Центробежный концентратор
CENTRIFUGAL CONCENTRATOR

Изобретение относится к области обогащения руд гравитационными методами, а именно к устройствам для разделения материалов по плотности в центробежном поле в составе водной пульпы, и может найти применение в горной, химической промышленности и промышленности строительных материалов.
Известен центробежный сепаратор, включающий центрифугирующую чашу, образованную основанием и конусной, периферийной боковой стенкой (патент US 4608040, В04В 11/00). На внутренней поверхности этой стенки выполнено несколько разнесенных в осевом направлении выступающих внутрь элементов, идущих вдоль всей окружности стенки. Кроме того, в этой стенке выполнено несколько сквозных отверстий, расположенных между соседними круговыми выступающими элементами на стенке и разнесенных по углу друг относительно друга. Центрифугирующая чаша установлена на устройстве, обеспечивающем ее вращение вокруг вертикальной оси. Подача сепарируемых материалов в чашу осуществляется таким образом, чтобы во время ее вращения материалы перемещались вдоль периферийной стенки с последующей выгрузкой легкой фракции через верхнее открытое отверстие стенки. Текучая среда подается, а тяжелая фракция удаляется через коаксиально установленные трубы со стороны днища сепаратора. Инжекция текучей среды через отверстия между выступающими элементами центрифугирующей чаши создает благоприятные условия для сегрегации обогащаемого материала по удельному весу, что позволяет достигать требуемой степени концентрации при обогащении руд.
Известен также центробежный концентратор, описанный в патенте РФ №2196004, В03В 5/32, включающий установленный с возможностью вращения ротор, с размещенной в его полости чашей, имеющей конусную внутреннюю поверхность с углублениями и отверстиями для инжекции жидкости в углубления от устройства ее подачи через полый вал ротора и полость между стенками ротора и чаши (прототип). Концентратор включает также устройство для загрузки обогащаемого материала в чашу, переливной борт которой приспособлен для выгрузки легкой фракции. Согласно данному техническому решению, ось вращения ротора с чашей занимает в нем по отношению к горизонтали одно из положений в пределах: от наклона под углом 10°, когда ротор с чашей приподняты над горизонталью, до наклона под углом 45°, когда они расположены ниже горизонтали. При этом под переливным бортом чаши установлен патрубок для выгрузки тяжелой и легкой фракций с возможностью поворота в соответствующее положение разгрузки.
Общим недостатком описанных выше центробежных концентраторов, ограничивающим их практическое применение, является жесткое требование к чистоте воды, поступающей во внутреннюю "рубашку" концентратора, из которой разрыхляющая вода подается в центрифугирующую чашу. Под действием центробежной силы внутри этих концентраторов происходит сначала осаждение твердых частиц из состава промывочной воды, а затем уплотнение осадка, что постепенно приводит к заполнению полостей ротора твердыми (алеврито-глинистыми) частицами. Следствием этого является ограничение подачи промывочной воды в центрифугирующую чашу, вплоть до полного прекращения сепарации материала в ней. К тому же, эти аппараты имеют конусную внутреннюю поверхность центрифугирующей чаши, уступающую по удельной площади рабочей зоны и показателям эффективности цилиндрической чаше. Все это обуславливает недостаточную производительность и эффективность работы данных концентраторов.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы и производительности центробежного концентратора.
Техническим результатом изобретения является организация очистки промывочной воды в процессе работы концентратора, что предотвращает заполнение твердыми (алеврито-глинистыми) частицами внутренних полостей ротора, и в совокупности с цилиндрической формой центрифугирующей чаши обеспечивает более высокий уровень оседания тяжелой фракции в кольцевых углублениях, выполненных по внутренней поверхности стенок чаши.
Заявленный технический результата достигается за счет того, что в центробежном концентраторе, содержащем установленный с возможностью вращения в вертикальном положении полый ротор, связанный с размещенной в его полости центрифугирующей чашей, включающей кольцевые нарифления (углубления) с отверстиями для инжекции промывочной воды, поступающей через полый вал ротора и полость между стенками ротора и центрифугирующей чаши, устройство для загрузки обогащаемого материала в центрифугирующую чашу, устройство для подачи промывочной воды и устройство удаления тяжелой фракции, согласно изобретению, указанная центрифугирующая чаша выполнена составной и включает основание и установленную на нем цилиндрическую стенку, в указанном основании центрифугирующей чаши выполнен ряд прорезей, а у верхнего края стенки ротора - ряд сквозных отверстий, при этом угол α схождения граней указанных нарифлений, выполненных по внутренней рабочей поверхности центрифугирующей чаши, составляет 20±2°. Вращение ротора, преимущественно, обеспечивается электродвигателем, установленным с возможностью изменения скорости вращения ротора, за счет перемещения по высоте клиноременной передачи вращения от шкива электродвигателя к одному из двух рабочих диаметров шкива ротора, с обеспечением фактора разделения частиц в центрифугирующей чаше 60 G или 100G.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, где:
- фиг. 1 - иллюстрирует принцип работы концентратора: показаны силы, действующие на твердую частицу во вращающейся жидкости, при вертикальном вращении ротора;
- фиг. 2 - общий вид центробежного концентратора с частичным продольным разрезом;
- фиг. 3 - фрагмент верхнего края ротора центробежного концентратора, продольный разрез;
- фиг. 4 - показано положение основания центрифугирующей чаши в продольном разрезе ротора центробежного концентратора.
Принцип работы центробежного концентратора с вертикальной осью вращения ротора заключается в следующем.
Центробежная сила в роторе возникает вследствие его вращения. Совместно с ротором раскручивается находящаяся в нем жидкая среда (суспензия), содержащая частицы различной плотности. Каждая частица в турбулентном потоке равномерно вращающейся жидкости в роторе находится под действием пяти сил (фиг. 1):
цб
т
т
2
- центробежной F=ρωVr;
цс
т
2
- центростремительной F=ρωVr;
гд
т
2
2
- гидродинамической F=ψρdυ;
т
- архимедовой подъемной G'=ρVg;
т
т
- силы тяжести G=ρVg,
т
т
т
3
3
2
где ρ, ρ - плотность твердой частицы и жидкости, кг/м; ω - угловая скорость вращения жидкости, рад/с; V - объем твердой частицы, м; r - радиус вращения, м; υ - скорость перемещения твердой частицы относительно жидкости, м/с, g - ускорение силы тяжести, м/с.
Равновесие частицы во вращающейся жидкости определяется как:
цб
цс
гд
G+F=F+F+G'.
цб
цс
гд
т
Если F>F+F и G>G', частицы будут отбрасываться к периферии и осаждаться на стенке ротора. Их относительная скорость υ в радиальном направлении определяется соотношением величины центробежной, центростремительной и гидродинамической сил:
3
2
f
где ε - потери энергии турбулентных вихрей за единицу времени в единице объема, Дж/см, λ - размер турбулентных вихрей (масштаб турбулентных пульсаций), м, К - коэффициент сопротивления частицы, дол. ед.; S - площадь сечения частицы, м.
Из формулы 1 следует, что изменение турбулентности потока в центробежном поле и физические параметры самой частицы (объем, плотность), влияют на величину и направление вектора скорости частицы во вращающейся жидкой среде. При этом частицы различной плотности и крупности, имея неодинаковые скорости движения, будут расслаиваться как по высоте, так и по радиусу центробежного аппарата, и концентрироваться в определенных его зонах.
Следовательно, в цилиндрической центрифугирующей чаше с большей удельной площадью рабочей зоны и меньшей турбулентностью потока пульпы по сравнению с ее конической формой, эффективность разделения частиц по плотности и крупности будет выше.
р
Центробежный концентратор, согласно изобретению, содержит полый ротор 1, у верхнего края которого выполнено несколько сквозных отверстий 2, разнесенных по углу друг относительно друга (фиг. 2). Ротор 1 связан с рабочей центрифугирующей чашей 3, образованной основанием 4 и установленной на нем цилиндрической боковой стенкой 5. На внутренней поверхности боковой стенки 5 выполнено несколько разнесенных в осевом направлении кольцевых нарифлений 6 с углом схождения α граней, преимущественно, 20±2°, как это экспериментально установлено автором (фиг. 3). В дне каждого из нарифлений 6 выполнены сквозные отверстия 7, разнесенные по углу друг относительно друга. Профиль и глубину нарифлений 6, количество и диаметры отверстий 7 в них выбирают опытным путем, аналогично тому, как это показано в прототипе. Центрифугирующая чаша 3 установлена в полости ротора 1, обеспечивающего ее вращение вокруг вертикальной оси. Ротор 1 имеет полый вал 8, соединенный с устройством 9 подачи промывочной воды в полость 10 между днищем ротора 1 и основанием 4 центрифугирующей чаши 3. Далее промывочная вода через прорези 11 (фиг. 4), выполненные в основании 4 центрифугирующей чаши 3, поступает в закрытую полость 12 между внутренней цилиндрической боковой стенкой ротора 1 и внешней цилиндрической боковой стенкой 5 центрифугирующей чаши 3. Полый вал 8 ротора 1 закреплен в блоке 13 подшипников и соединен через двойной шкив 14 с приводом, включающим электродвигатель 15 со шкивом 16 и клиноременную передачу 17. Электродвигатель 15 закреплен на пластине 18, которая соединена шарниром 19 с несущей плитой 20, закрепленной на раме 21. Под шарниром 19 установлена шайба 22, высота которой соответствует величине вертикального перемещения клиноременной передачи вращения от шкива 16 электродвигателя 15 к одному из двух рабочих диаметров шкива 14 ротора 1. Установка или удаление шайбы 22, позволяет перемещать по вертикали электродвигатель 15 со шкивом 16. Перемещением клиноременной передачи 17 с верхнего диаметра двойного шкива 14 на нижний, достигается изменение скорости вращения ротора 1 и, как следствие, изменение отношения центробежного ускорения к ускорению силы тяжести. При этом происходит смена фактора разделения К в центрифугирующей чаше 3.
р
р
р
р
р
2
2
2
Факторы разделения (К) в центрифугирующей чаше 3 концентратора рассчитаны по формуле: К=r*n*π/900*g, где r - радиус вращения, м; n - скорость вращения об/мин.; g - ускорение силы тяжести, м/с. Разделяющее действие концентратора возрастает пропорционально величине фактора разделения - К. Заданные факторы разделения в центрифугирующей чаше 3 принятого радиуса r определяются рассчитанными скоростями вращения центрифугирующей чаши 3, которые достигаются соотношением скорости вращения оси электродвигателя 15 со шкивом 16 и диаметром шкива 14 ротора 1. Оптимальные результаты при обогащении большинства зернистых смесей в концентраторе получены при значении фактора разделения К=60 G (клиноременная передача 17 - на верхнем диаметре двойного шкива 14). Фактор разделения К=100 G (клиноременная передача 17 - на нижнем диаметре двойного шкива 14) используется при обогащении особо мелкого материала (сливы гидроциклонов, хвосты флотации и др.), при этом производительность концентратора возрастает на 20-25%.
Центробежный концентратор, согласно изобретению, работает следующим образом.
Обогащаемый материал, содержащий твердые частицы различной плотности (тяжелая и легкая фракции), поступает через подающую трубу 23 с отражателем 24 и отверстиями 25 в стенке у ее нижнего края во вращающуюся центрифугирующую чашу 3 (фиг. 2). Одновременно производится подача по патрубку 26 промывочной воды (в устройство 9), которая через отверстия 7 в дне каждого из нарифлений 6 поступает в центрифугирующую чашу 3. Промывочная вода с попавшими в нее твердыми частицами загрязнений в закрытой полости 12 и образовавшаяся внутри открытой центрифугирующей чаши 3 обогащаемая пульпа раскручиваются до некоторой угловой скорости, близкой к скорости вращения ротора 1.
В закрытой полости 12, имеющей внешнюю, гладкую цилиндрическую стенку ротора 1 с отверстиями 2 у ее верхнего края, твердые частицы, попавшие в составе промывочной воды, оседают на стенку ротора 1. Под действием восходящих сил потока промывочной воды, обусловленных перепадом давления, возникающего при поступлении промывочной воды в полость 12 через прорези 11 в основании 4 центрифугирующей чаши 3 (фиг. 4), и ее истечении через отверстия 2 у верхнего края ротора 1 и отверстия 7 в цилиндрической боковой стенке 5 центрифугирующей чаши 3 (фиг. 3), осевшие на стенку ротора 1 частицы выносятся к верхнему краю закрытой полости 12 и выводятся через сквозные отверстия 2 по средствам инжекции за пределы ротора 1.
Фугат (очищенная от твердых частиц вода) поступает под давлением через отверстия 7 в каждом из нарифлений 6 в цилиндрической боковой стенке 5 в рабочую зону центрифугирующей чаши 3. Прохождению через отверстия 7 твердых частиц в составе промывочной воды препятствует центробежная сила в 60 G или 100 G. Так происходит очистка промывочной воды и предотвращается заполнение твердыми (алеврито-глинистыми) частицами закрытой полости 12 ротора 1.
При подаче промывочной воды и обогащаемого материала во вращающуюся открытую центрифугирующую чашу 3, действие центробежных сил вызывает отстаивание с вытеснением твердых частиц в составе обогащаемой пульпы к цилиндрической, периферийной боковой стенке 5 центрифугирующей чаши 3, а легкой (фугат) - к ее центру, при этом нижний, пристенный, слой пульпы движется медленнее, чем верхний. Сепарацию частиц обеспечивают два процесса - классифицирующий и сегрегационный. Оба процесса протекают в два этапа - в потоке пульпы вдоль цилиндрической, периферийной боковой стенки 5 вращающейся центрифугирующей чаши 3, второй этап - в «постели», в зонах накопления тяжелой фракции - в кольцевых нарифлениях 6. На возникновение и интенсивность этих процессов оказывает влияние величина центробежного ускорения и интенсивность возмущающего воздействия струй промывочной воды через отверстия 7, направленных против действия центробежной силы, что приводит к флюидизации - созданию псевдоожиженной «постели».
Практическая значимость данного процесса заключается в селективном улавливании и удержании в минеральной псевдоожиженной «постели» частиц с удельным весом большим определенной величины (тяжелая фракция), которые в зоне ожижения перемещаются вниз минеральной «постели». Этот процесс позволяет наиболее тяжелым (плотным) частицам перемещаться ближе к цилиндрической периферийной боковой стенке 5 и оставаться в кольцевых нарифлениях 6 центрифугирующей чаши 3. Этому способствует форма кольцевых нарифлений 6 с оптимальным углом схождения граней α=20±2° (фиг. 3), в которых по мере уменьшения объема к их дну возрастает степень противодействия струй промывочной воды центробежной силе, достигается наилучшее разрыхление минеральной псевдоожиженной «постели» и улавливание отдельных тяжелых частиц. Это приводит к смещению максимальных содержаний наиболее плотных (тяжелых) частиц к дну нарифлений 6. При этом легкие частицы пустой породы, находящиеся в верхнем слое обогащаемой пульпы, не достигая стенок чаши 3, уносятся потоком пульпы из зоны флюидизации и через верхний край цилиндрической периферийной боковой стенки 5, имеющей выступ 27, поступают в полый корпус 28 концентратора, и далее, с добавлением хвостов очистки промывочной воды из отверстий 2 в роторе 1, через отверстие в несущей плите 20 и патрубок 29 выводятся за пределы концентратора. Под верхним выступом 27 боковой стенки 5 центрифугирующей чаши 3 удерживаются (из практики) наиболее крупные, часто деформированные, частицы пластинчатого золота.
После окончания цикла накопления тяжелой фракции прекращают подачу обогащаемого материала, перекрывают подачу промывочной воды и останавливают вращение ротора 1 с центрифугирующей чашей 3. После полной остановки вращения ротора 1 плавно, несколько раз на короткое время возобновляют подачу промывочной воды. При этом накопленная тяжелая фракция вымывается промывочной водой через отверстия 7 из кольцевых нарифлений 6 и под действием силы тяжести вместе с водой, самотеком, перемещается вниз, и через отверстие 30 в основании 4 рабочей чаши 3 по сливной трубе 31, коаксиально установленной в полом валу 8 ротора 1, далее через патрубок 32 поступает в емкость для сбора тяжелой фракции (на фиг. 2 не показано).
Технологическое обслуживание концентратора производится через технологический люк, закрытый крышкой 33. Процесс работы концентратора можно наблюдать через окно, закрытое снимающейся крышкой 34.
В целом, совокупность существенных признаков данного устройства, описанная формулой изобретения, по сравнению с известными устройствами данного назначения, обеспечивает существенное повышение эффективности и производительности процесса обогащения руд, увеличивает степень извлечения частиц с большим удельным весом (например, золота, до уровня не менее 90%), повышает надежность работы и расширяет диапазон технологического применения центробежного концентратора.