способ гравитационного обогащения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способгравитационного обогащения в водной среде полиминеральных, полидисперсных смесей, содержащих частицы различной плотности, включающий: подачу исходного материала в виде густой суспензии в придонную зону концентратора, подачу разрыхляющей воды, разделение материала под действием гравитационных сил на легкую и тяжелую фракции, концентрацию частиц высокой плотности внизу рабочего пространства и периодическую разгрузку тяжелой фракции, отличающийся тем, что обеспечивают: прохождение материала в горизонтальном направлении сплошным потоком в виде сплошного тонкого слоя в кольцевом зазоре, расходящегося от центра с одновременной подачей в него восходящего потока воды; воздействие вибрациями на весь объем материала и перемещение частиц высокой плотности вследствие сегрегационного процесса вниз слоя движущегося горизонтально материала с концентрацией их на нижней поверхности рабочего пространства.

2. Устройствогравитационного обогащения в водной среде полиминеральных, полидисперсных смесей, включающее корпус цилиндрической формы с вертикальной осью, узел подачи исходного материала в виде вертикального канала, рабочее пространство в придонной зоне устройства с узлом подачи разрыхляющей воды и узлом отвода легкой фракции, отличающееся тем, что рабочее пространство формируется между нижней и верхней горизонтальными поверхностями для обеспечения движения материала в горизонтальном направлении тонким слоем в кольцевом зазоре от центра к внешнему диаметру, а на корпусе устанавливается вибратор для передачи низкочастотных колебаний через мембрану в объем материала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на нижней поверхности рабочего пространства выполнены углубления для концентрации тяжелой фракции, а дно углублений имеет перфорационные отверстия для подачи разрыхляющей воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обогатительным процессам и устройствам разделения материалов по гравитационным свойствам и может быть применено для выделения частиц минералов и металлов высокой плотности, в том числе золота, платиноидов из шлиховых концентратов россыпных месторождений (шлиходоводочные операции), в геологоразведочной и лабораторной практике.

К гравитационным способам обогащения минерального сырья относятся: отсадка, обогащение в тяжелых средах, винтовая сепарация, центробежная концентрация, концентрация в шлюзах, обогащение на концентрационных столах и пр. Эти способы реализуются соответственно в: отсадочных машинах, тяжелосредных сепараторах, винтовых сепараторах, центробежных концентраторах, гидрошлюзах, на концентрационных столах и пр.

Общим недостатком этих способов является относительно низкая эффективность при обогащении минерального сырья, содержащего частицы мелких классов крупности.

Известен способ и аппараты безнапорной центробежной концентрации, получившие распространение в последнее время [1], [2]. Центробежные концентраторы (осадительные центрифуги) содержат вращающийся рабочий орган в виде усеченного конуса, в котором разделение твердых частиц по плотности происходит в поле центробежных сил на его внутренней поверхности. Для исключения уплотнения (запрессовки) в рабочей зоне частиц материала, который подается в аппарат в виде водной суспензии - пульпы и обеспечения процесса разделения, на вращающийся рабочий орган для разрыхления материала накладываются колебания или подается вода в направлении, противоположном действию центробежных сил, может осуществляться механическое рыхление слоя материала - постели. Разгрузка тяжелой фракции осуществляется периодически, после окончания фазы ее концентрации, при остановке рабочего органа и прекращении подачи обогащаемого материала.

Недостатком данного способа являются необходимость в сложной и точной настройке аппарата для поддержания оптимального режима работы, что требует высокого уровня квалификации обслуживающего персонала. Процесс и аппарат центробежной концентрации «чувствительны» к изменению свойств обогащаемого материала, чистоте разрыхляющей воды, что вызывает необходимость в частых перенастройках. Кроме этого для концентрации мелких классов (менее 0,1 мм) полезного компонента, например золота, аппарат должен обеспечивать центробежное ускорение от десятков до сотен «g». Это обуславливает большие динамические нагрузки на узлы аппарата, которые в сочетании с вибрациями могут быть причиной механических отказов, что является недостатком самих устройств (аппаратов).

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемых способа и устройства для его осуществления является способ, реализуемый в нецентробежном гравитационном концентраторе, включающем: камеру конической формы с расширением вверх с вертикальной осью, центральную трубу для подачи обогащаемого материала в нижнюю часть камеры, перфорированного шнека для перемещения материала снизу вверх внутри камеры, штуцер для подачи разрыхляющей воды [3]. Материал, поступающий в придонную зону конической камеры, разрыхляется восходящим потоком воды, при этом создаются условия для сегрегационного осаждения частиц тяжелой фракции в промежутках между частицами легкой фракции и накопления ее на дне камеры. После поступления в придонную часть материал продолжает затем движение вверх в расширяющуюся часть конусной камеры с замедлением и разгружается в виде легкой фракции через переливной порог в кольцевой желоб.

Недостатком данных способа и аппарата является их низкая эффективность (низкое извлечение) при концентрации мелких частиц (менее 0,1 мм) ценного (тяжелого) компонента. Это обуславливается тем, что обогащаемый материал может находиться в активной (рабочей) зоне концентратора (нижней, придонной области камеры) лишь непродолжительное время и часть мелких тяжелых частиц будет увлекаться общим потоком материала вверх к разгрузке легкой фракции (хвостов). В объеме камеры будут иметь место неблагоприятные условия для перераспределения частиц по плотности из-за встречной (противоточной) направленности осаждения тяжелой фракции и движения потока материала. Вследствие этого неизбежны потери ценного, тяжелого компонента с хвостами.

Целью изобретения является способ обогащения, при котором создаются условия для максимально полного гравитационного осаждения и аккумуляции частиц тяжелой фракции, т.е. для увеличения извлечения при обогащении минерального сырья, характеризующегося большим содержанием мелких классов крупности ценного компонента, и устройство для осуществления этого способа.

Известно, что во многих гравитационных способах обогащения имеет место явление сегрегации - распределение зерен в слое материала по высоте этого слоя в зависимости от их крупности и плотности. При определенных условиях (вибрации, механическое или гидравлическое рыхление) мелкие частицы, попадая в промежутки между крупными, продвигаются постепенно в нижнюю часть слоя, при этом мелкие частицы одинаковой плотности располагаются ниже крупных. При разной плотности частиц в нижнем слое располагаются мелкие тяжелые частицы, над ними слой крупных тяжелых частиц с мелкими легкими, в верхнем слое крупные легкие частицы. Известно также, что скорость расслаивания увеличивается с повышением крупности, различий в плотностях разделяемых частиц, интенсивности вибраций и уменьшением толщины слоя.

При работе существующих гравитационных обогатительных аппаратов, в том числе, взятом за прототип, невысокие показатели извлечения мелкодисперсных частиц повышенной плотности обусловлены отсутствием оптимальных условий для перераспределения частиц по плотности при их стесненном движении в потоке материала.

Поставленная цель достигается в изобретении тем, что в способе гравитационного обогащения полиминеральных, полидисперсных смесей обеспечивается взаимная перпендикулярность векторов горизонтального движения материала и вертикального, под действием гравитационной силы, осаждения частиц высокой плотности, а также за счет создания тонкого, горизонтально движущегося слоя материала, увеличения времени его пребывания в придонной рабочей зоне и воздействия вибрациями на весь объем материала, интенсифицирующими процесс разделения частиц по плотности.

Способ включает вертикальную, нисходящую подачу в рабочую придонную зону материала в виде густой водной суспензии, последующее направление материала тонким слоем, расходящимся горизонтальным потоком, подачу в слой разрыхляющей воды, воздействие вибрациями на весь объем материала, перемещение частиц высокой плотности вследствие сегрегационного процесса вниз слоя движущегося горизонтально материала с концентрацией (аккумуляцией) их на нижней поверхности, ограничивающей рабочее пространство, отвод и разгрузку легкой фракции (хвостов).

Способ реализуется в устройстве - гравитационном концентраторе для выделения частиц минералов или самородных металлов высокой плотности из полиминеральных, полидисперсных смесей. Устройство включает в себя: центральный канал в виде вертикальной трубы для подачи материала в придонную зону, рассекатель потока материала, рабочее пространство в виде горизонтального кругового канала, узел подачи разрыхляющей воды, вибратор, вертикальный канал, образованный двумя соосными цилиндрическими стенками с кольцевым желобом на верхнем крае наружной стенки для разгрузки и отвода легкой фракции. Круговое рабочее пространство образуется верхней горизонтальной поверхностью и плоским горизонтальным дном с углублениями для накопления тяжелой фракции. Углубления имеют перфорированное дно для подачи через отверстия разрыхляющей воды.

На фиг.1 показана схема движения обогащаемого материала, продуктов разделения (тяжелая, легкая фракция) и подачи воды в заявляемом способе гравитационного обогащения, а также показан фрагмент рабочей зоны устройства, включающий кольцевой канал высотой h₁, углубление для тяжелой фракции глубиной h₂ с восходящей подачей разрыхляющей воды.

На фиг.2 изображено заявляемое устройство - гравитационный концентратор для осуществления заявляемого способа обогащения. Концентратор включает: вертикальный канал в виде трубы для нисходящей подачи исходного (обогащаемого) материала 1; конусный рассекатель для направления потока материала в горизонтальном направлении 2; рабочую зону, образованную верхней 3 и нижней 4 горизонтальными поверхностями с углублениями 5 для концентрации тяжелей фракции, имеющими перфорированное дно 6; узел подачи разрыхляющей воды 7; вибратор 8 для создания и мембрану 9 для передачи вибраций во весь объем материала, находящегося в устройстве, две соосные цилиндрические стенки 10 и 11, образующие вертикальный канал для отвода легкой фракции в кольцевой желоб 12.

На фиг.3 изображен горизонтальный разрез заявляемого устройства -гравитационного концентратора, на котором обозначены углубления - ловушки для тяжелой фракции сегментной формы 5 с перфорированным дном 6 для подачи воды.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом (фиг.1). Материал в виде густой водной суспензии, включающий твердые частицы дисперсной фазы различной плотности и крупности, подается вертикально вниз по оси концентратора в его придонную область, где он затем поступает в рабочую зону расходящимся горизонтальным потоком в кольцевом зазоре малой толщины, величина которого h₁ определяется максимальной крупностью частиц d_max (h₁ ~ 3d_max ). В тонкий слой двигающегося горизонтально материала снизу вертикально подается вода для его разрыхления. Увеличение содержания в потоке материала жидкой дисперсной среды (воды) увеличивает расстояние (зазоры, поровые каналы) между частицами дисперсной фазы. Материал переходит из состояния густой водной суспензии в состояние разжиженной водной суспензии, при этом на весь объем материала накладываются низкочастотные колебания (вибрации). В рабочей зоне создаются условия для ускорения (интенсификации) сегрегационного процесса, т.е. процесса расслаивания смеси твердых частиц различных по крупности и плотности под действием силы тяжести. Эти условия: тонкий слой обогащаемого материала, взвешенное состояние частиц, наличие вибраций, перпендикулярность векторов движения материала (горизонтального) и действия силы тяжести (вертикального). Горизонтальная скорость частиц материала при его движении в кольцевом зазоре рабочей зоны от центра устройства к внешнему диаметру, при условии неразрывности потока, уменьшается вследствие увеличения площади зазора, которая пропорциональна расстоянию R от центральной оси (S=2 ·R·h₁). Скорость V₂ в сечении II будет меньше скорости V₁ в сечении I в R₂ /R₁ раз. Замедление движения материала означает увеличение времени его пребывания в рабочей зоне, что способствует повышению эффективности процесса, которое будет выражаться в увеличении извлечения мелких классов ценного тяжелого компонента. В процессе сегрегационного расслаивания мелкие частицы продвигаются между крупными в нижнюю часть слоя, причем мелкие частицы одинаковой плотности располагаются ниже крупных. При разной плотности и крупности частиц в нижнем слое располагаются мелкие тяжелые частицы, над ними - слой крупных тяжелых частиц с мелкими легкими, в верхнем слое - крупные легкие частицы. Таким образом, частицы повышенной плотности оказываются внизу слоя и постепенно концентрируются в ловушках - углублениях на нижней поверхности, ограничивающей рабочую зону глубиной h₂. Поток материала, состоящий уже преимущественно из частиц низкой плотности, выводится из рабочей зоны сначала горизонтально, затем поднимается в кольцевом зазоре вертикально и разгружается в виде легкой фракции.

Заявляемый способ предполагает фазу накопления (концентрации) тяжелой фракции, когда материал непрерывно подается для гравитационного обогащения в течение продолжительного промежутка времени, который может составлять несколько часов, что обусловлено низким содержанием частиц ценного компонента высокой плотности (например, содержание золота в исходном материале составляет тысячные доли процента), и фазу разгрузки, когда подача материала и воды прекращается, а тяжелая фракция разгружается. После съема (разгрузки) концентрата - тяжелой фракции, процесс концентрации возобновляется.

Заявляемое устройство - гравитационный концентратор работает следующим образом (фиг.2, фиг.3). Исходный материал в виде густой водной суспензии - пульпы подается через трубу 1, расположенную вертикально по оси концентратора, вниз в придонную зону, где конусный рассекатель 2 направляет материал горизонтально, расходящимся потоком в рабочую зону. Рабочая зона ограничивается верхней поверхностью 3 и дном 4, в котором расположены углубления 5. Углубления сегментной формы имеют перфорированное дно 6, через отверстия в котором, из кольцевого коллектора 7 восходящими струями в рабочую зону подается вода. Разрыхленный водой материал движется горизонтально в кольцевом зазоре от центральной оси устройства к его внешнему диаметру с замедлением. Вибратор 8 через мембрану 9 передает низкочастотные вибрации всему объему материала в устройстве. При этом в материале, находящемся в рабочей зоне в виде тонкого слоя между поверхностью 3 и дном 4, происходит процесс сегрегационного расслаивания минеральных частиц по плотности и крупности, в результате которого частицы повышенной плотности (тяжелой фракции) перемещаются в придонный слой и затем оседают (концентрируются) в углублениях 5. Сегрегационному расслаиванию и концентрации тяжелой фракции внизу рабочей зоны способствует наличие тонкого слоя материала, разрыхление материала струями воды, вибрации и перпендикулярность векторов движения материала и действия гравитационной силы (горизонтальное движение материала при вертикальном действии силы тяжести). Уменьшение скорости при движении обогащаемого материала от оси устройства к его внешнему диаметру также благоприятствует повышению извлечения ценного тяжелого компонента. После прохождения рабочей зоны материал, состоящий преимущественно из частиц низкой плотности, представляя собой легкую фракцию - «хвосты» по кольцевому каналу, образованному соосными цилиндрическими стенками 10, 11, поднимается вверх и поступает в кольцевой желоб 12, откуда разгружается за пределы устройства (концентратора).

Движение обогащаемого материала в концентраторе может осуществляться с помощью питателя (шнекового) или самотеком, при достаточно высоком его (материала) уровне в трубе 1.

По окончании фазы концентрации - накопления тяжелой фракции, время которой зависит от содержания частиц высокой плотности в исходном материале, подача его и воды прекращается, отключается вибратор 8, отсоединяется донная часть концентратора и разгружается гравитационный концентрат из углублений 5. Затем донная часть вновь присоединяется к устройству, подается вода в коллектор 7, исходный материал в питающую трубу 1, включается вибратор 8 и работа концентратора возобновляется.

Источники информации

1. Берт P.O. Технология гравитационного обогащения. - М., Недра, 1975.

2. Верхотуров М.В. Гравитационные методы обогащения. - М., Макс-пресс, 2006.

3. Патент RU № 2345839 С1, 27.06.2007(В03В 5/38).