Гравитационное разделение и обогащение руд: от древней промывки золота к современным горным решениям

Гравитационное разделение и обогащение руд

Гравитационное разделение — старейший известный метод обогащения руд, широко применяемый в природе. Первое зафиксированное человеческое использование гравитационного разделения — добыча золота промывкой на Верхнем Ниле древними египтянами, датируется 1900 годом до н.э.

Гравитационное разделение — физический процесс, заключающийся в разделении различных типов минералов в руде друг от друга на основе различий в их удельных весах с использованием силы тяжести, которая может быть усилена одной или несколькими другими силами, такими как центробежная сила, сопротивление движению со стороны жидкости (например, воздуха, воды) и др. Следовательно, помимо гравитации, на относительное движение и, таким образом, на разделение влияют такие факторы, как размер, форма и др. Влияние центробежного действия на силу тяжести показано на рис. 1. Видно, что с увеличением силы тяжести осадочная скорость более мелких частиц становится выше.

Рис. 1 Влияние центробежной силы на силу тяжести

Разделение частиц руды гравитационным методом зависит от двух факторов: (i) скорости осаждения частиц и (ii) разницы в удельном весе по сравнению со средой, в которой они разделяются, что обеспечивает дифференциальную скорость осаждения и называется «критерием концентрации». Скорость осаждения частицы определяется «законом Стокса» и равна kd²g(Ds-Df), где k — константа, d — диаметр частицы, g — сила тяжести, Ds — удельный вес твердого вещества, Df — удельный вес жидкой среды.

«Критерий концентрации» (CC) дает представление о пригодности разделения двух частиц руды и может быть выражен как (Dh-Df)/(Dg-Df), где Dh — удельный вес более тяжелого компонента руды, Df — удельный вес жидкой среды, Dg — удельный вес более легкого компонента руды. Обычно, когда частное больше 2,5 (независимо от знака), гравитационное разделение относительно просто. С уменьшением значения частного эффективность разделения снижается, а ниже 1,25 гравитационное разделение неосуществимо.

Основные методы гравитационного разделения

Существует несколько типов методов гравитационного разделения. Основные из них: (i) жиги, (ii) зауженные желоба, (iii) спирали, (iv) вибрирующие столы, (v) сепараторы мелкодисперсных частиц, такие как Multi Gravity Separator (MGS), и (vi) гравитационно-размерные сепараторы, такие как гидрозайзеры и гидроциклоны.

Метод разделения жигингом описан в другой статье по ссылке: https://www.ispatguru.com/low-grade-iron-ore-beneficiation-and-the-process-of-jigging/

Зауженные желоба

Зауженные желоба были популярны в некоторых местах до появления нового поколения спиралей. Зауженный желоб — это по сути наклонный склон, по которому течет суспензия, содержащая частицы разного удельного веса. Под действием гравитационных и трения сил, а также за счет сужения палубы желоба (заужения) происходит сегрегация: более мелкие тяжелые частицы мигрируют к дну текущей пленки, а более крупные легкие — к верху. С помощью щели (отбора концентрата) у конца желоба мелкие тяжелые частицы удаляются из потока крупных легких частиц, которые проходят над щелью и сбрасываются в конце. Существует два типа зауженных желобов: (i) лотки и (ii) конус Райхерта. Принципы работы лотков и конуса Райхерта показаны на рис. 2.

Рис. 2 Принципы разделения в лотках и конусе Райхерта

Лотки были внедрены первыми и имеют несколько вариаций. Обычно они состоят из нескольких точек загрузки на блок, с несколькими стадиями (например, грубая/контрольная/подметальная) в каждом блоке. Преимущества лотков: (i) открыты для визуального контроля, регулировки и очистки, (ii) высокая плотность загрузки (63 % твердого) — не требуется большой объем насоса. Недостатки: (i) громоздкие из-за больших площадей, (ii) низкое отношение обогащения (обычно 3:1), (iii) требуется контролируемый удельный вес загрузки, (iv) низкая извлекаемость мелкодисперсных частиц, (v) загрузка требует просеивания, (vi) низкая толерантность к иловым частицам, (vii) множественные точки загрузки и разделяющие поверхности, (viii) требуется промывочная вода для контроля плотности на контрольных стадиях.

Конусы Райхерта — по сути улучшенная версия лотков. Они конусообразны с центральной единственной точкой загрузки. Обычно содержат несколько стадий, смонтированных вертикально друг над другом. Наиболее распространенные конфигурации: (i) 4DS (четыре двойные/одиночные стадии) и (ii) 2DSS.DS (две двойные/одиночные/одиночные стадии плюс двойная/одиночная стадия), первая используется как грубая, вторая — как контрольная. Процессные переменные: (i) скорость загрузки (повышенная скорость снижает эффективность выше оптимума), (ii) плотность загрузки (должна поддерживаться между 60 % и 63 % твердого, иначе страдает либо извлечение, либо качество), (iii) настройки вставок (диапазон 1–9, с увеличением отверстия извлечение выше, но качество ниже). Преимущества: (i) высокая производительность на единицу площади, (ii) высокая плотность загрузки (63 % твердого) — низкий объем насоса. Недостатки: (i) низкое отношение обогащения (обычно 3:1), (ii) требуется контролируемый удельный вес загрузки, (iii) низкая извлекаемость мелкодисперсных частиц, (iv) загрузка требует просеивания, (v) низкая толерантность к иловым частицам, (vi) нижние разделяющие поверхности конусов невидимы и труднодоступны, (vii) требуется промывочная вода для контроля плотности на контрольных стадиях.

Спирали

Спиралеобразные концентраторы используются для обогащения руд, состоящих из минералов с разным удельным весом. Это оборудование с разделением по текучей пленке. По сути, это наклонный желоб со сложным поперечным сечением, обвитый вокруг центральной колонны. Принцип заключается в том, что комбинация гравитационных и центробежных сил, действующих на частицы разного удельного веса, вызывает сегрегацию: мелкие тяжелые частицы и крупные легкие разделяются (рис. 3). Эти силы больше, чем в конусе, и в сочетании с более низкой плотностью суспензии обеспечивают более высокое отношение обогащения, чем зауженный желоб (обычно 5:1), и лучшую извлекаемость мелкодисперсных частиц. Спирали изготавливаются с различным крутизной склона, угол влияет на удельный вес разделения, но слабо влияет на качество концентрата и извлечение.

Блок спирали состоит из профилированного канала, извивающегося спирально вокруг центральной стойки, образуя спиралеобразный желоб. Обычно используются спирали с 3–7 витками, диаметром 0,4–1 м. Работа — непрерывный гравитационный ламинарный поток вниз по наклонной поверхности. Загрузочная смесь — измельченная руда, смешанная с водой, образующая пульпу, подаваемую гравитационно в верхнюю часть желоба. По пути к низу спирали более плотные частицы обычно сбиваются внутрь, а менее плотные текут к внешней части желоба. Механизм разделения включает первичные и вторичные модели потока. Первичный поток — это пульпа, текущая вниз по желобу под действием гравитации. Вторичный поток — радиальный через желоб (рис. 3). Это описание центрально для теории спиралевого разделения. Пока пленка пульпы течет вниз по желобу, плотные частицы осаждаются быстрее и уносятся внутрь нижним слоем вторичного потока, в то время как менее плотные остаются сверху и уносятся наружу верхним слоем вторичного потока. Этот механизм происходит преимущественно в первых трех витках спирали. После этого раннего разделения большая часть воды находится у внешнего края, а полоса плотного материала с твердым содержанием до 70 % находится близко к центральной стойке, готовая к удалению промежуточным устройством или разделителем в конце желоба. Скорость потока зависит от конструкции и эксплуатации желоба, сообщаемые значения — 0,1–0,3 м/с радиально через большую часть желоба, с более быстрым потоком к внешней точке.

Спирали требуют подачи воды в различных точках вниз по спирали для помощи промывке руды, т.е. удаления крупных легких частиц от мелких тяжелых. Количество промывочной воды и её распределение по желобу можно регулировать под эксплуатационные требования. Точечный контроль минимизирует общие водопотребности, эффективно направляя воду в текучую пульпу под наиболее эффективным углом. Применимый размер загрузки — 0,3–1 мм. Спирали обычно работают при плотности пульпы 25–30 % твердого.

Рис. 3 Принцип разделения в спирали

Вибрирующие столы

Вибрирующий стол — гравитационное разделение оборудование, используемое уже много лет. Конструкция мало изменилась, хотя многоярусные столы (до трех уровней) увеличили производительность относительно площади пола. Вибрирующие столы обычно используются только на контрольных стадиях, так как их производительность обычно низка.

Принцип разделения основан на движении частиц согласно их удельным весам и размерам, движущихся в суспензии (в случае влажных столов) по наклонному столу, который осциллирует назад-вперед по сути под прямым углом к склону, в сочетании с ребрами, задерживающими частицы, ближайшие к палубе. Это движение и конфигурация заставляют мелкие частицы с высоким удельным весом мигрировать ближе к палубе и уноситься ребрами к разгрузке сверху стола, в то время как крупные частицы с низким удельным весом движутся или остаются ближе к поверхности пульпы и переезжают через ребра, сбрасываясь через нижний край стола (рис. 4).

Рис. 4 Принцип разделения на вибрирующих столах

В случае влажных столов существует много типов, предназначенных для грубого или мелкого корма. Переменные для влажных столов: (i) угол палубы (чем круче, тем меньше вес в концентрат), (ii) длина хода (чем длиннее ход, тем больше боковое движение и тем больше вес в концентрат до максимума), (iii) частота хода (аналогично длине, чем чаще, тем больше боковое движение до максимума), (iv) положения разделителей (положение разделителей на желобе концентрата определяет вес, идущий в концентрат), (v) скорость загрузки и плотность (выше максимума, обычно 2 т/ч на полноразмерный стол и плотность обычно 40 % твердого, в зависимости от типа и размера частиц загрузки, разделение снижается), (vi) промывочная вода (добавляется вдоль верха стола для помощи течению твердого, поддержания низкой плотности твердого, предотвращения «сухих зон» и промывки иловых частиц в хвосты), (vii) высота ребра (низкое ребро лучше для мелкой загрузки и наоборот).

В случае воздушных столов, как следует из названия, загрузка и разделение сухие, движущийся слой частиц флюидизируется низким давлением воздуха, надуваемым через холстовую палубу, что вместе с наклоном палубы, отсутствием ребер и осцилляционным движением стола заставляет мелкие легкие частицы двигаться к верху слоя, а крупные тяжелые — ближе к палубе, последние сбрасываются с нижней части стола.

Воздушные столы для минеральной обработки развиты из зерновой отрасли и обычно адаптированы для специфических применений, где сухое гравитационное разделение предпочтительнее других методов. Обычно это используется на контрольных стадиях сухой мельницы. Переменные воздушного стола включают: (i) как для влажных столов (наклон палубы, длина хода, частота хода, разделители) и (ii) расход флюидизирующего воздуха (повышенный расход поддерживает подвижность слоя до максимума). Воздушный стол выгоден там, где процесс до или после сухой, так как исключает необходимость дополнительной термической сушки.

Преимущества вибрирующих столов: (i) высокая селективность, высокое отношение обогащения при правильном использовании, (ii) возможность наблюдать разделение и вносить корректировки. Недостатки: (i) низкая производительность, (ii) большие требования к площади пола, (iii) требуется частый операторский контроль, проверка и регулировка, (iv) загрузка требует просеивания.

Сепараторы мелкодисперсных частиц

Желание более широкого использования гравитационных схем и необходимость восстановления более мелких частиц привели к разработке специальных устройств для восстановления частиц, обычно слишком мелких для эффективного восстановления спиралями и др. Два примера — концентратор Falcon и сепаратор Mozley Multi Gravity Separator (MGS) (рис. 5).

Рис. 5 Сепараторы мелкодисперсных частиц

Концентратор Falcon по сути сочетание желоба и постоянно работающей центрифуги. Он способен работать на высокой скорости вращения, поэтому сила тяжести позволяет разделять мелкие частицы разного удельного веса. Форма вращающейся чаши такова, что по мере движения загрузочной пульпы вверх по чаше более тяжелые частицы реагируют на действующие силы сильнее легких. Это приводит к миграции более тяжелых частиц в потоке пульпы к поверхности, контактирующей с чашей, в то время как легкие частицы стремятся двигаться к верху пульпы с водой. Разделение происходит путем удаления нижней (более высокого удельного веса) части пульпы через сборный край/щель, поток через которую регулируется рядом отверстий, открывающихся и закрывающихся управляемо, удаляя концентрат из основного потока, который сбрасывается в хвосты.

Переменные концентратора Falcon: (i) скорость вращения (повышенная скорость увеличивает силу тяжести и тем самым силу разделения на загрузку), (ii) частота импульсов концентратных отверстий (повышенная частота до максимума увеличивает массовый прием), (iii) скорость загрузки и плотность (повышенные выше определенного максимума препятствуют разделению). Преимущества: (i) способен обрабатывать частицы в диапазоне 15–20 мкм, (ii) относительно простая механическая конструкция и надежный дизайн, (iii) относительно высокая производительность, (iv) относительно низкие требования к вниманию оператора. Недостатки: (i) обычно низкое отношение обогащения (тип. 2:1), (ii) отсутствие видимости разделяющих поверхностей, (iii) требуется просеивание загрузки до размера меньше отверстий концентрата для предотвращения забивания.

MGS — оборудование для разделения частиц в мелком диапазоне размеров. MGS подходит для обработки мелкодисперсных частиц с максимальным размером около 0,5 мм. Принцип MGS можно представить, свернув горизонтальную поверхность обычного вибрирующего стола в барабан и вращая его вокруг горизонтальной оси. Это вызывает приложение усиленной гравитационной силы, во много раз превышающей нормальную, на минеральную частицу, текущую по поверхности. Это улучшает обработку мелких частиц по сравнению с обычными сепараторами, такими как вибрирующий стол.

Как упоминалось, MGS сочетает центробежное движение наклонного вращающегося барабана с осцилляционным движением вибрирующего стола, обеспечивая усиленное гравитационное разделение, особенно подходящее для мелких частиц. Принцип разделения в MGS основан на вышеупомянутых силах, действующих на частицы в потоке суспензии, загружаемой и распределяемой на внутреннюю поверхность барабана. С помощью стекловиков и промывочной воды частицы с более высоким удельным весом мигрируют вверх по барабану и сбрасываются через верхний край, в то время как частицы с более низким удельным весом текут в противоположном направлении и сбрасываются через нижний край барабана.

Переменные: (i) скорость вращения барабана (повышенная скорость увеличивает центробежную силу, сообщаемую частицам, делая труднее их движение вверх по барабану, что приводит к меньшему массовому приему и более чистому концентрату), (ii) длина и частота хода барабана (повышенные в пределах нормы увеличивают силы, движущие частицы вверх по барабану, приводя к большему массовому приему и более низкому качеству концентрата), (iii) промывочная вода барабана увеличивает промывку частиц суспензии при их попытке двигаться вверх по барабану, производя более чистый концентрат, (iv) угол наклона барабана (увеличенный наклон производит более чистый концентрат). Преимущества: (i) очень селективное разделение с мелкодисперсными частицами (тип. -75 мкм до +10 мкм), (ii) высокие отношения обогащения (тип. 20:1). Недостатки: (i) низкая производительность на площадь поверхности и пространство, хотя теперь доступны более крупные по производительности (и физически большие) установки, (ii) механически довольно сложные и дорогие, (iii) обычно закрытые, невозможно видеть разделяющие поверхности, (iv) требуют 상당한 внимания оператора, (v) не подходят для обработки крупного материала (загрузка должна быть просеяна).

Гравитационно-размерные сепараторы

Приведены два примера сепараторов: (i) гидрозайзер и (ii) гидроциклон. Их принципы показаны на рис. 6. Они представляют собой скорее размерные сепараторы, чем гравитационные. Однако по своей природе они также сочетают удельный вес частицы с её размером в разделении.

Рис. 6 Принцип гидрозайзера и гидроциклона

Гидрозайзер — развитие тизерных классификаторов, использующее принцип осаждения частиц для разделения между мелкими/легкими и крупными/тяжелыми частицами в среде восходящего потока воды в баке, генерируемом впрыском воды через коллектор примерно на двух третях высоты бака. Это создает перелив первых и низовый вторых. Частица достаточного веса из-за своего удельного веса и размера осаждается быстрее в жидкости, чем частица с более низким удельным весом и размером. Если есть восходящий противопоточный поток жидкости, то при определенном объемном расходе скорость восходящего потока превышает осадочную скорость более легких/мелких частиц, но не более тяжелых/крупных, и происходит разделение.

Переменные: (i) расход впрыскиваемой воды (увеличение расхода увеличивает вес частиц и удельный вес/размер частиц, идущих в перелив), (ii) плотность колонны (повышение удельного веса суспензии в колонне между коллектором впрыска и переливным переливом увеличивает вес в перелив), (iii) низовый сброс (увеличение объемного расхода низового сброса снижает плотность твердого колонны и склоняет к снижению восходящего потока, таким образом уменьшая удельный вес/размер переливного твердого), (iv) массовый расход загрузки (повышенный расход загрузки выше оптимального снижает четкость разделения). Преимущества: (i) точный автоматический контроль разделения на основе измерения удельного веса головы колонны в контуре управления с низовым клапаном, (ii) возможность наблюдать оба продукта и легко вносить корректировки в механизм управления при необходимости, (iii) нет движущихся частей, (iv) может быть влажной или сухой загрузкой. Недостатки: (i) требует выделенный насос для впрыскиваемой воды, обеспечивающий чистое, постоянное, но регулируемое снабжение, (ii) высокое водопотребление, (iii) большой объем для заданной производительности, (iv) требует стабильный расход загрузки.

Гидроциклоны создают разделение между крупными/высокого удельного веса и мелкими/низкого удельного веса частицами на основе их геометрии и центробежного движения потока внутри них, действующего на частицы соответственно. Когда пульпа подается под давлением касательно в трубовидное тело циклона, центробежная сила стремится выбросить более тяжелые частицы наружу предпочтительно к легким. Внешние частицы затем движутся вниз по конусу под давлением и выталкиваются через нижнюю втулку, в то время как легкие частицы (и вода) внутри вихря поднимаются в вихревиделитель и сбрасываются как перелив.

Переменные: (i) давление загрузки (это движущая сила разделения, так что чем больше давление, тем более мелкое размерное разделение достигается), (ii) диаметр вихревиделителя (чем больше диаметр, тем больше перелив и тем ниже давление, следовательно разделение более грубое), (iii) диаметр втулки (аналогично, чем больше диаметр, тем больше расход, поэтому низовый более мелкий или более влажный), могут использоваться переменные втулки, (iv) сифонный эффект (если перелив сбрасывается ниже относительно низового происходит сифонный эффект, вызывающий увеличение твердого и расхода в перелив, устраняется введением вакуумного прерывателя), (v) плотность загрузки (если плотность слишком высока: тип. выше 35 % твердого, разделение влияется), (vi) угол и длина конического участка (увеличенная длина и более пологий угол уменьшают размер разреза), (vii) диаметр барабана (чем больше диаметр, тем больше производительность, тем ниже давление и тем грубее размер разреза). Преимущества: (i) высокая производительность на объем и площадь пола, (ii) нет движущихся частей, (iii) ограниченное внимание оператора. Недостатки: (i) не легко регулируемые для меняющихся загрузки и требований к продукту, (ii) должны питаться под давлением и со стабильным расходом.