«ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТУРБУЛИЗАЦИОННОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ...»

Министерство образования и наук

и РФ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

На правах рукописи

ФАЛЕЙ ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТУРБУЛИЗАЦИОННОЙ

ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 25.00.13 – «Обогащение полезных ископаемых»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Морозов Юрий Петрович Екатеринбург – 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………........ 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………............... 1.1 Особенности разделения минералов в центробежном поле……………………....... 1.2 Типы безнапорных центробежных сепараторов и их устройство………………...... 1.3 Анализ теории процесса центробежной сепарации…………………………………. 1.4 Практика применения центробежных сепараторов……..…………………………... 1.5 Постановка задач исследования………………..……………………………………... 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛИЗАЦИОННОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ….…..…………………………….............. 2.1 Изучение закономерностей турбулизационной центробежной сепарации………... 2.2 Механизм формирования пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе……………………………………………………………………………… 2.3 Моделирование движения частиц в пазах конуса турбулизационного центробежного сепаратора…………….…...…………………………………………………........ 2.4 Исследование технологических параметров турбулизационной центробежной сепарации…………………………………………………………………………………… 2.5 Выводы………………………………..………………………..………………………. 3 РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТУРБУЛИЗАЦИОННОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ………...…………………

3.1 Разработка усовершенствованной конструкции улавливающего конуса турбулизационного центробежного сепаратора……………………………………………........... 3.2 Разработка турбулизационного центробежного сепаратора с непрерывной разгрузкой тяжелой фракции………………………………………………………………….. 3.3 Усовершенствование способа подачи турбулизирующей воды в турбулизационном центробежном сепараторе…………….……......…………………………………….. 3.4 Выводы………………………………………………………………………………..... 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТУРБУЛИЗАЦИОННОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ РУД И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

4.1 Центробежная сепарация труднопромывистой золотосодержащей руды Дегтярского месторождения…………..…………………………………………………………... 4.2 Центробежная сепарация тонкоизмельченного золотосодержащего пиритного продукта обогащения руды Игуменовского месторождения……...……………………. 4.3 Центробежная сепарация медно-золотой руды месторождения Варваринское…... 4.4 Центробежная сепарация песков классификации медно-золотой руды месторождения Варваринское……………………..……………..…………………………………... 4.5 Центробежная сепарация содового шлака свинцового производства……………... 4.6 Выводы………………………………………..………………………………………... 5 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ТУРБУЛИЗАЦИОННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СЕПАРАТОРОВ……………………………………………………………….. 5.1 Турбулизационные центробежные сепараторы в технологии обогащения золотоплатиновой россыпи реки Черная………………..……

5.2 Испытания установки для переработки золотосодержащих пиритных продуктов обогащения руды Игуменовского месторождения….…

5.3 Разработка и испытание модульной установки при обогащении золотосодержащих техногенных отвалов переработки россыпей реки Винновка…………

5.4 Выводы………………………………………..………………………………………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...………………….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты математического моделирования движения частиц золота и кварца в конусе турбулизационного центробежного сепаратора…………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Предварительный технико-экономический расчет по переработке золотосодержащей руды Дегтярского месторождения…………………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ В. Результаты обогащения проб руды месторождения Варваринское…... ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Расчет технико-экономических показателей отработки золотоплатиновой россыпи реки Черная……………………………………………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Справка о внедрении от ООО «ДИЛАН ЛТД» ………………………… ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Справка о внедрении от ООО «Олимп-ДМ»……………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Справка о внедрении от ФГБОУ ВПО «УГГУ».……………………….

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В мировой практике обогащения полезных ископаемых широкое распространение получили центробежные сепараторы, в которых разделение минералов происходит под действием центробежных ускорений, в десятки и сотни раз превышающих ускорение свободного падения. Применение центробежных сепараторов позволило существенно снизить предел крупности разделяемых минералов и рассматривать центробежную сепарацию как альтернативу флотационному методу обогащения.

Анализ литературных данных показывает, насколько обширной является область применения центробежных сепараторов. Положительные результаты применения центробежных сепараторов получены при обогащении золотосодержащих руд россыпных и коренных месторождений, текущих и лежалых хвостов обогатительных фабрик, тантал-ниобиевых, гематитовых, хромовых руд, ильменит-цирконовых песков, угольных шламов.

В направлении теоретических исследований центробежной сепарации известны работы Лопатина А.Г., Шохина В.Н., Федотова К.В., Богдановича А.В., Меринова Н.Ф. и других авторов, в которых показано, что в центробежных полях при увеличении центробежных ускорений возрастают коэффициенты равнопадаемости частиц, представлены результаты изучения классифицирующего и сегрегационного механизмов разделения минеральных частиц в центробежных сепараторах, предложены формулы для определения скоростей перемещения частиц в центробежном поле, получена численная модель для расчета скоростей гидродинамических потоков в конусе центробежного сепаратора.

Стремление к повышению технологических показателей центробежной сепарации привело к созданию множества различных конструкций центробежных сепараторов, отличающихся способом разрыхления минеральной постели и способом разгрузки тяжелой фракции.

В области центробежного обогащения хорошо зарекомендовали себя турбулизационные центробежные сепараторы, отличающиеся подачей турбулизирующей воды изнутри конуса. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные Морозовым Ю.П., Афанасьевым А.И., Комлевым С.Г., показали эффективность применения турбулизационной центробежной сепарации и необходимость дальнейшего изучения данного процесса.

Таким образом, тема диссертации, направленная на изучение закономерностей и разработку технических решений турбулизационной центробежной сепарации, является актуальной.

Объектом исследований являются турбулизационные центробежные сепараторы.

Предмет исследования – закономерности разделения минералов и формирования пристеночного слоя в турбулизационных центробежных сепараторах.

Цель работы – повышение технологических показателей турбулизационной центробежной сепарации природного и техногенного минерального сырья.

Идея работы заключается в использовании способа импульсной подачи турбулизирующей воды в пристеночный слой центробежного сепаратора для повышения технологических показателей процесса.

Задачи исследований:

1. Теоретические исследования турбулизационной центробежной сепарации в части изучения закономерностей и механизма формирования пристеночного слоя.

2. Разработка технических решений, направленных на повышение технологических показателей разделения минералов в турбулизационных центробежных сепараторах.

3. Разработка технологических решений по переработке различных типов золотосодержащих руд и техногенных продуктов на основе исследования обогатимости методом турбулизационной центробежной сепарации.

4. Испытания и внедрение разработанных технических и технологических решений.

Методы исследований.

Работа выполнена с применением методов прикладной математики, механики, теоретического анализа, математического и физического моделирования.

При изучении состава сырья и продуктов разделения применялись методы химического, минералогического, спектрального, фазового, пробирного, ситового анализов, электронной микроскопии. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований выполнялась в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях.

Защищаемые научные положения:

Применяемый в турбулизационных центробежных сепараторах способ подачи турбулизирующей воды изнутри конуса за счет реализации сегрегационного механизма формирования пристеночного слоя, заключающегося в продвижении частиц повышенной плотности между породными частицами, обеспечивает эффективное улавливание тонкодисперсных частиц повышенной плотности в пазах сепаратора.

Импульсная подача турбулизирующей воды позволяет повысить технологические показатели турбулизационной центробежной сепарации минерального сырья за счет интенсификации процесса сегрегации материала в пристеночном слое. Длительность временного интервала между импульсами турбулизирующей воды определяется суммарным временем уплотнения пристеночного слоя и максимального продвижения частиц повышенной плотности между породными частицами вглубь пристеночного слоя.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается положительными результатами выполненных исследований, дублированием лабораторных экспериментов, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- раскрыт сегрегационный механизм формирования пристеночного слоя в турбулизационном центробежном сепараторе;

- теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность импульсной подачи турбулизирующей воды при центробежной сепарации;

- установлено влияние частоты вращения конуса и расхода турбулизирующей воды на эффективность извлечения частиц повышенной плотности в турбулизационном центробежном сепараторе;

- разработаны новые технические решения, позволяющие повысить технологические показатели разделения минералов в турбулизационных центробежных сепараторах.

Практическая значимость работы заключается в применении установленных закономерностей турбулизационной центробежной сепарации к выбору оптимальных технологических и конструктивных параметров центробежных аппаратов, разработке технологий обогащения золотосодержащих россыпных и сульфидных руд, техногенного сырья, основанных на применении турбулизационной центробежной сепарации.

Реализация результатов работы. Технология с использованием турбулизационных центробежных сепараторов внедрена в технологический регламент на переработку золотоплатиновой россыпи реки Черная. Турбулизационные центробежные сепараторы К-600П и К-210П внедрены в технологическую линию переработки золотосодержащих пиритных продуктов. Передвижная модульная установка, включающая турбулизационные центробежные сепараторы К-1000 и К-210П, использована для исследования обогатимости шурфовых проб при оценке запасов золотосодержащих техногенных отвалов переработки россыпей реки Винновка.

Практические решения диссертационной работы использованы в учебном процессе при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Гравитационные методы обогащения», курсовых работ по дисциплине «Исследование руд на обогатимость», дипломных работ и выпускных квалификационных работ магистров.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2009- гг.); на Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2009-2011 гг.); на Международном совещании «Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья» (Плаксинские чтения) (г. Томск, 2013 г.); на V Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело, оборудование, технологии» (г. Екатеринбург, 2013 г.); на Международном совещании «Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки природного и техногенного минерального сырья» (Плаксинские чтения) (г. Алматы, 2014 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе в 2 работах в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК, и инновационном патенте Республики Казахстан.

Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследования, разработке методик исследований, организации и непосредственном участии в выполнении лабораторных и опытно-промышленных исследований, анализе и обобщении полученных результатов, формулировании выводов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 154 наименований, содержит 175 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 41 таблицу.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССА

ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности разделения минералов в центробежном поле Центробежное обогащение получило широкое распространение благодаря неоспоримым преимуществам перед другими методами переработки минерального сырья, к которым можно отнести его дешевизну, экологическую безопасность, разделение минералов без изменения их свойств, широкий диапазон крупности разделяемых минеральных частиц.

Под центробежной сепарацией подразумевается разделение минералов в центробежном поле. Разработка и применение центробежных аппаратов для обогащения минерального сырья связаны с необходимостью более полного извлечения ценных компонентов из мелких и тонких классов крупности. Центробежные ускорения в десятки и сотни раз превышают ускорение свободного падения, что позволяет существенно снизить нижний предел крупности разделяемых минералов [31, 64, 143].

Создание центробежного поля в центробежных сепараторах может осуществляться двумя путями: тангенциальной подачей потока под давлением в закрытый и неподвижный цилиндрический корпус; закручиванием свободно подаваемого потока в открытой вращающейся чаше, имеющей, как правило, форму усечённого конуса.

По способу создания центробежного поля сепараторы разделяются на два типа [64]:

- напорные циклонные аппараты;

- безнапорные аппараты-центрифуги.

Обогатительные аппараты циклонного типа представляют собой гидроциклоны с укороченной конической частью, так называемые короткоконусные гидроциклоны. В отличие от классифицирующих обогатительные циклоны имеют, как правило, большой угол конусности – от 90 до 140 и обеспечивают сравнительно высокую степень концентрации полезных компонентов высокой плотности при небольшом выходе концентрата. Как отмечено в [19], в аппаратах данного типа движение потока пульпы носит вихревой характер, что приводит к интенсивному перемешиванию разделяемого материала и снижению точности гравитационного разделения.

Работа безнапорных аппаратов-центрифуг, хотя и напоминает работу обычной центрифуги, однако существенно отличается от нее наличием элементов обычного шлюзового процесса [143]. В настоящее время при проектировании гравитационных схем обогащения все реже обходятся без центробежных сепараторов. Успешное применение этих аппаратов на горно-обогатительных предприятиях подтвердило перспективность проведения дальнейших исследований и конструкторских разработок в этом направлении [19].

Основными преимуществами центробежных сепараторов перед традиционными аппаратами гравитационного обогащения являются [19]:

- большая удельная производительность;

- высокая степень концентрации;

- высокое извлечение мелких и тонких частиц тяжёлых минералов;

- возможность оперативного управления степенью концентрации (в аппаратах с непрерывной разгрузкой концентрата).

Область применения центробежных сепараторов обширна. Данные аппараты используются для извлечения частиц повышенной плотности (золота, серебра, платины, касситерита, олова, тантала, вольфрама, свинца и многих других) при обогащении различных типов руд и техногенного сырья.

Часто центробежные сепараторы устанавливаются в циклах измельчения для извлечения свободных частиц драгоценных металлов (золота, серебра, платины). Традиционной является установка центробежных сепараторов на песках гидроциклонов. Установка центробежных сепараторов на питании гидроциклонов позволяет извлечь частицы тонкого золота, которые обычно не улавливаются в традиционных гравитационных циклах, где сепаратор устанавливается на песках.

1.2 Типы безнапорных центробежных сепараторов и их устройство Принцип действия безнапорных центробежных сепараторов основан на разделении в пульпе частиц по плотности в центробежном поле, создаваемом за счёт вращения конуса.

Эти аппараты находят применение для извлечения мелко- и тонкодисперсных частиц повышенной плотности, например, при переработке руд драгоценных металлов.

В 1983 г. была разработана первая центрифуга, способная создавать центробежное ускорение, превышающее в 300 раз ускорение земного притяжения. В основу положен шлюз, свернутый в конус, вращающийся вокруг вертикальной оси [130].

Мак-Николь разработал усовершенствованный гравитационный сепаратор с флюидизацией постели и получил первый патент на вертикальные центрифуги с использованием подачи воды под давлением снаружи через отверстия внутрь вращающейся чаши [130].

В распространении центробежных сепараторов важную роль сыграли усилия и изобретения Байрона Нельсона – основателя компании Knelson Concentrators [130].

В нашей стране работы над центробежными сепараторами начаты в 50-х годах во Всесоюзном научно-исследовательском институте золота и редких металлов (ВНИИ-1) [25]. Однако разработанные в то время центробежные сепараторы не нашли применения из-за сложности конструкции и низких технологических показателей.

На сегодняшний день разработано большое количество центробежных сепараторов, отличающихся способом разрыхления минеральной постели и способом разгрузки тяжелой фракции.

По способу разрыхления материала в зоне накопления плотных частиц центробежные сепараторы подразделяются на следующие типы:

- без разрыхления минеральной постели;

- с механическим разрыхлением минеральной постели;

- с вибрационным разрыхлением минеральной постели;

- с разрыхлением минеральной постели за счёт изменения радиуса поверхности улавливающего конуса;

- с гидродинамическим разрыхлением минеральной постели.

От способа разрыхления минеральной постели зависит механизм сепарации частиц:

классифицирующий, сегрегационный, или же их сочетание [119]. В [21] центробежные сепараторы, в которых разрыхление минеральной постели ведётся путём подачи воды через отверстия снаружи внутрь улавливающего конуса, отнесены к центробежным сепараторам классифицирующего типа. Аппараты, в которых разрыхление постели производится путём наложения на улавливающий конус колебаний различной амплитуды, названы сепараторами сегрегационного типа.

По способу разгрузки тяжёлой фракции центробежные сепараторы бывают с периодической разгрузкой после остановки вращения конуса, с периодической разгрузкой без остановки вращения конуса и с непрерывной разгрузкой тяжёлой фракции.

Центробежные сепараторы с периодической разгрузкой тяжёлой фракции реализуют накопительную технологию, используются для извлечения драгоценных металлов (золота, платины) из россыпных и коренных руд, обеспечивают высокую степень концентрации тяжёлых минералов. Центробежные сепараторы с непрерывной разгрузкой тяжёлой фракции обеспечивают при низкой степени концентрации высокое извлечение плотных частиц в тяжёлую фракцию, могут применяться для сброса в хвосты значительного количества породных минералов перед дальнейшим обогащением.

Один из первых промышленных сепараторов, рекомендуемых к использованию, представлял собой полусферическую чашу, футерованную рифленой резиновой вставкой [93, 143]. Чаша укреплена на специальной площадке (платформе), получающей вращение от электродвигателя через клиноременную передачу. Сепаратор работает периодически. Для разгрузки концентрата, уловленного рифленой резиновой поверхностью, чашу останавливают и производят сполоск. Существенным недостатком, снижающим эффективность извлечения, является быстрое уплотнение слоя частиц на поверхности чаши, исключающее возможность проникновения через него мелких частиц золота. Увеличение частоты сполосков для освежения постели снижает производительность установки. При работе на грубых золотосодержащих песках сепаратор обеспечивает степень сокращения до 1000 при извлечении золота крупностью плюс 0,25 мм до 96-98 % [14].

Сепаратор-центрифуга непрерывного действия предусматривает выгрузку осевших на стенку ротора тяжёлых зёрен по спиральным проточкам вверх за счёт вращения пульпы и наложения вибраций [143]. Хвосты разгружаются с помощью сифона. Показатели работы такого сепаратора значительно ниже.

Предложена конструкция центробежного сепаратора с периодической разгрузкой концентрата без остановки вращения чаши [143]. Конструкция отличается способом разгрузки концентрата через систему щелевидных отверстий, равномерно расположенных на боковой поверхности чаши. В рабочем положении отверстия перекрыты эластичной диафрагмой, а при сполоске они открываются, и концентрат центробежной силой и водой разгружается из чаши.

Без разрыхления минеральной постели работает китайский центробежный сепаратор «VT», состоящий из барабана с небольшим углом конусности, вращающегося на горизонтальной оси. Процесс концентрации основан на большой скорости осаждения плотных частиц, разгрузка концентрата осуществляется периодически. В [31] отмечается, что отсутствие в аппарате средств разрыхления постели позволяет минимизировать потери тяжёлых минералов, но при этом снижается качество концентрата и требуется его перечистка.

В сепараторе «Orocon – M30» разрыхление и перемешивание пристеночного слоя осуществляется с помощью изготовленных из легированной стали «пальцев», которые стационарно установлены вблизи кольцевых желобов внутренней поверхности конуса, предназначенных для накапливания концентрата [14]. Такое рыхление пристеночного слоя делает возможным накопление тяжёлых частиц в желобах ближе к поверхности конуса. Это позволяет повысить качество концентрата и увеличить продолжительность рабочего цикла сепаратора между разгрузками концентрата.

Сепараторы «Orocon» используют относительно небольшое центробежное ускорение, что предопределяет их низкую эффективность по улавливанию тонких частиц золота. Центробежные сепараторы этого типа не нашли применения в промышленности.

В центробежном сепараторе ЦК-1700 производства ООО «Мезон» осуществляется разрыхление постели двойного действия: гидравлическое и механическое [90]. Разрыхляющие струи воды подаются на поверхность минеральной постели из сопел, которые подходят к ней почти вплотную из центральной части устройства. Центробежный сепаратор ЦК- работает в комплексе со шлюзовой приставкой [96]. Со шлюзов мелкого наполнения слив поступает в жёлоб, из которого через воронку по трубе подается в центробежный сепаратор.

Ротационный сепаратор РС-400 [94] предназначен для отработки буровых геологоразведочных проб и доводки шлюзовых концентратов. Отличительной особенностью ротационного сепаратора является обеспечение сложного движения чаши с одновременным вращением вокруг своего геометрического центра.

Попытки использовать ротационный сепаратор РС-400 для переработки шлюзовых концентратов на шлихо-обогатительных фабриках не дали положительных результатов из-за низкой эксплуатационной надежности, недостаточно высоких технологических показателей и отсутствия возможности управления режимами обогащения [25].

Известен отечественный центробежный сепаратор Тульского завода «Ротор» [45]. Сепаратор ОАО «Ротор» с диаметром чаши 630 мм изготовлен из чёрного металла, испытан на Гайской обогатительной фабрике на песках короткоконусного гидроциклона после удаления металлического скрапа. Показана высокая работоспособность сепаратора и возможность получения грубого концентрата, содержащего до 85 г/т золота. Дальнейшим развитием этого сепаратора стало изготовление чаши из полиуретана и совершенствование системы автоматического регулирования подачи питания и разгрузки концентрата.

Дальнейшим развитием центробежных сепараторов является разработка П.А. Брагиным с сотрудниками центробежно-вибрационных сепараторов (ЦВК) [25], обеспечивающих повышение эффективности разделения материала за счёт создания псевдоожиженного слоя материала во вращающейся конической чаше. При испытаниях ЦВК в производственных условиях отмечено, что неравномерная подача исходного питания оказывает существенное влияние на технологические показатели работы аппарата.

На сегодняшний день аппараты ЦВК выпускает фирма «Грант» [90]. Эти сепараторы рекомендуется использовать для доводки полученных черновых концентратов и перечистки хвостов отсадочных машин, концентрационных столов, магнитожидкостных сепараторов, для переработки техногенных материалов заводов по обработке цветных металлов.

Главным недостатком аппаратов ЦВК, как и ротационных сепараторов, являются сильные вибрации всей установки. Интенсивные вибрации ограничивают возможности создания крупноразмерных агрегатов, которые необходимы для промышленных целей.

Группа компаний «Пугачёв и Партнеры» провела существенную модернизацию сепараторов типа ЦВК, позволяющую повысить надёжность высокочастотного вибропривода планетарных колебаний чаши в условиях повышенных нагрузок на чашу при обогащении тяжёлого сырья, избежать запрессовки улавливающих канавок чаши при обогащении сырья с повышенным содержанием глины, резко сократить время на съём наработанного концентрата [90, 135, 148]. Рыхление минеральной постели за счёт наложения вибраций обеспечивает большую ёмкость постели и позволяет сепаратору дольше работать между разгрузками тяжёлой фракции с получением концентрата более высокого качества.

В линейке аппаратов, выпускаемых фирмой «Пугачёв и Партнеры» имеется центробежный сепаратор непрерывного действия КЦН-1 [148], предназначенный для обогащения объёмных проб мелкозернистого материала, содержащего более 0,2 % свободных тяжёлых минералов, плотность которых в 1,5 и более раз выше плотности породы.

Максимовым Р.Н. [61] разработан опытно-промышленный образец центробежновибрационного сепаратора, отличительной особенностью которого является наличие дополнительного конуса с перфорированной поверхностью. Минеральная смесь подается внутрь дополнительного конуса и разделяется по крупности и плотности. В пространство между дополнительным конусом и ротором подаётся вода. При ходе ротора вниз, относительно дополнительного конуса, вода через отверстия поступает в ротор, слой материала отрывается от его поверхности и перемещается в горизонтальном направлении. При ходе ротора вверх частицы расслаиваются по его поверхности в вертикальном направлении, при этом менее плотные частицы восходящими потоками выносятся из ротора в лёгкую фракцию, более плотные перемещаются вниз к патрубку для разгрузки тяжёлой фракции.

Известны сведения [89] о создании центробежного сепаратора, в котором для разрыхления постели чаше сепаратора придаётся переменное тангенциальное ускорение. Однако результаты работы такого сепаратора носят отрывочный характер.

Центробежный гравитационный сепаратор «Шихан» [59, 90], разработанный ООО «Гиромашины» – это аппарат сегрегационного типа, который способен работать как с периодической, так и с непрерывной разгрузкой концентрата. Главное назначение сепаратора – обогащение сырья флотационной крупности. Отличительной особенностью сепараторов «Шихан» является способ разрыхления пристеночного слоя, которое осуществляется путём наложения на вращение чаши крутильных колебаний определенной частоты и амплитуды. В настоящее время выпускаются две модификации сепараторов «Шихан» с периодической и непрерывной разгрузкой концентрата.

Сотрудниками Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева разработан высокочастотный виброцентробежный чашевый аппарат (ЦЧА) с плавно регулируемыми частотой вибрации и частотой вращения, не требующий дополнительной воды для разрыхления постели [140, 141]. Аппарат предназначен для массовой обработки минералого-технологических проб весом от 3-5 до 10-25 кг с фиксированным выходом концентрата от 60 до 100 г. Конструктивной особенностью виброцентробежного чашевого аппарата является вариатор, создающий резкоинерционные высокочастотные малоамплитудные вибрации рабочей чаши, которые в центробежных полях приводят к быстрой сегрегации минералов по крупности и плотности.

Центробежные вибрационно-планетарные сепараторы ООО «НПФ ГеоПром» предназначены для извлечения благородных металлов из природных песков [90]. Данные аппараты отличает применение вибрации при планетарном вращении чаши в сочетании с геометрией нарифления, согласованной с подачей напорной воды из форсунок оросителя под определенным углом. Для изменения технологических параметров при работе с исходными материалами различной плотности предусмотрена возможность изменения частоты колебаний чаши.

Сепаратор снабжён блоком автоматического управления разгрузкой концентрата в импульсно-инерционном режиме чаши без остановки электродвигателя, что повышает эффективность процесса обогащения материала и производительность аппарата.

Помимо центробежных вибрационно-планетарных сепараторов ООО «НПФ ГеоПром»

выпускает центробежные сепараторы с конической и сферической формой чаши, в которых разрыхление минеральной постели осуществляется струями из форсунок оросителей [90].

Существуют центробежные сепараторы, в которых разрыхление минеральной постели осуществляется за счёт возвратно-поступательных гармонических колебаний вращающегося корпуса-барабана. В сепараторах MGS (multi-gravity separator) разделение минералов происходит в тонком слое пульпы, подаваемой на внутреннюю поверхность вращающегося слабоконического барабана [144, 145]. Разрыхление материала осуществляется за счёт совершения барабаном вдоль оси возвратно-поступательные гармонических колебаний с частотой и амплитудой, которые обеспечивают взвешивание зёрен постели, улавливающей тяжёлые частицы минералов. Разгрузка концентрата осуществляется при помощи ножей, укреплённых на рёбрах шнека, который вращается со скоростью несколько меньшей, чем вращение барабана, и тем самым перемещает концентрат в сторону, противоположную направлению движения потока пульпы. Концентрат дополнительно промывается свежей водой. Сепараторы MGS обеспечивают высокие показатели разделения мелких частиц крупностью 5-6 мкм, однако производительность таких машин невелика. Например, промышленные сепараторы со сдвоенными барабанами диаметром около 1,5 м имеют производительность 1,5-3 т/ч. Кроме того, на этих сепараторах плохо обогащаются продукты крупнее 50-70 мкм, что связано со значительным влиянием на процесс разделения сегрегации частиц по размеру и форме. Это также ограничивает сферу их применения [19].

В Красноярской государственной академии цветных металлов и золота разработан центробежный аппарат КИЦМ [32]. Цилиндрическая часть ротора сепаратора КИЦМ выполнена из эластичного материала – автопокрышки, которая деформируется роликами для периодического равномерного разрыхления материала. Отмечается высокое извлечение тонкодисперсных (менее 0,04 мм) частиц благородных металлов.

Отличительной особенностью аппаратов Титан-ЦКПП (центробежных сепараторов с плавающей постелью), разработанных ЗАО «Новые технологии», является применение изготовленного из полиуретана эластичного усечённого конуса, который с нескольких сторон обжат роликами, установленными на неподвижных опорах. В результате обжатия конус в поперечном сечении приобретает форму скругленного треугольника, квадрата и т.д. (в зависимости от числа обжимающих роликов) [56]. При вращении такого конуса происходит периодическое приближение минеральной постели к оси вращения и удаление от неё. Минеральная постель испытывает сложные движения, сходные одновременно с движениями в отсадочной машине и на вибрационном столе. За счёт постоянного нахождения минеральной постели в разрыхленном состоянии зёрна разной плотности независимо от их формы и размеров быстро дифференцируются по глубине канавки. Зёрна с высокой плотностью опускаются на дно, а легкие перемещаются к открытой поверхности канавки, где увлекаются восходящим потоком хвостовой пульпы и выносятся из конуса.

Наиболее широко применяются в мире центробежные сепараторы Knelson компании «FLSmidth Knelson», в которых используется метод разрыхления пристеночного слоя с помощью воды, подаваемой снаружи через отверстия в улавливающем конусе.

Центробежный сепаратор Knelson представляет собой вертикально установленный ротор, выполненный в форме конуса с двойными крытыми стенками. Футеровка ротора ступенчатая, образующая кольцевые канавки треугольного сечения. Питание сепаратора осуществляется через центральную трубу, не доходящую до дна конического ротора.

Разработаны серии XD, CD, QS, CVD [147].

Сепараторы серии XD и CD предусматривают порционную разгрузку тяжёлой фракции. Трубы и конус серии XD изготовлены из нержавеющей стали, а у сепараторов серии CD – из углеродистой стали. Эти сепараторы могут управляться вручную или дистанционно.

Возможна полная автоматизация управления. Сепараторы Knelson серии QS – Quantum series (серия квант) являются облегчённой и упрощённой версией сепараторов серии XD.

Сепараторы Knelson серии CVD предусматривают непрерывную разгрузку тяжёлой фракции непосредственно во время процесса обогащения, применяются, когда содержание полезного минерала в исходном питании составляет 0,5 % и более. Возможно применение сепараторов серии CVD при первичном извлечении недрагоценных металлов (железо, самородная медь) и промышленных минералов. Выход концентрата может регулироваться в пределах от 0,1 % до 50 %.

Канадская компания «Sepro Mineral Systems» выпускает центробежные сепараторы Falcon, которые базируются на сочетании чаши с гладкими стенками (B Bowl) и чаши с полным ожижением (MacNicol Bowl) [149]. Сепараторы Falcon выпускаются полупериодического действия и с периодической разгрузкой. Питание во время работы подаётся в них постоянно, а выпуск тяжёлой фракции осуществляется периодически во время цикла промывки.

Длительность цикла работы варьируется от 0,5 минут до нескольких часов. Для сокращения времени промывки используется динамическое торможение для быстрого замедления вращения чаши, смыва концентрата и возврата к полной рабочей скорости.

В настоящее время выпускаются центробежные сепараторы Falcon серий SB, C, UF [149].

Сепараторы серии SB работают на базе частотно-регулируемых приводов (VFO) при значениях центробежного ускорения от 50 до 200 g. Они используются для извлечения свободных частиц драгоценных металлов в циклах измельчения коренных руд. Производитель рекомендует устанавливать сепараторы на песках гидроциклонов.

Сепараторы серии C обеспечивают центробежное ускорение до 300 g, извлечение минеральных частиц крупностью более 10 мкм. Они используются для извлечения и доводки концентратов олова, тантала, вольфрама, хрома, кобальта, железа, тонких окисленных углей.

Основной задачей этих сепараторов является максимальное извлечение ценных компонентов и сокращение потока в последующие процессы. Выход концентрата в сепараторах серии C до 40 %. При этом технологическая вода в процесс не добавляется.

Центробежные сепараторы Falcon серии UF предназначены для улавливания ультратонких минеральных частиц крупностью более 5 мкм, обеспечивают центробежное ускорение до 600 g. Эти аппараты лучше работают на потоках с низким содержанием твёрдого на материале крупностью менее 100 мкм (например, на сливе обесшламливающих гидроциклонов). Выход концентрата может изменяться в пределах от 0,01 до значений близких к 100 %.

Под маркой iCON выпускаются центробежные сепараторы небольшой производительности для индивидуального пользования (Individual Concentrator) [146]. Выпускается две модификации сепараторов – i150 и i350. Сепараторы iCON применяются для извлечения тяжёлых минералов, находящихся в свободном виде. Устройства используются для концентрации мелких частиц, не извлекаемых традиционными способами, используемыми в мелкомасштабной и кустарной добыче.

С 1995 года ЗАО «ИТОМАК» занимается разработкой, изготовлением и внедрением в практику золотодобычи центробежных сепараторов, отличительной особенностью которых является расположение оси вращения рабочего конуса в горизонтальной (или наклонной) плоскости [6-9, 12]. Такое расположение оси вращения позволяет усилить эффект сегрегации, упростить конструкцию, облегчить разгрузку концентрата, повысить надёжность работы и улучшить условия эксплуатации основных узлов сепаратора. В настоящее время ЗАО «ИТОМАК» выпускает центробежные сепараторы производительностью от 0,1 до 120 т/ч по твёрдому, а также комплексы, состоящие из нескольких центробежных сепараторов ИТОМАК, объединенных в единую систему [90]. В процессе работы по мере заполнения тяжёлыми минералами одного из роторов, он отключается от питания для разгрузки. Автоматическое управление обеспечивает последовательное переключение роторов в режим разгрузки и периодичность процесса (от нескольких минут до 2 часов).

Институтом «Иргиредмет» совместно с АО «Механобр инжиниринг» создан центробежно-сегрегационный сепаратор (ЦСС) [62]. Преимуществом этого сепаратора является возможность регулировать процесс изменения нескольких параметров – частоты вращения конусов, способа подачи, расхода и давления разрыхляющей воды, частоты разгрузки концентрата. Наличие нескольких трубок по периферии чаши гарантирует постоянную подачу разрыхляющей воды даже при условии частичного забивания отверстий. А наличие смотровых окон в крышке корпуса ЦСС позволяет наблюдать за процессом, в частности за подачей воды, и своевременно производить его регулировку. Разгрузка концентрата осуществляется без остановки аппарата.

Разработанный в Казахстане двустенный центробежный гидроконцентратор предназначен для извлечения свободного самородного золота из любого материала крупностью менее 2 мм [139, 142]. Аппарат требует подачи дополнительной воды, по принципу действия аппарат напоминает сепараторы Knelson, ИТОМАК. Обогащение материала происходит в центробежном поле (70g). Рудные минералы под воздействием центробежных сил удерживаются на рифлях чаши, а лёгкие частицы вытесняются из рифлей подаваемой под давлением водой или воздухом. Аппарат обеспечивает хорошие показатели извлечения благородных металлов.

Для повышения эффективности работы данного сепаратора разработана новая форма чаши, состоящая из комбинации цилиндров разных диаметров и конуса. Чаша представляет собой последовательно чередующиеся снизу вверх цилиндрическую, коническую и цилиндрическую поверхности. В чаше происходит дезинтеграции и расслоение пульпы за счёт изменения направления и скорости движения при турбулентном возмущении потока на их сочленениях. На внутренней поверхности верхнего цилиндра вследствие увеличения центробежной силы осаждается тонкое и пылевидное золото. Крупные же частицы золота (более 100 мкм) и мелкие (в пределах от 50 до 100 мкм) осаждаются, соответственно в нижней (цилиндрической) и средней (конической) частях чаши. Разработаны и выпущены опытные образцы производительностью по твёрдому материалу от 1 до 20 т/ч [139].

К недостаткам аппаратов с разрыхлением минеральной постели водой, подаваемой снаружи внутрь конуса, относится низкое извлечение зёрен минералов повышенной плотности крупностью менее 20-30 мкм. Это связано с тем, что в потоке встречной воды не могут осаждаться и концентрироваться тонкие зёрна тяжёлых минералов. Нижний предел эффективного улавливания указанными аппаратами тонкого золота 30-40 мкм. Также данные аппараты не могут одновременно эффективно улавливать зёрна тяжёлых минералов разных классов крупности и неудовлетворительно работают в широком диапазоне крупности зёрен вмещающей породы – на каждый класс крупности частиц необходима специальная настройка по расходу разрыхляющей воды. Недостатком таких сепараторов является забивание отверстий, через которые подаётся разрыхляющая вода, поэтому они нуждаются в относительно чистой воде. Существенным препятствием для применения аппаратов является высокая их стоимость, обусловленная сложностью конструкции.

В начале 1990-х годов на кафедре обогащения полезных ископаемых УГГУ разработан центробежный сепаратор, отличительной особенностью которого является турбулизация пристеночного слоя материала изнутри конуса с помощью струйных турбулизаторов. Периодическое разрыхление с последующим уплотнением пристеночного слоя реализует процесс, похожий на процесс отсадки. Турбулизация пристеночного слоя изнутри конуса повышает надёжность работы сепаратора, приводит к снижению расхода турбулизирующей воды по сравнению с сепараторами Knelson, ИТОМАК и позволяет работать при высоких центробежных ускорениях, снижает нижний предел крупности извлекаемых тяжёлых частиц [74, 77, 81, 82].

У первых лабораторных турбулизационных центробежных сепараторов подшипниковый узел находился в нижней части вращающегося вала. Впоследствии с целью повышения эксплуатационной надёжности разработан тип центробежного сепаратора, у которого улавливающий конус расположен на валу ниже подшипникового узла и электродвигателя [80].

Для повышения производительности разработана принципиально новая конструкция турбулизационного центробежного сепаратора, отличительной особенностью которого является установка нескольких конусов на одном валу, расположенном горизонтально в двух подшипниковых узлах.

В настоящее время разработкой и изготовлением центробежных сепараторов с турбулизацией пристеночного слоя материала изнутри конуса занимается ООО "Таилс КО" (г. Екатеринбург) [77]. Разработан широкий типоразмерный ряд центробежных сепараторов с диаметрами конуса в верхней части от 80 до 1000 мм. Данные сепараторы используются в золотодобывающей промышленности и цветной металлургии при обогащении продуктов, содержащих свободные частицы золота, серебра, платины, касситерита и других минералов, отличающихся повышенной плотностью.

На сегодняшний день к работе центробежных сепараторов предъявляются все более высокие требования, связанные с повышением извлечения тонкодисперсных частиц ценных компонентов и в целом эффективности разделения минералов, а также с повышением эксплуатационных характеристик центробежных сепараторов, что приводит к усложнению их конструкции и, соответственно, увеличению их стоимости. Задачами совершенствования центробежных сепараторов могут быть упрощение конструкции, снижение металло- и энергоемкости, повышение эксплуатационной надежности аппаратов.

Лабораторные и промышленные испытания турбулизационных центробежных сепараторов показали их эксплуатационную надёжность и высокую эффективность при обогащении различных типов руд и техногенного сырья [68, 71, 74, 75, 85]. Поэтому в качестве объекта исследования в данной работе приняты турбулизационные центробежные сепараторы.

Перспективным направлением является разработка новой конструкции турбулизационного центробежного сепаратора с возможностью осуществления непрерывной разгрузки тяжёлой фракции.

1.3 Анализ теории процесса центробежной сепарации Развитие теоретических основ обогащения в центробежном поле имеет большое значение для повышения эффективности разделения минералов в центробежных аппаратах. На сегодняшний день учёные уделяют большое внимание изучению гидродинамики потоков в центробежных сепараторах разных конструкций, описанию механизмов разделения минеральных частиц в чаше сепаратора и получению моделей, основанных на расчёте скоростей перемещения частиц в центробежном сепараторе.

Для расчёта скоростей движения частиц в центробежном поле часто используют общеизвестные формулы Стокса, Аллена, Риттингера, Лященко [60]. В [48] подробно рассмотрены существующие варианты расчёта скоростей свободного и стеснённого падения.

Большой вклад в изучение процессов, протекающих в центробежных безнапорных сепараторах, внесли Лопатин А.Г. и Шохин В.Н. [143]. Ими описана форма свободной поверхности жидкости в центробежных аппаратах, выделены и рассмотрены основные факторы, влияющие на работу безнапорных центробежных сепараторов: крупность обогащаемого материала, разжижение пульпы, угловая скорость вращения, шероховатость улавливающей поверхности.

Получены экспериментальные зависимости извлечения тяжёлого минерала от времени работы сепаратора:

где А, В и K – коэффициенты, зависящие от условий процесса;

t – время работы сепаратора, мин;

– плотность извлекаемого минерала, кг/м3.

Из уравнения следует, что чем больше плотность улавливаемого минерала при неизменном содержании его в исходном продукте, тем более продолжительное время может работать сепаратор без остановки [143].

Описание движения жидкости во вращающемся центробежном поле является сложной задачей. В работах [54, 55] эта задача решена с помощью модели эффективно-вязкого течения, выражения для расчёта тангенциальной и радиальной скоростей жидкости получены при решении системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса с постоянным коэффициентом турбулентной вязкости.

Аналогичный подход использован Федотовым К.В. и его соавторами при изучении процесса центробежной сепарации в безнапорных центробежных сепараторах с разрыхлением минеральной постели водой, подаваемой снаружи через отверстия внутрь улавливающего конуса. Предложена численная модель для расчёта скоростей гидродинамических потоков в конусе центробежного аппарата, основанная на решении уравнений Навье-Стокса [125, 127].

В [99, 118, 121] приведены результаты исследований по изучению механизма сепарации и распределения минералов в центробежном сепараторе. Эксперименты с замораживанием конуса сепаратора с материалом позволили авторам описать закономерности распределения частиц в пазах сепаратора.

В результате подробного описания гидродинамики потоков в центробежном сепараторе с флюидизацией минеральной постели и экспериментального изучения поведения твёрдой фазы в аппарате составлена программа для ЭВМ, позволяющая проследить траектории движения минеральных частиц с заданными физическими свойствами в центробежном сепараторе и спрогнозировать показатели обогащения. Разработанная программа применена для оптимизации схем обогащения золотосодержащего сырья [127].

Изучение разделения минералов в центробежных сепараторах с флюидизацией минеральной постели продолжено в работах Тютюнина В.В. В [104] описана разработанная автором методология оптимизации работы сепаратора, суть которой заключается в определении величины фактора разделения, необходимой для расчёта извлечения зерна определённой крупности, а затем в нахождении давления воды в системе флюидизации центробежного сепаратора, необходимого для поддержания минеральной постели в разрыхленном состоянии [120].

Нахождение величины фактора разделения осуществляется с помощью математической модели свободного движения минеральных частиц. Изучение свободного движения частиц в центробежном поле позволило автору установить, что с увеличением центробежного ускорения диаметр равнопадающих в центробежном поле частиц и диапазон их плотностей уменьшаются. Равнопадающими в центробежном поле названы частицы, которые приходят в заданную точку независимо от скорости их движения [104, 126].

В [102] для повышения эффективности разделения минералов в центробежных сепараторах с разрыхлением минеральной постели водой, подаваемой снаружи внутрь конуса, предложено осуществлять периодическую подачу флюидизационной воды и воздуха. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новую конструкцию сепаратора с изменённой поверхностью улавливающего конуса. Установлено, что применение сепаратора Knelson с модифицированной конструкцией конуса обеспечивает при применении пульсирующего давления флюидизационной воды прирост извлечения 3-15 % в зависимости от характеристик исходного сырья.

В [62] рассмотрено движение частиц во вращающейся жидкости, и получено выражение для относительной скорости перемещения частиц в радиальном направлении т, которая будет определяться соотношением величин центробежной, центростремительной и гидродинамической сил:

где т, – соответственно плотность частиц и жидкости, кг/м3;

Vт – объем частицы, м3;

– потери энергии турбулентных вихрей за единицу времени в единице объема, Дж/с·м3;

– размер турбулентных вихрей (масштаб турбулентных пульсаций), м;

Kf – коэффициент сопротивления частицы;

S – площадь сечения частицы, м2.

Анализ формулы 1.2 показал, что на величину и направление вектора скорости частицы во вращающейся жидкой среде оказывает влияние турбулентность потока в центробежном поле и физические параметры самой частицы. Отмечается, что частицы различной плотности и крупности будут расслаиваться как по высоте, так и по радиусу центробежного аппарата и концентрироваться в определенных его зонах.

Некоторые учёные связывают эффективность работы центробежных сепараторов с так называемым псевдоукрупнением частиц [17, 19, 20, 62], когда под действием центростремительных ускорений мелкие частицы ведут себя как более крупные.

Богдановичем А.В. [17, 18, 20] предложена формула для определения конечных скоростей свободного падения твёрдых шаровых частиц в среде:

d – диаметр шаровой частицы, см;

т и – плотности частицы и среды, г/см3;

g – ускорение силы тяжести, см/с2;

– кинематическая вязкость, см2/с.

Данная формула позволила её автору проанализировать особенности поведения частиц в центробежном поле разной интенсивности, возрастание скоростей падения частиц в котором приводит к росту точности разделения и к повышению производительности обогатительных машин. Например, при центростремительном ускорении 50g шарообразные частицы крупностью 10 мкм соответствуют зёрнам крупностью около 70 мкм в гравитационном поле, частицы крупностью 20 мкм «укрупняются» до 150 мкм (кварц) и до 180 мкм (золото), а крупностью 40 мкм – до 350 мкм (кварц) и до 500 мкм (золото).

Автором [27] выполнен анализ восемнадцати формул для расчётов скоростей свободного падения частиц шарообразной формы, выведенных разными авторами, среди которых широко известные формулы Стокса, Аллена, Риттингера, а также новые формулы, такие как формула Богдановича, Меринова, Адамова. За основу для расчётов принята кривая Рэлея в табличной форме, отражающая зависимость числа Рейнольдса от коэффициента сопротивления. Установлено, что наиболее точными и удобными для расчётов являются формулы Меринова, Розенбаума-Тодеса, Богдановича и Адамова.

В работах [18, 28-30] подробно изучена сегрегация мелкозернистых материалов при гравитационном обогащении. Автором сконструирована установка, позволившая выявить некоторые закономерности процесса сегрегации, определяя величину скорости сегрегации центра масс сегрегирующих частиц. Установлено, что с увеличением доли мелких частиц скорость сегрегации центра масс снижается. Интенсивность процесса сегрегации связана с разрыхлением минеральной постели, существует оптимальное разрыхление, при котором интенсивность сегрегации максимальна. При увеличении плотности частиц растёт скорость их сегрегации, а увеличение вязкости среды приводит к снижению скорости сегрегации частиц.

На основе рассмотрения сил, действующих на частицы в центробежном сепараторе, автором [100] предложены выражения для расчёта вертикальной и радиальной составляющих скорости перемещения частиц. Анализ полученных выражений позволил сделать вывод о том, что подачу разрыхляющей воды необязательно осуществлять через отверстия в стенках конуса, и о важной роли угла наклона образующей конуса сепаратора, влияющего на скорость смывного потока.

В результате экспериментального исследования гидродинамики потоков в центробежном сепараторе выявлено наличие четырех зон (рисунок 1.1) [100]: 1 – центральная зона, прилегающая к питающему патрубку и характеризующаяся нисходящим потоком; 2 – зона турбулентного перемешивания; 3 – зона, примыкающая к стенке конуса, характеризующаяся упорядоченным движением и максимальной окружной скоростью движения; 4 – зона турбулентного перемешивания в нарифлениях.

1 – зона нисходящего потока; 2 – зона турбулентного перемешивания;

3 – зона упорядоченного движения; 4 – зона турбулентного завихрения в пазах Рисунок 1.1 – Схема движения потоков в конусе центробежного сепаратора Установлено, что тангенциальная составляющая скорости на горизонтальном сечении сепаратора по радиусу возрастает от центральной зоны к периферии. Однако величина изменения скорости для каждого горизонтального сечения различна. В горизонтальном сечении радиальная составляющая скорости потока имеет чётко выраженный минимум в центральной зоне конуса. Скорость возрастает от центра к стенке конуса. Осевая (вертикальная) составляющая скорости уменьшается с увеличением высоты конуса, что связано с увеличением площади истечения жидкости. Имеется выраженный переход осевой скорости через нулевое значение, что объясняется наличием в конусе нисходящего и восходящего потоков.

В [4] разработана методика расчёта технологических показателей работы гравитационных аппаратов. Методика основывается на использовании сепарационных характеристик оборудования, применяемого для доводки черновых золотосодержащих концентратов: центробежный сепаратор ИТОМАК КН-0,1; центробежный сепаратор Falcon L40; центробежная отсадочная машина Kelsey J200; концентрационный стол СКО-0,5; концентрационный стол Gemini GT60; винтовой шлюз ВШ-60. Выявлены линейные зависимости границ разделения от регулировочных параметров оборудования в рабочей области доводочных аппаратов. В качестве регулировочного параметра для центробежных сепараторов ИТОМАК и Falcon использовано давление воды.

Автором работы [57] получено уравнение кинетики центробежного концентрирования золота в псевдоожиженном зернистом слое:

где C – концентрация частиц золота в постели, кг/м3;

k1 – константа скорости концентрирования частиц золота в постели;

k2 – константа скорости уноса;

C0 – концентрация золота в пульпе, кг/м3;

0 – начальная порозность; з – плотность золота, кг/м3;

– коэффициент, зависящий от свойств обогащаемого продукта и режимных параметров;

t – продолжительность концентрирования, мин.

В результате анализа полученной формулы предложено при переработке лежалых хвостов Аллах-Юньской ЗИФ проводить предварительную классификацию питания центробежных сепараторов по классу 0,03 мм.

В работах [42, 43] выполнен анализ технологических особенностей центробежной сепарации тонкодисперсных минеральных частиц. Модель обогащения материала в центробежном сепараторе с флюидизацией минеральной постели рассмотрена как разделение в «центробежном» шлюзе. Получены выражения для определения предельного размера улавливаемых тонких зёрен в определённых технологических условиях и величины критической скорости, при которой возможно существование продукционного слоя, обеспечивающего процесс центробежной сепарации [42].

Афанасенко С.И. [8, 10, 11] опубликован ряд статей о поведении частиц в центробежном сепараторе фирмы ИТОМАК (Новосибирск). Отмечается, что при горизонтальном или наклонном расположении оси вращения активное влияние на частицу оказывает сила тяжести, вектор направления которой вращается с угловой скоростью, совпадающей с частотой вращения рабочего конуса [8]. Воздействие силы тяжести способствует дополнительному разрыхлению минеральной постели, эффективность которого максимальна при горизонтальном расположении оси вращения вала.

Брагиным П.А. [25] изучены закономерности разделения минеральных частиц в центробежно-вибрационных сепараторах. Выведены уравнения, позволяющие описать траектории движения чаши, установить взаимосвязь между параметрами работы сепаратора. Предложен и обоснован новый показатель, характеризующий параметры центробежновибрационного обогащения.

Теоретические основы процесса турбулизационной центробежной сепарации рассмотрены в работах Морозова Ю.П. и его учеников [13, 34, 67, 81, 82, 86]. Турбулизация пристеночного слоя является одним из главных условий эффективности центробежной сепарации.

Подача турбулизирующей воды в пристеночный слой изнутри улавливающего конуса должна приводить к размыву и перемешиванию слоя с целью высвобождения и удаления породных частиц.

Исходный материал в конусе сепаратора прижимается к боковым стенкам направленной радиально центробежной силой Fцб. При подаче струи жидкости в пристеночный слой материала на него действует сила сдвига Fсд, направленная по касательной к окружности вращения слоя материала. Fсд возникает в результате изменения направления потока турбулизирующей воды на 90 ° и направлена навстречу движению слоя материала.

В соответствии с уравнением Кулона напряжение сдвига при размывке материала водой определяется следующим образом:

где Ссц – коэффициент сцепления размываемого материала, Па;

Р – давление на размываемый материал, Па;

– угол внутреннего трения размываемого материала, град.

Напряжение сдвига материла, прижатого к стенке ротора центробежной силой где – угловая скорость вращения конуса, рад/с;

R – радиус ротора, м.

Размыв материала, прижатого к стенке ротора центробежной силой, произойдет при условии:

Давление на размываемый материал где Рцб – давление от центробежной силы, Па;

Рв – давление воды, Па.

Давление от центробежной силы где hс – толщина размываемого слоя материала, м;

ср – плотность размываемого материала кг/м3.

Давление воды на поверхность размываемого слоя где Рт – давление воды в подводящем патрубке, Па;

– коэффициент местного сопротивления;

ист – скорость истекания воды из отверстия, м/с.

Тогда условие размыва определится следующим образом:

Уравнение (1.11) является уравнением связи конструктивных параметров сепаратора с технологическими параметрами процесса турбулизационной центробежной сепарации [13, 82].

Для тонкодисперсных сильноожиженных пульп угол внутреннего трения равен 0, тогда tg = 0. Уравнение 1.11 примет вид:

Для грубодисперсных слабоожиженных пульп коэффициент сцепления материала Ссц равен 0. Тогда уравнение 1.11 примет вид:

Условие движения частиц вверх в чаше сепаратора, без учёта эффекта турбулизации, выглядит следующим образом:

где r – радиус движения частиц, м;

– угол наклона образующей конуса, град.

На основании [64-66] Морозовым Ю.П. получена формула для определения скорости свободного движения частиц в центробежном поле:

где d – эквивалентный диаметр частицы, м;

– плотность частицы, кг/м3;

– плотность среды, кг/м3;

gцб – центробежное ускорение, м/с2;

µ – динамический коэффициент вязкости, Н·с/м2.

Для частиц произвольной формы, отличающейся от шарообразной, форма частиц по аналогии с [64-66] учитывается через удельную поверхность S 0. Но в отличие от [64-66] удельная поверхность определяется отношением площади поверхности частицы Fч к ее объему Vч [77]:

Для шара удельная поверхность откуда Таким образом, для частиц произвольной формы эквивалентный диаметр, определенный по формуле 1.18, учитывает форму через ее удельную поверхность.

Выполненные расчёты конечных скоростей свободного движения частиц кварца, галенита и золота в центробежных полях показали, что наложение центробежных полей существенно повышает значение коэффициента равнопадаемости и, следовательно, обеспечивает более эффективное гравитационное разделение частиц.

По аналогии со свободным движением частиц в центробежном поле конечная скорость стесненного движения ( ст ) определится по формуле:

где µст – динамический коэффициент вязкости в стеснённых условиях, Н·с/м2;

ср – плотность пульпы, кг/м3.

На вязкость среды в стеснённых условиях существенное влияние оказывают содержание в среде твёрдой фазы и её гранулометрическая характеристика. Подробно это влияние исследовано применительно к суспензиям в тяжелосредном обогащении. В частности, показано, что вязкость суспензии не зависит от природы утяжелителя и его плотности, но существенно зависит от крупности утяжелителя. С увеличением объёмной концентрации утяжелителя вязкость суспензии возрастает монотонно до перехода бесструктурной суспензии в структурированную, в которой вязкость резко возрастает. Так, вязкость суспензий, приготовленных из утяжелителей крупностью (–0,074+0,043) мм, резко возрастает при объёмной концентрации утяжелителя более 30 %, а для суспензий, приготовленных из сравнительно грубозернистого утяжелителя (класс крупности (–0,147+0) мм), резкое возрастание вязкости проявляется при объемной концентрации утяжелителя равной 40 % [143].

Влияние объёмной концентрации твёрдой фазы на вязкость суспензии достаточно точно определяется по эмпирической формуле Ванда [143]:

где – объёмная концентрация твёрдого в пульпе.

Влияние гранулометрического состава твёрдой фазы пульпы на µст в работе [82] исследовано экспериментально. Исследования выполнены с использованием капиллярного вискозиметра, описание которого приведено в [143]. Вязкость пульпы определялась как относительная по сравнению с вязкостью воды µ 0 = 0,001 Нс/м2 по формуле [143]:

t c – время истечения через капилляр заданного объема суспензии, с;

где tв – время истечения через капилляр того же объема воды, с;

– плотность воды, кг/м3.

В качестве исследуемого материала использованы классы крупности кварца и их смеси. Опыты повторялись по 5 раз. Относительная ошибка в определении µст составила меньше Для классов крупности (–0,044+0) мм, (–0,071+0) мм и (–0,1+0) мм зависимости µст = = f() совпадают и удовлетворительно описываются эмпирической формулой Ванда (формула 1.20). Для смесей класса (–0,1+0) мм с крупными классами динамический коэффициент вязкости где К кр – коэффициент увеличения значения µст, зависящий от общей доли класса (-0,1+0) мм (-0,1 ) в твёрдой фазе пульпы.

Зависимость коэффициента К кр от объёмной доли класса –0,1+0 мм описывается уравнением:

Расчёты конечных скоростей стеснённого движения частиц в центробежных полях показали существенное повышение значений коэффициентов равнопадаемости при увеличении центробежного ускорения, в особенности для крупных частиц.

Изучение теоретических основ центробежной сепарации имеет большое значение для понимания и управления процессом и получения более высоких технологических показателей разделения минералов в центробежных сепараторах.

1.4 Практика применения центробежных сепараторов Множество публикаций посвящено практическому применению центробежных сепараторов при обогащении различных типов руд.

Основная область применения безнапорных центробежных сепараторов – обогащение руд и техногенного сырья, содержащих благородные металлы [2, 7, 15, 22, 58, 91, 123].

За рубежом в качестве аппаратов для гравитационного обогащения широкое распространение получили безнапорные центробежные сепараторы Knelson и Falcon [134, 150-154].

Так, на фабрике «Кэмпбелл» в Канаде гравитацию осуществляли в отсадочных машинах с доводкой концентрата на концентрационных столах [134]. Извлечение в гравитационный продукт составляло от 30 до 35 % от руды. В 1994 г. взамен отсадочных машин были установлены два сепаратора Knelson модели KC-CD-30 с диаметром конуса 0,76 м, в результате чего извлечение золота в гравитационный продукт повысилось до 50 % от руды. Аналогичная замена произведена на ЗИФ «Сао Бенто» (Бразилия) и других предприятиях.

На фабрике рудника «Сикстин ту Ван Майн» (Sixteen to One Mine) в январе 1997 г. вместо отсадочной машины стационарно установили промышленный сепаратор Knelson KC-CD-20, оснащенный сверху неподвижным грохотом со шпальтовым ситом 0,83 мм. В результате установки сепаратора Knelson переработка руды на фабрике возросла на 280 %, снизился расход электроэнергии, уменьшилась масса концентрата, извлечение свободного золота возросло с 70 до 96 % [134].

На золотодобывающем предприятии «Рио Нерсия» (Испания) в ноябре 1998 г. в цикле гравитации был установлен центробежный сепаратор Knelson, вначале параллельно с отсадочными машинами [134]. В результате извлечение золота в цикле гравитации возросло до 15 %, что обеспечило возможность получения на этом этапе золотой «головки». В сентябре 1999 г. вместо отсадочных машин установили винтовые сепараторы, после чего производительность сепаратора Knelson возросла до 70-80 т/ч. Концентрационные столы «Вифлей»

были заменены столами Холмана. Модернизированный узел гравитации в настоящее время позволяет извлекать 25 % золота. Общее извлечение золота на фабрике достигло 90 %.

На Нежданинской ЗИФ (Якутия) на хвостах гравитации установлен сепаратор Knelson-30, концентрат которого перечищают на сепараторе Knelson-7,5 [134].

Институтом «Иргиредмет» исследованы возможности использования центробежных сепараторов в схемах переработки золотосодержащих руд с целью замены флотационного метода обогащения [47]. Показана возможность извлечения золота при использовании центробежных сепараторов взамен флотации на уровне 90-95 % от флотационного обогащения.

В [117] показано, что использование центробежных сепараторов при переработке хвостов золотоизвлекательных и шлихообогатительных фабрик позволяет извлекать одновременно с благородными металлами и металлическую ртуть. По результатам исследований извлечение металлической ртути и золота из хвостов ЗИФ составило 97,4 % и 78 %, соответственно.

Теоретические и экспериментальные исследования процесса центробежной сепарации с подачей ожижающей воды, выполненные в [58, 116, 122-125, 127], позволили авторам разработать ряд эффективных технологических схем переработки россыпей с применением центробежных сепараторов.

Авторы [23] считают целесообразным выделение золота гравитационными методами из цикла измельчения и из хвостов обогащения сульфидных руд. С этой целью для обогащения более тонких классов крупности рекомендуется использовать винтовые шлюзы или центробежные сепараторы.

Достаточно широкое применение в России и за рубежом получили центробежные сепараторы ИТОМАК [5, 136].

Центробежные сепараторы ИТОМАК производительностью 5 т/ч испытаны на ЗИФ Коммунаровского рудника [9]. На фабрике установлено семь сепараторов, три из которых вертикального исполнения и четыре горизонтального. За одну операцию содержание золота повысилось с 10-15 г/т до 1000-2000 г/т. Сравнение эксплуатационных качеств, по мнению специалистов рудника, указывает на преимущество сепараторов с горизонтальной осью вращения.

Работы по извлечению тонкого и мелкого золота из дражных эфелей на сепараторах ИТОМАК-КГ-20 проводились на полигонах ЗАО «Хэргу» (Амурская область) [8, 9]. На сепараторы подавали материал классов крупности минус 5 мм и минус 2 мм. Из 12 тыс. м3 песков было извлечено 4,5 кг золота. Степень извлечения в контрольных опытах была не менее 97 %, учитывая, что золото пластинчатое, пылевидное размером более 30 микрометров. В ходе переработки степень извлечения была не менее 90 %.

В [7] приведены результаты успешной работы центробежных сепараторов ИТОМАК при разведке месторождений драгоценных металлов.

Авторами [39] для переработки золотосодержащей руды одного из месторождений Северо-Востока РФ рекомендована комбинированная гравитационно-флотационная схема обогащения с доводкой гравиоконцентрата в центробежном сепараторе ИТОМАК и на столах типа СКО до золотой «головки» с массовой долей золота более 10 % при извлечении 33 % от руды.

Институтом «Гинцветмет» на драге № 250 проведены промышленные испытания схемы с основной и двумя перечистными операциями центробежной сепарации в сепараторах Тульского завода «Ротор». Показана возможность получения продукта с содержанием золота 925 г/т при извлечении 85 % [41].

Авторы [95] видят решение проблемы доизвлечения мелкого золота на драгах во включении в технологическую схему второй стадии переработки песков с использованием современного центробежно-гравитационного оборудования. Для нескольких 250-литровых драг предложены варианты технологических схем размещения центробежных сепараторов, таких как СЦ-1 (ТулНИГП) и ЦВК-500. Отмечается низкая эффективность использования сепараторов Knelson в условиях дражной технологии, связанная с чувствительностью к изменению состава пульпы, режимов питания сепараторов и необходимостью подачи в них напорной разжижающей воды, очищенной от растительных и механических примесей, так как установленный на них фильтр не обеспечивает качества очистки забортной воды.

В Тувинском институте комплексного освоения природных ресурсов СО РАН с целью повышения извлечения мелкого золота из эфелей старательских отработок и карт захоронения золотосодержащих хвостов обогатительных фабрик разработан аквагравитационный комплекс [26]. При сезонных испытаниях обогатительного комплекса для промывки золотосодержащих песков в ООО «Восток» на участке месторождения россыпного золота (руч.

Михайловский, Тыва) достигнуто максимальное извлечение как крупного, так и мелкого золота. Одним из основных аппаратов шлихообогатительной установки комплекса являлся центробежно-вихревой сепаратор. Результаты испытаний показали, что использование новой технологии по сравнению со старой позволило дополнительно извлечь порядка 5 кг золота, в котором мелкая фракция составляла около 48 %. Извлечена практически вся техногенная ртуть, которая находилась в золотосодержащих песках со времени золотодобычи.

Автором [97] выполнена модернизация улавливающего конуса центробежного сепаратора САЦ путем максимального уменьшения шага и угла наклона рифлей, увеличения длины рабочих полок рифлей. Применение модифицированных сепараторов САЦ-0,75 и САЦ-0, позволило повысить показатели гравитационного обогащения лежалых хвостов Семеновской ЗИФ с массовой долей золота 1,2 г/т. При проведении опытно-промышленных испытаний получены гравитационные концентраты с массовой долей золота 45,6 г/т при извлечении 65 %.

Проведены исследования на обогатимость лежалых хвостов одной из золотоизвлекательных фабрик Казахстана по гравитационно-флотационной схеме с применением центробежных сепараторов [1]. Исследуемые хвосты содержат 2,1-2,3 г/т золота и 0,46 % меди.

Обогащение на центробежном сепараторе позволило получить золотосодержащий концентрат с массовой долей золота 19,1 г/т при излечении 27,2 %. Хвосты центробежного сепаратора, содержащие 1,69 г/т золота и 0,473 % меди, являются исходным материалом для флотационного обогащения. Флотационное дообогащение хвостов сепаратора обеспечивает более высокое извлечение золота и меди в объединённый концентрат из лежалых хвостов. В результате получен объединённый концентрат с массовой долей золота 8,0 г/т и меди 1,92 % при извлечении 79,1 % и 87,37 %, соответственно. Полученный концентрат пригоден для дальнейшей переработки пирометаллургическим или гидрометаллургическим методами.

В ЗАО «Механобр инжиниринг» и НИЦ «Гидрометаллургия» проведены исследования по извлечению золота из лежалых хвостов флотации одной из медно-цинковых фабрик [16].

Массовая доля золота в исследуемой пробе 0,85 г/т. Для оценки возможности получения из хвостов достаточно богатого гравитационного концентрата поставлены опыты с применением центробежных сепараторов на пробах измельчённых и неизмельчённых хвостов. Схема опытов включала последовательное обогащение в сепараторах типа Knelson 3" и ЦВК-100 с доводкой концентратов на концентрационном столе СКЛ-2М. Установлено, что доизмельчение хвостов позволяет повысить показатели гравитационного обогащения. После доводки на концентрационном столе получен объединённый концентрат с массовой долей золота 57,2 г/т при извлечении 1,38 %. Без предварительного доизмельчения из хвостов получен объединённый концентрат с массовой долей золота 9,0 г/т, извлечение составило 0,75 %. Таким образом, из лежалых хвостов обогащения колчеданных медно-цинковых руд возможно получение товарных гравитационных концентратов при малом извлечении. Поэтому авторами сделан вывод о возможности применения гравитационного обогащения хвостов как предварительной операции для удаления части породы и шламов.

Предложенная в [104] методология настройки центробежного сепаратора испытана на обогатительной фабрике месторождения «Кедровское» (Республика Бурятия). Определено оптимальное значение расхода разрыхляющей воды для центробежного сепаратора Knelson, перерабатывающего слив гидроциклона в цикле измельчения. В результате удалось повысить извлечение в первой стадии гравитационного обогащения на 2 %.

Получены удовлетворительные результаты гравитационного обогащения на центробежном сепараторе Falcon модели SB-40 малосульфидных платинометалльных руд одного из месторождений Кольского полуострова [63]. В аппарат подавали материал крупностью минус 0,2 мм, содержащий 0,16 % никеля, 0,20 % меди, 0,90 г/т платины, 4,93 г/т палладия, 0,28 г/т золота. Установлено, что основная доля благородных металлов имеет размер зёрен менее 50 мкм. В результате центробежного обогащения получен общий гравитационный концентрат, содержащий 0,88 % никеля, 0,51 % меди, 24,5 г/т платины, 50,3 г/т палладия, и 4,9 г/т золота при их извлечении 10,3 %, 4,8 %, 53,2 %, 19,3 % и 32,8 % соответственно. Авторы указывают на целесообразность классификации питания гравитации на более узкие классы крупности.

Авторами [15] выполнены исследования по интенсификации гравитационного обогащения окисленной золотосодержащей руды месторождения Муртыкты с применением центробежного сепаратора Falcon SB-40. Тонкие классы руды обогащены металлом. Определена возможность получения гравитационных концентратов, которые удовлетворяют техническим условиям.

Появление вертикальных и бисерных мельниц сделало возможным измельчение до микроскопических размеров и позволило открыть перспективные направления применения центробежных сепараторов, связанные с центробежным обогащением тонкоизмельченного материала [129]. Так, например, по результатам НИР, выполненной в Институте «ТОМС» на мышьяксодержащей руде, предложена технология, по которой из тонкоизмельченного концентрата на центробежном сепараторе Knelson извлекается свободное золото, 'а хвосты поступают на гидрометаллургическую переработку. Гравитационный концентрат с высоким содержанием золота направляется на пирометаллургию, где извлечение от операции превышает 99 %.

В [49, 91, 138] предложено решение, позволяющее повысить извлечение золота при переработке золотосодержащей руды месторождения «Воронцовское», заключающееся в двухстадиальном обогащении слива гидроциклона первой стадии классификации в центробежном сепараторе Knelson КС-СVD6, последующем измельчении полученной тяжелой фракции в бисерной мельнице и совместном ее цианировании с хвостами гравитационного обогащения. Установлено, что среднее извлечение золота в раствор при цианировании руды можно увеличить до 90-92 %, что на 10-12 % выше существующих показателей.

После появления различных вариантов конструкций центробежных сепараторов в литературе все чаще встречаются публикации, посвященные сравнению работы аппаратов и разработке методики их сравнения.

В ОАО «Иргиредмет» в лабораторных и промышленных условиях проведены испытания некоторых типов центробежных аппаратов [62]. Оценка эффективности обогащения проводилась по извлечению амальгамирующего золота и степени его концентрации. Согласно рекламным данным сепараторы Knelson обеспечивают извлечение золота крупностью 6-40 мкм на уровне 95 %. Специалистами ОАО «Иргиредмет» при обогащении песков крупностью менее 1 мм, содержащих золото крупностью 0,3 мм, показано, что на центробежном сепараторе Knelson 3" извлечение золота составило 85-90 %, в том числе крупностью минус 0,25 мм – 63-80 %. На сепараторе Knelson 7,5" из песков крупностью минус 2 мм было извлечено 83-88 % золота, в том числе крупностью минус 0,1 мм – около 60 %. Отмечается, что сепаратор Knelson очень чувствителен к изменению режимов работы и требует особой тщательности при осуществлении операции разгрузки концентрата.

На центробежно-вибрационных сепараторах типа СЦВ согласно рекламным данным извлечение золота крупностью плюс 0,25 мм составляет 90-100 %, крупностью (-0,25+0,1) мм – около 75 %, крупностью минус 0,1 мм – около 60 %. По результатам исследований [62] на аппарате СЦВ-4 извлечение золота крупнее 0,2 мм из песков близко к рекламным данным, извлечение золота мельче 0,2 мм на 10-20 % ниже (около 40 %). Из гравитационного концентрата золото извлекается хуже, из класса минус 0,25 мм извлечение составляет лишь 22-25 %.

При испытаниях сепаратора «Orocon-М30» специалистами ОАО «Иргиредмет» в производственных условиях извлечение золота крупностью (-0,25+0,1) мм составило около 80 %, крупностью -0,1 мм – около 40 % [62].

Испытания экспериментального образца центробежно-сегрегационного сепаратора (ЦСС) проведены на продуктах различного минерального состава в лабораторных и производственных условиях [62]. При средней крупности золота в обогащаемом продукте 0,1-0,3 мм его извлечение в лабораторных условиях составило от 80 до 98 % в зависимости от параметров работы сепаратора. В производственных условиях извлечение золота из хвостов концентрационного стола составило: класса плюс 0,25 мм – 89-91 %, класса минус 0,25 мм – 71-77 %.

Авторами [22, 24] проведены сравнительные испытания по разделению золотосодержащих продуктов в центробежных сепараторах Knelson и Falcon. Установлено, что сепараторы Falcon позволяют эффективнее извлекать золото крупностью менее 38 мкм. В качестве преимуществ аппаратов Falcon отмечены большая площадь концентрации, более высокие значения центробежных ускорений, меньшая вероятность забивания отверстий для подачи флюидизирующей воды.

В [18] представлены результаты испытаний следующих гравитационных сепараторов для обогащения мелкозернистых материалов: сепаратор Knelson 3", сепаратор Falcon (модель SB-40), центробежный вибрационный сепаратор ЦВК-100М (ОАО «Грант»), центробежный сепаратор с плавающей постелью ЦКПП-120 (МНПО «Полиметалл»). Испытания выполнены с использованием разработанной в ЗАО «Механобр инжиниринг» методики испытаний гравитационных сепараторов для тонкозернистых материалов на искусственной смеси, состоящей из кварцевых россыпных песков крупностью -0,2+0,02 мм и плотностью 2,7 г/см3, очищенных от сильномагнитных примесей при напряжённости магнитного поля около 2000 А/см, и гранулированного ферросилиция плотность 6,9 г/см3 с содержанием кремния 15 %. Исследования показали, что в оптимальных режимах работы сепараторы Knelson и Falcon имеют близкие показатели обогащения, причём Falcon при пониженных значениях центростремительных ускорений значительно уступает сепаратору Knelson, у которого величина центростремительного ускорения не превышает 80g. Отмечается, что при эксплуатации на Зыряновской обогатительной фабрике сепараторы Knelson показали большую надёжность, чем сепараторы Falcon. Установлено, что при работе на сепараторе Falcon необходимо поддерживать концентрацию твёрдого в питании в пределах 24-27 %, а сепаратор Knelson может успешно работать в широком диапазоне содержаний твёрдого в питании.

На сепараторах с механическим разрыхлением постели (ЦВК-100 и ЦКПП-120) получено более высокое операционное извлечение тонких тяжёлых частиц, однако извлечение крупных зёрен ферросилиция на них понижено по сравнению с сепараторами классифицирующего типа (Knelson и Falcon) [18].

Авторы [37] для извлечения тонкого золота применяли центробежные аппараты ИТОМАК, Knelson, ЦКПП. Испытание центробежных аппаратов проводили на пробе руды Васильковского месторождения (Казахстан). Массовая доля золота в руде 4,3 г/т, золото на 92,7 % представлено классом крупности минус 0,074 мм. Извлечение золота в объединенный концентрат с применением центробежных аппаратов разной модификации составило:

ИТОМАК – 50,9 % (массовая доля свободного золота 10,75 г/т); Knelson – 47,1 % (массовая доля свободного золота 10,27 г/т); ЦКПП – 73,4 % (массовая доля золота 16,86 г/т). Наилучшие результаты по гравитационному обогащению данной пробы руды получены с применением центробежного сепаратора с плавающей постелью. Принцип работы аппарата обеспечивает поддержание минеральной постели в разрыхленном, подвижном состоянии без подачи специальной ожижающей воды, как это имеет место в аппаратах Knelson, Falcon и ИТОМАК.

В [3] приведены результаты сравнительных испытаний центробежных сепараторов Falcon L-40, ИТОМАК КН-0,1, центробежной отсадочной машины Kelsey J200CJ, концентрационных столов СКО-0,5 и Gemeni при обогащении руды одного из месторождений Магаданской области с массовой долей золота 14,4 г/т, серебра 42 г/т. Установлено, что на крупном материале сепаратор ИТОМАК обеспечивает более высокие показатели, чем сепаратор Falcon. Из тонкоизмельченной руды извлечение металлов на сепараторе Falcon выше.

Показатели обогащения на центробежной отсадочной машине (ЦОМ) без оптимизации условий уступают показателям, полученным на центробежных сепараторах. Применение концентрационных столов не дало положительных результатов. После оптимизации наиболее высокое извлечение (96,02 % золота и 76,08 % серебра) обеспечило применение ЦОМ, из-за большого выхода концентрата его качество ниже, чем у концентратов, полученных на центробежных сепараторах.

Сравнительные испытания турбулизационного центробежного сепаратора К-180 и сепаратора ИТОМАК-КН-0,1, выполненные на отсеве дробленого катализатора нефтехимии крупностью (-1+0) мм и хвостах обогащения сернистых магнетитов, показали более высокую эффективность сепаратора К-180 при обогащении данных продуктов [33].

Помимо обогащения золотосодержащих руд центробежные сепараторы находят применение при извлечении различных минералов повышенной плотности, таких как касситерит, хромит, гематит и многие другие.

Работа [44] посвящена повышению эффективности обогащения труднообогатимых тантал-ниобиевых руд на основе центробежной сепарации. По результатам промышленных испытаний центробежных сепараторов был сделан вывод, что можно ожидать извлечение в концентрат при обогащении тантал-ниобиевого сырья на уровне 51,5 % (81,7 % извлечения по свободному танталу).

Проведены испытания центробежного сепаратора Falcon (модель SB-40) при разработке технологии гравитационного обогащения тонкозернистых ильменит-цирконовых песков с Буткинской рудной площади (Свердловская область) на технологических пробах с содержанием циркона 0,32 %, ильменита и лейкоксена в сумме 1,48 %, рутила 0,015 % [101]. Исходные пески представлены тонкозернистым хорошо отсортированным полевошпат-кварцевым материалом. В результате испытаний установлено, что за одну операцию на указанном аппарате не удается выделить циркон более чем на 55-60 %, степень концентрации в аппарате не превышает 7-8. Контрольная операция центробежной сепарации позволила увеличить извлечение циркона в тяжёлую фракцию до 80-90 %.

Авторами [35] проведены лабораторные исследования на гравитационном центробежном сепараторе Falcon (модель SB-40) с целью извлечения гематита из хвостов ММС Михайловского ГОКа. Складированные запасы хвостов МГОКа с массовой долей железа общего 25-28 % составляют более 300 млн т. В результате из хвостов ММС, содержащих 25,7-27,7 % железа общего, в лабораторных условиях после перечистки получены концентраты с массовой долей железа общего около 60 % при выходе 3,9-4,6 % и извлечении железа 5,7-6,9 % от исходного питания. Предварительное доизмельчение концентрата основной концентрации способствует повышению качества гематитового концентрата до 63 % железа.

В работе отмечено, что работа на промышленных центробежных сепараторах данного типа потребует тщательного подбора параметров.

В [144] исследована возможность извлечения хромита из хвостов одной из фабрик Турции с применением сепараторов MGS. Массовая доля Cr2O3 в хвостах 20,7 %. Хвосты, измельченные до крупности минус 0,3 мм, подавали на сепаратор MGS. В оптимальном режиме работы сепаратора получен концентрат, содержащий 32,9 % Cr2O3 при извлечении 89,6 %. Для повышения качества полученный концентрат подвергнут магнитному обогащению.

Автор [145] приводит примеры применения сепаратора MGS в Индии. При обогащении шламов, содержащих 54,89 % Fe, на сепараторе MGS получен концентрат с массовой долей Fe 66,9 %. Исследования по гравитационному обогащению мелкого угля (менее 0,5 мм) показали, что использование сепараторов MGS является альтернативой флотационному обогащению.

Предложена технология обогащения угольных шламов, предусматривающая раздельное гравитационно-флотационное обогащение фракций плюс 0,3 мм и минус 0,3 мм. Крупный класс обогащается на винтовых сепараторах, а мелкий класс – на центробежных сепараторах с непрерывной разгрузкой концентрата. Хвосты центробежной сепарации направляются на двухстадиальную флотацию. Применение данной технологии позволило повысить качество флотационного концентрата на 3-3,5 % по сравнению с прямой флотационной схемой обогащения [128, 129].

Технологии с применением центробежных сепараторов при обогащении угля разрабатываются и зарубежными исследователями [154].

Турбулизационные центробежные сепараторы, являющиеся объектом настоящих исследований, успешно прошли испытания как в лабораторных, так и в промышленных условиях [38, 52, 68, 79, 81, 107].

Так, при центробежной сепарации продукта дражной переработки россыпей с массовой долей золота 686 г/т и платины 973 г/т с применением турбулизационного центробежного сепаратора К-50 получен концентрат с массовой долей золота 191000 г/т и платины 220800 г/т при извлечении в него золота 88,02 % и платины 97,68 % [81]. Нижний предел крупности извлекаемых частиц благородных металлов достигает 5 мкм.

Из продукта дражной переработки с суммарной массовой долей золота и платины 72 г/т на турбулизационном центробежном сепараторе К-180 в оптимальном режиме получен концентрат, содержащий 0,124 % металлов при извлечении 95,76 % [74].

Проведена оптимизация процесса центробежной сепарации в промышленных условиях на текущих и лежалых хвостах обогатительной фабрики ЗАО “Бурибаевский ГОК” (п. Бурибай, Республика Башкортостан) с массовой долей меди 0,30-0,64 %, цинка – 0,44-0,78 %, золота – 1,2 г/т [68, 78, 85]. В технологическую линию включены турбулизационные центробежные сепараторы К-1000Н. Массовая доля меди в тяжёлой фракции составила 0,82 %, золота 3,3 г/т при извлечении соответственно меди 3,36 %, золота 4,4 %. При центробежной сепарации в тяжёлую фракцию извлекается аппаратное железо. Расход аппаратного железа в тяжёлую фракцию центробежного сепаратора составил 0,4 кг/т. Тяжёлая фракция использована в процессе цементации меди из подотвальных вод. Получен медный концентрат, содержащий меди 21,85 % и золота 3,5 г/т. Извлечение меди из подотвальной воды составило 50,8 %. Извлечение меди из отвальных хвостов в конечный продукт цементации составило 0,58 %. Извлечение золота в конечный продукт цементации из отвальных хвостов составило 3,15 %. Данные промышленные испытания технологии доизвлечения ценных компонентов из хвостов обогатительной фабрики и подотвальных вод показали перспективность реализации технологии с получением из текущих хвостов фабрики обогащённого аппаратным железом продукта и доведением его качества до кондиционного по меди концентрата путём цементации аппаратным железом меди из подотвальных вод.

Турбулизационные центробежные сепараторы включены в технологическую линию переработки хвостов шлихообогатительной установки Южно-Заозерского прииска. За два месяца работы участка переработано около 2 тыс. т хвостов, извлечено около 5 кг благородных металлов [75].

С целью изучения возможности повышения извлечения золота на обогатительной фабрике Березовского рудоуправления проведены исследования по центробежной сепарации на исходном питании флотации [53]. Исследования проведены с использованием турбулизационного центробежного сепаратора К-180. Массовая доля золота в исходной пробе составляла 2 г/т, крупность – 10 % класса плюс 0,4 мм. В результате центробежной сепарации получена тяжелая фракция с массовой долей золота 215 г/т, что соответствует качеству гравитационных концентратов, получаемых в предыдущих операциях. Извлечение золота в тяжелую фракцию составило 19,4 % в расчете на исходную руду. В тяжелой фракции обнаружено значительное количество достаточно крупных частиц золота (более 0,05 мм), которые могли быть потеряны с хвостами флотации.

Проведены исследования по применению турбулизационных центробежных сепараторов для обогащения хромовых руд Курмановского месторождения [137]. Центробежной сепарации подвергали питание концентрационных столов для предварительного сброса большей части хвостов и хвосты концентрационных столов с целью доизвлечения ценного компонента. Установлено, что внедрение центробежной сепарации позволяет повысить выход концентрата на 5-10 % при повышении извлечения Cr2O3 на 3-5 %.

В [33] показана эффективность применения турбулизационных центробежных сепараторов при переработке отходов Екатеринбургского завода по обработке цветных металлов и разработана технологическая схема, позволяющая получить извлечение на уровне 97-98 %.

Таким образом, анализ практики применения центробежных сепараторов показал, что область применения данных аппаратов обширна, начиная от традиционного их применения при извлечении благородных металлов и заканчивая использованием центробежных сепараторов для обогащения угля.

Примеры успешных испытаний турбулизационных центробежных сепараторов открывают большие перспективы в области разработки эффективных технологий обогащения различных типов руд и техногенного сырья с применением сепараторов данного типа.

В связи с постепенным истощением сырьевой базы в переработку вовлекаются руды и техногенное сырье, которые имеют сложный вещественный состав, отличаются тонкой вкрапленностью и низким содержанием ценных компонентов. Перспективным направлением переработки такого сырья является применение безнапорных центробежных сепараторов, в которых разделение минералов происходит под действием центробежных ускорений, в десятки и сотни раз превышающих ускорение свободного падения. Использование центробежных сепараторов позволяет упростить технологические схемы обогащения и обеспечить большую глубину обогащения сырья за счет эффективного улавливания тонких частиц ценных компонентов, не извлекаемых другими методами.

Стремление к повышению технологических показателей разделения минералов в центробежном поле привело к созданию множества различных конструкций центробежных сепараторов, отличающихся способом разрыхления минеральной постели и способом разгрузки тяжелой фракции. Неоспоримым преимуществом обладают аппараты, в которых не используется дополнительная вода для разрыхления минеральной постели (ЦВК, ЦВКП, ЦКПП), однако, ряд недостатков, связанных со сложностью их конструкции, ограничивает возможность создания высокопроизводительных аппаратов. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили центробежные сепараторы, осуществляющие разрыхление минеральной постели за счет подачи дополнительной воды внутрь улавливающего конуса навстречу оседающим частицам (Knelson, Falcon, ИТОМАК). Такой способ разрыхления минеральной постели приводит к пониженному извлечению тяжёлых частиц крупностью менее 30-40 мкм. Турбулизационные центробежные сепараторы, отличительной особенностью которых является разрыхление пристеночного слоя материала изнутри конуса с помощью струйных турбулизаторов, обладают более низким расходом турбулизирующей воды по сравнению с сепараторами Knelson, ИТОМАК. Разрыхление минеральной постели при помощи турбулизаторов позволяет работать при высоких центробежных ускорениях, снижает нижний предел крупности извлекаемых тяжёлых частиц.

В целом, увеличение производительности центробежных сепараторов, возможность работы аппарата в режиме с непрерывной разгрузкой тяжелой фракции привели к усложнению их конструкции и, соответственно, увеличению их стоимости. Поэтому общими направлениями совершенствования центробежных сепараторов могут быть упрощение конструкции, снижение металло- и энергоемкости, повышение эксплуатационной надежности аппаратов.