ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИБРАЦИОННЫЙ КОНЦЕНТРАТОР

Полезная модель относится к техническим средствам для гравитационного обогащения полезных ископаемых, в частности к устройствам для выделения свободных частиц благородных металлов и других тяжелых полезных компонентов (полиметаллов), имеющих более высокую плотность относительно пустой породы, в поле центробежных сил знакопеременных направления и величины. Оно может быть широко использовано в горно-обогатительной промышленности при извлечении, прежде всего мелких (менее 0,25 мм) и тонких (менее 0,1 мм) классов крупности благородных металлов, например золота из песков россыпей, измельченных руд, хвостов обогащения, черновых концентратов.
Известно, что центробежный способ обогащения минерального сырья является прогрессивным, экологически чистым и наиболее эффективным при гравитационном обогащении мелкозернистых пульп, содержащих микронные классы крупности тяжелых ценных компонентов. В России и за рубежом данный способ получил широкое распространение в золотодобывающей промышленности, где при отработке россыпей и руд, содержащих благородные металлы (золото, платину, серебро), в схемах обогащения применяются центробежные аппараты (концентраторы, сепараторы) различных конструкций [1].
В общем случае эти аппараты включают вращающуюся от привода рабочую камеру в форме конической чаши с улавливающим покрытием на внутренней ее поверхности, чаще всего в виде кольцевых канавок, питающее и разгрузочное устройства.
Основным недостатком таких аппаратов является низкое качество получаемого концентрата и низкое извлечение благородных металлов, особенно мелких и тонких классов крупности в виду того, что в процессе работы накапливаемый в канавках слой материала, особенно в пристенной зоне, под воздействием центробежной силы сильно уплотняется, вследствие чего замещение легких частиц тяжелыми резко сокращается и разделение материала пульпы становится неэффективным. Именно поэтому выпускаемые российской фирмой ТулНИГП известные центробежные сепараторы СЦ-0,3; СЦ-0,6; СЦ-1,0, в которых реализовано данное техническое решение, имеют ограниченное применение в золотодобыче - при разработке россыпных месторождений с крупным и средним золотом.
В связи с этим разработка новых конструкций центробежных концентраторов осуществлялась преимущественно в направлении создания условий для разрыхления минеральной «постели», накапливаемой в кольцевых канавках, для обеспечения надежной сегрегации
мелких тяжелых частиц внутрь канавок и интенсификации тем самым процесса обогащения.
Одним из наиболее эффективных технических решений для достижения поставленной цели по сравнению с другими известными из специальной научно-технической литературы и патентных источников является использование интенсивных вибрационных колебаний рабочей камеры (чаши) с частотой, превышающей частоту ее вращения [2], [3], [4].
В известном центробежном концентраторе [5] это достигается за счет применения гибкого инерционно-фрикционного привода вала чаши для придания ей наряду с вращением дополнительно планетарного вращения с большой частотой вращения. Однако, из-за того, что планетарное движение в данной конструктивной схеме концентратора сопряжено с неуправляемой нутацией (угловым отклонением оси вращения чаши от вертикали), ожидаемая эффективность извлечения тяжелого полезного компонента снижается, особенно в среднем и крупном классах. Это объясняется резким возрастанием радиуса планетарного вращения чаши в направлении от вершины ее конуса к его основанию, т.е. к резкому увеличению амплитуды колебаний чаши. Это отклонение является также причиной сноса потоком пульпы частиц мелких классов полезного компонента (особенно пластинчатой и чешуйчатой форм), т.к. возникающее вследствие наклона чаши дополнительное ускорение, направленное поперек канавок чаши, способствует не только разрыхлению материала, но и сносу. Это приводит к необходимости дополнительной перечистки «хвостов» обогащения, что резко снижает производительность концентратора.
В другом известном центробежном концентраторе [6], [7] (принимается за прототип), выпускаемом ОАО «ГРАНТ» (г.Наро-Фоминск, Московская область) и нашедшем практическое применение в золото-платинодобыче (модель ЦВК-300), для стабилизации процесса обогащения взаимоконтактирующие поверхности вала чаши и ограничителя угла наклона выполнены с различными профилями, способствующими самоустановке чаши из начального режима вращения под углом к вертикали в рабочий режим планетарного вертикального или близкого к вертикальному вращения. При этом гибкий элемент инерционно-фрикционного привода вращения чаши выполнен с возможностью пространственного смещения его ведомой части одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях и передачи этого смещения валу чаши. Для обеспечения стабильности извлечения известный концентратор снабжен противорезонансной системой.
Однако, как показывает опыт эксплуатации данного концентратора, возникающий от центробежной силы момент при наработке определенной (критической) массы концентрата
тяжелого полезного компонента превышает противодействующий со стороны гибкого элемента момент сопротивления. В результате нарушения равновесия моментов сил возникает неуправляемая возрастающая нутация оси вращения чаши, визуально которую обнаружить при работе концентратора невозможно, что влечет за собой выброс из верхних канавок чаши части наработанного концентрата и резкое снижение тем самым извлечения полезного компонента.
Исследования явления дестабилизации режима планетарного вертикального высокочастотного вращения чаши в зависимости от массы накапливаемого концентрата позволили авторам настоящей полезной модели установить следующее:
1. Выполнение взаимоконтактирующих фрикционных поверхностей вала чаши и ограничителя угла наклона чаши с различным профилем (например, поверхность ограничителя в виде цилиндрической поверхности, а рабочей поверхности вала чаши в виде выпуклой сферической поверхности и наоборот) приводит к «чувствительности» системы сил на изменение момента со стороны чаши, особенно при накапливании концентрата в верхних ее канавках, вызывая нутацию. Кроме того, такое исполнение профилей снижает фрикционную поверхность контакта рабочей части вала чаши и внутренней стенки отверстия ограничителя угла наклона чаши, что приводит при быстром вращении вала к неравномерности его планетарного движения из-за вероятности проскальзывания. В зависимости от переменной величины момента трения между валом и отверстием обкатка осуществляется то по треугольной, то по многоугольной траектории, из-за чего инерционные силы, действующие на твердые частицы пульпы, постоянно изменяются по величине в несколько раз. Стабилизировать процесс обогащения в таких условиях практически невозможно.
2. Неопределенная жесткость гибкого элемента затрудняет практическую реализацию данного технического решения конструкции центробежно-вибрационного концентратора, поскольку она зависит от множества факторов (от передаваемого крутящего момента, от массы чаши и ее вала, положения их центров тяжести относительно ограничителя угла наклона).
Таким образом, зависимость технологического процесса обогащения от многих конструктивных факторов в условиях жесткой стабилизации параметров движения рабочей камеры (чаши) снижает эффективность работы известного аппарата.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение эффективности процесса разделения разноплотностных минералов в центробежном поле, увеличение степени и качества извлечения тяжелых ценных
компонентов за счет обеспечения условий для стабилизации процесса замещения легких частиц на тяжелые на всей улавливающей поверхности рабочей камеры независимо от изменений в процессе обогащения параметров пульпы.
Решение технической задачи достигается тем, что в центробежно-вибрационном концентраторе, содержащем рабочую камеру в форме конической чаши с фрикционным валом в нижней своей части и с улавливающим покрытием в виде кольцевых канавок на ее внутренней поверхности, механизм привода вращения камеры через гибкий элемент трубчатой формы, имеющей возможность отклонения камеры от вертикальной оси вращения, смещения ее в горизонтальной и вертикальной плоскостях, ограничитель угла наклона камеры, в сквозное отверстие которого пропущен фрикционный вал, контактирующий с внутренней фрикционной поверхностью ограничителя, при этом ограничитель установлен на эластичных амортизаторах на основании соосно с механизмом привода, загрузочное и разгрузочное устройства, взаимоконтактирующие поверхности фрикционного вала камеры и ограничителя угла ее наклона выполнены цилиндрической формы, при этом нижняя ведомая часть фрикционного вала снабжена маховиком для уравновешивания изгибающего момента от вращения камеры для обеспечения максимального извлечения тяжелого полезного компонента.
Техническая сущность полезной модели предлагаемого центробежно-вибрационного концентратора поясняется следующим.
Выполнение взаимоконтактирующих поверхностей вала чаши и ограничителя угла ее наклона с одинаковым профилем в виде цилиндра увеличивает поверхность контакта, особенно при незначительной разнице в их диаметрах, определяющей амплитуду вибрационных колебаний чаши. Это улучшает условия работы инерционно-фрикционного привода, снижая вероятность проскальзывания при обкатке и стабилизируя тем самым траекторию планетарного движения чаши и инерционные силы, действующие на твердую фазу пульпы. Технологический процесс обогащения в таких условиях становится более эффективным.
Снабжение нижней ведомой части фрикционного вала чаши маховиком для уравновешивания момента от ее вращения придает быстро вращающейся системе (чаше, валу и маховику) свойство гироскопа - противодействовать силам, стремящимся изменить направление его оси вращения. В данном случае таковыми являются: со стороны чаши - возрастающий по мере подачи питания момент от массы нарабатываемого концентрата, а со стороны ведомой части вала - момент упругости при изгибе и смещении в горизонтальной
плоскости гибкого элемента трубчатой формы, передающего на вал крутящий момент от привода.
Таким образом, указанные технические решения обеспечивают выполнение поставленной задачи - повышение эффективности работы концентратора за счет стабилизации технологического процесса обогащения.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид центробежно-вибрационного концентратора; на фиг.2 - схема движения чаши в начальный период ее вращения; на фиг.3 - схема движения чаши при установившемся режиме планетарного движения.
Центробежно-вибрационный концентратор (ЦВК) содержит рабочую камеру 1 в форме конической чаши с фрикционным валом 2 в нижней своей части и с улавливающим покрытием 3 в виде кольцевых канавок на ее внутренней поверхности. Чаша приводится во вращение механизмом привода 4 посредством гибкого элемента 5 трубчатой формы, выполненного с возможностью отклонения его от вертикальной оси, смещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях и передачи этого отклонения чаше через непосредственную его связь с валом. Пределы отклонений и смещений устанавливаются ограничителем 6 угла наклона чаши, в сквозное отверстие которого пропущен фрикционный вал, контактирующий с внутренней фрикционной поверхностью 7 ограничителя. Ограничитель установлен на эластичных амортизаторах 8 соосно с механизмом привода на основании 9, на котором смонтирован кожух с разгрузочным устройством 10. Для питания концентратор снабжен загрузочным устройством 11 в виде воронки. Для уравновешивания чаши при ее вращении и для обеспечения вертикального планетарного ее движения нижняя ведомая часть фрикционного вала снабжена маховиком 12, выполненным в частном случае в виде массивного круглого хомута, связывающего вал чаши с гибким элементом механизма привода.
Центробежно-вибрационный концентратор работает следующим образом. Перед началом процесса обогащения запускают в работу механизм привода 4. При его включении чаша 1 через гибкий элемент 5 и фрикционный вал 2 получает вращение вокруг своей оси и за счет инерционных сил отклоняется от вертикали. На практике это первоначальное отклонение может произойти и в состоянии покоя, так как чаша, опираясь через вал на гибкий элемент, находится в неустойчивом равновесии. Возникающие при вращении чаши 1 и маховика 12 центробежные силы создают относительно зоны контакта фрикционной цилиндрической поверхности 7 ограничителя 6 угла наклона чаши моменты, равенство которых обеспечивается соответствующей массой маховика. При таком равновесном положении
вращающейся системы (чаши, вала и маховика) суммарный ее маховой момент воздействует на ограничитель 6 угла наклона чаши, установленный на основании 9 с помощью эластичных трубчатых амортизаторов 8, сообщая ему круговые колебания в горизонтальной плоскости. В результате таких колебаний ограничителя система (чаша, вал и маховик) самоустанавливается из начального режима вращения под углом к вертикали в рабочий режим планетарного вертикального или близкого к вертикальному высокочастотного вращения, приобретая свойства гироскопа. Гироскопический эффект при этом позволяет вращающейся системе противодействовать силам упругости гибкого элемента при его изгибе и смещении в горизонтальной плоскости на величину, равную разнице между диаметрами контактирующих поверхностей 7 ограничителя 6 и вала 2.
Рабочий режим обкатки вала по внутренней рабочей поверхности ограничителя протекает устойчиво за счет надежного контакта фрикционных поверхностей и центробежных сил при вращении чаши и маховика.
После вхождения чаши в рабочий режим (он сопровождается характерным высокочастотным вибрирующим звуком) подают исходную пульпу, содержащую обогащаемый зернистый материал (пески россыпей или измельченную руду), в загрузочную воронку 11, из которой она самотеком поступает во вращающуюся чашу 1. Под действием центробежных сил материал попадает в кольцевые канавки улавливающего покрытия 3 чаши, где за счет интенсивных гираций, совершаемых чашей в результате ее высокочастотного планетарного движения, материал разрыхляется и тяжелые мелкие частицы полезного компонента сегрегируют внутрь «минеральной постели», концентрируясь у внутренних стенок канавок. Более легкие фракции при этом вымываются водой восходящим потоком в верхнюю часть чаши и далее выносятся за ее пределы в разгрузочное устройство 10 (хвосто-приемник), из которого они самотеком удаляются из центробежного концентратора. После проведения цикла обогащения останавливают механизм привода, снимают загрузочную воронку и струей воды концентрат вымывают из канавок на дно чаши, откуда он сифоном (или другими известными устройствами) удаляется в сборник.
Для подтверждения эффективности предлагаемого технического решения был изготовлен и испытан на многочисленных пробах измельченных золотосодержащих руд и нетрадиционного техногенного сырья (бой тиглей плавки благородных металлов) опытный образец центробежно-вибрационного концентратора модели ЦКП-0,2, имеющий следующие характеристики:
1. Наибольший внутренний диаметр улавливающей поверхности рабочей камеры, мм
- 90.
2. Глубина улавливающих кольцевых канавок, мм
- 7.
3. Глубина рабочей камеры, мм
- 75.
4. Амплитуда планетарных колебаний камеры, мм
- 2,5.
5. Частота вращения камеры, об/мин
- 720.
6. Число планетарных колебаний камеры в мин.
- 6336.
7. Установленная мощность, кВт
- 0,25.
8. Габаритные размеры, Д×Ш×В, мм
- 455×285×400.
9. Масса, кг
- 28.
Полученные результаты (См. табл.1) показали, что стабилизация режимов обогащения во всех улавливающих канавках рабочей камеры нового концентратора, обеспечиваемая выполнением взаимоконтактирующих фрикционных поверхностей вала камеры и ограничителя угла ее наклона с одинаковым профилем в виде цилиндрических поверхностей, а также установкой на нижней ведомой части вала маховика, уравновешивающего изгибающий момент при вращении камеры, позволила не только существенно повысить извлечение благородных металлов, особенно мелких, тонких и пылевидных классов крупности, по сравнению с прототипом - известным центробежно-вибрационным концентратором модели ЦВК-100, выпускаемом ОАО «ГРАНТ», но и расширить область его применения - для обработки низкосортных (черновых) концентратов с целью повышения содержания тяжелых ценных компонентов. (На концентраторе ЦВК-100-2М обработка тяжелых пульп уже на начальной стадии обогащения вызывает «нутацию» рабочей камеры, сопровождаемую выбросом полезного компонента).
Таблица 1
Характеристика сырьяНаименование показателя
ЦВК-100 Прототип
ЦКП-0,2 Полезная модель
А. Месторождение Лондони (Танзания) Золото-кварцево-мышьяковая руда
1. Производительность питания, кг/ч
75
75
2. Крупность питания, мм
менее 0,5
менее 0,5
3. Извлечение золота, %
Крупность: от 0,5 до 0,25 мм
92
96
от 025 до 0,1 мм
86
92
от 0,1 до 0,05 мм
79
88
менее 0,05 мм
66
75
4. Объем наработанного концентрата, мл
55
70
Б. НПК «Суперметалл» (г.Москва)
Бой тиглей плавки платины
1. Производительность питания, кг/ч
50
50
2. Крупность питания, мм
менее 0,074
менее 0,074
3. Извлечение платины, % (суммарное)
78
92
4. Объем нароботанного концентрата, мл
60
72
Таким образом, заявляемая полезная модель полностью выполняет поставленную задачу, а реализация ее в условиях серийного производства позволит оснастить предприятия горно-геологической отрасли более совершенным оборудованием не только для проведения геологоразведочных работ на благородные металлы, но и для промышленного обогащения при освоении золотоносных месторождений россыпей, руд и техногенного сырья.
Источники информации
1. Лопатин А.Г. «Центробежное обогащение руд и песков». - М. «Недра». 1987. с.167-171.
2. Богданович А.В. «Интенсификация процессов гравитационного обогащения в центробежных полях». - Санкт-Петербург. «Обогащение руд». 1999. №1-2. с 33-35.
3. Богданович А.В., Петров С.В. «Сравнительные испытания центробежных концентраторов различных типов». - Санкт-Петербург. «Обогащение руд». 2001. №3. с.38-41.
4. Богданович А.В. «Теоретические основы и методы повышения эффективности разделения при гравитационном обогащении руд». - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М. 2003.
5. Патент РФ №2109570, кл. В03В 5/32, 1995.
6. Патент РФ №2129047, кл. В03В 5/32, 1998.
7. Проспект на концентратор золота ЦВК-300 фирмы ОАО «ГРАНТ»