Электростатическое обогащение руд. Электрические методы обогащения
Сущность электрических методов обогащения
Электрические методы обогащения основаны на различии электрических свойств разделяемых минералов. Различаясь по электропроводности, диэлектрической проницаемости, контактному потенциалу, трибоэлектрическому, пироэлектрическому или пьезоэлектрическому эффекту, они приобретают при зарядке различную величину или знак заряда и, как следствие, разную траекторию движения в электрическом поле, обеспечивая разделение частиц по их электрическим свойствам или электрическую сепарацию минералов.
Зарядка частиц сепарируемого материала может осуществляться контактированием с заряженным электродом, ионизацией в электрическом поле коронного разряда, электризацией трением, изменением температуры, давления и другими способами. Выбором способа зарядки частиц обеспечивается наибольшее различие в электрических свойствах основных разделяемых минералов и тем самым максимальная эффективность электрической сепарации.
На каждую заряженную минеральную частицу при сепарации в электрическом поле действуют:
электрическая кулоновская сила F э, обусловленная притяжением частицы к противоположно заряженному электроду и отталкиванием ее от одноименно заряженного как в однородном, так и в неоднородном поле. Влияние Р э на траекторию движения частиц практически нивелируется только в поле переменной полярности из-за механической инерции частиц;
сила зеркального отображения F 3 , обусловленная взаимодействием остаточного заряда частицы и вызванного этим зарядом на поверхности электрода равного по величине индуктивного заряда. Сила направлена к электроду. По абсолютной величине она значительно меньше Р э и ее действие заметно лишь вблизи электрода или при соприкосновении с ним;
пондеромоторная сила F п обусловленная разницей между значениями диэлектрической проницаемости частицы ε ч и среды ε с, в которой осуществляется сепарация. Она стремится вытолкнуть частицу в более слабые участки поля, если ε ч < ε с, и наоборот втянуть при ε ч > ε с. Сила проявляется только в неоднородном поле, в том числе, в отличие от F э, и в полях переменной полярности. Она весьма мала в воздушной среде по сравнению с F э и достигает больших значений в жидкостях с высокой диэлектрической проницаемостью;
механические силы, основными из которых являются сила гравитационного притяжения,F Г центробежная сила F ц силы сопротивления среды F с.
Силы молекулярного сцепления частиц между собой и с электродами, сила трения между частицами и электродом для частиц крупнее 0,1 мм, а также инерционные силы, действующие на завершающем этапе сепарации, сравнительно малы и обычно не учитываются.
Разделение различно заряженных частиц происходит в результате воздействия на них электрических и механических сил в рабочей зоне сепаратора. Соотношение сил и эффективность разделения при этом будут зависеть от различия электрических свойств разделяемых минералов, изменения напряженности электрического поля во времени (постоянное или переменное) и пространстве (однородное или переменное), наличия движущихся носителей заряда (ионов, электронов), вида среды разделения (газ или жидкость) и характера движения материала в рабочем пространстве электрических сепараторов.
В сепараторах с криволинейным транспортирующим электродом барабанного типа (рис. 6.1, а ) процесс разделения минералов происходит в воздушной среде.
Рис. 6.1.Векторные диаграммы сил, действующих на частицы в сепараторах: а, б - барабанном электростатическом; в - плоскостном электростатическом; г - камерном электростатическом; д - диэлектрическом; 1 - положительно заряженная частица; 2 - отрицательно заряженная частица
Неоднородное электростатическое или электрическое поле постоянной полярности напряженностью до 10 кВ/см создается между барабаном и отстоящим от него на некотором расстоянии вторым электродом или системой электродов. Электрическая сила F э будет прижимать к барабану частицы, имеющие знак заряда, противоположный знаку полярности барабана, и отталкивать от него одноименно заряженные частицы. Сила зеркального отображения F 3 , направлена к центру барабана, удерживая частицы на его поверхности. Центробежная сила F ц , наоборот, стремится оторвать частицы от поверхности. Гравитационная сила F г действует вертикально вниз, ее составляющие зависят от угла поворота барабана. Пондеромоторная сила F п
направлена от центра барабана, поскольку диэлектрическая проницаемость минералов больше, чем воздуха, и концентрация силовых линий поля повышается в направлении ко второму электроду. Однако сила F п , как и сила сопротивления воздушной среды F с для зернистых частиц в рабочей зоне сепаратора, относительно невелика и их можно не учитывать.
Результирующая сила F, определяющая траекторию движения частиц в электрическом поле сепаратора, является векторной суммой основных взаимодействующих сил:
В сепараторах с плоским транспортирующим электродом (рис. 6.1, в ) между ним и расположенным сверху вторым электродом или системой электродов создается электрическое или электростатическое поле напряженностью 2-4 кВ/см. Результирующая сила F, определяющая траекторию разделяемых частиц, складывается из электрической силы F э , силы зеркального отображения F з , и гравитационной силы F г , вызывающих движение частиц по плоскости и существенно влияющих на разделение минералов, резко различающихся по форме:
Силами F с и F п , как и в первом случае, можно пренебречь.
В камерных сепараторах (рис. 6.1, г) электростатическое поле постоянной полярности напряженностью 2 - 4 кВ/см создается между пластинчатыми электродами. Разделение частиц, обладающих различными зарядами, осуществляется в процессе их свободного падения между электродами. При этом движение частиц в горизонтальном направлении определяется в основном электрической силой F э , вызывающей притяжение частиц к противоположно заряженному электроду и отталкивание их от одноименного электрода. Сила F 3 начинает проявляться только при приближении частиц к одному из них, поэтому, как и сила F п , практически не влияет на их разделение. В вертикальном направлении на каждую частицу будут действовать разнонаправленные силы тяжести F Г и сопротивления среды F п.
Разделение минералов в непроводящей жидкости в диэлектрических сепараторах (рис. 6.1, д) происходит в резко неоднородном электрическом поле переменной полярности напряженностью до 5 кВ/см. Определяющей процесс силой в этих условиях является пондеромоторная сила F п. Под ее действием частицы с диэлектрической проницаемостью ε 2 , большей ε с, втягиваются в область поля наибольшей напряженности у электрода с малым радиусом кривизны, тогда как частицы с ε 2 , меньшей ε с, выталкиваются из этой области. Из механических сил влияют на разделение частиц силы тяжести F Г и сопротивления среды как в вертикальном F с, так и горизонтальном, F" с направлении.
Электрические методы обогащение основаны на различиях в электрических свойствах разделяемых минералов и осуществляется под влиянием электрического поля.
Электрические методы применяются для мелких (– 5 мм) сухих сыпучих материалов, обогащение которых другими методами затруднено или неприемлемо по экономическим или экологическим соображениям.
Из многочисленных электрических свойств минералов в основу работы промышленных сепараторов положено два: электропроводность и трибоэлектрический эффект. В лабораторных условиях может также использоваться различие в диэлектрической проницаемости, пироэлектрический эффект.
Мерой электропроводимости вещества служит удельная электропроводность (l), численно равная электропроводности проводника длиной 1 см с поперечным сечением 1 см 2 , измеряемая в омах в минус первой степени на сантиметр в минус первой степени. В зависимости от электропроводимости все минералы условно делят на три группы: проводники, полупроводники и непроводники (диэлектрики).
Минералы-проводники характеризуются высокой удельной электропроводностью (l = 10 6 ¸10 ом - 1 ×см - 1). К ним относятся самородные металлы, графит, все сульфидные минералы. Полупроводники имеют меньшую удельную электропроводность (l = 10¸10 - 6 ом - 1 ×см - 1), к ним относятся гематит, магнетит, гранат и др. Диэлектрики в отличие от проводников обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их электропроводность ничтожно мала (l < 10 - 6 ом - 1 ×см - 1), они практически не проводят электрический ток. К диэлектрикам относится большое число минералов, в том числе алмаз, кварц, слюда, самородная сера и др.
Трибоэлектрический эффект - это возникновение электрического заряда на поверхности частицы при ее соударении и трении с другой частицей или со стенками аппарата.
Диэлектрическая сепарация основана на различии в траекториях движения частиц с различной диэлектрической проницаемостью в неоднородном электрическом поле в диэлектрической среде, имеющей диэлектрическую проницаемость промежуточную между проницаемостями разделяемых минералов. При пироэлектрической сепарации нагретые смеси охлаждаются, соприкасаясь с холодным барабаном (электрод). Одни компоненты смеси поляризуются, а другие остаются незаряженными.
Сущность электрического способа обогащения состоит в том, что на частицы, имеющие различный заряд, в электрическом поле действует разная по значению сила, поэтому они движутся по различным траекториям. Главная сила, действующая в электрических методах – кулоновская сила:
где Q – заряд частицы, E – напряженность поля.
Процесс электрической сепарации можно условно разделить на три стадии: подготовка материала к сепарации, зарядка частиц и разделение заряженных частиц.
Зарядка (электризация) частиц может осуществляться разными способами: а) контактная электризация осуществляется непосредственным соприкосновением частиц полезного ископаемого с заряженным электродом; б) зарядка ионизацией заключается в воздействии на частицы подвижными ионами; наиболее распространенный источник ионов – коронный разряд; в) зарядка частиц за счет трибоэлектрического эффекта.
Для разделения материалов по электропроводности применяют электростатические, коронные и коронно-электростатические сепараторы. По конструктивному признаку наибольшее распространение получили барабанные сепараторы.
В барабанных электростатических сепараторах (рис. 2.21, а ) электрическое поле создается между рабочим барабаном 1 (являющимся электродом) и противопоставленным цилиндрическим электродом 4. Материал питателем 3 подается в рабочую зону. Электризация частиц осуществляется за счет контакта с рабочим барабаном. Проводники получают заряд, одноименный с зарядом барабана, и отталкиваются от него. Диэлектрики практически не заряжаются и падают по траектории, определяемой механическими силами. Частицы собираются в специальный приемник 5, разделяемый при помощи подвижных перегородок на отсеки для проводников (пр), непроводников (нп) и частиц с промежуточными свойствами (пп). В верхней зоне коронного сепаратора (рис. 2.21, б ) все частицы (и проводники и диэлектрики) приобретают одноименный заряд, сорбируя ионы, образовавшиеся за счет коронного разряда коронирующего электрода 6. Попадая на рабочий электрод, частицы-проводники моментально перезаряжаются и приобретают заряд рабочего электрода. Они отталкиваются от барабана и попадают в приемник проводников. Диэлектрики фактически не разряжаются. За счет остаточного заряда они удерживаются на барабане, их снимают с него при помощи очищающего устройства 2.
Наиболее распространенный коронно-электростатический сепаратор (рис. 2.21, в ) отличается от коронного дополнительным цилиндрическим электродом 4, на который подается такое же напряжение, как на коронирующий. (Радиус кривизны цилиндрического электрода значительно больше, чем коронирующего, но меньше, чем рабочего барабана - электрода.) Цилиндрический электрод способствует более раннему отрыву проводящих частиц и позволяет «растянуть» проводники-диэлектрики на большее расстояние по горизонтали.
Если разница в электропроводностях частиц незначительна, то разделение на вышеупомянутых сепараторах невозможно и тогда используют трибоэлектростатический сепаратор. Здесь также наибольшее распространение получил барабанный сепаратор (рис 2.22). Конструктивно этот аппарат весьма близок к электростатическому сепаратору, но имеет дополнительный элемент – электролизер, изготовляемый либо в виде вращающегося барабана, либо в виде вибролотка. Здесь происходит трение частиц минералов друг об друга и об поверхность электризера. При этом частицы различных минералов приобретают разноименный заряд.
Способы электрического обогащения, основанные на различии в диэлектрической проницаемости и на пирозаряде частиц (зарядка при нагревании) не получили промышленного применения.
Электрические методы обогащения относительно широко применяют при переработке руд редких металлов, они особенно перспективны в засушливых районах, так как не требуют воды. Также электрические методы можно использовать для разделения материалов по крупности (электрическая классификация) и для очистки газов от пыли.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ю.Л. Папушин
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
"Магнитные и электрические процессы обогащения"
ч. 2 "Электрические процессы обогащения"
для студентов специальности 7.090302
("Обогащение полезных ископаемых")
Утверждено на заседании
методкомиссии специальности
"Обогащение полезных ископаемых"
Донецк – 2002
Конспект лекций по дисциплине "Магнитные и электрические процессы обогащения", часть 2 –"Электрические процессы обогащения" (для студентов специальности 7.090303 «Обогащение полезных ископаемых» дневной и заочной форм обучения) /Ю.Л. Папушин. – Донецк: ДонНТУ, 2002. –20 с.
Конспект подготовлен в соответствии с действующей программой дисциплины "Магнитные и электрические процессы обогащения" и содержит вторую ее часть – "Электрические процессы обогащения", где рассмотрены вопросы: физические основы электрического обогащения, виды электрической сепарации и способы их реализации, динамика движения руды в сепараторах, конструкции электрических сепараторов, подготовка руд к электрической сепарации.
Составитель доц. Ю.Л. Папушин
Рецензенты к.т.н. В.Н.Бредихин
1 Введение
1.1 Сущность электрических методов обогащения.
Электрическое обогащение основано на применении различия в электрических свойствах разделяемых минералов. К этим свойствам относятся: электропроводность, диэлектрическая проницаемость, проявление эффектов - трибоэлектрического, контактного потенциала, пироэлектрического.
Сущность электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом. Заряд частицы получают искусственно одним из способов, выбираемым в зависимости от их наиболее контрастных электрических свойств. Электрическая сепарация осуществляется как в однородном, так и в неоднородном электрическом поле.
Диэлектрическая сепарация может осуществляться только в неоднородном электрическом поле, где возникают пондеромоторные силы, зависящие от диэлектрической проницаемости среды и разделяемых минералов.
Обогащения производится в электрических или диэлектрических сепараторах.
1.2 Область применения электрических методов обогащения
Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых материалов крупностью от 3 до 0.05 мм, обогащение которых другими методами малоэффективно либо экономически нецелесообразно.
Область применения данных методов весьма обширна. Это - обогащение кварца, граната, алмазов, вольфрамовых, фосфоритовых, касситеритовых, тантало-ниобиевых, титаносодержащих руд и россыпных песков.
Например, при обогащении вольфрамитовых руд крупностью 0.1 – 1.5 мм с содержанием вольфрамита в исходном 1.5 % получают концентрат с содержанием вольфрамита 33 – 35 % при извлечении до 97 %.
Методы применяются и при доводке коллективных концентратов таких, как титано-цирконовых, ильменито-рутило-цирконо-моноцитовых, тантало-ниоби-евых, танталит-колумбитовых, оловяно-вольфрамовых и др.
Например, из первичного тантало-ниобиевого концентрата электрическими методами (совместно с магнитными) извлекают танталит (тантал), колумбит (ниобий), монацит (торий, цезий), циркон (цирконий, гафний, торий), касситерит (свинец), берилл (бериллий, изумруд, аквамарин), гранат и пр.
Электрические методы нашли применение и при сухой классификации материалов по крупности, например, при обеспыливании и классификации строительных и кварцевых песков, вермикулита, различных солей, металлических и неметаллических порошков и пр.
2 Физические основы электрического обогащения
2.1 Общие сведения.
Электрическое поле – форма существования материи вблизи электрических зарядов. Более конкретно – это пространство, в котором проявляется действие электрических сил на заряженные частицы.
Основная характеристика электрического поля – напряженность (Е). Напряженность поля в точке – это величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный заряд, помещенный в данную точку, к величине этого заряда, т.е. E = F / Q .
Электрическое поле, как и магнитное, может быть однородным (рис.1.1а) и неоднородным (рис.1.1б). Неоднородность поля характеризуется градиентом: grad Е= dE / dx . Для однородных электрических полей gradЕ = 0.
Среда, в которой взаимодействуют электрические заряды, характеризуетсядиэлектрической проницаемостью (ε с ), которая показывает, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной среде меньше, чем в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость вещества (ε в ) характеризует поляризуемость диэлектрика.
Вспомним и о понятии абсолютной диэлектрической проницаемости–(ε а ), которая оценивается: ε а = εε о , где ε о – электрическая постоянная, ε о = 8.85·10 -12 Ф/м.
Одна из основных электрических характеристик веществ - электропроводность (единица измерения - Сименс), либо удельная электропроводность (единица измерения –См/м). Последний показатель – величина, обратная удельному сопротивлению.
По электропроводности все минералы классифицируются на 3 группы:
Проводники (П) – удельная электропроводность 10 – 10 4 См/м.
Полупроводники (ПП ) – удельная электропроводность 10 -1 – 10 -8 См/м.
Непроводники (НП) – удельная электропроводность <10 -8 См/м.
Величина электропроводности слагается из объемной и поверхностной составляющей. Последняя зависит от состояния поверхности. Путем нанесения на поверхность реагентов в виде аэрозолей можно целенаправленно изменять проводимость минералов в нужном направлении.
К минералам проводниковой группы относятся магнетит, титаномагнетит, ильменит, рутил, пирит, галенит, графит и другие минералы.
К полупроводникам относятся доломит, гематит, псиломелан, халькопирит, молибденит, вольфрамит, сфалерит и пр.
К непроводникам относятся кварц, циркон, турмалин, асбест, боксит, пирохлор и другие минералы.
В электрическом поле минералы проводниковой и непроводниковой группы ведут себя различно.
На поверхности проводника, помещенного в электрическое поле, появляются электрические заряды, причем на одном конце концентрируется избыток электронов (вблизи положительного электрода), на другом – наблюдается их недостаток, т.е. появляется положительный заряд. Это явление связано с переходом электронов от атома к атому на верхних орбитах их движения. При удалении проводника из поля восстанавливается первоначальное состояние.
При контакте проводника с заряженным телом (электродом) происходит обмен зарядов, проводник приобретает одноименный заряд и испытывает силы отталкивания от электрода.
Помещение в электрическое поле непроводника (диэлектрика) сопровождается смещением в нем зарядов (переориентацией электрических диполей в соответствии с направлением напряженности электрического поля). На концах диэлектрика также появляются заряды, но при контакте с электродом переход зарядов невозможен, кулоновские силы притягивают непроводник к электроду.
Электрические методы обогащения основаны на различии в электрических свойствах минералов, а именно на различии в электропроводности и диэлектрической проницаемости.
Во многих веществах существуют свободные заряженные микрочастицы. Свободная частица отличается от "связанной" тем, что она может передвигаться на большое расстояние под действием сколь угодно малой силы. Для заряженной частицы это означает, что она должна приходить в движение под действием сколь угодно слабого электрического поля. Именно это наблюдается, например, в металлах: электрический ток в металлическом проводе вызывается сколь угодно малым напряжением, приложенным к его концам. Это и свидетельствует о наличии в металле свободных заряженных частиц.
Характерно, что носители свободны только внутри проводника, то есть не могут беспрепятственно выходить за его границу.
Проводниками являются металлы, электролитические жидкости. В металлах носителями являются электроны, в электролитических жидкостях носителями являются ионы (могут иметь положительный и отрицательный заряд).
Под действием внешнего электрического поля положительные носители движутся вдоль поля, а отрицательные – против поля. Это приводит к возникновению тока, направленного вдоль поля.
Упорядоченное движение носителей зарядов, приводящее к переносу заряда, называется электрическим током в веществе. Электрический ток возникает под действием электрического поля. Свойство вещества проводить электрический ток называется электропроводностью.
По величине электрической проводимости все минералы делятся на три группы:
1. Проводники с электрической проводимостью 10 2 – 10 3 См/м
Сименс (См) – проводимость такого проводника, в котором проходит сила тока 1А при напряжении на концах проводника в 1В.
2. Полупроводники с электрической проводимостью 10 – 10 -8 См/м
3. Непроводники (диэлектрики) с электрической проводимостью
< 10 -8 См/м
Например, графит, все сульфидные минералы являются хорошими проводниками. Вольфрамит (Fe,Mn)WO 4 (10 -2 -10 -7) и касситерит SnO 4 (10 -2 -10 2 или 10 -14 -10 -12) обладают умеренной электропроводностью, а силикатные и карбонатные минералы очень плохо проводят электричество.
Электрические методы применяются при обогащении титаноциркониевых, титанониобиевых, оловянно-вольфрамовых коллективных концентратов, а также при обогащении фосфоритов, угля, серы, асбеста и многих других полезных ископаемых, переработка которых другими методами (гравитационным, флотационным, магнитным) не эффективна.
Физическая сущность процесса электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом.
В электрическом поле заряженные частицы под действием электрических и механических сил движутся по различным траекториям.
Это свойство используется для разделения минеральных зерен в аппаратах, называемых электрическими сепараторами.
Электрические силы, действующие на минеральные частицы пропорциональны величине заряда и напряженности электрического поля, так как
где - диэлектрическая проницаемость, равная ,
Е- напряженность в данной среде.
Механические силы пропорциональны массе:
Сила тяжести:
Центробежная сила:
У мелких частиц электрические силы больше механических, а у крупных частиц механические преобладают над электрическими, что ограничивает крупность материала мельче 3 мм, обогащаемого в электрических сепараторах.
В пространстве вокруг электрически заряженной частицы или между двумя заряженными частицами возникает электрическое поле.
Используя электрические свойства минералов при обогащении, применяют следующие разновидности сепарации: по электропроводимости (рис. 14.8), по диэлектрической проницаемости, по трибоэлектростатическому и пироэлектрическому эффекту.
Рис. 14.8 Сепараторы для разделения по электропроводности
а. Электростатический сепаратор; б. Электрический коронный сепаратор;
в. Коронно - электростатический сепаратор
1- бункер; 2 - барабан; 3 – щетка для снятия проводниковой фракции; 4, 5, 6 - приемники для продуктов; 7 – электрод; 8 – отсекатель; 9 – коронирующий электрод; 10 - отклоняющий электрод.