ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР
CENTRIFUGAL CONCENTRATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к горному делу, в частности к обогащению полезных ископаемых, и может быть использовано для извлечения мелких и тонких фракций благородных металлов из песков или дробленых руд при разработке рудных месторождений и техногенного сырья.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Центробежные концентраторы широко используются в процессах обогащения рудных материалов при извлечении ценных компонентов, имеющих незначительную разницу плотности частиц с пустой породой. Центробежные концентраторы особенно эффективны при необходимости извлечения мелкой фракции. Это достигается за счет высокого центробежного ускорения. Для улучшения разделения частиц по плотности в центробежных концентраторах также прибегают к многократному осаждению-ресуспендированию частиц (ворошению).
Переработка упорных золотосодержащих руд и/или хвостов обогатительных фабрик требует разрешения множества технических противоречий. В таком сырье, помимо тонких фракций ценного компонента, содержится большое количество частиц, которые вкраплены в пустую породу, а разница между плотностью частиц пустой породы и частиц пустой породы, содержащих ценный компонент, сравнительно невелика, кроме того, некоторые типы сырья, например отвалы хвостов золотоизвлекательных фабрик, имеют большие отклонения фракционного состава частиц. Поэтому для эффективного выделения ценных компонентов из таких продуктов на практике применяют дорогостоящие подходы к разделению и дополнительные операции, такие как измельчение, грохочение, и др. Для снижения их себестоимости необходимо добиться максимального предварительного извлечения ценных компонентов в концентрат для последующего извлечения.
3
Известен центробежный концентратор Кнельсона, в котором для улучшения разделения применяют ворошение полупродукта струями воды, поступающими под давлением через отверстия с наружной поверхности осаждающего конуса (патент США №4846781). Недостатки этого концентратора, препятствующие достижению нижеупомянутого технического результата, состоят в том, что для выгрузки концентрата требуется остановка концентратора, велик удельный расход воды (свыше 4 м/т), для разрыхления полупродукта требуется чистая вода (взвешенные в воде частицы оседают в зазоре между конусом и стаканом, а крупные зерна запрессовывают отверстия желобков), при центробежном факторе свыше 30g резко возрастает расход чистой воды, а при паспортном факторе теряется тонкое и чешуйчатое золото. Эти аппараты непригодны для предварительного обогащения сырья с большими отклонениями фракционного состава.
Известен центробежный концентратор непрерывного действия, содержащий ротор, выполненный в виде концентрично установленных и повернутых вершинами в одну сторону внутреннего сплошного усеченного конуса, наружная поверхность которого снабжена спиральным выступом, образующим шнек, и внешнего перфорированного усеченного конуса, сидящих на концентричных валах редуктора, обеспечивающего возможность их вращения с собственными угловыми скоростями;
оба конуса открыты с широких концов, а их малые основания закрыты днищами, посредством которых конусы крепятся к соответствующим валам редуктора (Соколов В.И. Современные промышленные центрифуги. - М., 1961, сс.8-9 и 291-318, фиг.145 и 157.). Недостаток вышеупомянутых концентраторов, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата, состоит в том, что они не позволяют извлекать тонкие фракции и тяжелые минералы из руд и россыпей. Это связано, в частности, с недостаточным ворошением перерабатываемого материала и с невозможностью регулировки скорости вращения шнека относительно внешнего конуса.
Известен центробежный концентратор непрерывного действия для обогащения полезных ископаемых, пригодный для промывки песков россыпных месторождений, содержащий вращающийся корпус, транспортирующий шнек, расположенный внутри корпуса и снабженный зубьями, и разгрузочные окна; корпус снабжен кольцевыми лотками для сбора концентрата и хвостов, а кольцевые лотки для концентрата выполнены с возможностью перемещения вдоль корпуса и оснащены задвижками для концентратных окон (патент на изобретение РФ №2063809). Благодаря непрерывному перемешиванию слоя твердой фракции пульпы на внутренней поверхности корпуса и регулированию соотношения объемов выпуска концентрата и хвостов увеличивается степень извлечения металла, особенно мелкого трудноизвлекаемого. Недостаток известного концентратора, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата, состоит в том, что он недостаточно эффективно обогащает упорные руды и подобные виды сырья и сложен в управлении. Кроме этого разгрузочные окна требуют отдельного привода, что снижает надежность центрифуги и усложняет ее конструкцию. Известная центрифуга пригодна только для обогащения хорошо измельченного сырья, так как крупные куски породы могут приводить к заклиниванию шторок разгрузочных устройств.
Известна декантирующая центрифуга непрерывного действия, содержащая шнек для непрерывной выгрузки твердого материала из вращающегося барабана через отверстия и независимые приводы валов шнека и барабана, приводы выполнены таким образом, что обеспечивают полную независимость каждого из валов (патент США №4085888). Благодаря высокому центробежному ускорению (до нескольких тысяч g) эта центрифуга позволяет разделять материалы с малой разностью плотностей и выделять твердые частицы из вязких жидкостей. Недостаток этой центрифуги, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата, состоит в том, что ее ротор имеет большую длину и требует крепления в двух точках, что ухудшает ее массогабаритные характеристики, а также в том, что перемещение продукта шнеком не обеспечивает надлежащего рыхления материала, что приводит к параллельному перемещению осевших слоев вдоль аппарата к окнам выгрузки без разделения. Значительная протяженность пути транспортировки спрессованного под действием высоких значений g материала к выгрузным окнам снижает надежность конструкции, требует большого крутящего момента на валу привода и повышает износ рабочих поверхностей. Этот недостаток усугубляется сужением барабана в области выгрузных окон. Таким образом, известная декантирующая центрифуга непригодна для предварительного обогащения сложного сырья (например, руд и хвостов обогатительных предприятий), характеризуется высокими массогабаритными характеристиками и энергозатратами на единицу концентрата.
Известен центробежный концентратор непрерывного действия, содержащий приемник концентрата, приемник хвостов, питающий патрубок, внешний барабан, неподвижно установленный на внешнем валу, имеющем возможность вращения относительно оси, коаксиальный внешнему барабану внутренний барабан, неподвижно установленный на коаксиальном внешнему валу внутреннем валу, имеющем возможность вращения относительно оси, в котором открытый конец внешнего барабана снабжен кольцевым порогом, выполненным с просветом меньше, чем у внутреннего барабана, и размещенным на расстоянии от торца внутреннего барабана, на торце внутреннего барабана на расстоянии друг от друга установлены рыхлители, обращенные в направлении кольцевого порога, внутренняя поверхность внутреннего барабана выполнена с поперечным сечением, увеличивающимся в сторону просвета, питающий патрубок установлен неподвижно с возможностью подачи руды в узкую зону внутреннего барабана, внешний барабан снабжен отверстиями, сообщенными с приемником концентрата, наружная поверхность внутреннего барабана снабжена спиральными выступами, образующими шнек, выполненный с возможностью продавливания породы из просвета между внутренним и внешним барабанами к отверстиям, просветы внешнего и внутреннего барабана сообщены с приемником хвостов, внутренний вал напрямую кинематически связан с приводом, а внешний вал - через редуктор, что обеспечивает постоянную разность скоростей вращения внешнего и внутреннего барабана (патент на изобретение РФ №2123884, выбранный в качестве прототипа). Упомянутый концентратор пригоден для предварительного обогащения сложного сырья (например, хвостов обогатительных предприятий), не требователен к фракционному составу перерабатываемых продуктов, обеспечивает высокое извлечение тяжелых минералов, преимущественно благородных металлов, из руд и россыпей, и повышенную степень извлечения тонкой фракции тяжелых минералов. Недостаток прототипа, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата, состоит в том, что оптимальная по эффективности разделения скорость вращения шнека сильно зависит от качества исходного сырья, однако регулирование этой скорости в процессе эксплуатации не предусмотрено, что не позволяет применять его для обработки сырья с непостоянным качеством. Эта техническая проблема связана с тем, что для обеспечения постоянного отношения угловых скоростей валов с внешним и внутренним конусами используют шестеренчатый редуктор с приводом от одного двигателя.
Хотя угловые скорости вращения конусов могут составлять сотни оборотов в минуту, разница между их угловыми скоростями ω2-ω1 обычно в диапазоне 0,1-2 оборотов в минуту, а колебания относительной скорости вращения (Δω=ω2-ω1) не должны превышать 10-15%. Так как шестереночный редуктор обеспечивает только одно значение отношения угловых скоростей валов (ω2/ω1), определяемое передаточным числом, прототип имеет низкую эффективность обработки сырья с непостоянным качеством. Изменение передаточного числа упомянутого редуктора возможно только при условии значительного усложнения конструкции с существенным увеличением числа деталей и массы. Таким образом, вышеуказанные ограничения не позволяют плавно регулировать выход концентрата независимо от предварительно заданной угловой скорости внутреннего барабана и оптимально приспосабливать параметры работы данного концентратора к особенностям сырья. Кроме этого транспортировка концентрата шнеком от щели между конусами и кольцевым порогом до выгрузных отверстий вблизи узкого основания внешнего конуса приводит к большим энергозатратам и усилиям, необходимым для совершения работы против центробежной силы при перемещении концентрата в сторону оси вращения под большим углом и на большое расстояние. Эта особенность повышает частоту заклинивания барабанов концентратом, поломок спирали шнека и поломок шестеренок редуктора, что приводит к длительным аварийным остановкам концентратора. Таким образом, вторым недостатком прототипа является низкая надежность (отказоустойчивость).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание эффективного отказоустойчивого центробежного концентратора, пригодного для обогащения сложного сырья, характеризующегося значительной разностью в размерах частиц ценной и пустой фракций и/или малой разностью плотностей ценных компонентов и пустой породы, или непостоянным качеством, который был бы лишен вышеупомянутых недостатков прототипа.
Технический результат состоит в решении вышеупомянутой задачи и в том, что выполнение внутренней поверхности внутреннего барабана центробежного концентратора с конусностью больше, чем у внутренней поверхности внешнего барабана, но меньше 10 градусов, позволяет повысить отказоустойчивость и снизить энергоемкость обогащения по сравнению с прототипом, а также в том, что выполнение средств вращения внутреннего и внешнего барабанов кинематически независимыми друг от друга с возможностью регулирования разности частот вращения позволяет повысить эффективность обогащения по сравнению с прототипом.
Таким образом, если рассмотреть конструкцию заявленного центробежного концентратора в целом, вышеуказанный технический результат достигается, а назначение реализуется благодаря тому, что он так же, как прототип, содержит приемник концентрата (15), приемник хвостов (14), питающий патрубок (17), внешний барабан (2), неподвижно установленный на внешнем валу (4), имеющем возможность вращения относительно оси от привода внешнего вала (6), коаксиальный внешнему барабану (2) внутренний барабан (1, 10), неподвижно установленный на коаксиальном внешнему валу (4) внутреннем валу (3), имеющем возможность вращения относительно оси от привода внутреннего вала (5), в котором
открытый конец внешнего барабана (2) снабжен кольцевым порогом (7), выполненным с просветом меньше, чем у внутреннего барабана (1, 10), и размещенным на расстоянии (11) от торца внутреннего барабана (1, 10),
на торце внутреннего барабана (1, 10) на расстоянии друг от друга установлены рыхлители (12), обращенные в направлении кольцевого порога (7),
внутренняя поверхность (1) внутреннего барабана (1, 10) выполнена с поперечным сечением, увеличивающимся в сторону просвета,
питающий патрубок (17) установлен неподвижно с возможностью подачи руды в узкую зону внутреннего барабана (1, 10),
внешний барабан снабжен отверстиями (8), сообщенными с приемником концентрата (15),
наружная поверхность (10) внутреннего барабана (1, 10) снабжена спиральными выступами, образующими шнек (9), выполненный с возможностью продавливания породы из просвета между внутренним и внешним барабанами к отверстиям (8),
просветы внешнего и внутреннего барабана сообщены с приемником хвостов (14),
и отличается от прототипа тем, что в нем
привод внутреннего вала (6) и привод внешнего вала (5) выполнены с возможностью независимого изменения круговой частоты вращения и поддержания постоянной разности частот вращения,
внутренняя поверхность (1) внутреннего барабана (1, 10) имеет конусность больше, чем у внутренней поверхности внешнего барабана, и меньше 10 градусов.
В частном варианте воплощения концентратора внутренняя поверхность (1) внутреннего барабана (1, 10) имеет форму тела вращения.
В одном частном варианте воплощения концентратора он дополнительно содержит защитный кожух, выполненный за одно целое с приемником концентрата (15) и приемником хвостов (14).
В одном частном варианте воплощения длина шнека (9) меньше длины наружной поверхности (10) внутреннего барабана (1, 10), а отверстия (8) расположены вблизи концевой зоны шнека (8).
В предпочтительном варианте воплощения длина шнека (9) меньше двух третей длины наружной поверхности (10) внутреннего барабана (1, 10).
В еще более предпочтительном варианте воплощения длина шнека (9) меньше половины длины наружной поверхности (10) внутреннего барабана (1, 10).
Следует понимать, что устройству могут быть присущи все или только некоторые из признаков вышеописанных частных и предпочтительных вариантов выполнения, при условии, что они не исключают друг друга, такие комбинации признаков также включены в объем настоящего изобретения.
Среднему специалисту из описания прототипа и из уровня техники должны быть понятны функции и допустимые варианты выполнения, соединения и расположения вышеупомянутых конструктивных элементов, например, должно быть понятно, что рыхлители обеспечивают улучшение разделения по плотности осевших материалов. При этом более плотные частицы перемещаются на периферию, а более легкие выдавливаются к центру и выносятся с пульпой в хвосты.
Если какие-то конструктивные элементы и другие признаки, которые, как известно среднему специалисту, необходимы для реализации назначения, но специально не упомянуты в формуле изобретения и не раскрыты в описании, то они являются имманентно присущими, а их конкретные варианты выполнения хорошо известны из прототипа и уровня техники.
Как неожиданно было установлено, выполнение внешней поверхности внутреннего барабана с конусностью не более 10 градусов снижает сопротивление транспортируемого шнеком концентрата и, как упомянуто выше, повышает отказоустойчивость и снижает энергоемкость обогащения. В зависимости от свойств сырья и его коэффициента трения с поверхностью конуса упомянутый угол может варьировать до 0 и менее градусов, то есть может быть отрицательным в направлении свободного конца барабана.
Выполнение наружной и внутренней поверхности внутреннего барабана с разной конусностью позволяет оптимизировать энергоемкость транспортировки концентрата независимо от условий его осаждения.
Расположение сквозных отверстий внешнего барабана на расстоянии от широкого торца, не превышающем длину зоны шнека, позволяет минимизировать расстояние, на которое перемещается концентрат.
В предпочтительном варианте воплощения количество витков шнека выбирают минимально достаточным для надежного запирания концентратом пространства между барабанами от проникновения пульпы.
Для лучшего понимания идей изобретения ниже приводятся иллюстрирующие чертежи, показывающие частные варианты выполнения устройства, наличие, расположение и пропорции основных конструктивных элементов. Однако, несмотря на то, что в настоящем документе изобретение описывают со ссылкой на позиции элементов, показанных на чертежах, не следует приписывать их особенности соответствующим элементам, на которые ссылаются в тексте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показано продольное сечение одного из конкретных вариантов выполнения концентратора.
На Фиг.2 схематично показан разрез внешнего и внутреннего барабанов, h обозначает высоты конусов, L - зону действия шнека, β и φ - углы между образующими конусов и их высотами.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание одного из частных вариантов воплощения даются только для наглядной иллюстрации изобретательской идеи. Ничто в настоящем разделе описания не должно быть истолковано как ограничение объема притязаний. Должно быть понятно, что средний специалист, знакомый с идеями настоящего изобретения, может использовать его главные отличительные особенности и внести эквивалентные замены с достижением поставленной задачи и без отклонения от духа и области настоящего изобретения.
Концентратор состоит из ротора, выполненного в виде концентрично смонтированных внутреннего (1, 10) и внешнего барабана (2), установленных, соответственно, на внутреннем и внешнем валах (3, 4) приводов (5, 6). Просвет внешнего барабана (2) заслонен кольцевым порогом (7) и снабжен сквозными отверстиями (8). На внешней поверхности (10) внутреннего барабана (1, 10) имеется спиральный выступ в форме шнека (9). Между кольцевым порогом (7) и торцом внутреннего конуса (1) имеется щель (11). На торце внутреннего барабана (1) жестко закреплены рыхлители (12), выполненные в форме пальцев. Ограждение (13) изготовлено заодно с приемниками хвостов (14) и концентрата (15). Через крышку (16) приемника хвостов (14) пропущен питающий патрубок (17), неподвижно установленный с выпускным отверстием вблизи узкой части полости внутреннего барабана (1, 10). Приводы (5) и (6) кинематически связаны с валами (3, 4) барабанов (1, 2) и выполнены с возможностью независимой установки угловых скоростей.
Концентратор работает следующим образом. По неподвижной трубе 17 в узкую часть полости вращающегося внутреннего барабана (1, 10) подают пульпу, которая под действием центробежных сил движется в направлении кольцевого порога (7), с разделением частиц в слое на внутренней поверхности (1) внутреннего барабана (1, 10) по плотности: более тяжелые частицы перемещаются в слой, примыкающий к поверхности конуса, и сползают к щели (11), где они захватываются шнеком (9) и через отверстия (8) внешнего барабана (2) выбрасываются в приемник концентрата (15). Более легкие минералы остаются во внутреннем слое, а также частично могут оставаться с водой и уходят через кольцевой порог (7) в приемник хвостов (14). Двигаясь вместе с внутренним барабаном (1, 10) относительно внешнего барабана (2), пальцы (12) разрыхляют материал в щели (11), облегчая работу шнека (9) и предотвращая вынос концентрата за кольцевой порог (7) из промежутка (11). Данный концентратор позволяет эффективно отделять ценные компоненты от пустой породы в широком диапазоне фракционного состава. При равных объемах получаемых концентратов по сравнению с прототипом данный концентратор характеризуется меньшей энергоемкостью, более высокой степенью обогащения и повышенной наработкой на отказ.
Изменения и модификации описанного концентратора, а также дополнительные применения принципов изобретения, очевидные для специалистов в данной области техники, также входят в объем изобретения.