Способ выделения из сыпучего материала мелких частиц
METHOD FOR ISOLATING FINE PARTICLES FROM BULK MATERIAL

Изобретение относится к технологическим процессам обогащения полезных ископаемых, в частности к технологии выделения из сыпучих материалов мелких частиц с помощью центробежных сил, и может найти применение, в частности, в горнорудной, строительной, металлургической промышленности.
Из уровня техники широко известны различные методы классификации полезных ископаемых, основанные на использовании, например, воздушной струи или на использовании грохотов различной конструкции (методы просеивания).
Так, например, из уровня техники известен способ выделения из сыпучего материала мелких частиц, который реализуется с помощью устройства для классификации сыпучих материалов вибрационным сепарированием. При работе такого устройства исходный сепарируемый сыпучий материал размещают в бункере и дозировано подают в канал, установленный наклонно и закрепленный на несущем коробе. Каналу от вибровозбудителя задают вибрации, обеспечивающие в толще сыпучего материала разделение по размерам частиц. В зависимости от исходного материала и цели сепарирования, выбирают количество отсекающих элементов и величины их установки по высоте от дна канала. При движении сепарируемого сыпучего материала под действием вибрации вдоль канала происходит разделение частиц по размеру частиц (см. Патент RU 173760, опубликован 11.09.2017).
Недостатком данного способа является отсутствие возможности точного задания размеров отделяемого класса материала. Размер разделения будет зависеть от ситового состава материала. Например, если материал будет состоять на 90% из крупного класса, то данный класс попадет и в нижний и в средний лоток.
Также из уровня техники известен способ удаления мелких частиц из крупнозернистого слоя сыпучих материалов, включающий подачу материала, выделение примесей при продувке снизу вверх вертикальным воздушным потоком с образованием зон продувки высоких и низких скоростей воздуха и вывод удаляемых фракций по направлению воздушного потока. Материал подают в количестве, достаточном для образования плотного неподвижного слоя, который продувают воздушным потоком со скоростью, близкой к скорости начала псевдоожижения граничного зерна удаляемых примесей, с образованием псевдоожиженного слоя. При этом зону продувки высоких скоростей воздуха создают с использованием опущенного в образовавшийся псевдоожиженный слой полого цилиндра, по которому осуществляют отвод и транспортировку удаляемых частиц (см. Патент RU 2594494, опубликован 20.08.2016).
Недостатком такого решения является низкая точность разделения (частицы могут выделяться не по размеру, а по отношению массы частицы к площади ее поперечного сечения); необходимость очистки воздуха; необходимость предварительно выделять частицы близкие по размеру.
Наиболее близким к предложенному решению является способ разделения материала под воздействием центробежных сил, заключающийся в том, что разделяемый материал формируют в виде концентрированного кольцевого объема при одновременном относительном перемещении частиц их импульсным торможением (см. заявка №94023363 на изобретение, опубликована 20.08.1996).
Недостатком такого способа является сложность регулировки размера частиц отсеиваемого материала.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является упрощение процесса выделения из влажной массы сыпучего материала мелких частиц с возможностью регулировки размера частиц отсеиваемого материала.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности проведения непрерывного процесса классификации полезных ископаемых, исключение необходимости постоянной очистки устройства в процессе классификации полезных ископаемых, обеспечение возможности выбора максимального размера выделяемых мелких частиц из влажной массы.
Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа выделения из сыпучего материала мелких частиц, который заключается в том, что подают исходный сыпучий материал в центрифугу, где его формируют в виде концентрированного кольцевого объема при одновременном относительном перемещении частиц, исходный сыпучий материал подают в центрифугу, ось вращения барабана которого расположена горизонтально или под наклоном к горизонтали, а внутри барабана в верхней его части вдоль его образующей поверхности неподвижно расположен съемник мелких частиц, выполненный в виде желоба с высокой и низкой стенками, осуществляют вращение барабана со скоростью, где
w – угловая скорость вращения барабана;
g – ускорение свободного падения;
Rп – радиус прилипания частиц к внутренней поверхности барабана;
Rп = Rвн – L/2, где
Rвн – внутренний радиус барабана,
L – максимальный размер выделяемых мелких частиц,
и снимают мелкие частицы в верхней части барабана с помощью съемника мелких частиц, при этом съемник мелких частиц устанавливают так, что сначала по ходу вращения барабана расположена низкая стенка, а за ней высокая стенка, причем сам желоб расположен ближе к оси барабана от его внутренней поверхности.
Кроме того, могут использовать центрифугу с цилиндрическим барабаном
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично показано устройство для выделения из сыпучего материала мелких частиц; на фиг. 2 – разрез А–А на фиг. 1, на фиг. 3 схематично показано действие сил на частицы разного размера и зоны расположения частиц при центрифугировании.
Предложенный способ выделения из сыпучего материала мелких частиц осуществляется с помощью устройства для выделения из сыпучего материала мелких частиц, которое представляет собой центрифугу 1. Центрифуга 1 имеет цилиндрический (продолговатый вдоль оси) барабан 2, а внутри барабана 2 в верхней его части (при горизонтальном его размещении) вдоль внутренней образующей поверхности барабана 2 неподвижно расположен продолговатый съемник 3 мелких частиц. Съемник 3 может быть жестко закреплен любым возможным способом, обеспечивающим его неподвижное положение внутри барабана 2 при свободном вращении барабана 2.
Съемник 3 имеет, преимущественно, L-образную форму поперечного сечения. При этом съемник 3 представляет собой продолговатый желоб, расположенный вдоль оси барабана 2 и имеющий одну высокую стенку 4, продольная кромка которой расположена около поверхности барабана 2 (вдоль его образующей поверхности) с зазором по отношению к внутренней поверхности  барабана 2, который меньше размера самых маленьких из всех выделяемых мелких частиц (или без зазора). Стенка 4 съемника 3 предназначена для снятия в верхней точке барабана 2 (или близкой к ней) мелких выделяемых частиц. Также съемник 3 имеет с другой боковой стороны желоба низкую стенку 5, которая выполняет функцию ограничителя уже снятых мелких частиц, чтобы они не выпадали обратно в барабан 2 в процессе выделения мелких частиц. Расположение  съемника 3 в барабане 2 осуществлено так, что сначала по ходу вращения барабана 2 расположена низкая стенка 5, а за ней высокая стенка 4, при этом сам желоб расположен ближе к оси барабана 2 (от его внутренней поверхности).
При осуществлении предложенного способа центрифуга 1 располагается горизонтально или под небольшим углом α к горизонтали, т.е. ось вращения барабана 3 расположена горизонтально или под углом α к горизонтали.
Исходный материал подают в барабан 2 центрифуги 1 и осуществляют вращение барабана 2 (центрифугирование исходного материала). При осуществлении способа исходный материал перемещается в барабане 2 (при его вращении) от места загрузки до места выгрузки материала, т.е. от одного торца центрифуги 1 до другого.
Вращение барабана 2 осуществляют с угловой скоростью , где
w – угловая скорость вращения барабана 2;
g – ускорение свободного падения;
Rп = Rвн – L/2 где
Rвн – внутренний радиус барабана 2,
L – максимальный размер выделяемых мелких частиц (определяется по необходимости и до начала осуществления способа).
При вращении барабана 2 с загруженным в него исходным материалом, внутри барабана 2 на частицы исходного материала действуют сила тяжести Fт и центробежная сила Fц.
2
Центробежная сила Fц в каждой точке сечения барабана 2 направлена от центра барабана 2 и равна Fц = m*w*R, где
m – масса частицы;
w – угловая скорость вращения барабана 2;
R – радиус точки приложения силы.
Сила тяжести для частиц исходного материала в каждой точке поперечного сечения барабана 2 одинакова и равна Fт = m*g, где
g – ускорение свободного падения.
Для того, чтобы при осуществлении предложенного способа происходило выделение мелких частиц из всего исходного материала, необходимо, чтобы в самой верхней точке поперечного сечения барабана 2 (где действие силы тяжести Fт на частицы перпендикулярно силам трения) был создан эффект отрицательной гравитации. Такой эффект можно обеспечить путем приравнивания силы тяжести Fт частицы и центробежной силы Fц в верхней части барабана 2, находящейся на расстоянии Rп от оси барабана 2. При этом радиус Rп – так называемый радиус прилипания частиц к внутренней поверхности барабана 2.
Таким образом, если Fт = Fц, то
2
m*g = m*w*Rп,
2
g = wRп
Таким образом, при таком равенстве угловой скорости вращения барабана 2 центрифуги 1, внутри кольцевого пространства, образуемого радиусом прилипания Rп и внутренним радиусом Rвн барабана 2, образуется зона, в которой сила тяжести Fт частицы исходного материала размером не более L не превысит центробежную силу Fц (т.е. Fт < Fц).
Предполагая, что центр тяжести Fт, как правило, находится в центральной части частицы, то максимальный размер L «прилипших» к внутренней поверхности вращающегося барабана 2 мелких выделяемых частиц не превысит удвоенной разности Rвн – Rп, т.е. L = 2*(Rвн – Rп).
В результате, внутри барабана 2 образуется кольцевое пространство, так называемое «зона прилипания» частиц Rзп (Rзп = Rвн – L).
Таким образом, выбрав угловую скорость вращения барабана , которая соответствует радиусу прилипания Rп выделяемых мелких частиц максимального размера L, в верхней части поперечного сечения барабана 2 на такие частицы действуют сила тяжести Fт и центробежная сила Fц. Причем сила тяжести Fт и центробежная сила Fц направлены практически в противоположные стороны. В данном случае линией равновесия сил Fт и Fц является радиус прилипания Rп.
Выбрав таким образом угловую скорость вращения w, соответствующую заданному радиусу прилипания, рассмотрим силы, действующие на частицы в верхней части зоны прилипания.
На фиг. 3 показано положение частиц в верхней части барабана 2 при его вращении. Таким образом, частица, имеющая размер L «прилипнет» к внутренней поверхности барабана 2 при вращении барабана 2 с указанной угловой скоростью w, а частица, имеющая размер больше L упадет вниз под действием превосходящей силы тяжести, поскольку она находится уже вне зоны прилипания Rзп.
В силу различия поведения частиц мелкого и крупного размера внутри барабана 2 при его вращении с указанной угловой скоростью w, исходное сырье (горная масса) внутри барабана 2 центрифуги 1 образует два контура А и В (см. фиг. 2).
При вращении барабана 2 центрифуги 1 с указанной угловой скоростью w мелкие частицы «прилипнут» к внутренней поверхности барабана 2 в его верхней части, пройдут (не падая) верхнюю точку вращающегося барабана 2, и далее эти мелкие частицы снимают в верхней части барабана 2 с помощью съемника 3 мелких частиц. Такие частицы могут помещаться на продольный желоб L-образного съемника 3 и перемещаться в зону выгрузки выделенных мелких частиц.
Крупные частицы при вращении барабана 2 сначала тоже «прилипают» к внутренней поверхности вращающегося барабана 2 центрифуги 1, но затем, под действием доминирующей силы тяжести Fт, скатываются из зоны А в зону В, не достигая верхней точки поперечного сечения барабана 2.
Таким образом, при осуществлении предложенного способа может быть выполнено выделение из горной массы мелких частиц без использования традиционного просеивания. При этом полностью исключается эффект загрязнения и забивания ячеек используемых традиционно просеивающих устройств. В результате существенно упрощается процесс выделения мелких частиц (в том числе менее 2.5 мм) без необходимости остановки процесса выделения, поскольку отсутствует необходимость постоянной очистки устройства, с помощью которого реализуется предложенный способ. Правильно подобранная угловая скорость вращения барабана 2 позволяет только путем вращения барабана 2 (используя съемник 3 частиц) отделить мелкие частицы от крупных.
Благодаря возможности регулировки скорости вращения барабана 2 также обеспечивается возможность регулировки размера выделяемых частиц, т.е. выбора максимального размера выделяемых мелких частиц из влажной массы.
При этом за счет цилиндрической продолговатой формы барабана 2 и движении исходного сырья от одного торца центрифуги 1 до другого (противоположного), происходит качественное выделение мелких частиц за счет непрерывности вращения, поскольку мелкие частицы, не выделенные сначала загрузки в общей массе, выделяются по ходу движения исходного сырья вдоль барабана 2 до зоны выгрузки при вращения барабана 2.