 0,15 мм) твердого вещества (утяжелителя) в воздухе или в воде (дисперсионная среда) называется соответственно аэросуспензией или водно-минеральной суспензией. Плотность таких суспензий зависит от количества и плотности утяжелителя и может достигать 3000кг/м³ и выше.

Преимуществом обогащения в тяжелых средах является высокая технологическая эффективность. При обогащении крупных классов угля она близка к теоретической. В качестве тяжелых сред для промышленных целей применяют водно-минеральные суспензии. Органические тяжелые жидкости применяются очень редко, так как они дороги, токсичны и трудно регенерируются (регенерация — восстановление свойств). В качестве утяжелителей при обогащении руд наибольшее применение получил ферросилиций — сплав железа с кремнием плотностью 6400-7000 кг/м³, при обогащении угля — магнетит плотностью 5200 кг/м³. Иногда для руд используют галенит плотностью 7500 кг/м³. Однако его применение ограничено, так как из-за небольшой твердости галенит быстро шламуется и увеличивает вязкость водно-минеральной суспензии. Из практики известно, что плотность водно-минеральной суспензии не должна быть больше половины плотности утяжелителя, т.е. из ферросилиция можно приготовить суспензию плотностью 3200-3500 кг/м³; из магнетита — плотностью 2600 кг/м³; из галенита — плотностью 3700 кг/м³. Для получения более плотных суспензий (до 3800 кг/м³) готовят гранулированный ферросилиций. Важнейшими свойствами тяжелой среды, которые определяют эффективность разделения минеральных зерен, являются плотность, вязкость и устойчивость.

Вязкость очень важное свойство тяжелой среды. При высокой вязкости тяжелой среды разделение в ней (особенно мелких фракций) может вообще прекратиться. На вязкость оказывают влияние содержание твердого, наличие шламов и глины, вязкость жидкости, присутствие некоторых химических соединений, температура. Высокая вязкость тяжелой среды, вызванная избытком утяжелителя, также препятствует разделению минералов, поэтому объемное содержание утяжелителя не должно превышать 25%. Вязкость тяжелой среды определяют специальными приборами, называемыми вискозиметрами.

Способность тяжелой среды сохранять одинаковую плотность в различных слоях по высоте обогатительного аппарата называют устойчивостью. При уменьшении размера частиц и увеличении содержания утяжелителя повышается устойчивость тяжелой среды, но при этом увеличивается и вязкость. В промышленных условиях для стабилизации плотности тяжелой среды используют механическое перемешивание, добавку глины и других коллоидных веществ, создание восходящих потоков.

Обогащению в тяжелых средах подвергаются полезные ископаемые крупностью 0,3-300 мм. Материал крупностью 0,3-6 мм обогащают с использованием центробежных сил в гидроциклонах.

Экономическая целесообразность применения процесса обогащения в тяжелых средах обусловливается возможностью регенерации утяжелителя, т. е. отделения его от продуктов обогащения и очистки для повторного использования. Для отделения от продуктов обогащения и очистки тяжелой среды применяют грохоты, классификаторы, магнитные сепараторы, флотационные машины и другие аппараты. На магнитных сепараторах производится регенерация утяжелителей, обладающих высокой магнитной восприимчивостью (магнетит, ферросилиций). Для регенерации галенита используют флотационные машины.

На рисунке 10 представлена принципиальная схема цепи аппаратов обогащения полезного ископаемого в тяжелых средах. Исходное сырье подается на грохот 1 для отделения мелких частиц и шламов. Надрешетный продукт направляется в суспензионный сепаратор 2. Легкая (для угля — концентрат, для руды — хвосты), и тяжелая (для угля — хвосты, для руды — концентрат) фракции поступают на грохот 3 с размером отверстий сита, меньшим размера отверстий сита грохота 1. На грохоте 3 сильной струей воды из брызгал отмывается тяжелая среда. На ближнем к загрузке участке грохота 3 иногда отделяется чистая тяжелая среда, которая сразу направляется в бак 10 для приготовления тяжелой среды. Отмываемая водой тяжелая среда, обычно содержащая шламы, мелкие частицы руды и т. д, направляется в бак 9 для дренированной тяжелой среды, откуда насосом 8 перекачивается на магнитную сепарацию, которая ведется в две стадии на барабанном 4 и ленточном 5 магнитных сепараторах. Магнитная фракция (утяжелитель) после размагничивания в размагничивающем аппарате 6 и обезвоживания в спиральном классификаторе 7 поступает на приготовление тяжелой среды. Немагнитная часть вместе с хвостами идет в отходы. В качестве промывной воды используется вода из сливных окон магнитных сепараторов. Магнитную сепарацию можно проводить в одну стадию, если утяжелитель легко очищается.

Обогащение в тяжелых средах осуществляют на аппаратах называемых тяжелосредными сепараторами. По количеству получаемых продуктов их делят на двухпродуктовые и трехпродуктовые по характеру сил, под воздействием которых происходит разделение материала на сепараторы с гравитационным полем и сепараторы с центробежным полем.

Отсадка. Рассмотрим элементарный акт разделения материала по плотности, называемый отсадкой. Если бачок с решетчатым дном, наполненный пробой угля, резко опустить в бачок с водой, частицы под действием выталкивающей силы потоков воды, прошедших через отверстия, поднимутся вверх и окажутся во взвешенном состоянии. Затем эти частицы будут падать на дно бачка с разной скоростью, зависящей от плотности. Если опускать и поднимать бачок много раз, то произойдет достаточно четкое разделение пробы угля на тяжелую (породную), среднюю (промпродуктовую) и легкую (концентратную) фракции, т. е. произойдет элементарный акт разделения по плотности в пульсирующем потоке жидкости. Такой процесс можно наблюдать только в лабораторных условиях. В промышленности все обстоит несколько иначе.

Рассмотрим процесс разделения минеральных зерен в отсадочной машине, работающей в непрерывном цикле обогащения полезного ископаемого (рис. 11).

В камере 3 устойчиво работающей машины постоянно существуют три четко выраженных слоя минералов: верхний слой I состоит из зерен с низкой плотностью δ₁ средний слой II из зерен со средней плотностью δ₂, нижний слой III из зерен с высокой плотностью δ₃. При этом δ₁ < δ₂ < δ₃. Средний слой II принято называть постелью. Постель образуется из естественных кусков обогащаемого материала или делается искусственно из специально подобранного материала (утяжелителя) плотностью ниже плотности минералов тяжелой фракции и выше плотности минералов легкой фракции. Поверхность слоя I представляет собой наклонную шероховатую плоскость, образованную кусками легкой фракции. Наклон поверхности образуется разными уровнями порогов или предусматривается конструкцией машины (в некоторых машинах устанавливают наклонно решета). Смесь зерен вместе с водой в виде суспензии подается на эту поверхности в точке А. Тяжелые зерна оседают на поверхности и застревают между кусками, а легкие потоком выносятся к разгрузке в точке Б. Средние по плотности зерна могут, как остаться на поверхности, так и уйти вместе с легкими. В данном случае мы имеем акт расслоения минеральных зерен в потоке воды, движущемся по наклонной плоскости, рассмотренный нами ранее. Для удаления тяжелых зерен нужно произвести сполоск поверхности или убрать их другим путем, иначе они будут увлекаться потоком воды и выноситься вместе с легкой фракцией в точке Б в разгрузку.

Диафрагма 5 получает возвратно-поступательное движение от эксцентрикового вала 6. При движении диафрагмы вода, проходящая через отверстия решета 2, образует восходящие и нисходящие потоки. При восходящих потоках зерна минералов, находящихся, в камере, приходят во взвешенное состояние. Через патрубок 1 в подрешетную камеру подается вода, которую называют подрешетной. Подрешетная вода подается для компенсации воды, вылившейся через порог Б при восходящем потоке, и для уменьшения длительности периода нисходящего потока. Образование пульсирующих потоков и их действие на минеральные зерна, находящиеся в осадительной камере 3, можно рассматривать как механизм стабилизации тяжелой среды. Необходимость такой стабилизации рассмотрена нами ранее.

Итак, в тот момент, когда минеральные зерна или тела, образующие искусственную постель, находятся во взвешенном состоянии, всю массу этих зерен или тел, перемешанную с водой, можно рассматривать как тяжелую среду, плотность которой равна суммарной массе зерен или тел и жидкости, поделенной на объем, в котором они находятся. Причем плотность первого слоя Δ₁ будет меньше, чем второго Δ₂ и третьего Δ₃, а второго меньше, чем третьего, т. е. Δ₁ < Δ₂ < Δ₃. Так как содержание утяжелителя в среде в данных условиях ближе к 100% и зависит от крупности материала в камере, частоты пульсаций и длины хода диафрагмы или поршня и других параметров, можно условно принять, что плотность тяжелой среды будет близка к плотности твердых веществ ее составляющих. Значит Δ₁ < Δ₂ < δ₃; Δ₁ < δ₂; Δ₁ δ₁. Эти неравенства дают основание считать, что все зерна с плотностью δ₃ потонут в слоях I и II и достигнут слоя III, все зерна с плотностью δ₂ потонут в слое I и достигнут слоя II но не спустятся ниже поверхности слоя III. Зерна с плотностью δ₁ будут находиться или в слое I или на его поверхности.

Следовательно, осевшие на поверхности слоя I зерна с плотностью δ₃ потонут и достигнут слоя III, зерна с плотностью δ₂ попадут в слой II. Занятый этими зернами объем камеры должны освободить легкие зерна с плотностью δ₁, которые с помощью восходящего потока попадут в поток суспензии, текущей по поверхности слоя I и будут вынесены в разгрузку. Если крупность зерен тяжелого минерала меньше размера отверстий решета, они пройдут через эти отверстия в осадительную камеру и разгрузятся через выпускную насадку. В этом случае в осадительной камере могут быть два слоя - постель и слой легкой фракции.

При обогащении руд в отсадочной машине смесь зерен очень часто подается не в виде суспензии, а отдельно от смывной воды. Однако механизм разделения минеральных зерен в этом случае не меняется.

Рассмотренный механизм разделения минеральных зерен в отсадочной машине позволяет сделать вывод, что четкость разделения обеспечивается в том случае, когда правильно организованы: подача исходной смеси на поверхность постели отсадочной камеры; смыв и разгрузка легкой фракции; погружение тяжелых зерен на дно отсадочной камеры и вытеснение в результате этого легких зерен на поверхность постели. Эти условия обеспечиваются потоком суспензии или смывной воды, текущими по наклонной плоскости, и вертикальными пульсирующими потоками. Следовательно, процесс отсадки можно сформулировать следующим образом: отсадкой называется процесс разделения смеси различных по плотности минеральных зерен в потоке воды, текущей по наклонной плоскости и в вертикальном пульсирующем потоке. А это не что иное, как совмещение двух ранее рассмотренных процессов: обогащения в потоке воды, текущей по наклонной плоскости, и обогащения в тяжелой среде. При этом использованы положительные факторы обоих процессов, что дало отсадке такие преимущества перед другими процессами гравитационного обогащения, как универсальность (крупность руды может колебаться от 0,25 до 150 мм, угля от 0,5 до 250 мм), производственная простота технологии (нет необходимости устанавливать оборудование для регенерации тяжелой среды), технологическая эффективность (характеризуется повышенной эффективностью по сравнению с обогащением на струйных аппаратах), экономичность (обусловлена перечисленными выше преимуществами).