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.
Прогрессирующая в настоящее время тенденция снижения содержания золота в россыпях и в руде с преимущественным наличием в них частиц микронного размера вынудила разрабатывать новые конструкции обогатительных аппаратов со значительными центробежными скоростями. В таких аппаратах, получивших название центробежных концентраторов (или сепараторов), разделение материала по плотности происходит в жидкой среде (пульпе) за счет центробежных сил, действующих на массу материала, подаваемую во вращающийся рабочий орган, выполненный в виде конической чаши с кольцевыми улавливающими канавками (рифлями) на внутренней поверхности [1].
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 россыпей с крупным и средним золотом.
В связи с этим совершенствование известных конструкций центробежных концентраторов осуществлялось преимущественно в направлении создания условий для разрыхления минеральной «постели», накапливаемой в межрифельных 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 чаши с частотой, превышающей частоту ее вращения [2], [3].
В известном центробежном концентраторе [4] это достигается за счет применения гибкого инерционно-фрикционного привода вала чаши для придания ей наряду с вращением дополнительно планетарного движения 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 на неуправляемую величину при неуправляемой частоте вибраций), эффективность извлечения золота также становится неуправляемой. Это объясняется тем, что планетарное движение чаши осуществляется за счет обкатки вала по стенке ограничителя угла наклона чаши, выполненного в виде отверстия в корпусе концентратора. 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 частицы пульпы, постоянно изменяются по величине в несколько раз.
Стабилизировать технологический процесс обогащения в таких условиях практически невозможно.
В другом известном центробежном концентраторе [5], выпускаемом ОАО «ГРАНТ» (г.Наро-Фоминск) и нашедшем практическое применение в золото-платинодобыче, для стабилизации процесса обогащения взаимоконтактирующие поверхности чаши и ограничителя угла наклона выполнены с различным профилем, способствующем самоустановке чаши при ее вращении в положение, по крайней мере, близкое к вертикальному, а гибкий элемент инерционно-фрикционного привода выполнен с возможностью пространственного перемещения его ведомой части и передачи этого перемещения через непосредственную связь чаше для ее самоустановки. Кроме того, для обеспечения стабильности извлечения известной концентратор снабжен противорезонансной системой, а для осуществления переналадки концентратора (изменения частоты и амплитуды колебаний) при его настройке на максимальное извлечение полезного компонента из смесей различного минерального и гранулометрического состава ограничитель угла наклона выполнен в виде сменных вставок (втулок) с различными параметрами контактирующей поверхности.
Однако, как показывает опыт эксплуатации данного концентратора, возникающий от центробежной силы момент при наработке определенной (критической) массы концентратора превышает противодействующий со стороны гибкого элемента момент сопротивления. В результате нарушения равновесия моментов сил возникает неуправляемая возрастающая нутация оси чащи, визуально обнаружить которую при работе концентратора невозможно, что влечет за собой резкое снижение извлечения благородных металлов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является центробежно-вибрационный концентратор [6] (принимается за прототип), включающий рабочую камеру, имеющую улавливающее покрытие на ее внутренней поверхности, механизм привода вращения рабочей камеры вокруг вертикальной оси, вибровозбудитель и корпус, отделенные от опоры эластичными амортизаторами для обеспечения свободных динамических колебаний рабочей камеры, загрузочное и разгрузочное приспособления. В этом концентраторе для предотвращения нутации оси камеры и обеспечения тем самым постоянства амплитуды круговых колебаний корпуса и рабочей камеры вибровозбудитель установлен в плоскости центра тяжести концентратора. Выполнение вибровозбудителя в виде инерционного дебалансного вибратора с набором грузов, смонтированных с возможностью изменения махового момента, позволяет осуществлять настройку величины амплитуды колебаний рабочей камеры для достижения максимального извлечения тяжелого полезного компонента в зависимости от крупности и вещественного состава материала пульпы.
Вместе с этим свободный динамический характер колебаний рабочей камеры прототипа предопределяет чувствительность вибровозбудителя колебаний к происходящему в ней процессу обогащения. Так, при увеличении плотности пульпы или размера частиц тяжелого компонента в ней, или массы накапливаемого в камере концентрата сразу-же увеличивается нагрузка на электропривод вибровозбудителя, и при заданной массе грузов дебаланса, определяющей маховой момент, уменьшается амплитуда колебаний камеры, минеральная «постель» в улавливающей поверхности камеры уплотняется и процесс извлечения ухудшается. Для корректировки амплитуды колебаний, как и у предыдущего аналога, процесс обогащения прекращается, концентратор останавливается и, после выгрузки наработанного концентрата, механически настраивается (в известном прототипе увеличивается масса грузов дебаланса инерционного вибратора, а в аналоге заменяется вставка ограничителя угла наклона чаши на другую, с большим отверстием).
Таким образом, отверстие гибкой системы управления технологическим процессом обогащения в условиях жесткой стабилизации параметров движения рабочей камеры без реагирования на изменения нагрузки (состав, объем, вязкость и плотность пульпы, масса накапливаемого концентрата) снижает эффективность работы известного центробежно-вибрационного концентратора.
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, имеющую улавливающее покрытие на ее внутренней поверхности, механизм привода вращения рабочей камеры вокруг вертикальной оси, вибровозбудитель колебаний камеры и корпус, отделенные от опоры эластичными амортизаторами, загрузочное и разгрузочное приспособления, концентратор снабжен датчиком амплитуды колебаний камеры, электрически связанным с вибровозбудителем через схему управления, для поддержания режима максимального и стабильного извлечения наиболее тяжелого компонента.
Техническая сущность полезной модели поясняется следующим. Вибровозбудитель концентратора изначально настраивается на определенную (номинальную) величину амплитуды колебаний рабочей камеры для эффективного разрыхления минеральной «постели» в ее улавливающей поверхности и обеспечения тем самым максимального извлечения полезного тяжелого компонента из обогащаемого материала с определенным гранулометрическим и вещественным составом. Используя чувствительность вибровозбудителя колебаний к возможным изменениям параметров пульпы в процессе обогащения (с увеличением нагрузки на электропривод вибровозбудителя пропорционально увеличивается значение потребляемого тока), с помощью датчика амплитуды колебаний рабочей камеры, электрически связанного через схему управления электроприводом вибровозбудителя, фиксируют величину отклонения амплитуды от номинального значения и дают команду на корректировку частоты вращения дебаланса вибровозбудителя, что приводит к росту инерционной силы (махового момента) и к требуемому росту амплитуды до номинальной величины для обеспечения максимального извлечения и поддержания его на этом уровне.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 и 3 показаны различные конструктивные схемы выполнения центробежно-вибрационного концентратора (ЦВК).
На фиг.1 показан вариант ЦВК с вибровозбудителем круговых колебаний в виде инерционного дебалансного вибратора. ЦВК содержит рабочую камеру 1, имеющую улавливающее покрытие 2 на ее внутренней поверхности, выполненное, например, в виде кольцевых нарифлений, вертикальный полый вал 3, несущий камеру и шкив 4 для передачи вращения камере от механизма привода (не показан). Вал 3 размещен с помощью подшипников 5 в корпусе 6, смонтированном посредством эластичных амортизаторов 7 на массивной опоре 8, на которой закреплены загрузочное 9 (для подачи исходного питания) и разгрузочное 10 (для удаления хвостов обогащения) приспособления. Для разгрузки наработанного концентрата на дне рабочей камеры 1 имеется отверстие с клапаном 11. Для придания камере круговых колебаний на валу 3 с помощью подшипников 12 смонтирован шкив 13, несущий набор грузов 14 с возможностью изменения махового момента и приводимого во вращение от индивидуального привода (не показан), в совокупности образующие инерционный дебалансный вибратор. Для контроля и поддержания требуемой величины амплитуды колебаний рабочей камеры ЦВК снабжен датчиком 15, закрепленном на опоре 8, электрически связанным с вибратором через схему управления.
На фиг.2 показан вариант ЦВК с вибровозбудителем круговых колебаний в виде эксцентрикового вибратора. В отличие от описанной выше конструктивной схемы в данном варианте вал 3 размещен с помощью подшипников 5 в эксцентриковой втулке 16, установленной посредством подшипников 17 в корпусе 6, имеющей шкив 18 для передачи ей вращения от другого привода (не показан) и в совокупности образующие
эксцентриковый вибратор. Как и в предыдущей схеме ЦВК содержит рабочую камеру 1 с улавливающим покрытием 2 на ее внутренней поверхности и с отверстием с клапаном 11 на дне, закрепленную на вертикальном полом валу 3. Последний имеет шкив 4 для передачи вращения камере от механизма привода (на чертеже не показан). Корпус 6 смонтирован с помощью эластичных амортизаторов 7 на массивной опоре 8, на которой установлены загрузочное 9 и разгрузочное 10 приспособления и датчик 15 амплитуды колебаний, электрически связанный с вибратором через схему управления.
На фиг.3 показан вариант ЦВК с вибровозбудителем круговых колебаний в виде электромагнитного вибратора, где рабочая камера 1, внутренняя поверхность которой имеет улавливающее покрытие 2, а дно - отверстие с клапаном 11 для разгрузки наработанного концентратора, снабжена вертикальным полым валом 3 со шкивом 4 для передачи вращения камере от механизма привода (на чертеже не показан). Как и в первом варианте конструктивной схемы вал 3 с помощью подшипников 5 размещен в корпусе 6, опертом через эластичные амортизаторы 7 на массивную опору 8, на которой смонтированы загрузочное 9 и разгрузочное 10 приспособления и датчик 15 амплитуды колебаний. Для придания рабочей камере круговых колебаний на корпусе 6 размещена электрообмотка 19 с возможностью взаимодействия с электромагнитными катушками 20, закрепленными на опоре 8 и образующими в своей совокупности с электрообмоткой электромагнитный вибратор. Для контроля и поддержания величины амплитуды колебаний камеры на требуемом уровне датчик и вибратор электрически связаны между собой через схему управления.
Во всех приведенных конструктивных исполнениях рабочая камера имеет отдельный привод, что позволяет настраивать ЦВК на оптимальный режим обогащения за счет изменения частоты вращения камеры, а датчик амплитуды может быть выполнен, например, индукционным, пневматическим, магнитным или на иной основе. Его сигнал при отклонении амплитуды колебаний камеры от номинального значения поступает в схему управления привода вибровозбудителя колебаний и корректирует частоту и амплитуду колебаний в зависимости от изменений параметров пульпы.
Центробежно-вибрационный концентратор работает следующим образом.
Последовательно запускают в работу через механизм привода рабочую камеру 1, обеспечивая ее вращение вокруг вертикальной оси, а затем привод вибровозбудителя, придавая камере круговые колебания, направленные перпендикулярно оси ее вращения. В варианте исполнения ЦВК, представленном на фиг.1, эти колебания обеспечиваются за счет вращения дебаланса 14 вокруг вала 3, создающего маховой момент. При этом возможность изменения массы дебаланса 14 или его перемещения относительно радиуса шкива 4 позволяет настроить вибровозбудитель на достижение требуемой величины амплитуды колебаний рабочей камеры. В варианте исполнения ЦВК, представленном на фиг.2, эти колебания обеспечиваются за счет вращения эксцентриковой втулки 16, имеющей смещение своей оси по отношению к оси приводного вала 3 на величину «Е», равную амплитуде колебаний камеры. В варианте исполнения ЦВК, представленном на фиг.3, эти колебания обеспечиваются за счет бегущего магнитного поля, создаваемого электрообмоткой 19 и последовательно включаемых в работу электромагнитными катушками 20. Далее через загрузочное приспособление 9 на дно рабочей камеры 1 подают исходное питание, например, золотосодержащую пульпу требуемой консистенции, которая, соприкасаясь со стенками и дном вращающейся камеры, закручивается. Под действием центробежного ускорения твердые частицы пульпы стремятся к периферии камеры и попадают в кольцевые канавки ее улавливающего покрытия 2, где в результате интенсивных колебаний чаши происходит разрыхление материала и сегрегация (проникновение) частиц наиболее тяжелого компонента (например, золота) внутрь образующейся минеральной «постели» через зазоры между частицами более легких компонентов. Легкие минеральные частицы при этом, увлекаемые восходящим потоком пульпы, перекатываются по
улавливающему покрытию камеры и удаляются из нее в хвостоприемник (разгрузочное приспособление 10) и далее самотеком за пределы концентратора.
Нарастающая преимущественно у стенки рабочей камеры концентрация шлиха (тяжелых минералов) приводит к постепенному увеличению массы камеры, что за счет свободного динамического характера ее колебаний вызывает изменение амплитуды в сторону уменьшения. Аналогичное явление происходит при изменении плотности, минерального состава и вязкости обогащаемой пульпы. Уменьшение этой амплитуды до критического значения вызывает уплотнение минеральной «постели», процесс сегрегации тяжелых частиц существенно замедляется и эффективность разделения снижается, приводя к значительным потерям полезного компонента (например, золота) с «хвостами» обогащения. Однако, быстрое реагирование датчика 15 на такое изменение амплитуды путем подачи сигнала в схему управления вибровозбудителя корректирует частоту вращения его электродвигателя (первый и второй варианты исполнения ЦВК) или величину тока в электрообмотке 19 и электромагнитных катушках 20 вибровозбудителя (третий вариант исполнения ЦВК) в сторону увеличения. Такая корректировка приводит к росту инерционной силы и к заданному росту амплитуды, обеспечивая режим стабильного максимального извлечения тяжелого компонента.
Таким образом, процесс поддержания оптимальных условий разделения минеральной смеси происходит автоматически, существенно повышая эффективность центробежного способа обогащения.
По окончании цикла обогащения останавливаются в обратной последовательности электроприводы вибровозбудителя колебаний и вращения рабочей камеры, после чего расположенный на дне ее клапан 11 открывается и наработанный концентрат водой смывается с улавливающего покрытия камеры через полый вал в сборник (не показан).
Для подтверждения эффективности предлагаемого технического решения в настоящее время авторами проводятся испытания действующей модели центробежно-вибрационного концентратора с инерционным дебалансным вибратором, имеющей следующие технические характеристики:
1. Наибольший внутренний диаметр улавливающей поверхности рабочей камеры, мм
190
2. Глубина рабочей камеры, мм
105
-1\tab
3. Частота вращения рабочей камеры, мин650
-1\tab
4. Частота круговых колебаний рабочей камеры, мин2800
5. Амплитуда круговых колебаний рабочей камеры, мм
(настраивается в зависимости от характеристики пульпы)
- максимальная
4
- минимальная
2
6. Мощность эл. двигателя привода вращения камеры, кВт
0,37
7. Мощность эл. двигателя дебалансного вибратора, кВт
0,55
8. Масса, кг
165
Первые полученные результаты при обогащении золотоносных песков, содержащих до 1% тяжелых минералов (магнетит, ильменит и др.) и самородное золото крупностью частиц от 0,5 до 0,05 мм, показали, что стабилизация режима разрыхления минеральной «постели» в улавливающих канавках камеры, обеспечиваемая автоматическим поддержанием амплитуды ее колебаний на требуемом значении, повышает извлечение золота на 5-8% независимо от изменений в процессе обогащения плотности пульпы.
Полезность предлагаемой полезной модели не вызывает сомнения, так как реализация ее промышленным способом в условиях серийного производства позволит оснастить предприятия, ведущие добычу благородных металлов, высокоэффективным обогатительным оборудованием, что в конечном результате обеспечит заметный прирост добычи.
Источники информации
1. Лопатин А.Г. «Центробежное обогащение руд и песков». - Москва, «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. Патент РФ №2109570, кл. В 03 В 5/32, 1995.
5. Патент РФ №2129047, кл. В 03 В 5/32, 1998.
6. Патент РФ №2220772, кл. В 03 В 5/32, 2002.