СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
METHOD OF CENTRIFUGAL SEPARATION OF MIXTURES

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к способам обогащения драгоценных металлов при разработке россыпей, измельченного материала руд золота и платины, концентратов цветных металлов.
Одним из известных технических решений является центробежно-вибрационный способ разделения смесей, включающий подачу суспензии во вращающуюся вокруг своей оси чашу с нарифлениями, воздействие на чашу силовыми импульсами в плоскости, перпендикулярной к оси чаши, вывод продуктов разделения и при этом отношение частоты силовых импульсов к частоте вращения чаши составляет более 3, но менее 11 (патент РФ, 2031727, 27.03.95, В03В 5/32).
Недостатками способа являются:
- относительно невысокая эффективность по разделению смесей, поскольку, возникающие при работе центробежные и планетарные силовые поля, действуют на частицы материала в одной плоскости;
- запрессовка минеральной постели при увеличении времени работы между сполосками;
- появление интенсивных вибраций при высоких частотах силовых импульсов за один оборот чаши.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ разделения зернистых материалов по плотности, включающий подачу смеси в сепаратор, сообщение материалу прецессионного движения, разделение в переменном центробежном поле и вывод продуктов разделения (патент РФ, 2132736, 10.07.99, В03В 5/32, прототип).
Недостатками известного способа являются
- невысокая эффективность по разделению смесей, поскольку разделение происходит в водяной волне, перемещающейся по кругу, а воздействующие на материал в сепараторе центробежные силовые поля имеют малую интенсивность;
- узкий диапазон регулирования технологическими параметрами процесса обогащения исходного материала.
Решаемая задача:
- повышение эффективности разделения смесей в потоке суспензии;
- расширение диапазона регулирования технологическими параметрами процесса обогащения исходного материала.
Поставленная задача достигается тем, что в способе разделения зернистых материалов по плотности, включающем подачу смеси в сепаратор в виде чаши, сообщение материалу прецессионного движения, разделение в переменном центробежном поле и вывод продуктов разделения, воздействие на смесь производят центробежным полем с интенсивностью до десятков g, профиль зоны разделения чаши задают цилиндрическим или слабоконическим с прямой или обратной конусностью по отношению к сливному порогу чаши, угол наклона оси чаши к оси вращения устанавливают большим угла уклона образующей зоны разделения чаши, а угол уклона образующей задают таким, при котором прецессионным перемещением образующей зоны разделения от максимального до минимального радиуса удаления от оси вращения изменяют направление наклона образующей к оси вращения и изменяют вектор продольной составляющей центробежной силы по направлению вдоль образующей зоны разделения на противоположное, и воздействием этой продольной составляющей центробежной силы осуществляют турбулизацию потока суспензии.
Из источников, ставших общедоступными, не выявлены технические решения, характеризующиеся признаками идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения на способ центробежного разделения смесей, а по отношению к техническому решению, принятому за прототип, выявлена совокупность существенных отличительных признаков в заявляемом объекте, которые изложены в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение на способ центробежного разделения смесей соответствует требованию «новизна».
Анализ известных технических решений по способу в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого способа центробежного разделения смесей по плотности в переменных центробежных полях. Совокупность его существенных признаков обеспечивает способу новое качество, выражающееся:
1). В повышении эффективности процесса разделения смесей по плотности, которое в предлагаемом техническом решении достигается:
воздействием на смесь центробежным полем с интенсивностью до десятков g, что увеличивает гидравлическую крупность частиц, производит их псевдоукрупнение и повышает эффективность разделения частиц малого размера;
созданием при прецессионном движении чаши эффекта, когда вектор продольной составляющей центробежной силы, действующей на материал вдоль образующей зоны разделения чаши, периодически изменяется по величине и по направлению. Под действием этих знакопеременных сил, направленных вдоль оси чаши, минеральная постель испытывает сложные движения, сходные с движением на концентрационном столе и перемешивается. Все это происходит в нормальном к оси вращения переменном по интенсивности центробежном поле, что в совокупности с гидродинамическим воздействием обеспечивает повышение эффективности разделения смесей, осаждение тяжелых частиц в рифлях и вынос легких частиц из рифлей. За один оборот все точки минеральной постели вдоль зоны разделения чаши по мере прецессионного движения образующей зоны разделения относительно оси вращения подвергаются воздействию знакопеременных продольных центробежных сил, а также - воздействию переменных по интенсивности центробежных сил нормальных к оси вращения.
2). В расширении диапазона регулирования технологическими параметрами процесса обогащения исходного материала, которое в предлагаемом техническом решении достигается возможностью задавать профиль зоны разделения чаши цилиндрическим или слабоконическим с прямой или обратной конусностью по отношению к ее сливному порогу. Такое техническое решение позволяет устанавливать соотношения между углом наклона оси чаши к оси вращения и углом уклона образующей зоны разделения чаши в более широком диапазоне и регулированием этих соотношений, а также скоростью вращения, изменять величину продольной составляющей центробежной силы, устанавливать отношение максимальной величины центробежного поля, действующего нормально к оси вращения, к минимальной и задавать производительность сепаратора.
При этом в процессе обогащения, поступающий в зону разделения материал всегда, независимо от прямой или обратной конусности образующей зоны разделения по отношению к сливному порогу чаши, будет перемещаться в направлении от закрепленной точки прецессии к сливному порогу чаши.
Таким образом, заявляемый способ центробежного разделения смесей соответствует критерию «изобретательский уровень», так как совокупность его существенных признаков обеспечивает способу новые качества, выражающиеся в повышении эффективности процесса разделения смесей по плотности и в расширении диапазона регулирования технологическими параметрами процесса обогащения исходного материала, что не следует явным образом из известного уровня техники.
Заявляемое изобретение на способ центробежного разделения смесей 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 переменных центробежных полях при обработке золотосодержащих концентратов промывочных приборов и драг на шлихо-обогатительных и золотоизвлекательных фабриках, а также на фабриках по обогащению цветных металлов.
1
На фиг. 1. и 2. показано известное устройство (решение ФИПС от 25.10.17 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2016129554/03(046001) с датой подачи заявки 19.07.2016 г.) для осуществления заявляемого способа. На фиг. 3-5 показаны графики изменения вектора продольной составляющей центробежной силы по направлению вдоль образующей зоны разделения на противоположное в результате прецессионного перемещения образующей от максимального до минимального радиуса удаления от оси вращения O-O для чаш с профилем зоны разделения с обратной (фиг. 3) и прямой (фиг. 5) конусностью по отношению к сливному порогу чаши, и в форме цилиндра (фиг. 4).
Устройство состоит из рамы 1, водила 2, приводного вала 3 водила с двигателем 4, шарнира Гука 5, загрузочной воронки 6, дистрибутора 7, выполненного в виде цилиндрической трубы, чаши 8 в виде усеченного конуса, закрепленной на валу 9 чаши, улитки 10 для вывода концентрата чаши, улитки 11 для вывода хвостов обогащения. Водило своей ступицей насажено на приводной вал водила. Приводной вал водила закреплен на шарикоподшипниковой опоре 12, установленной на раме. Загрузочная воронка, дистрибутор, чаша, вал чаши, улитка для вывода концентрата, улитка для вывода хвостов обогащения, жестко соединены между собой в единый корпус 13 концентратора.
2
4
5
4
5
3
2
2
2
1
1
2
3
4
5
Вал чаши в торце дистрибутора по оси O-O жестко соединен с горизонтальным валом 14 шарнира Гука. С двух сторон горизонтального вала шарнира Гука по оси O-O выполнены цапфы 15 с подшипниками 16. С цапфами шарнирно соединен вертикальный вал 17 шарнира Гука. Вертикальный вал укреплен в подшипниках 18 на раме. 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 O-O осей шарнира Гука, однако полностью исключает возможность вращения корпуса и, соответственно, чаши вокруг своей продольной оси O-O. К валу чаши в торце улитки для вывода хвостов обогащения по оси O-O жестко закреплена обойма 19 с подшипником 20. В подшипник плотно входит штифт 21, который имеет возможность перемещаться вдоль водила в пазу 22 для регулирования угла наклона β продольной оси O-O чаши к оси вращения О-O приводного вала водила. После установки оптимального угла наклона штифт прочно закрепляется в пазу водила. Паз выполнен в виде дуги относительно точки О с одинаковым до нее расстоянием от всех точек дуги. Точка О является точкой пересечения осей О-О и O-O, вертикальной О-О и горизонтальной О-О осей шарнира Гука. Точка О является закрепленной точкой прецессии.
2
1
Таким образом, корпус концентратора посредством вала чаши, к которому жестко соединена обойма с подшипником, и плотно входящим в подшипник, штифтом, шарнирно соединен с водилом 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 О-О - осью кругового конуса.
Заявляемый способ центробежного разделения смесей по плотности осуществляется в известном устройстве следующим образом:
1). Известное устройство имеет простую кинематическую схему и надежный привод для придания прецессионного движения чаше сепаратора, а сама чаша в виде усеченного конуса выполнена составной частью единого жесткого корпуса концентратора, который с двух сторон жестко закреплен на валу, шарнирно соединенном с рамой. Такое исполнение чаши устраняет влияние на нее динамических нагрузок при прецессионном вращении корпуса концентратора и позволяет увеличить частоту вращения и, как следствие, значительно повысить интенсивность центробежного поля, воздействующего на смесь, до десятков g, что увеличивает гидравлическую крупность частиц, производит их псевдоукрупнение и повышает эффективность разделения частиц малого размера.
2
1
2). В известном устройстве чаша в виде усеченного конуса установлена с обратной конусностью по отношению к ее сливному порогу. Вместе с тем использование прецессионного движения чаши, при установлении угла наклона β продольной оси O-O чаши к оси вращения O-O большим угла уклона γ образующей зоны разделения чаши, позволяет перемещать материал вдоль зоны разделения чаши в процессе обогащения в направлении от закрепленной точки прецессии (точка О) к ее сливному порогу. Этот пример показывает, что в известном устройстве могут применяться чаши с обратной и, тем более, с прямой конусностью относительно сливного порога, а также чаши с цилиндрическим профилем.
1
2
Важная особенность известного устройства заключается в том, что корпус концентратора при работе в режиме разделения смесей совершает прецессионное движение относительно оси O-O вала водила, при этом полностью исключается возможность вращения корпуса и, соответственно, чаши вокруг своей продольной оси O-O.
1
1
1
Прецессионное движение чаши без ее осевого вращения в сочетании с возможностью применения в известном устройстве чаши с цилиндрическим или слабоконическим профилем зоны разделения позволяет перемещением образующей зоны разделения, например ВС (фиг. 3-5), от максимального до минимального радиуса удаления от оси вращения O-O в положение BC изменять направление наклона образующей к оси вращения. Изменение направления наклона образующей зоны разделения к оси вращения изменяет вектор продольной составляющей центробежной силы по направлению вдоль образующей зоны разделения на противоположное. То есть, устройство позволяет реализовать заявляемый способ разделения смесей, при котором с периодичностью равной скорости прецессионного вращения чаши, изменяется вектор продольной составляющей центробежной силы, действующей вдоль образующей зоны разделения чаши, по величине и по направлению (фиг. 3-5.). Под действием этих знакопеременных сил минеральная постель испытывает сложные движения, сходные с движением на концентрационном столе и перемешивается.
1
ц.R
п
п
ц.R
п
ц.R
1
1
ц.r
п
ц.r
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Если рассматривать профиль продольного сечения чаши (фиг. 3-5), то можно отметить, что образующая зоны разделения чаши ВС в момент наибольшего радиуса удаления от оси вращения О-О находиться к ней под некоторым углом α. Центробежная сила инерции (F) действует на образующую зоны разделения чаши под углом α к нормали N. Продольная составляющая центробежной силы (Р), возникающая от прецессионного вращения чаши, при нахождении образующей в положении ВС, в положении с максимальным радиусом (R) удаления от оси вращения, будет равна Р=F⋅sinα и иметь вектор направления вдоль образующей от закрепленной точки прецессии (точки О) к сливному порогу чаши. Сила Р=F⋅sinα, преодалевая силу трения материала, будет передвигать материал вдоль стенки чаши к сливному порогу. При прецессионном перемещении образующей зоны разделения ВС до положения ВС, то есть до наименьшего радиуса (r) удаления образующей от оси вращения O-O, образующая ВС изменит направление наклона к оси вращения О-О и будет находиться под углом λ к ней (фиг. 3-5). В этом положении образующей ВС центробежная сила инерции (F) будет действовать на образующую зоны разделения чаши под углом λ к нормали N. При нахождении образующей в положении ВС продольная составляющая центробежной силы, возникающая от прецессионного вращения чаши, будет равна Р=F⋅sinλ и иметь вектор направления вдоль образующей от сливного порога чаши к закрепленной точке прецессии (точке О).
1
1
1
1
п
п
1
Воздействием продольной составляющей центобежной силы Рвозбуждаются сдвиговые колебания слоев минеральной постели, что приводит к турбулизации материала в рифлях. Воздействие продольной к оси вращения силы Р на минеральную постель происходит в момент достижения минимального по интенсивности значения центробежного поля нормального к оси вращения, поскольку образующая ВС будет иметь наименьший радиус удаления от оси вращения О-О.
п
п
1
Очевидно, что для устойчивой работы чаши в режиме сепарации продольная составляющая центробежной силы Р, должна быть больше Р.
Центробежная сила инерции определяется из выражения:
ц
где F - центробежная сила инерции;
m - масса минеральных частиц;
R - радиус вращения минеральных частиц;
ω - угловая скорость вращения (чаши, водила).
п
Выражение для определения продольной составляющей центробежной силы Р принимает вид
1
п
Выражение для определения продольной составляющей центробежной силы Р принимает вид
2
1
Имея в виду, что величины m и ω при работе устройства в режиме обогащения принимаются условно постоянными, то для устойчивой работы чаши при выборе соотношения угла наклона β оси чаши O-O к оси вращения О-О и угла уклона γ образующей зоны разделения чаши должно соблюдаться условие
1
Угол наклона α образующей зоны разделения ВС к оси вращения в момент наибольшего радиуса удаления от оси вращения О-О определяется из выражений:
- для чаши с обратной конусностью зоны разделения по отношению к сливному порогу
- для чаши с прямой конусностью зоны разделения по отношению к сливному порогу
- для чаши с зоной разделения цилиндрической формы
1
1
1
Угол наклона λ образующей зоны разделения ВС к оси вращения в момент наименьшего радиуса удаления от оси вращения O-O определяется из выражений:
- для чаши с обратной конусностью зоны разделения по отношению к сливному порогу
- для чаши с прямой конусностью зоны разделения по отношению к сливному порогу
- для чаши с зоной разделения цилиндрической формы
3). Известное устройство, за счет возможности применения высоких скоростей прецессионного вращения, возможности изменять угол наклона оси чаши к оси вращения и устанавливать его большим угла уклона образующей зоны разделения чаши, возможности подбирать угол уклона образующей зоны разделения с прямой или обратной конусностью по отношению к сливному порогу посредством установки в корпусе устройства чаши, имеющей цилиндрический или слабоконический профиль, позволяет реализовать широкий диапазон регулирования технологическими параметрами процесса обогащения исходного материала:
интенсивность центробежного поля может быть высокой и регулируется скоростью прецессионного вращения и углом наклона оси чаши к оси вращения;
отношение максимального значения центробежного поля к минимальному значению регулируется установлением угла наклона оси чаши к оси вращения;
величина продольной составляющей центробежной силы задается углом наклона оси чаши к оси вращения и углом уклона образующей зоны разделения чаши, и регулируется скоростью вращения;
производительность устройства задается конусностью чаши (прямая, обратная), отношением угла наклона оси чаши к углу уклона образующей зоны разделения чаши и установлением скорости прецессионного вращения.
Предлагаемый способ центробежного разделения смесей позволяет повысить эффективность процесса разделения смесей по плотности и подбирать оптимальные режимы работы для исходного материала с различными свойствами.