Разработка научных основ электрической сепарации по проводимости

Традиционно развитыми в Российской промышленности являются отрасли добычи и переработки полезных ископаемых. И эта тенденция, сложившаяся исторически, в настоящее время углубляется. Во всем мире, и в России в том числе, все большее число месторождений требует вовлечения и вовлекается в промышленную переработку. Это относится к месторождениям все более бедным и труднообогатимым. В результате все более жесткие требования предъявляются как к обогатительному оборудованию, так и к развитию методов обогащения.

Требования экологии диктуют разработку методов обогащения экологически чистых, не использующих токсичные реагенты, малопылящих, не требующих очистки больших объемов промышленной воды.

В полной мере одним из таких современных и перспективных методов обогащения является электрическая сепарация. Это технологический процесс, основанный на силовом воздействии электрических полей на диспергированные материалы (электронно-ионная технология — ЭИТ). Обладая всеми достоинствами общего технологического направления ЭИТ, электросепарация является одним из наименее энергоемких разделительных процессов и представляет особый интерес как процесс экологически чистый, не требующий воды и дорогостоящей ее очистки, не загрязняющий атмосферу.

Электрическая сепарация занимает все более важное место среди методов обогащения и находит применение для обогащения полезных ископаемых и других сыпучих материалов. Области ее применения весьма разнообразны, однако, традиционно наиболее широкое применение она находит для обогащения различных видов минерального сырья.

Электрическая сепарация минерального сырья представляет процесс разделения минералов по минеральному составу, крупности или форме зерен путем силового воздействия на них электрического поля и применяется в основном для двух целей: электрического обогащения, т. е. для разделения частиц смесей минералов по минеральному составу и электрической классификации, т. е. для разделения частиц по крупности или форме зерен.

Различают несколько методов электрического обогащения, отличающихся друг от друга по используемым в них физическим силам и методам зарядки частиц: сепарация по электрической проводимости, диэлектрическая сепарация, электрическая классификация, трибоэлектрические и пироэлектрические методы электросепарации.

Однако промышленное использование, благодаря практической важности, получили в основном два метода: сепарация по электрической проводимости и трибоэлектрическая сепарация.

Сепарацию по электрической проводимости применяют для разделения минеральных смесей, зерна которых существенно различаются по значению и характеру проводимости.

Трибоэлектрическую сепарацию применяют для разделения минералов с близкими значениями электрической проводимости. Этот метод основан на использовании трибоэлектрического эффекта, т. е. способности минералов приобретать различные электрические заряды в процессе трения.

Оба процесса в значительной степени имеют общие электрофизические основы и заключаются в создании на основе различий в проводимости или трибоэлектризации отличающихся по значению и (или) знаку электрических зарядов на зернах минеральных компонентов смеси с последующим их отклонением под действием постоянного электрического поля достаточно высокой напряженности и механических сил от траекторий, характерных для движения незаряженных частиц в отсутствие электрического поля. 7.

Накоплен большой практический опыт разделения с помощью метода сепарации по электрической проводимости таких труднообогатимых комплексов минералов, как входящих в состав титаноциркониевых, оло-вянновольфрамовых, танталониобиевых, цирконониобиевых и других концентратов.

Однако возможности электрической сепарации далеко не реализованы. Широкое внедрение электросепарации в обогатительные процессы, пересмотр отношения к ней как к доводочной операции и использование электросепарации как основного обогатительного процесса сдерживается рядом причин. Основные причины состоят в том, что конструирование сепараторов, выбор режимов их работы ведется, в основном, на эмпирической основе, на базе технологических опытов без глубокого исследования физических основ процесса зарядки частиц минералов и закономерностей движения заряженных частиц в электрических полях электродов сепараторов.

Отсутствуют теоретические методы и надежные для практического применения способы выбора режимов работы сепараторов. Нет уверенности, что и уже разработанные процессы протекают оптимальным образом. Значительные трудности возникают с применением электросепарации для новых месторождений, когда приходится проводить большой объем экспериментальных лабораторных и полупромышленных исследований.

Несмотря на значительное количество публикаций и патентной информации по вопросам электрической сепарации, все они посвящены в основном технологии сепарации различных руд или описанию многочисленных конструкций и узлов сепараторов. Исследовательские работы, хотя и представляют результаты исследований тех или иных вопросов, но из-за неполноты и разрозненности сведений не дают возможности приблизиться к созданию научно обоснованной теории электрической сепарации. 8.

Конечно, общие принципы зарядки и движения частиц сформулированы в соответствующих разделах электродинамики однако без учета конкретных особенностей поведения частиц в процессах электросепарации общие теоретические принципы практически не используются, а иногда даже искажаются.

Высокие требования к теории электросепарации обусловливаются еще и тем, что реальные частицы минералов не являются в традиционном понимании диэлектриками или проводниками и что велико влияние различий в свойствах разделяемых частиц на особенности их поведения при электросепарации. И все еще больше усложняется требованиями больших производительностей, т. е. многотоннажностью процессов электросепарации.

Без современной методической основы исследования в области электрической сепарации в большинстве случаев приводят к негативным результатам и искажают объективную оценку возможности этого прогрессивного процесса.

Следует однако отметить, что общие физические закономерности основных процессов электросепарации: зарядки частиц, силового воздействия, движения в конструкциях разных сепараторов в значительной мере идентичны. Сепарация осуществляется в тонком слое материала на поверхности электродов, что предопределяет в конечном итоге те вопросы, которые составляют основу метода и должны быть исследованы в первую очередь.

Дальнейший прогресс в области электрической сепарации, рациональной организации ее процессов, эффективного распространения их для новых месторождений требует разработки научных основ метода в комплексном сочетании как теоретических, так и экспериментальных исследований. Предметом теоретических исследований в первую очередь должны быть физические процессы, составляющие основу электросепарации по проводимости. Такой фундаментальной основой метода электрической сепарации для всех типов и конструкций сепараторов является зарядка частиц на электродах сепаратора, действие на них электрических сил, обеспечивающих их рациональное движение и соответственно разделение в электрическом поле конкретных сепараторов.

Вместе с тем в каждой конструкции сепаратора имеются свои особенности по характеру поля, зарядки и движению частиц и т. д., без анализа которых невозможна рациональная организация процесса разделения. Эти вопросы целесообразно исследовать экспериментальными методами.

В целом изучение процессов электросепарации, выявление ее возможностей и рациональной организации, усовершенствование конструкций сепараторов должно основываться на комплексном сочетании теоретического анализа, проведении на его основе экспериментальных исследований и последующем уточнении основных закономерностей процесса сепарации.

Среди аппаратов, использующих принцип разделения по проводимости, наиболее отработанными в конструктивном плане являются барабанные коронно-электростатические и пластинчатые наклонные электростатические сепараторы. Особо следует отметить конструкции пластинчатых наклонных электростатических сепараторов, которые обладая высокой производительностью и эффективностью разделения, низкой стоимостью эксплуатации, отличаются геометрической простотой конструкции, малыми энергозатратами не содержат вращающихся деталей, что существенно облегчает их эксплуатацию. Положительные свойства пластинчатых сепараторов обусловливают их большие перспективы и возможность широкого применения для новых месторождений.

Учитывая их перспективность, в качестве базового аппарата для исследований была выбрана конструкция пластинчатого сепаратора. Следует отметить также то, что выбор для исследования пластинчатых сепараторов.

10 обусловлен тем, что геометрическая простота его конструкции в сравнении с другими известными аппаратами позволяет наиболее четко и наглядно выявить основные стадии и физические закономерности, лежащие в их основе.

Процессы зарядки, движения частиц в электросепараторах и соответственно весь процесс разделения зависят и от характеристик частиц. Большой класс руд цветных металлов, для которых перспективно применение метода электросепарации, составляют титаносодержащие месторождения. Проведение исследований с такими комплексными титаносодержа-щими концентратами, выбор их в качестве базовых, разработка режимов разделения для ряда новых месторождений позволяет наряду с разработкой общих физических основ метода решить важную практическую задачу. Кроме того, титаносодержащие концентраты являются типичными представителями смеси, состоящей из проводников и непроводников, и работа с ними позволяет наиболее наглядно выявить все особенности процессов.

В связи с изложенным целью работы является разработка научных основ электрической сепарации по проводимости и практических рекомендаций, позволяющих, на основе новых физических представлений и учете реальных особенностей поведения частиц в электрическом поле, проведение научно-обоснованного выбора параметров конструкций сепараторов и выбора режима их работы.

Основными задачами, вытекающими из сформулированной цели исследования, являются:

— разработка теоретической модели зарядки частиц в электрическом поле с объемным зарядом при контакте с электродом;

— разработка теоретической модели силового воздействия электрического поля на частицу, находящуюся на электроде и вблизи него, с учетом свойств реальных частиц, в том числе контактного сопротивления;

— проведение анализа электрического поля электродной системы и разработка методики расчета электрического поля сепаратора;

— разработка экспериментальных методик, обеспечивающих комплексный подход к исследованию процесса электросепарации, учитывающий необходимость одновременности определения параметров движения частиц, процесса их зарядки и образования конечных продуктов разделения;

— проведение экспериментальных исследований физических процессов, составляющих основу электросепарации по проводимости, и на их основе выявление особенностей процессов применительно к базовой конструкции пластинчатого электросепаратора;

— разработка методик расчета физических процессов в электросепараторе на основе теоретических разработок с учетом выявленных особенностей;

— на основе проведенных исследований разработка новых принципов, элементов конструкции и обоснование рекомендаций по рациональной организации процесса сепарации на примере ряда месторождений.

Методы исследования. Для выполнения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании основных положений и расчетных уравнений электрофизики и электродинамики. Экспериментальные исследования проводились в широком диапазоне конструктивных и теоретических параметров электросепарации с привлечением разных методов измерения. При обработке экспериментов применялся статистический анализ результатов.

Таким образом, в отличие от распространенного на практике технологического подхода, использовался комплексный метод, заключающийся в сочетании теоретического анализа и экспериментального исследования основных физических закономерностей, лежащих в основе процесса элек.

12 тросепарации, выявлении общих закономерностей и особенностей процесса и формулировании на этой основе принципов рациональной организации и методик расчета процессов в сепараторе с привлечением расчетов на ЭВМ.

Результаты, полученные в данной работе могут быть представлены по следующим трем направлениям:

I. Фундаментальные теоретические результаты относящиеся к базовым положениям электросепарации: зарядке частиц на электродах в поле с объемным зарядомэлектрическим силам, действующим на частицы на электродах и вблизи них:

— разработана теория зарядки частиц на электроде в электрическом поле с объемным зарядом с учетом реальной формы частиц и контактного сопротивления;

— впервые разработана теория силового воздействия электрического поля с объемным зарядом на частицы при контакте с электродом и вблизи электрода, позволяющая в этих сложных специфических условиях определять электрические силы, прижимающие или отрывающие частицы от электродов и анализировать поведение заряженных или незаряженных частиц при приближении или удалении от электродов в электрическом поле.

II. Новые научные результаты, относящиеся к процессу электрической сепарации с учетом особенностей поведения частиц минералов в пластинчатом электросепараторе:

— теоретически предсказаны и экспериментально выявлены особенности протекания физических процессов зарядки и движения для частиц в пластинчатом электросепараторе, заключающиеся в сложном скачкообразном движении частиц по электроду сепаратора и дискретном характере индукционной зарядки;

— экспериментально выявлен и теоретически сформулирован основной механизм селективной зарядки частиц минералов в пластинчатом электросепараторе, заключающийся в независимом протекании процесса индукционной зарядки частиц и их зарядки за счет механизма трибоэлек-тризации. Определено что суммарный заряд частиц следует определять как их алгебраическую сумму;

— разработана теория и создана методика расчета зарядки частиц минералов с учетом особенностей сложного скачкообразного движения частиц в электрическом поле по наклонным электродам учитывающая дискретный характер индукционной зарядки при таком движении;

— разработана методика расчета поведения частиц с различными свойствами в процессе разделения в пластинчатом электросепараторе, включающая зарядку частиц, зону отрыва частиц и их движение на выходе сепаратора.

III. Разработка новых принципов и элементов конструкций и рекомендаций по рациональной организации процесса разделения и выбору режимов работы пластинчатых наклонных сепараторов, в том числе:

— предусмотрена специальная диэлектрическая прокладка, исключающая причины нарушения процесса селективной зарядки для проводящих частиц;

— выявлена и обоснована необходимость установки специального узла коронной подзарядки, позволяющая обеспечить эффективную селективную зарядку частиц;

— обоснована необходимость применения в качестве зарядных электродов графитосодержащих материалов, в частности, графитопласта ATM, улучшающего контакт частиц с электродом и их движение по поверхности электрода;

— предложен принцип выбора параметров зарядного электрода, которые обеспечивают оптимальные условия для процесса кинетики трибо-электризации частиц;

— показано, что учет скачкообразного характера движения частиц позволяет обосновать увеличение максимальной удельной производительности на 30% относительно требований монослоя частиц;

— показана возможность расширения области применения разработанных пластинчатых сепараторов не только для титаноциркониевых россыпей Малышевского месторождения. Они применимы для руд с дисперсным составом -70-г600 мкм компоненты которых отличаются по проводимости в 103−104 раз, в том числе для Стремигородского, Тарского, Лукоя-новского, Кенетского месторождений и т. д;

Теория электросепарации по проводимости отработанная на типовой конструкции пластинчатого электросепаратора применима и для барабанных и других конструкций электросепараторов по проводимости, в том числе в части выбора оптимальных размеров зарядной зоны, материала электродов, в частности впервые выяснена отрицательная роль оксидных пленок на поверхности электродов и сформулированы требования к поверхностным свойствам материала электродов, обеспечивающим эффективную сепарацию по проводимости.

Практическая реализация работы:

— внедрение усовершенствованной конструкции электросепаратора на Верхнеднепровском ГМК позволило повысить эффективность процесса разделения титаноциркониевого концентрата Малышевского месторождения на 3.6%;

— разработана и внедрена серия электрических сепараторов, включающая лабораторный, полупромышленный и промышленные аппараты, позволяющая осуществлять полный цикл освоения новых видов сырья и разрабатываемых месторождений;

— разработана и внедрена промышленная конструкция барабанного электросепаратора для выделения металлоконцентрата из электронного лома;

— предложены, обоснованы, экспериментально подтверждены режимы рациональной работы и проведены полупромышленные испытания усовершенствованной конструкции сепаратора на рудах Тарского месторождения, предложены и обоснованы схемы и режимы электросепарации на редкометальных рудах Стремигородского и Лукояновского месторождений.

Основные результаты исследований могут быть представлены по следующим трем направлениям:

I.Фундаментальные теоретические результаты относящиеся к базовым положениям как электросепарации так и электродинамики в целом: зарядке частиц на электродах в поле с объемным зарядомэлектрическим силам, действующим на частицы на электродах и вблизи них:

1. Разработана теория зарядки частиц при контакте с электродами в электрическом поле с объемным зарядом, позволяющая определять расчетным путем конкретные величины зарядов частиц в любых встречающихся на практике условиях зарядки.

2. Впервые разработана теория силового воздействия электрического поля на частицы при контакте с электродами в электрическом поле с объемным зарядом, позволяющая в этих сложных специфических условиях определять электрические силы, прижимающие или отрывающие частицы.

307 от электродов в электрическом поле и, тем самым, определять разнообразие форм их поведения в различных условиях. В полном объеме такая задача решена впервые и, тем самым, устранены ошибки существующие в опубликованных статьях.

3. Разработана теория силового воздействия электрического поля на частицы вблизи электродов, позволяющая анализировать поведение заряженных или незаряженных частиц при их приближении или удалении от электродов в электрическом поле.

4. Разработана экспериментальная методика, заключающаяся в прямом измерении электрических сил, действующих в процессе зарядки на модельные частицы на электроде. Методика позволила произвести проверку и подтвердить основные положения разработанных теоретических моделей силового воздействия.

Таким образом, совокупность представленных выше новых фундаментальных результатов представляет собой законченную теорию поведения частиц вблизи и на поверхности электродов в электрическом поле с объемным зарядом, что представляет собой развитие идей, изложенных в разделе «Тензор натяжения электрического поля» книги И. Е. Тамма «Основы теории электричества» .

II. Новые научные результаты относящиеся к теории процессов электрической сепарации с учетом особенностей поведения частиц минералов в пластинчатом электросепараторе:

1. Теоретически предсказаны и экспериментально выявлены особенности протекания физических процессов зарядки и движения для частиц в электросепараторах пластинчатого типа, заключающиеся в сложном скачкообразном движении частиц по электроду сепаратора и дискретном характере индукционной зарядки. Таким образом представлено описание и обоснованы характерные особенности реальных процессов происходящих в пластинчатых электросепараторах.

2. Экспериментально выявлен и теоретически сформулирован основной механизм селективной зарядки частиц минералов в пластинчатых электросепараторах, заключающийся в независимом протекании процессов индукционной зарядки частиц и их зарядки за счет механизма трибоэлек-тризации. Определено что суммарный заряд частиц следует определять как их алгебраическую сумму. При правильном сочетании этих процессов электризации, частицы минералов, требующих разделения, приобретают заряды, отличающиеся не только по величине, но и по знаку, обеспечивая тем самым эффективную селективную зарядку частиц. Это положение имеет фундаментальное значение для правильной организации процесса электросепарации.

3. Разработан экономичный метод расчета электрических полей пластинчатых электростатических сепараторов, применимый для широкого класса других электродных систем, имеющих плоские протяженные участки электродов. На основе этого метода, заключающегося во введении в расчетную схему линейно зависимых эквивалентных зарядов, произведены расчеты и анализ электрических полей в конструкциях пластинчатых электростатических сепараторов в различных режимах их работы.

4. Разработана теория и создана методика расчета зарядки частиц минералов с учетом особенностей сложного скачкообразного движения частиц в электрическом поле по наклонным электродам, учитывающая дискретный характер индукционной зарядки при таком движении. Методика является необходимым этапом при выборе режима работы электросепаратора.

5. Разработана методика расчета поведения частиц с различными свойствами в процессе разделения в пластинчатом электросепараторе, включающая зарядку частиц, зону их отрыва и движение на выходе сепаратора. Методика позволяет оценить эффективность разделения и выход различных продуктов.

6. Разработаны методики экспериментального исследования, позволившие комплексно и всесторонне исследовать процесс электросепарации в широком диапазоне изменения характеристик частиц, технологических и конструктивных параметров сепараторов.

III. Разработка новых принципов, элементов конструкций и рекомендаций по рациональной организации процесса разделения и выбору режимов работы пластинчатых наклонных электросепараторов:

1. Предложен способ совершенствования конструкции, позволяющий повысить эффективность работы сепараторов за счет рациональной организации поведения проводящих частиц: для устранения причины нарушения процесса селективной зарядки за счет перезарядки проводящих частиц при соударениях об отклоняющий электрод, в конструкцию сепаратора введена специальная диэлектрическая прокладка.

2. Предложен способ совершенствования конструкции, позволяющий повысить эффективность работы сепараторов за счет рациональной организации поведения диэлектрических частиц: выявлена и обоснована необходимость установки специального узла коронной подзарядки.

3. На основании исследования особенностей залегания и адгезионного взаимодействия частиц с зарядным электродом обоснована необходимость применения в качестве зарядных электродов графитсодержащих материалов, в частности, графитопласта АТМ-1.

4. Предложен принцип выбора параметров зарядного электрода, которые обеспечивают оптимальные условия для процесса кинетики трибо-электризации частиц.

5. Показано, что учет скачкообразного характера движения частиц позволяет обосновать увеличение максимальной удельной производительности на 30% относительно требований монослоя частиц.

6. Показана возможность расширения области применения разработанных пластинчатых сепараторов не только для титаноциркониевых рос.

310 сыпей Малышевского месторождения. Они применимы для руд с дисперсным составом -70-г600 мкм, компоненты которых отличаются по проводимости в 10—1(Г раз, в том числе для Стремигородского, Тарского, Лукоя-новского, Кенетского месторождений и т. д;

7. На основании разработанной теории объяснена недостаточно эффективная работа применяемых ранее конструкций электросепараторов в частности выявлена причина неудовлетворительных результатов разделения на минералах с очень контрастными свойствами.

8. Теория электросепарации по проводимости отработанная на типовой конструкции пластинчатого электросепаратора применима и для барабанных и других конструкций электросепараторов по проводимости, в том числе в части выбора оптимальных размеров зарядной зоны, материала электродов, в частности впервые выяснена отрицательная роль оксидных пленок на поверхности электродов и сформулированы требования к поверхностным свойствам материала электродов, обеспечивающим эффективную сепарацию по проводимости.

IV. Практическая реализация работы.

1. Внедрение усовершенствованной конструкции электросепаратора на Верхнеднепровском ГМК позволило повысить эффективность процесса разделения титаноциркониевого концентрата Малышевского месторождения на 3.6%.

2. Разработана и внедрена серия электрических сепараторов пластинчатого типа, включающая лабораторный, полупромышленный и промышленные аппараты, позволяющая осуществлять полный цикл электросепарации при освоении новых видов сырья и разрабатываемых месторождений.

3. Разработана и внедрена промышленная конструкция барабанного электросепаратора для выделения металлоконцентрата из электронного лома.

4. Предложены, обоснованы, экспериментально подтверждены режимы рациональной работы и проведены полупромышленные испытания разработанных сепараторов на рудах Тарского месторождения.

5. Предложены и обоснованы эффективные схемы и режимы электросепарации на редкометальных рудах Стремигородского и Лукояновско-го месторождений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным итогом проведенных исследований является разработка научных основ электрической сепарации по проводимости, что означает создание теоретических моделей базовых процессов электросепарации, разработку расчетных методик и практических рекомендаций по совершенствованию метода электросепарации. Результаты работы позволяют не только более обоснованно подходить к расчету, проектированию, выбору режимов электросепараторов, но также прогнозировать новые области их применения.

Необходимо отметить, что разработанные теоретические модели базовых процессов электросепарации имеют более широкое применение, выходя за пределы области электросепарации и представляют общенаучную значимость, поскольку относятся к фундаментальным вопросам электродинамики — расчету сил действующих в электрическом поле на границе раздела сред сложной формы.