Электрическая сепарация минерального сырья представляет собой процесс разделения сыпучих смесей веществ по физическому составу, крупности или форме с использованием энергии электрического поля. Электрическая сепарация используется для двух целей: электрического обогащения и электрической классификации. Электрическое обогащение процесс разделения смесей веществ по их физическим свойствам. Электрическая классификация процесс разделения частиц одного вещества по размерам частиц.
Физические закономерности электрического обогащения и классификации имеют общие основы.
Трибоэффект открыл в 600 году до н.э. Фалес Милетский, который обнаружил электризацию янтаря при натирании его мехом или сукном. Однако только в 1881 году был зарегистрирован патент на способ электрического разделения золота и кварца.
Таблица 8.1 Классификация сепараторов
По способусепарации: |
по электропроводности |
трибо-электростатичская |
пиро-электрическая |
диэлектричская (по ) |
|
|
По характеристикам поля в рабочем промежутке: |
электростатическая , короннаякоронно-электростатическая |
электростатическая |
|||
|
Конструктивные признаки: |
в тонком слое: барабанные, лотковые , в объеме: камерные, с кипящим слоем, флюидизационные,пневматические дутьевого типа |
||||
В настоящее время осуществляют обогащение: железных, титановых, оловянных и других руд цветных металлов; разделение смеси порошков, различающихся по физическим свойствам.
Классификация осуществляется при разделении асбеста и слюды по форме; алмазных порошков по размерам.
Классификация электросепараторов производится по физическим принципам, составляющим основу процесса разделения, и по конструктивным признакам.
Сепарация по электропроводности
сепаратор электростатический барабанный
Барабанные электростатические сепараторы
На барабанных электростатических сепараторах осуществляется разделение сыпучих веществ, имеющих различную удельную электропроводность. На рис. 1. представлена конструкция такого сепаратора. Электростатическое поле создается между некоронирущим высоковольтным электродом 3 и заземленным барабаном (осадительным электродом) 2. Частицы разделяемых материалов из дозатора попадают на поверхность вращающегося барабана.
Рис. 1. Схема барабанного электростатического сепаратора 1 дозатор, 2 металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 3 некоронирующий высоковольтный электрод, 4 приемник для непроводящих частиц I, проводящих частиц III и их смеси II.
После перемещения их в зону электростатического поля проводящие частицы в результате контактной зарядки приобретают заряд противоположный по знаку потенциалу высоковольтного электрода. Возникающая при этом сила электрического поля отрывает частицы от поверхности барабана и они попадают в приемник III. Непроводящие частицы не успевают приобрести избыточный заряд и под действием сил тяжести падают в приемник I. В приемник II попадает смесь из проводящих и непроводящих частиц, не прошедших разделение.
Скорость вращения барабана составляет 40400 об/мин. Напряженность электростатического поля Еэл.ст = 34 кВ/см. Производительность сепаратора на погонный метр длины составляет Q 2 т/(мч).
Диаметр сепарируемых частиц находится в диапазоне 100 мкм 3 мм.
Барабанные коронные сепараторы
Для более эффективного разделения материалов по проводимости стали использовать сепараторы, у которых зарядка частиц осуществляется в поле коронного разряда. Это приводит к появлению заряда на непроводящих частицах, причем того же знака, что и коронирующий электрод. Значит, возникает электрическая сила, удерживающая эти частицы на поверхности барабана в зоне разделения материалов. Кроме того, непроводящие частицы удерживаются на поверхности барабана силами зеркального отображения вплоть до удаления их с помощью скребка.
В результате разделение проводящих и непроводящих материалов происходит на разных сторонах поверхности барабана, что обеспечивает более селективное отделение проводников от непроводников.
Рис. 2. Схема барабанного коронного сепаратора 1 дозатор, 2 металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 3 коронирующий высоковольтный электрод, 4 приемник для непроводящих частиц I, проводящих частиц III и их смеси II, 5 скребок.
Барабанные коронно-электростатические сепараторы
Наибольшее распространение получили коронно-электростатические сепараторы (рис. 3), у которых вслед за коронирующим электродом 3 размещается высоковольтный некоронирующий отклоняющий электрод 4. В этих сепараторах механизм зарядки частиц в зоне коронного разряда аналогичен предшествующему варианту. Введение в рабочую зону дополнительного электростатического поля увеличивает роль электрических сил, способствующих более раннему отклонению проводящих частиц от барабана. Частицы диэлектриков, при прочих равных условиях, удерживаются на большем участке периметра барабана. В результате этого увеличивается разница в траекториях проводящих и непроводящих частиц. Таким образом, электродная система является важнейшим узлом этих сепараторов.
Осадительные электроды изготавливают обычно из стальных труб, которые имеют диаметр 125350 мм и длину до 2 м. Для уменьшения влияния адгезионных сил поверхность осадительных электродов должна быть гладкой, поэтому ее хромируют и полируют.
Рис.3. Схема барабанного коронно-электростатического сепаратора 1 дозатор, 2 металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 3 коронирующий высоковольтный электрод, 4 отклоняющий электрод, 5 приемник для непроводящих частиц I, проводящих частиц III и их смеси II, 6 скребок.
Получили распространение два типа коронирующих электродов: проволочные и игольчатые. Проволочные электроды выполняют из нихромовой или вольфрамовой проволоки диаметром 0,250,4 мм. Игольчатые электроды монтируют на несущем стержне на расстоянии 36 мм друг от друга.
Конструкции отклоняющих электродов весьма разнообразны. На рис. 4. показаны комбинации проволочного коронирующего электрода и различных отклоняющих электродов.
Рис. 4. Схемы расположения электродов барабанных коронно-электростатических сепараторов а) пластинчатый отклоняющий электрод, заряжаемый от коронирующего, б) пластинчатый отклоняющий электрод, подключенный к коронирующему, в) пластинчатый отклоняющий электрод, подключенный к коронирующему и расположенный за ним, г) цилиндрический отклоняющий электрод, соединенный с коронирующим, д) система с несколькими коронирующими и заземленным отклоняющим электродами, е) цилиндрический отклоняющий электрод, покрытый слоем из диэлектрика толщиной , заряжаемый от коронирующего. 1- коронирующий электрод, 2 — отклоняющий электрод.
Наличие вращающихся деталей и трущихся частей, работающих в запыленной атмосфере, вызывает их быстрый износ. Кроме того, эти сепараторы мало эффективны при разделении тонкоизмельченного материала крупностью ниже 5070 мкм вследствие адгезионного взаимодействия минеральных частиц между собой и с поверхностью барабана.
Лотковые наклонные электростатические сепараторы
Данные типы сепараторов нашли широкое применение при разделении титаносодержащих руд. Сепарируемые материалы из бункера 1 (рис. 5) попадают на наклонную плоскость, расположенную под углом 2042 к горизонтали.
Рис.5. Конструкция лоткового наклонного электростатического сепаратора 1 дозатор, 2 пластинчатый наклонный (осадительный) электрод, 3 коронирующий электрод, 4 отклоняющий электрод, 5 дополнительный отклоняющий электрод, 6 приемник.
Скользя по заземленному лотку сначала в поле коронного разряда, создаваемом между электродами 3 и 2, а затем в электростатическом поле, образуемом электродами 4 и 2, проводящие частицы рутила заряжаются положительно и концентрируются в верхней части слоя. Непроводящие частицы циркона заряжаются отрицательно и концентрируются в нижней части слоя. Электростатическое поле способствует лучшему разделению частиц. Для лучшего разделения частиц минералов под наклонной плоскостью размещают дополнительный отклоняющий электрод 5, на который подают высокое напряжение положительной полярности. На процесс сепарации существенно влияют длина и угол наклона заземленного электрода 2. Для уменьшения влияния адгезионных сил и контактного сопротивления между поверхностью заземленного электрода и частицами пластинчатый электрод изготавливается из графитосодержащего материала. Производительность сепаратора достигает Q = 3 т/(мч).
Для барабанных и лотковых сепараторов удельная электропроводность разделяемых материалов должна отличаться на 24 порядка.
Трибоэлектростатическая сепарация
Для разделения материалов, имеющих низкую электропроводность и различающихся трибоэлектрическими зарядами, электризацию частиц производят:
— либо при трении частиц между собой,
- либо при трении частиц о специальную поверхность трибоэлектризующего элемента.
Рис.6. Схема барабанного трибоэлектростатического сепаратора 1 дозатор, 2 электризующий элемент, 3 металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 4 некоронирующий высоковольтный электрод, 5 приемник для отрицательно заряженных частиц I, положительно заряженных частиц III и незаряженных частиц II, 6 скребок.
Камерные электростатические сепараторы свободного падения. После зарядки разделяемый материал поступает из дозатора в зону с электростатическим полем. Поле создается вертикально расположенными некоронирующими электродами. Падая вниз под действием сил тяжести, частицы отклоняются в сторону электродов под действием кулоновских сил.
Рис. 7. Схема камерного электростатического сепаратора 1 дозатор, 2 заземленный электрод, 3 высоковольтный электрод, 4 приемник сепарируемых материалов (I отрицательно заряженного, II незаряженного и III положительно заряженного).
Рис. 8. Схема камерного трубчатого электростатического сепаратора 1 дозатор, 2 электродвигатель, 3 щетки для очистки осадительных электродов 4, 5 приемник сепарируемых материалов, 6 отсекающие шиберы
Направление действия электрической силы зависит от знака избыточного заряда частицы. На рис. 7 приведена схема камерного электростатического сепаратора. Расширение межэлектродного расстояние в нижней части сепаратора позволяет расширить веер разделяемых материалов и улучшить таким образом их сепарацию. Преимуществом данного типа сепараторов является большая производительность, так как процесс разделения частиц материала осуществляется не на поверхности электрода, а в межэлектродном пространстве. Недостатком данной конструкции является постепенное накапливание слоя частиц в результате осаждения частиц на электроды. При образовании на электроде слоя пыли определенной величины он отваливается от электрода и часть отсепарированного материала попадает в непригодные хвосты.
Для предотвращения накапливания осевших частиц производят очистку осадительных электродов. На рис. 8. представлена конструкция камерного электростатического сепаратора фирмы «Кали унд Зальц АГ» (Германия).
Осадительные электроды сепаратора представляют собой два ряда параллельно установленных вертикальных вращающихся вокруг своей оси труб. Они очищаются от налипшей пыли неподвижными щетками, укрепленными параллельно трубам с тыльной стороны. Промышленные сепараторы такого типа имеют рабочую длину электродов 10 м, расстояние между электродами 250 мм. Напряженность электростатического поля 45 кВ/см. Удельная производительность сепаратора составляет 1030 т/(мч).
Сепараторы с кипящим слоем (трибоэлектростатические флюидизационные сепараторы)
Рис. 9. Схема сепаратора с кипящим слоем 1 транспортер с проводящей заземленной лентой, 2 ванна с пористой перегородкой 3; 4 кипящий слой порошка, 5 скребок, 6 приемный бункер для концентрата.
Сепаратор состоит из флюидизационной ванны 2 (рис. 9), которая имеет пористую перегородку 3 со слоем 4 смеси порошковых материалов, подлежащих сепарации. Через пористую перегородку в ванну подают восходящий поток воздуха и частицы порошка переводятся во взвешенное состояние. Частицы заряжаются при столкновении друг с другом. В ванне на некотором расстоянии от пористой перегородки установлены проволочные электроды, к которым подводится высокое напряжение. Электростатическое поле, создаваемое между высоковольтными электродами и проводящей заземленной лентой транспортера 1, вытягивает из кипящего слоя частицы одного из разделяемых материалов, заряженные тем же знаком, что и потенциал высоковольтных электродов. Осаждаясь на проводящую ленту транспортера, частицы удерживаются силами зеркального отображения вплоть до момента удаления их скребком 5 в бункер для концентрата. Частицы другого из разделяемых материалов, заряженные противоположным зарядом, концентрируются около высоковольтных электродов и периодически разгружаются из ванны через сливные отверстия.
Пироэлектрическая сепарация
Некоторые кристаллические материалы при нагреве и резком охлаждении электризуются.
Для реализации этой зарядки с помощью барабанных сепараторов (рис. 10) стенки бункера-дозатора 1 выполнены в виде нагревательных элементов 3. Нагретый материал, попадая на холодную поверхность барабана 2, быстро охлаждается. Кристаллические материалы, склонные к пироэлектризации заряжаются и удерживаются на поверхности барабана силами зеркального отображения вплоть до удаления их скребком 5 в приемник I. Частицы других материалов не заряжаются, отрываются от поверхности барабана и попадают в приемник III.
Рис.10. Схема барабанного пироэлектрического сепаратора 1 дозатор, 2 металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 3 электронагреватели, 4 приемник для электризующихся частиц кристаллов I, неэлектризующихся частиц III и их смеси II, 5 скребок.
Диэлектрическая сепарация
Диэлектрическая сепарация основана на различии в значениях и направлениях пондеромоторных сил, действующих на поляризованные частицы твердых тел в неоднородном электрическом поле. Пондеромоторная сила равна:
где 1 относительная диэлектрическая проницаемость частицы, 2 относительная диэлектрическая проницаемость среды, а радиус сферической частицы, Е напряженность электрического поля.
В диэлектрических сепараторах разделяемый дисперсный материал подают в неоднородное электрическое поле, создаваемое электродами различной конфигурации. Разделение осуществляют в жидкой, реже в воздушной, непроводящей среде. Поведение частиц определяется разностью диэлектрических проницаемостей частицы 1 и среды 2 . В том случае, когда 1 (1) > 2 частица втягивается в область с наибольшей напряженностью электрического поля; если же 1 (2) < 2 частица выталкивается из этой области. Практически для любой пары минералов и других веществ можно подобрать условия, при которых они разделяются.
Рабочее пространство сепараторов заполняют жидкой средой, состоящей из двух смешивающихся компонентов, диэлектрическую проницаемость которой можно регулировать в широких пределах изменением соотношения составных частей. В качестве среды используют смеси: керосин нитробензол, скипидар нитробензол, четыреххлористый углерод метиловый спирт, гексан ацетон, керосин диметилформамид и др. Таким образом, удается получить необходимое соотношение между относительными удельными электрическими постоянными среды и частиц.
В диэлектрических сепараторах применяют, как правило, изолированные проволочные электроды, на которые подают высокое напряжение переменной полярности промышленной частоты для исключения зарядки и налипания частиц на электроды.
Рис. 11. Схема диэлектрического сепаратора щелевого типа (провода в диэлектрических пазах) 1 диэлектрические плоскости, 2 провода в пазах, 3 силовые линии, 4 поток разделяемых частиц, 5 частицы с 1 (2) < 2 , 6 частицы с 1 (1) > 2
Конструкции диэлектрических сепараторов разделяют на следующие виды: щелевого типа (провода в диэлектрических пазах); с направляющей плоскостью (диэлектрические пластины с прорезями между плоскими электродами); с пространственным расположением электродов, при сепарации в воздушной среде.
В диэлектрических сепараторах щелевого типа (рис. 11.) проволочные электроды 2 монтируют в вертикально установленные диэлектрические пластины 1. При свободном падении в жидкой среде частицы минералов с диэлектрической проницаемостью больше таковой у среды втягиваются в область наибольшей напряженности. Частицы, имеющие диэлектрическую проницаемость меньшую, чем у среды, остаются в области с наименьшей напряженностью электрического поля и осаждаются в жидкости, не отклоняясь к диэлектрическим пластинам.
