ПРЕЦЕССИОННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР
PRECESSIONAL CENTRIFUGAL CONCENTRATOR

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к обогащению полезных ископаемых, преимущественно руд и песков цветных и драгоценных металлов.
Известен прецессионный центробежный концентратор для разделения зернистых материалов, содержащий корпус, внутри которого размещены разделитель, выполненный в виде чаш, над каждой из которых установлен дистрибутор, монтированные на соединенном с приводом полом валу, установленном наклонно с возможностью прецессионного вращения вокруг вертикальной оси, устройство для изменения параметров прецессии и сборники, снабженные перекрывающими элементами, подвижно установленными на валу (Патент РФ №2132234, 27.06.1995, В03В 5/32 - аналог).
Недостатками известного устройства являются:
невысокая надежность конструкции устройства в связи с установкой нескольких чаш друг над другом по длине вала;
сложность регулирования величины и оптимизации центробежных сил в чашах для разделения минералов по плотности;
низкая производительность концентратора.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является центробежный концентратор, включающий конусообразную чашу, смонтированную на наклонном валу с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, питающее и разгрузочное приспособления, стопор, не позволяющий конусообразной чаше совершать вращательное движение вокруг собственной оси, но не препятствующий движению вокруг вертикальной оси, наклонный вал в нижней части установлен шарнирно, а в верхней части наклонного вала установлен подшипник и входящий в него штифт, жестко связанный с приводным валом через закрепленное на нем соединительное устройство с пазом для регулирования угла наклона, причем стопор закреплен в нижней части наклонного вала, концентратор снабжен разгрузочным приспособлением для тяжелой фракции (Патент РФ №2136373, 27.05.1998, В03В 5/32 - прототип).
Недостатками известного устройства являются:
низкая производительность концентратора;
необходимость остановки аппарата для ручной разгрузки тяжелой фракции;
периодический принцип работы, ограничивающий область применения.
Решаемая задача:
повышение производительности концентратора;
механизация процесса разгрузки тяжелой фракции;
расширение функциональных возможностей и области применения концентратора.
Поставленная задача достигается тем, что известный прецессионный центробежный концентратор для обогащения полезных ископаемых, включающий раму, питающее и разгрузочные приспособления, чашу, жестко смонтированную на полом валу, который одним концом установлен на раме шарнирно с исключением вращения чаши вокруг собственной оси, а другим концом через подшипник соединен с водилом, придающим чаше прецессионное движение, устройство для регулирования угла наклона оси чаши к оси приводного вала водила, отличающийся тем, что чаша выполнена двухсекционной, где первая секция выполнена в виде усеченного конуса, ступенчато примыкающего своим основанием ко второй секции, которая выполнена с большим диаметром в виде цилиндра или слабоконического барабана с углом уклона образующей меньшим угла наклона оси чаши и снабжена, для удержания и разгрузки тяжелой фракции, кольцевой щелью и перекрывающим кольцевым порогом, закрепленным с продольной подвижностью на полом валу, а вал выполнен с отверстиями для подачи воды в зону второй секции чаши.
Из источников, ставших общедоступными, не выявлены технические решения с размещением на известном прецессионном центробежном концентраторе для обогащения полезных ископаемых двухсекционной чаши, где первая секция выполнена в виде усеченного конуса, ступенчато примыкающего своим основанием ко второй секции, которая выполнена с большим диаметром в виде цилиндра или слабоконического барабана с углом уклона образующей меньшим угла наклона оси чаши и снабжена, для удержания и разгрузки тяжелой фракции, кольцевой щелью и перекрывающим кольцевым порогом, закрепленном с продольной подвижностью на полом валу, а вал выполнен с отверстиями для подачи воды в зону второй секции чаши.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого прецессионного центробежного концентратора для обогащения полезных ископаемых. Совокупность его существенных признаков обеспечивает способу новое качество, выражающееся:
1). В повышении производительности процесса разделения смесей по плотности, которое в предлагаемом техническом решении достигается за счет появления возможности увеличения частоты прецессионного вращения чаши концентратора (применения центробежных полей высокой интенсивности).
Работа известного прецессионного центробежного концентратора, принятого за прототип, основана на способе разделения зернистых материалов по плотности, суть которого заключается в том, что за счет прецессионного вращения в чаше создают бегущую по кругу волну, в которой возникают центробежные силы, способствующие разделению материала по плотности в хвосте уходящей волны (патент РФ №2132736, 10.07.99, В03В 5/32).
В известном прецессионном центробежном концентраторе (прототипе) оптимальные для разделения зернистых материалов центробежные силы возникают при скорости прецессионного вращения чаши от 80 до 140 об/мин.
Указанные оптимальные скорости прецессионного вращения создают центробежные силы небольших величин (до 10g), что ограничивает производительность прототипа. При этом создание значительных центробежных сил (до 60-100g) в прототипе невозможно, так как это привело бы к расплющиванию водяной волны по поверхности чаши, что исключает сам способ разделения зернистых материалов по плотности, заложенный в известном прецессионном центробежном концентраторе.
Известно, что производительность центробежных концентраторов зависит от диаметра и угла конусности чаши, и интенсивности центробежного поля, которая задается частотой вращения чаши.
Например, прецессионный центробежный концентратор ПКЦ-300 (прототип) при диаметре чаши 300 мм с величинами центробежных сил до 10g работает с производительностью по твердому до 300 кг/час., тогда как центробежный концентратор ЦКПП-300 при равном диаметре чаши (300 мм) за счет достижения центробежных сил до 100g, при высокой скорости вращения чаши, работает с производительностью по твердому 3000-5000 кг/час.
В предлагаемом изобретении первая секция чаши выполнена в виде усеченного конуса с гладкой внутренней поверхностью и углом конусности значительно большим угла наклона оси чаши к оси приводного вала водила. Первая секция, выполненная в виде усеченного конуса с прямой конусностью относительно сливного порога чаши, позволяет задать направление и величину транспортной скорости потока исходного материала. Известно, что величина транспортной скорости потока тем больше, чем больше центробежная скорость (частота вращения чаши) и угол конусности чаши.
В предлагаемом изобретении в первой секции чаши исходному материалу, регулируя частоту прецессионного вращения, придают необходимую скорость потока, которой и задают производительность концентратора. Кроме того, в первой секции, которая является не только зоной миграции, но и зоной стратификации, материал подвергается распределению по удельному весу и крупности, то есть повергается предварительному обогащению.
Вторая секция чаши является зоной концентрации (удержания) тяжелого материала, где происходит разделение материала по плотности, извлечение из потока и накопление тяжелых частиц. В предлагаемом прецессионном центробежном концентраторе для разделения зернистых материалов по плотности и накопления тяжелых частиц в зоне концентрации второй секции использован способ центробежного разделения смесей по патенту РФ №2676111, 25.12.17 г., В03В 5/32. Заложенный в основу работы предлагаемого прецессионного концентратора способ разделения минеральных смесей в зоне концентрации дает возможность применять высокие центробежные силы (до 60-100g). Возможность применения центробежных полей высокой интенсивности позволяет значительно увеличить частоту вращения чаши, а значить и производительность прецессионного центробежного концентратора.
Вторая секция выполнена в форме цилиндра или слабоконического барабана с углом уклона образующей меньшим угла наклона оси чаши к оси приводного вала водила. При таком исполнении второй секции (зоны концентрации) появляется эффект (патент РФ №2676111, 25.12.17 г., В03В 5/32), когда по мере прецессионного движения чаши без ее осевого вращения, вектор продольной составляющей центробежной силы, действующей вдоль образующей зоны концентрации чаши, периодически изменяется по величине и приобретает противоположное направление. Энергопередача при воздействии знакопеременной продольной составляющей центробежной силы на минеральную постель в зоне концентрации происходит через придонный слой, через границу стенка-постель, что исключает запрессовку постели, которая обычно начинается в центробежных концентраторах у дна рифлей. За один оборот все точки минеральной постели по всей поверхности зоны разделения второй секции чаши, по мере прецессионного движения чаши подвергаются воздействию знакопеременных продольных составляющих центробежных сил, а минеральная постель в зоне концентрации испытывает сложные движения, сходные с движением на концентрационном столе, и находится в разрыхленном состоянии сколь угодно долго.
Кроме того, воздействие на смесь центробежным полем с интенсивностью до 60-100g увеличивает гидравлическую крупность частиц, производит их псевдоукрупнение и повышает эффективность извлечения частиц малого размера.
2). В механизации процесса разгрузки тяжелой фракции.
Использование в предлагаемом прецессионном концентраторе для создания центробежных силовых полей прецессионного движения чаши без ее осевого вращения позволяет конструктивно просто:
- установить на второй секции чаши кольцевой порог, закрепленный на полом валу чаши с возможностью продольного перемещения;
- снабдить вторую секцию кольцевой щелью, которая при работе концентратора в режиме обогащения будет перекрыта кольцевым порогом;
- в полый вал подавать воду для сполоска зоны концентрации при разгрузке тяжелой фракции.
В режиме разгрузки тяжелой фракции кольцевой порог перемещается вдоль оси чаши и открывает кольцевую щель для вывода тяжелой фракции, а в зону концентрации подается вода. При этом для разгрузки тяжелой фракции не требуется остановки и даже снижения оборотов прецессионного вращения чаши. Тяжелые частицы минеральной постели, находящиеся в подвижном разрыхленном состоянии, за счет прецессионного движения чаши и воздействия воды будут перемещаться в разгрузочную кольцевую щель. Исключается ручной труд по сполоску чаши, а время разгрузки тяжелой фракции сокращается до нескольких секунд.
3) В расширении функциональных возможностей и области применения концентратора.
Заложенный в основу работы заявляемого прецессионного концентратора способ разделения зернистых материалов в зоне концентрации, снабжение второй секции чаши подвижным кольцевым порогом и кольцевой щелью позволяют по сравнению с прототипом расширить функциональные возможности и область применения, заявляемого прецессионного центробежного концентратора:
3
концентратор может работать в режиме периодической разгрузки тяжелой фракции, когда необходимо обеспечить высокую степень концентрации. Например, при обогащении бедных россыпей благородных металлов, содержащих менее 1-2 г/м золота, серебра или платины, когда цикл накопления концентрата составляет около 2 часов;
в связи с тем, что время разгрузки тяжелой фракции сокращается до нескольких секунд и не требуется остановки и даже снижения оборотов чаши, предлагаемый прецессионный концентратор может работать в режиме варьируемой непрерывной разгрузки тяжелой фракции. Это значительно расширяет область применения концентратора. Он может найти применение, например, при обогащении полиметаллических руд (оловянных, медных, цинковых, вольфрамовых, титаноциркониевых), железосодержащих руд, где содержание тяжелых ценных компонентов может достигать 0,5% и более, а цикл накопления концентрата составляет от 3 до 10 минут. В этих условиях применение центробежных аппаратов периодического действия становится неэффективным, поскольку из-за частых остановок для разгрузки концентрата резко снижается производительность процесса обогащения.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого прецессионного центробежного концентратора для обогащения полезных ископаемых обеспечивает ему вышеперечисленные новые качества, что не следует явным образом из известного уровня техники и позволяет признать заявляемое решение соответствующим критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», так как оно может быть использовано в горной промышленности при обогащении полезных ископаемых, в том числе для разделения минеральных частиц по плотности в центробежных полях при обработке золотосодержащих концентратов промывочных приборов и драг на шлихо-обогатительных и золотоизвлекательных фабриках, а также на фабриках по обогащению цветных металлов.
На фиг. 1 изображен прецессионный центробежный концентратор для обогащения полезных ископаемых, вид сбоку, на фиг. 2 - вид сверху.
Прецессионный центробежный концентратор (фиг. 1, фиг. 2) состоит из рамы 1, водила 2, приводного вала 3 водила с двигателем 4, шарнира Гука 5, загрузочной воронки 6, двухсекционной чаши 7, улитки 8 для вывода тяжелой фракции, улитки 9 для вывода хвостов обогащения.
Загрузочная воронка 6, двухсекционная чаша 7, улитка 8 для вывода концентрата, улитка 9 для вывода хвостов обогащения жестко соединены между собой и представляют единый корпус 10 концентратора, жестко закрепленный на валу 11, который выполнен полым для возможности подачи технологической воды через шланг 12.
2
Полый вал 11 концентратора по оси O-O со стороны загрузочной воронки жестко соединен с горизонтальным валом 13 шарнира Гука.
4
5
4
5
3
2
С двух сторон горизонтального вала 13 шарнира Гука по оси O-O выполнены цапфы 14 с подшипниками 15. С цапфами шарнирно соединен вертикальный вал 16 шарнира Гука. Вертикальный вал укреплен в подшипниках 17 на раме 1. Такая конструкция шарнирного крепления корпуса концентратора к раме (по принципу шарнира Гука) допускает колебательные движения корпуса с незначительной амплитудой относительно горизонтальной O-O и вертикальной О-О осей шарнира Гука, однако полностью исключает возможность вращения корпуса и, соответственно, чаши вокруг своей продольной оси O-O.
2
2
1
1
2
3
4
5
На другом конце полого вала 11 по оси O-O, в торце улитки 9 для вывода хвостов обогащения, на корпусе концентратора жестко закреплена обойма 18 с подшипником 19. В подшипник плотно входит штифт 20, который имеет возможность перемещаться вдоль водила 2 в пазу 21 для регулирования угла наклона β продольной оси O-O чаши концентратора к оси вращения О-О приводного вала 3 водила 2. После установки оптимального угла наклона β штифт прочно закрепляется в пазу водила. Паз 21 выполнен в виде дуги относительно точки О с одинаковым до нее расстоянием от всех точек дуги. Точка О является точкой пересечения всех осей: O-O и O-O, вертикальной O-O и горизонтальной О-О осей шарнира Гука.
Водило 2 своей ступицей насажено на приводной вал 3 водила. Приводной вал 3 водила закреплен на шарикоподшипниковой опоре 22, установленной на раме 1. Вращение приводному валу водила передается через клиноременную передачу от двигателя 4, установленного на раме 1.
2
1
Корпус концентратора посредством вала 11, к которому жестко соединена обойма 18 с подшипником 19 и плотно входящим в подшипник штифтом 20, шарнирно соединен с водилом 2 и получает от него прецессионное движение по круговому конусу с вершиной в точке О. При этом ось O-O будет являться образующей кругового конуса, а ось O-O - осью кругового конуса.
2
1
Первая секция 23 (зона миграции и стратификации) чаши 7, выполненная в виде усеченного конуса с углом конусности γ, своим большим основанием ступенчато примыкает ко второй секции. Вторая секция 24 (зона концентрации), выполненная с диаметром большим диаметра основания усеченного конуса, имеет вид цилиндра или слабоконического барабана с углом уклона образующей барабана меньшим угла β наклона оси O-O вала чаши к оси O-O вала привода. Поверхности первой секции чаши (зоны миграции и стратификации) и второй секции чаши (зоны концентрации) армированы полиуританом.
Кольцевой порог 25 выполнен в виде усеченного конуса, меньшее основание которого имеет фланец, предназначенный для создания порога в зоне концентрации. При работе прецессионного концентратора в режиме обогащения кольцевой порог 25 плотно прижат к зоне концентрации с помощью гидроцилиндра 26. Тяжелые частицы полезного ископаемого накапливаются в зоне концентрации в виде минеральной постели, а легкие частицы (хвосты обогащения) исходного материала переливаются через срез большего основания усеченного конуса кольцевого порога в улитку 9, где выводятся через окно 27 в приемный кожух и далее в специальный лоток. Кожух и лоток на фигурах не указаны. Кольцевой порог 25 спицами 28 жестко связан со ступицей 29, которая шлицевым соединением насажена на вал 11. Ступица через прорезь 30 на валу 11 соединена со штоком гидроцилиндра 26. Шлицевое соединение исключает проворачивание кольцевого порога относительно вала 11, однако дает возможность перемещения его вдоль оси вала.
При переходе работы концентратора в режим разгрузки концентрата посредством штока гидроцилиндра 26 кольцевой порог 25 (с фланцем) отводится от зоны концентрации, образуя кольцевую щель 31 необходимой величины для вывода концентрата. На фигурах 1 и 2 концентратор, для отображения кольцевой щели, изображен при его работе в режиме разгрузки тяжелой фракции, то есть с образованием кольцевой щели 31. При работе в режиме разгрузки тяжелой фракции технологическая вода для сполоска зоны концентрации чаши поступает в полый вал 11 через шланг 12 в месте его крепления к горизонтальному валу 13 шарнира Гука. По внутренней полости вала 11, выполненного в виде трубы, технологическая вода поступает в перфорированный участок 32 вала 11, равный длине зоны концентрации чаши. Отверстия 33 для воды расположены по всему периметру и всей поверхности перфорированного участка вала 11.
Разгрузка концентрата осуществляется без остановки и без снижения частоты прецессионного вращения чаши концентратора. Концентрат полезного ископаемого при сполоске зоны концентрации за счет воздействия продольной составляющей центробежной силы и воды поступает в кольцевую щель 31 и далее в улитку 8 для вывода концентрата чаши, где через окно 34 выбрасывается в кожух и по лотку поступает в специальный контейнер для сбора концентрата с полезным ископаемым (кожух, лоток и контейнер на фигурах не указаны). Время на разгрузку концентрата составит не более нескольких секунд.
Предлагаемое изобретение:
дает возможность создавать модели прецессионных центробежных концентраторов сегрегационного типа с высокой единичной производительностью, надежные в промышленной эксплуатации;
позволяет расширить функциональные возможности и область применения прецессионных центробежных концентраторов сегрегационного типа;
повышает эффективность извлечения частиц малого размера в прецессионных центробежных концентраторах за счет увеличения гидравлической крупности частиц воздействием на смесь центробежного поля с интенсивностью до 60-100g.