Способ разделения сыпучего материала по плотности
METHOD FOR SEPARATING BULK MATERIAL BY DENSITY

Изобретение относится к технологическим процессам обогащения полезных ископаемых, в частности к технологии разделения сыпучих материалов с помощью центробежных сил, и может найти применение, в частности, в горнорудной, строительной, металлургической промышленности.
Из уровня техники широко известны различные методы обогащения полезных ископаемых – мокрые и сухие.
Мокрый метод основан на использовании жидкости. При обогащении мокрым методом могут формировать специальную суспензию с заданной плотностью разделения. При этом частицы породы более плотные, чем суспензия – тонут, а менее плотные – всплывают.
Также при мокром методе могут использовать противоток, т.е. создание постоянного или пульсирующего потока воды в направлении, встречном движению массы породы. Более плотные и менее плотные частицы имеют в таком потоке разную скорость «всплытия/утопания» и разделяются за счет этого.
Так, например, известен способ мокрого разделения тонкоизмельченных материалов по плотности с помощью создания сплошной среды, включающий придание движения исходному материалу, создание закрученных потоков в толще тяжелой среды, разделение над тяжелой средой в камере обогащения, установленной с возможностью вращательных колебаний, вынос на слив легких частиц, (см. Патент RU 2182041, опубликован 10.05.2002).
Также известен способ разделения частиц по плотности с помощью тяжелой среды в центробежном поле, включающий подачу смеси частиц разной плотности в тяжелую жидкость, находящуюся в зоне действия центробежных сил, последующее расслаивание частиц по глубине слоя тяжелой жидкости и вывод их из ее объема (см. Патент RU 2438787, опубликован 10.01.2012).
Общим недостатком таких методов является необходимость поддержания плюсовой температуры, необходимость очистки воды, необходимость сушки продуктов, изменение свойств материала в процессе намокания/сушки. Все эти требования приводят к очень высоким капитальным и эксплуатационным затратам.
Сухой метод обогащения основан на использовании воздушной струи. Для разделения в данном случае используется подъемная сила воздушной струи, которая отделяет более плотные частицы от менее плотных.
Так, например, из уровня техники известен способ разделения сыпучего материала, включающий формирование в вертикальной реакционной зоне нисходящей дозированной порции сыпучего материала, имеющего частицы разного размера и разной плотности, и формирование в названной реакционной зоне восходящего потока воздуха, которым воздействуют на частицы сыпучего материала и под его действием уменьшают скорости падения частиц меньшего размера меньшей плотности и сближают скорости падения частиц большего размера меньшей плотности и частиц меньшего размера большей плотности, при этом на пути падения частиц создают статическое сопротивление их свободному падению, посредством которого уменьшают скорость падения частиц большего размера меньшей плотности и сближают скорости падения частиц большего размера большей плотности и меньшего размера большей плотности, после чего из частиц, последовательно достигающих нижнюю часть реакционной зоны, формируют сначала слой из мелких и крупных частиц большей плотности, затем слой из мелких и крупных частиц меньшей плотности (см. Патент RU 2352407, опубликован 20.04.2009).
Сухой метод имеет два существенных недостатка: низкая точность разделения (частицы разделяются фактически не по плотности, а по отношению массы частицы к площади ее поперечного сечения); необходимость очистки воздуха; необходимость предварительно выделять частицы близкие по размеру. Строго говоря, в воздушной струе не происходит разделения по плотности. В потоке воздуха частицы разделяются по параметру отношения массы к площади поперечного сечения, что и является недостатком сухого метода. Например, кварцевая песчинка – летает, а кварцевый булыжник – нет, хотя плотность у них одинаковая.
Также известен способ сухого обогащения угля, принятый в качестве наиболее близкого решения к заявленному изобретению, включающий подачу угольного сырья к ротационной щетке, выполненной в виде установленного своей осью по ходу движения сырья вращающегося барабана с закрепленным на его цилиндрической поверхности ворсом, а отделение угля от породы осуществляют путем вращения ротационной щетки с обеспечением воздействия ворса щетки на сырье и сметания частиц угля, более легких, чем куски породы (см. Патент RU 2558872, опубликован 10.08.2015).
Недостатком такого способа является то, что вместе с менее плотными частицами угля могут сметаться мелкие частицы породы, в результате чего происходит не качественное обогащение угля, необходимость предварительного разделения частиц по размеру.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является упрощение процесса разделения массы сыпучего материала по плотности, без предъявления жестких требований к сырью по влажности.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности проведения непрерывного процесса обогащения полезных ископаемых, исключение необходимости постоянной очистки устройства в процессе обогащения полезных ископаемых, исключение необходимости использования специальной разделительной среды типа воды или воздуха или суспензии.
Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа разделения сыпучего материала по плотности, который заключается в том, что осуществляют разделение сыпучего материала и съем плотных и легких частиц, исходный сыпучий материал подают в центрифугу, ось вращения барабана которой расположена горизонтально или под наклоном к горизонтали, внутреннюю поверхность барабана выполняют из упругого материала, 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 – величина указанного зазора,
при этом съем плотных частиц осуществляют в верхней части барабана с помощью неподвижно расположенного вдоль его образующей поверхности и с зазором по отношению к ней первого съемника, выполненного в виде желоба с высокой и низкой стенками, при этом первый съемник 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, а съем легких частиц осуществляют в съемник, расположенный дальше от первого съемника по направлению вращения барабана.
Кроме того, могут использовать центрифугу с барабаном в форме усеченного конуса. При этом зазор между съемником частиц и внутренней поверхностью барабана может равномерно увеличиваться в сторону от места загрузки сыпучего материала.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично показано устройство для разделения сыпучего материала; 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; на фиг. 4 схематично показано действие сил на частицы разной плотности и величина деформации упругого материала при воздействии на него частиц разной плотности; на фиг. 5 показан предел зоны воздействия плотных частиц на упругий материал при вращении барабана; на фиг. 6 показаны пределы зон воздействия плотных и менее плотных частиц на упругий материал при вращении барабана.
Предложенный способ разделения сыпучего материала по плотности осуществляется с помощью устройства для разделения сыпучего материала, которое представляет собой центрифугу 1. Центрифуга 1 имеет продолговатый (вдоль оси) барабан 2 в форме усеченного конуса, внутренняя поверхность которого выполнена из упругого материала 3 (например, покрыта резиной или каучуком, или иным упругим материалом).
Внутри барабана 2 в верхней его части (при горизонтальном его размещении) вдоль внутренней образующей поверхности барабана 2 и с зазором L по отношению к ней неподвижно расположен продолговатый первый съемник 4 частиц (съемник плотных частиц). Съемник 4 может быть жестко закреплен любым возможным способом, обеспечивающим его неподвижное положение внутри барабана 2 при свободном вращении барабана 2.
Съемник 4 имеет, преимущественно, L-образную форму поперечного сечения. При этом съемник 4 представляет собой продолговатый желоб, расположенный вдоль оси барабана 2 и имеющий одну высокую стенку 5, продольная кромка которой расположена с указанным зазором L по отношению к внутренней поверхности барабана 2 (вдоль его образующей поверхности). Причем зазор L равномерно увеличивается в сторону от места загрузки сыпучего материала до места выгрузки сыпучего материала из барабана 2. Равномерное увеличение зазора L обеспечивается тем, что внутренняя поверхность барабана 2 имеет, коническую форму (форму усеченного конуса), расширяющуюся в сторону от места загрузки в барабан 2 сыпучего материала. Выполнение барабана 2 конической формы обеспечивает обработку всего спектра размеров частиц от нуля до L. Зазор L увеличивается как за счет изменения внутреннего радиуса барабана 2, так и за счет отклонения съемника 4 от поверхности барабана 8.
Увеличение зазора L происходит как за счет конической формы барабана 2, так и за счет отклонения съемника 4 в сторону оси вращения барабана 2. В результате этого центр тяжести частиц размером L в каждом сечении находится на радиусе прилипания Rп, причем радиус прилипания Rп везде одинаков вдоль всего барабана 2. Таким образом, в каждом сечении центрифуги расстояние от радиуса прилипания Rп до внутренней поверхности барабана 2 равно расстоянию от радиуса прилипания Rп до кромки стенки 5 съемника 4.
Стенка 5 съемника 4 предназначена для снятия в верхней части барабана 2 частиц (при вращении барабана 2), максимальный размер которых более зазора L с учетом упругой деформации упругого материала 3 в верхней части барабана 2. Также съемник 4 имеет с другой боковой стороны желоба низкую стенку 6, которая выполняет функцию ограничителя уже снятых плотных частиц, чтобы они не выпадали обратно в барабан 2 в процессе разделения частиц. Расположение съемника 4 в барабане 2 осуществлено так, что сначала по ходу вращения барабана 2 расположена низкая стенка 6, а за ней высокая стенка 5, при этом сам желоб расположен ближе к оси барабана 2 (от его внутренней поверхности).
Также внутри барабана 2 вдоль его образующей поверхности неподвижно установлен второй съемник 7 частиц. Съемник 7 расположен дальше от первого съемника 4 по направлению вращения барабана 2 (начало  съемника 7 расположено в третьей четверти окружности, а конец – в четвертой четверти окружности при поперечном сечении барабана 2, см. фиг. 2). Съемник 7 может быть жестко закреплен любым возможным способом, обеспечивающим его неподвижное положение внутри барабана 2 при свободном вращении барабана 2. При этом одна кромка съемника 7 расположена около поверхности барабана 2 (с минимальным зазором или без него).
При осуществлении предложенного способа центрифуга 1 располагается горизонтально или под небольшим углом к горизонтали, т.е. ось вращения барабана 2 расположена горизонтально или под углом 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;
g – ускорение свободного падения;
Rп = Rвн – L/2, где
Rвн – внутренний радиус барабана (с учетом упругого материала 3),
L – величина зазора между внутренней поверхностью барабана 2 и съемником 4 (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 разделение частиц по плотности из всего исходного материала с учетом различного размера частиц, 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, как правило, находится в центральной части частицы, то максимальный размер «прилипших» к внутренней поверхности вращающегося барабана 2 частиц не превысит удвоенной разности Rвн – Rп, т.е. равен 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 разделяемых частиц, 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 (без учета упругого материала 3). Таким образом, частица, имеющая размер, равный зазору 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 разной плотности внутри барабана 2 при его вращении с указанной угловой скоростью w, исходное сырье (горная масса) внутри барабана 2 центрифуги 1 образует два контура: контур рассыпания от точки А до точки В и обратно и контур прилипания – внутри зоны прилипания (см. фиг. 2).
При вращении барабана 2 центрифуги 1 с указанной угловой скоростью w частицы менее зазора L «прилипнут» к внутренней поверхности барабана 2 в его верхней части, пройдут (не падая) верхнюю точку вращающегося барабана 2, и далее эти частицы снимают с помощью второго съемника 7 частиц (контур прилипания)
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 (контур рассыпания).
На фиг. 4 показано действие сил на частицы разной плотности и величина деформации упругого материала при воздействии на него частиц разной плотности. При этом на фиг. 4 показаны две частицы одинакового размера L+dL . Величина dL соответствует размеру упругой деформации материала 3 под частицей. Изображенная на фиг. 4 светлая частица 8 - тяжелая (камень), темная частица 9 – легкая (например, уголь). Обе частицы прижаты к внутренней упругой поверхности барабана 2 центрифуги 1 силой тяжести Fт и центробежной силой Fц (при вращении барабана 2). Вместе они образуют силу прижатия Fпр. Важно, что силы Fт и Fц прямо пропорциональны массе частицы. Поэтому сила прижатия тяжелой частицы 8 выше, чем сила прижатия легкой частицы 9.
Векторы силы тяжести Fт и центробежной силы Fц сонаправлены только в нижней части сечения центрифуги 1. В остальных точках окружности Rвн сила прижатия Fпр определяется как сумма центробежной силы Fц и проекции силы тяжести Fт на радиус, проведенный из рассматриваемой точки к центру Fт.рад.
Для нижней части окружности Fпр = Fц + Fт.рад.
Для верхней части окружности Fпр = Fц - Fт.рад.
Для верхней точки окружности сила прижатия Fпр для частицы, размер которой равен величине зазора L будет равна нулю, поскольку в этой точке сила тяжести Fт полностью уравновесит центробежную силу Fц.
Во всех случаях сила прижатия Fпр пропорциональна массе частицы m, поскольку каждая из компонент Fпр пропорциональна массе m.
Из данных рассуждений следует, что деформация упругой внутренней поверхности (материала 3) частицей размером L будет нулевой только в самой верхней точке окружности внутренней поверхности барабана 2. В остальных точках окружности внутренней поверхности барабана 2 она будет больше нуля.
Если же говорить о частице размером L+dL, то нулевая деформация упругой поверхности возникнет в окрестности верхней точки барабана 2. Обозначим ее углом альфа (α).
На фиг. 5 видно, что частица размером L+dL находится вне зоны прилипания Rзп только в пределах угла α.
Если же сравнить тяжелую частицу 8 размером L+dL и легкую частицу 9 размером L+dL, то можно увидеть, что окрестность нулевой деформации упругой поверхности для легкой частицы 9 будет шире, чем для тяжелой частицы 8 (угол бета (β) на фиг. 6).
Это обусловлено тем, что сила прижатия Fпр для легких частиц 9 размером L+dL меньше, чем сила прижатия тяжелых частиц 8.
Используя описанную выше разницу углов нулевой деформации, можно отделить тяжелые частицы 8 размером L+dL от легких частиц 9 размером L+dL.
При осуществлении способа при вращении барабана 2 с угловой скоростью w горная масса движется по двум контурам: контур 10 «рассыпающихся» частиц и контур 11 «прилипших» частиц. «рассыпающиеся» частицы сначала захватываются вращательным движением, затем осыпаются в зоне А. «Прилипшие» частицы двигаются внутри зоны прилипания Rзп , а в третьей четверти окружности снимаются (счищаются) из зоны прилипания съемником 7.
Рассмотрим отдельно функцию съемника 4, расположенного в верхней части барабана 2 на расстоянии L от верхней точки упругой поверхности и в пределах угла β окрестности зоны нулевой деформации упругой поверхности материала 3 для легких частиц 9.
Частицы, размер которых равен зазору L и менее зазора L при вращении барабана 2 со скоростью w не попадают в съемник 4, так как он удален от внутренней поверхности на расстояние L. Эти частицы проследуют в зоне прилипания Rзп до съемника 7.
Частицы размером более чем L+dL тоже не попадают в съемник 4, так как их размер больше размера зоны прилипания Rзп, даже с учетом деформации упругой поверхности (упругого материала 3). Все эти частицы будут осыпаться в зоне А.
Легкие частицы размером L+dL также не попадают в съемник 4, так как съемник 4 находится в пределах нулевой деформации, определенной для легких частиц 9 углом β. Легкие частицы размером L+dL будут осыпаться из зоны прилипания по достижении ими съемника 4.
Тяжелые частицы 8 размером L+dL попадают в съемник 4, так как зона нулевой деформации упругой поверхности α для этих частиц 8 находится как раз над желобом съемника 4.
Таким образом, из всей массы частиц, двигающихся во вращающемся с угловой скоростью w барабане 2 центрифуги 1 (см. фиг. 2), съемником 4 будут выделены только тяжелые частицы 8, размер которых L+dL. Т.е. с помощью первого съемника 4 частиц снимают плотные частицы, размер которых L+dL, где dL – величина деформации упругого материала в нижней части барабана в результате воздействия плотных частиц на упругий материал 3 при вращении барабана 2.
Для полного выделения таких частиц из горной массы цикл проводится несколько раз.
Для того чтобы выделить все тяжелые частицы 8, а не только частицы размером L+dL, зазор L равномерно увеличивается от места загрузки до места выгрузки из барабана 2.
Загрузочная часть барабана 2 центрифуги 1 соответствует радиусу прилипания Rп. В ней центробежного эффекта прилипания не будет вообще. Далее по ходу движения горной массы внутренний радиус Rвн увеличивается, постепенно увеличивая и величину зазора L до максимально заданного размера частиц. А кроме этого увеличивается отклонение съемника 4 в сторону оси вращения.
В начале движения система обрабатывает мелкие частицы горной массы, потом средние и потом крупные.
Таким образом, при осуществлении предложенного способа может быть выполнено разделение частиц горной массы по плотности без использования разделительных сред типа воды, суспензии, воздуха и т.п.
В результате осуществления предложенного способа с использованием описанного устройства существенно упрощается процесс разделения частиц без необходимости остановки процесса разделения, поскольку отсутствует необходимость постоянной очистки устройства, с помощью которого реализуется предложенный способ, а также среды воздействия на частицы. Правильно подобранная угловая скорость вращения w барабана 2 позволяет только путем вращения барабана 2 (используя съемник 4 частиц и съемник 7) разделить более плотные частицы 8 от менее плотных частиц 9, причем имеющих разный размер.
При этом за счет продолговатой формы барабана 2 и движении исходного сырья от одного торца центрифуги 1 до другого (противоположного), происходит качественное разделение частиц разной плотности и разного размера за счет непрерывности вращения, поскольку крупные плотные частицы, не выделенные сначала загрузки в общей массе, разделяются по ходу движения исходного сырья вдоль барабана 2 до зоны выгрузки при вращения барабана 2.