Концентрация полезных ископаемых на столах

Концентрационные столы используют для обогащения материала крупностью < 1 мм, лучше -0,5 мм. Наиболее распространен стол 30А-КЦ с размером деки 900x400 мм. Производительность его 25—50 кг/ч, минимальная навеска руды для испытаний 5—10 кг. Для очень бедных руд навеска руды увеличивается в 2—3 раза. На столе извлекаются тяжелые минералы размером до 0,03 мм. Для обработки навесок 100 кг используют промышленный стол CC-1 с декой размером 2100x900 мм. Грубозернистый материал разделяется на нем эффективнее, чем на столе 30А-КЦ, но нижний предел крупности извлекаемых тяжелых зерен повышается до 0,05—0,06 мм. Производительность его 200—400 кг/ч, минимальная навеска для разделения 15—20 кг. АО «Механобртехника» предлагает лабораторный концентрационный стол СКО-0,5 с декой размером 450x1000 мм. Крупность питания, мм: по пескам — 0,2—3; по шламам — 0—0,2. Производительность его при обогащении песков и шламов — 50—120 и 15—30 кг/ч соответственно.

Для доводочных операций и обработки навесок до 1 кг удобен малогабаритный стол CKЛ-2, имеющий деку размером 600x250 мм. Производительность его — 10—15 кг/ч, крупность материала — до 0,3—0,5 мм.

Обогащение на концентрационном столе рассматривается обычно как один из случаев разделения во взвесенесущих потоках малой толщины. Однако качания деки весьма существенно изменяют условия разделения. Главной особенностью процесса разделения на столе является разрыхление материала совместным воздействием потока и качаний деки, которые не только дополняют друг друга, но и взаимодействуют между собой. Качания деки разрывают механические контакты между зернистым слоем и поверхностью деки, поэтому течение материала поперек деки оказывается возможным уже при малой скорости потока и, соответственно, при малом уклоне деки. С другой стороны, подъемные силы, развивающиеся в потоке, облегчают разрыхление материала качаниями, а разрыв контактов между материалом и декой наступает при меньшем значении ускорения, чем в случае отсутствия потока.

Разрыхление зернистого слоя качаниями обусловлено наличием относительной скорости материала и среды, увлекаемых возвратно-поступательными движениями деки в различной степени. Передача импульса от деки жидкости и твердым частицам производится силами трения, которые для жидкости равнозначны силам вязкости и намного меньше сил трения между твердыми частицами и декой. При качаниях деки только тонкий (<10 мкм) пограничный слой жидкости движется со скоростью деки, по мере удаления от нее колебания жидкости быстро уменьшаются по амплитуде и все больше отстают по фазе. При гармонических колебаниях с частотой 50 Гц на расстоянии 1 мм от поверхности деки жидкость уже не колеблется. При наличии на деке материала жидкость увлекается не только декой, но (главным образом) и движущимися вместе с ней твердыми частицами. Это обуславливает обтекание твердых частиц жидкостью, их торможение и взвешивание.

Разрыхление зернистого материала качаниями деки обусловлено также градиентом скорости между слоями, различно удаленными от деки. При удалении от деки амплитуда колебаний зернистых слоев уменьшается. Таким образом, качаниями деки слой разрыхляется не более некоторой определенной толщины, пропорциональной длине хода деки.

Разрыхление, обусловленное течением потока пульпы, зависит от градиента скорости по высоте, а также подъемной, то есть несущей силы потока. Оно максимально в верхних слоях потока и убывает книзу. Средний слой материала на деке оказывается наименее разрыхленным, поскольку влияние качаний и потока доходит до него ослабленным.

Непременным условием хорошего разделения на столе является достаточное разрыхление зернистого слоя на всю глубину. Это обстоятельство и ограничивает предельную толщину слоя материала на деке стола. При подаче воды через пористую деку можно работать при большей толщине слоя, соответственно при большей производительности.

Помимо потока и качаний деки на разрыхление влияют смывная вода и донные вихри, обусловленные, с одной стороны, переваливанием материала через нарифления, а с другой — большими сдвиговыми напряжениями, развивающимися в жидкости у поверхности деки.

Характер разделения при обогащении на концентрационном столе определяется двумя процессами: расслоением взвешенного слоя и сегрегацией. Процесс расслоения идет преимущественно в толще потока. Благодаря специфическому способу разрыхления текучесть взвеси достигается при высокой сплоченности и малой скорости потока. В таких условиях расслоение зерен идет преимущественно по плотности — тяжелые и массивные зерна переходят в нижние слои потока. В промежутках между нарифлениями характер иной. Зернистый слой здесь периодически приходит в состояние опоры (когда движется вместе с декой), следовательно, гравитационные силы не уравновешиваются гидродинамическими (сопротивлением среды). Поэтому при разрыве контактов между зернами более мелкие проваливаются в промежутки между более крупными. Разделение при этом таково, что наиболее мелкие зерна занимают самый нижний слой. При совместном протекании процессов расслоения и сегрегации разделение приобретает тот характер, который фактически наблюдаем: крупные тяжелые зерна извлекаются хорошо и в первую очередь, но оказываются не в головке веера, а ближе к полосе промпродукта, головка же представлена самыми мелкими тяжелыми зернами.

В процессе разделения на деке стола различают три фазы: первоначальную сортировку в момент поступления материала на деку; расслаивание при течении взвеси материала по деке; перечистку выделившегося тяжелого продукта в торцевой части разгрузочного конца деки.

В первой фазе основным фактором разрыхления и разделения является сам взвесенесущий поток поступающего на деку питания. Поток у загрузочной коробки характеризуется значительной глубиной и скоростью, сравнительно высокой степенью гомогенности (концентрация твердого мало изменяется по высоте потока) и развитой крупной турбулентностью. Такой поток имеет высокую несущую способность, поэтому в донный слой выпадают гидравлически наиболее крупные частицы. Разделение идет быстро, но грубо и неполно. Окончанием первой фазы разделения считают момент, когда материал распределился по деке слоем нормальной толщины. Желательно, чтобы первая фаза разделения заканчивалась быстрее и на небольшой площади деки, непосредственно примыкающей к загрузочной коробке. Для этого необходимо правильно организовать подачу питания и обеспечить быстрое рассредоточение его на площади деки.

Задачей второй — основной фазы разделения при протекании пульпы поперек рифленой части деки является максимальное извлечение из взвесенесущего потока ценных минералов и получение отвальных хвостов. Тяжелые минералы накапливаются в междурифельных промежутках и качаниями деки транспортируются к ее разгрузочной торцевой стороне. В этой фазе разделения большое значение имеет своевременное удаление качаниями деки тяжелой фракции, выпадающей в донный слой, то есть транспортирующая способность деки. Чистые хвосты получают лишь в том случае, когда междурифельные промежутки на пути схода основной массы хвостов заполнены преимущественно легкими минеральными зернами. Последние 3—5 междурифельных промежутков у хвостового борта деки свободны от зерен тяжелых минералов. При этом условии тяжелые зерна, движущиеся в верхнем слое (выше нарифлений) взвесенесущего потока, перейдут в донный слой, вытеснив оттуда соответствующее количество легких зерен. Если же междурифельные промежутки заполнены тяжелыми зернами, то при турбулентном обмене между нижним и верхним слоями потока концентрация тяжелых зерен в последнем не убывает и они будут снесены в хвосты. Поэтому содержание тяжелых зерен в питании, нагрузка и транспортирующая способность стола сбалансированы.

Полнота извлечения зерен различной плотности и крупности определяется в этой фазе параметрами потока. Чем больше скорость и толщина взвесенесущего потока, выше концентрация твердого и больше крупность обрабатываемого материала, тем больше граничная крупность эффективно разделяемого материала. Зерна меньше граничной крупности ведут себя «как среда» и по высоте потока распределяются равномерно. В продукты обогащения они извлекаются пропорционально распределению жидкой фазы.

Третья фаза разделения происходит на торцевой части деки, где нарифления уменьшаются, а затем обрываются. Здесь имеет место избирательное вымывание смывной водой легких зерен, попавших ранее в междурифельные промежутки, а также наиболее тонких зерен. Поток смывной воды довольно слабый и с неподвижной деки материал не смывает. Ho когда материал отрывается инерционными силами и скользит по деке, отдельные зерна подхватываются потоком и переносятся на некоторое расстояние. Этот перенос осуществляется чаще всего в режиме перекатывания или скачками. Перенос в режиме полного взвешивания для данной фазы не типичен, но может наблюдаться для наиболее тонких зерен.

В целом разделение в третьей фазе характеризуется концентрацией в «головке» веера наиболее тяжелых и тонких зерен. Отдельные крупные зерна, даже легких минералов, могут попадать в головку, если гидродинамическое воздействие смывной воды недостаточно для их сноса. Перемещение таких зерен («крупняка») происходит под действием инерционных сил.

Обогащение на концентрационном столе характеризуется более ровной эффективностью разделения различных классов крупности сравнительно с другими аппаратами, работающими на принципе разделения во взвесенесущих потоках.

Крупные классы -2(3)+1 мм на промышленных столах разделяются вполне удовлетворительно, средние (-1+0,2 мм) — очень хорошо. При небольших нагрузках удовлетворительно извлекаются тяжелые зерна крупностью до 0,07 мм, более тонкие — в значительной мере сносятся в хвосты. На столах со шламовой декой извлекаются тяжелые зерна до 0,02—0,03 мм. Концентрат по гранулометрическому составу существенно обогащен средними и мелкими классами, степень обогащения для них соответственно наименьшая. Для крупных классов характерна высокая степень обогащения, выход же их в концентрат мал. Основной чертой разделительной характеристики концентрационного стола является несколько предпочтительный переход в концентрат средних и мелких классов. Для промышленных столов это распределение сдвинуто в сторону более высокого извлечения крупных классов и пониженного — мелких.

Изложенные представления о механизме разделения на столе позволяют оценить роль и назначение всех основных факторов, контролирующих процесс обогащения.

Эти факторы можно разбить на три группы:

- конструктивные: размеры деки и соотношение длины и ширины, высота, форма и расположение нарифлений;

- характеристика обогащаемого материала — гранулометрический и фракционный состав, форма зерен;

- режимные: частота и амплитуда качаний, поперечный и продольный уклон деки, производительность, Т:Ж питания, расход смывной воды.

Размеры деки определяют время пребывания на ней материала. Последнее должно быть достаточным для разделения, поэтому при работе на столах малого размера уменьшают скорость продвижения материала по деке, убавляя амплитуду колебаний и снижая нагрузку. Различия в режиме работы обуславливают существенные различия в гидродинамической обстановке на больших и малых столах. Для обогащения грубозернистого материала необходима большая амплитуда качаний деки, поэтому на лабораторных столах такой материал не разделяется.

Для легкообогатимого материала верхний предел крупности при обогащении на столе КЦ-30 составляет 1 мм, для труднообогатимого — не более 0,5 мм. На промышленных столах та же руда обогащается до крупности до 2—3 мм. Это обстоятельство следует иметь в виду при рекомендации технологической схемы на основании лабораторных испытаний.

Ширина деки определяет длину пути материала и возможность получения чистых хвостов. Для тонкозернистого и труднообогатимого материала, характеризующегося пониженной скоростью выделения полезных минералов, предпочтительнее столы с широкой декой, на которых путь пробега пульпы длиннее.

Нарифления деки выполняют следующие функции:

- увеличивая толщину потока пульпы, значительно повышают производительность стола;

- являются направляющими для минералов, выпадающих в донный слой (продвигающихся вдоль деки) и предохраняют их от сноса;

- создают турбулентный характер потока и способствуют дополнительному разрыхлению материала (в данном случае этот эффект следует считать полезным, так как в наибольшей степени разрыхление касается среднего слоя, недостаточно разрыхляемого качаниями стола и потоком);

- способствуют процессу перечистки материала, накапливающегося в промежутках между нарифлениями.

Основными параметрами нарифлений являются высота и расстояние между ними. Максимальная высота нарифлений принимается в зависимости от толщины слоя материала на столе, последняя же, в свою очередь, ограничена возможностями разрыхления. Для крупнозернистого (-3 мм) материала с кварцево-полевошпатовой пустой породой максимальная толщина слоя 30—35 мм, соответственно, максимальная высота нарифлений — до 25 мм. При концентрации руд повышенной плотности с высоким содержанием тяжелой фракции толщина слоя должна уменьшаться, при концентрации легких материалов (угля) — увеличиваться. При концентрации тонкозернистого материала максимальная толщина слоя материала — 10—15 мм, такого же порядка (несколько меньше) должна быть и высота нарифлений. На шламовых столах чередуются низкие и высокие нарифления, причем последние имеют назначение поддерживать достаточный слой воды над материалом.

Расстояния между нарифлениями определяются поперечным уклоном деки, чем он больше, тем ближе набиваются нарифления для выполнения своей функции — поддерживать достаточную толщину слоя на деке. Поэтому на столах для обогащения крупнозернистого материала, который обрабатывается при значительном уклоне деки, нарифления располагаются ближе, чем на мелкопесковых столах. Еще реже нарифления на шламовых столах.

Гранулометрическая и фракционная характеристики материала определяют особенности его обогащения и обуславливают выбор параметров режима. Наиболее благоприятным для разделения является материал, в котором мелкие классы являются обогащенными, а крупные — разубоженными. Материал, в котором тяжелые зерна крупнее мелких, лучше обогащать в аппаратах с восходящей струей. Крупность материала определяет допустимую толщину его слоя на деке и минимальную длину хода, необходимую для разрыхления слоя. В этом плане важна также форма зерен. При обогащении россыпного скатанного материала толщина слоя больше, поскольку для его разрыхления качаниями требуются меньшие сдвиговые напряжения. Производительность стола увеличивается по сравнению с обогащением коренных руд равной крупности в 2—3 раза.

Содержание тяжелых минералов в питании определяет допустимую нагрузку стола, так как при высоком их содержании производительность лимитируется ограниченной транспортирующей способностью деки по концентрату. Для увеличения последней следует работать при положительном продольном уклоне деки (порядка 1°).

Качания деки выполняют функции разрыхления слоя и транспортирования материала донного слоя к разгрузочной части деки.

Выбор амплитуды (l, мм) и частоты качаний (n, мин-1) делается по крупности обогащаемого материала (dmax). Обработкой экспериментальных и промышленных данных получены следующие эмпирические формулы:

Рассчитанные по этим формулам значения l и n являются ориентировочными и подлежат экспериментальному уточнению с учетом характеристики обогащаемого материала. При одинаковой крупности разделяемых частиц более тяжелый материал требует большей амплитуды качания или несколько большей частоты. Чем больше толщина слоя, тем большая амплитуда требуется для его разрыхления. Поэтому при работе с повышенной нагрузкой амплитуда качаний увеличивается.

Частота качаний при выбранной амплитуде определяется требуемой величиной ускорений, которая пропорциональна n2l.

Для крупного материала n2l =10в6 (где l в мм), для тонкого — до 1,5*10в6; поэтому частота качаний n = (1-1,25)*10в3/l. При концентрации тяжелого материала частота качаний незначительно повышается против расчетного значения. Поскольку на столах легче регулировать амплитуду, чем частоту качаний, после ориентировочного определения n и l расчетным путем экспериментальную доводку режима производят путем подбора оптимальной амплитуды.

Нагрузка стола является чрезвычайно важным режимным фактором, поскольку она определяет гидродинамику взвесенесущего потока (скорость, глубину) и, следовательно, условия разделения. С нагрузкой тесно связаны разрыхление питания и поперечный уклон деки. При работе стола с перегрузкой увеличивается толщина слоя материала на деке, ухудшается разрыхление и затрудняется расслаивание. Выход концентрата недостаточен, промпродукта — повышен, хвосты — плохие. С увеличением поперечного уклона и скорости сноса материала толщина слоя уменьшается и разрыхление улучшается. Крупные классы разделяются при этом быстро и эффективно, мелочь же сносится в хвосты. Нижний предел крупности эффективно разделяемого материала повышается при этом до 0,15 мм и более. Таким образом, перегрузка в первую очередь отрицательно сказывается на обогащении мелких классов.

Разжижение питания, включая смывную воду, при значительном поперечном уклоне деки следует поддерживать на минимально необходимом для хорошего разрыхления уровне во избежание повышенной турбулентности. При малом поперечном уклоне деки избыточное разжижение влияет несущественно; в потоке на деке четко различается слой почти чистой воды, толщина которого мало сказывается на процессе разделения. Вообще, поперечный уклон вместе с нагрузкой и разжижением питания определяют параметры взвесенесущего потока на деке. С увеличением поперечного уклона и нагрузки фактор потока доминирует над фактором качаний, увеличивается роль гидродинамических факторов и уменьшается роль сегрегационного разделения. Ho поскольку сегрегационный механизм разделения заметнее проявляется при разделении грубозернистого материала, обогащаемого при значительном поперечном уклоне деки, то роль сегрегации и в этом случае довольно существенна.

Продольный уклон в редких случаях является фактором регулировки. Положительный (в сторону разгрузки) продольный уклон увеличивает транспортирующую способность стола, поэтому полезен при обогащении материала с высоким содержанием тяжелого продукта. Отрицательный продольный уклон полезен при работе с малой нагрузкой, когда он позволяет иметь более полное заполнение деки (то есть веер достаточной ширины), не уменьшая интенсивности качаний.

Легкообогатимые руды разделяются на столе без предварительной классификации, исключая наиболее тонкие классы, проходящие через стол без разделения. Нижний предел крупности разделяемого материала зависит от максимальной крупности питания: при питании -3 мм извлечение по классу -0,2 мм скорее всего будет неудовлетворительным, а при питании -0,2 мм добиваются удовлетворительного извлечения до крупности 0,03 (0,05) мм. Поэтому грубозернистый материал перед обогащением на столе обычно классифицируют. Классификация производится по крупности на ситах или по равнопадаемости чаще всего на классификаторах. Для классификации материала в лабораторных условиях применяют конусы, гидроциклоны типа ГЦ (рис. 4.39; табл. 4.25), трубные (рис. 4.40), гидравлические (рис. 4.41) и механические (спиральные) классификаторы (табл. 4.26); причем последние главным образом в полупромышленных установках непрерывного действия.

Количество воды Q (мл/мин), необходимое для создания восходящего потока в трубных классификаторах, определяется по сечению трубки S (см2) и скорости свободного падения V0 (см/с) выделяемого в слив наибольшего, то есть граничного зерна:

где D — диаметр трубки, см.

При гидравлической классификации продукты первых спиготов получаются с хорошей обогатимостыо: в них пустая порода только крупная и в то же время достаточно тяжелой мелочи. Последние спиготы разделяются неудовлетворительно, так как тяжелой фракции в них мало и она тонкая.

При классификации грохочением обогатимость всех классов более ровная, а по руде в целом как при гидравлической классификации, так и при грохочении результаты обогащения получаются близкими.

В лабораторной практике предпочтительней пользоваться грохочением.

Руду -1 мм рекомендуется разделять не более чем на два класса по крупности 0,15 (0,25) мм. Минусовый материал перед концентрацией следует обесшламить, но если шламов мало, они могут быть выделены в операции концентрации.

При обогащении грубозернистого материала -3(-2) мм его следует классифицировать не более чем на 3 класса, на ситах с отверстиями 0,5 и 0,15 мм. Узкоклассифицированный грубозернистый материал трудно разрыхляется и разделяется неудовлетворительно.

Присутствие мелких классов улучшает текучесть взвеси и облегчает разделение крупных классов. Классификация тонкозернистого материала улучшает его разделение, однако материал крупностью -0,1 (-0,07) мм дальше классифицировать уже не следует, так как наиболее тонкие извлекаемые зерна (0,05 мм и тоньше) лучше разделяются в присутствии несколько более крупных зерен, улучшающих «аккумулирующие» свойства донного слоя, так как в промежутках между ними накапливаются более тонкие тяжелые зерна.

Узкая классификация полезна в случае, когда подлежащие извлечению зерна имеют неблагоприятную для этого форму — плоскую или шестоватую.

Во многих случаях можно обойтись вообще без классификации, например, когда концентрации на столе подвергаются продукт, полученный в предыдущей обогатительной операции (например, подрешетный концентрат отсадки или концентрат винтовой сепарации), и россыпные руды.

Режим концентрации выбирается в соответствии с характеристикой обогащаемого материала и уточняется в процессе работы по визуальным наблюдениям, а затем данным опробования.

Питание с заданной производительностью поддерживается постоянным. Очень важно равномерное распределение смывной воды. Водораспределительный желоб с вертушками является недостаточно удачной конструкцией, лучшее решение — система кранов, расположенных по всей длине деки.

Манипулируя загрузкой, расходом смывной воды и поперечным уклоном, добиваются равномерного покрытия деки материалом. При этом головка веера при обогащении крупнозернистого материала должна сходить на 5—8 см от угла деки, а при тонкозернистом материале весь концентрат удобнее снимать с торцевой части деки, а в углу деки — промпродукт. Если указанным путем не удается добиться желаемого распределения материала на деке, прибегают к изменению длины хода и, в крайнем случае, к регулировке продольного уклона стола.

При визуальной оценке пригодности выбранного режима в первую очередь необходимо обеспечить хорошее разрыхление, целесообразно сочетая влияющие на разрыхление факторы: качание, поперечный уклон деки, смывную воду, нагрузку.

При выборе (смывная вода или поперечный уклон деки) предпочтение следует отдавать последнему, так как к изменению уклона процесс более чувствителен. Избыток воды при недостаточном поперечном уклоне создает избыточное разжижение в верхнем слое потока, но не решает задачи. Увеличение поперечного уклона приводит к уменьшению толщины слоя материала и ускорению его продвижения поперек деки. Эти два фактора и дают улучшение разрыхления.

Однако избыточный поперечный уклон еще более вреден, чем избыточная смывная вода; он увеличивает потери тяжелой мелочи в хвостах, давая примерно такой же эффект, как и перегрузка. Увеличение поперечного уклона деки оказывается необходимым при перегрузке стола (когда производительность не задается оператором, а диктуется схемой и нагрузкой фабрики) — в этом случае приходится мириться с потерей мелких классов ради поддержания нормальных условий разделения для крупных и средних классов. Вообще, обеспечение достаточного разрыхления является обязательным условием разделения в любом гравитационном процессе, и этого необходимо добиваться во всех случаях.

При визуальном нормальном ходе процесса результаты разделения обычно бывают удовлетворительными. При плохом разделении необходимо выяснить, из-за какого класса оно ухудшается. Поэтому производится контроль процесса раздельно по классам. Ухудшение разделения мелких классов имеет место из-за завышенной нагрузки, избытка смывной воды, большого поперечного уклона деки. Неудовлетворительное разделение крупных классов, возможно связано с недостаточным раскрытием ценных минералов.

Схема работы на столе зависит от задачи данной операции. При выделении тяжелой фракции обычно сначала отбивают головку и отвальные хвосты, потом многократно перечищают промежуточный продукт. Порядок и количество операций не имеют в данном случае принципиального значения. Ho если требуется изучить обогатимость данного материала на столе, то схема должна быть вполне определенной. Как пример на рис. 4.42 приведены варианты схем для материала различной характеристики.