ВИНТОВОЙ СЕПАРАТОР
SCREW SEPARATOR

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых, в частности, к винтовым сепараторам, применяемым при обогащении тонкодисперсного минерального сырья в горнорудной промышленности, и может быть использовано как в горно-обогатительной, так и металлургической и других отраслях промышленности.
Известны винтовые сепараторы, включающие вертикальную стойку круглого сечения, винтовой желоб, расположенный вокруг стойки, загрузочное устройство, расположенное в верхней части конструкции, устройство для разделения и вывода продуктов обогащения, расположенное в нижней части (см. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1993. - С. 249-260).
Недостатком этих сепараторов является низкая улавливающая эффективность по тонким классам (-0,1 мм) частиц ценного компонента, находящихся во взвешенном состоянии в гидровзвеси. Такие конструкции используются для обогащения песков с содержанием твердой фазы в пульпе с зернами крупностью -3+0,1 мм.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является винтовой сепаратор для обогащения полезных ископаемых, включающий полую стойку круглого сечения с отверстиями, винтовой желоб, расположенный вокруг стойки, загрузочное устройство, расположенное в верхней части конструкции, устройство для разделения и вывода продуктов разделения, установленное в нижней части желоба (см. патент RU №2306181, C1, В03В 5/52 от 23.12.2005 г., опубл. 20.09.2007 г.).
Недостатком такой конструкции является низкая пропускная способность по исходному питанию вследствие необходимости прохождения исходной пульпы по всем виткам желоба и значительные потери тяжелых тонкодисперсных минералов, например, золота класса крупности -0,1 мм, в концентрате на выходе вследствие возникающих слабых центробежных сил инерции при обогащении пульпы в виде гидровзвеси, в которой твердая фаза находится во взвешенном состоянии.
Техническим результатом изобретения является увеличение пропускной способности винтового сепаратора и повышение эффективности извлечения ценного компонента из гидровзвеси за счет увеличения центробежных сил инерции.
Сущность изобретения состоит в том, что винтовой сепаратор, включающий полую стойку круглого сечения с отверстиями, винтовой желоб, расположенный вокруг стойки, загрузочное устройство, расположенное в верхней части конструкции, устройство для разделения и вывода продуктов разделения, установленного в нижней части желоба, отличается тем, что винтовой желоб в радиальном сечении выполнен с дном, прямолинейным в горизонтальном направлении, также винтовой желоб выполнен с переменными радиусом и шагом, уменьшающимися сверху вниз, при этом соотношение  где t - винтовой шаг, R - радиус желоба, а стойка снабжена отсекающими карманами, расположенными у отверстий.
Использование формы желоба в радиальном сечении с прямолинейным дном в горизонтальном направлении позволяет беспрепятственное перемещение твердых частиц во взвешенном состоянии в направлении возникающих центробежных сил инерции к внешнему борту желоба, а совместное уменьшение радиуса и шага винтового желоба сверху вниз увеличивает возникающие центробежные силы инерции, что, в свою очередь, усиливает эффект перемещения тяжелых по плотности частиц от центра к внешнему борту желоба, повышая тем самым улавливающую способность конструкции по тонкодисперсным фракциям ценного компонента. Исполнение вертикальной полой стойки круглого сечения с отверстиями и снабжение отверстий карманами для отсечения части потока в желобе, прилегающего к его внутреннему борту у стойки с отверстиями, позволяет отсекать и отводить непродуктивную часть потока гидровзвеси, повышая тем самым пропускную способность сепаратора по исходному питанию.
На фиг. 1 изображен общий вид сепаратора; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - эпюры изменяющихся параметров по высоте винтовой части сепаратора.
Винтовой сепаратор (фиг. 1; 2) состоит из вертикальной полой стойки круглого сечения 1, винтового желоба 2, расположенного вокруг стойки, загрузочного устройства 3, устройства для разделения и вывода продуктов обогащения 4, отсекающих карманов части потока, прилегающих к стойке, 5.
Тонкослойный сепаратор работает следующим образом (фиг. 1).
Исходное питание (гидровзвесь) через загрузочное устройство 3 подается в верхнюю часть винтового желоба 2. Поток, перемещаясь сверху вниз по винтовой поверхности, за счет образующихся центробежных сил инерции, переводит тяжелые твердые частицы гидровзвеси к внешнему борту желоба в радиальном направлении от центра, а возникающая непродуктивная часть потока, прилегающая к стойке, частично отводится через отсекающие карманы 5 в полую стойку 1 (фиг. 1; 2) и выводится наружу в хвосты. При этом карманы устанавливают на каждом витке, начиная со второго или третьего по высоте. В нижней части желоба поток разделяется на концентрат и хвосты и через устройство 4 выводится наружу.
ок
п0
п
п0
ок
в
1
2
n
Рассмотрим влияние изменяющихся величин радиуса (R) и шага (t) винтовой поверхности на возникающие центробежные силы инерции (F), действующие на частицу массой m. Переменный радиус витков (R), в совокупности с пропорционально меняющемся шагом (t), формируют постоянный угол наклона желоба (ϕ), так как  что дает возможность сохранить окружную скорость потока (V), как и в винтовом сепараторе аналога, у которого R=const и t=const., при одинаковой высоте винтовой поверхности (h), фиг. 3. Применив теорему об изменении кинетической энергии, определим продольную скорость частицы в желобе. Если  где V и V - начальная и конечная продольные скорости частицы, g - ускорение свободного падения, m - масса частицы, то при V=0 получаем  и тогда определяется окружная скорость как V=V⋅ctg(ϕ), а полный пройденный путь частицей составит  Эти соотношения показывают, что радиус и шаг витков не оказывают влияние на кинематические параметры перемещающейся частицы, а уменьшающийся сверху вниз радиус увеличивает центробежную силу инерции, так как  где а - нормальное ускорение, что в свою очередь, создает дополнительное силовое воздействие на твердые частицы, повышая тем самым эффект по переводу тонкодисперсных частиц в зону формирования концентрата. Так, например, при уменьшении радиуса и шага в три раза, сила инерции увеличивается тоже в три раза с F до F, (фиг. 3).
max
min
Объемы отводимых потоков из желоба в полую стойку определяются конструктивно через размеры отсекающих карманов и отверстий в стойке с изменением от Q до Q, (фиг. 3). Если каждый карман отсекает до 10% объема проходящей гидровзвеси, то на выходе из желоба при 7 карманах останется 51% от исходного потока.
max
min
max
min
к
з
3
3
Пример. Рассмотрим влияние переменного радиуса винтовой поверхности (R) и его шага (t) на возникающие центробежные силы инерции (F) твердых частиц гидровзвеси и их расположение в желобе сепаратора. За основу примем винтовой сепаратор с изменяющимися радиусами от R=0,6 м до R=0,2 м и шагом при  от t=0,36 м до t=0,12 м, состоящего из 8 витков. При этом высота винтовой части (h) составит 1,92 м, угол наклона желоба по его среднему радиусу  а его длина  м. За твердую фазу гидровзвеси примем полиминеральную смесь, состоящую из пустой породы (кварц) класса крупности -0,1 мм и плотности ρ=2650 кг/м, а за ценный компонент - тяжелую фракцию (золото) той же крупности с плотностью ρ=19000 кг/м. Время перемещения частиц по средней винтовой линии составит 7=2,8 с.
n
n0
ок
n
Считаем, что твердые частицы находятся во взвешенном состоянии. Форму днища желоба в радиальном сечении принимаем в виде горизонтальной линии (фиг. 1). Продольная скорость частиц (V) вдоль центра желоба, исходя из теоремы об изменении кинетической энергии (при начальных условиях V=0), составит на средних витках  м/с, окружная скорость V=Vcosϕ=4,26 м/с, а на выходе из желоба -  где g - ускорение свободного падения.
э
э
к
з
к
c
R
э
R
с
R
Rз
Rк
з
к
э
-10
-8
-8
-3
-7
3
3
Проведем сравнение по изменению положения частиц под действием центробежных сил инерции в радиальном направлении от центра желоба для двух частиц (из золота и кварца), с одинаковым эквивалентным диаметром (d), приняв d=0,05 мм и считая, что они находятся в потоке во взвешенном состоянии. Масса частицы из золота составит  кг, а для кварца - m=1,7-10 кг. Центробежные силы инерции на средних витках  для золота - F=5,7-10 Η, для кварца - F=0,8-10 Н. Сила сопротивления вязкой среды P=3πμVd, где μ - динамический коэффициент вязкости воды μ=10 Па⋅с, V - скорость частиц в радиальном направлении. С учетом принятых значений, получаем Р=4,7⋅10⋅V Η. Дифференциальное уравнение движения частиц в радиальном направлении принимает вид  или  где b – для частиц из золота и кварца, для принятых величин b=45, а k=0,4·10 - для золота, k=2,9⋅10 - для кварца. Интегрируя это уравнение, получаем  Тогда, с учетом числовых значений, скорость частиц в средних витках достигает значений V=0,11 м/с - для золота и V=0,015 м/с - для кварца, при этом радиальное смещение (S) частиц от центра желоба составит соответственно S=0,34 м и S=0.04 м. Это означает, что тяжелые частицы (из золота при d<0,l мм) достигают внешнего борта желоба, в отличие от частиц пустой породы (из кварца), у которых радиальное смещение в 8,5 раз ниже. В сравнении с аналогами, у которых концентрат формируется у внутреннего борта желоба, в предлагаемой конструкции для обогащения полиминеральной гидровзвеси, этот процесс протекает у внешнего борта.
Использование предлагаемого технического решения позволяет увеличить производительность сепаратора, например, при обогащении золотосодержащей гидровзвеси от промывки металлоносных песков на россыпных месторождениях, а также повысить улавливающую способность устройства по тонким классам ценного компонента.