ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР
CENTRIFUGAL CONCENTRATOR

Предлагаемое изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, в частности к устройствам для выделения свободных частиц тяжелых полезных компонентов в центробежном поле, в которых разделение материалов по плотности происходит в жидкой среде. Благодаря компактности, возможности улавливать мелкие и тонкие классы с высокой производительностью, простоте обслуживания и экологичности эти устройства (центробежные концентраторы) получили широкое распространение. Однако им присущ общий недостаток: малое время эффективной работы в связи с уплотнением материала на улавливающем покрытии чаши (в нарифлениях) под действием центробежной силы. Поэтому основным направлением усовершенствования центробежных концентраторов (сепараторов) является увеличение времени их эффективной работы путем противодействия процессу уплотнения материала, находящегося в чаше (минеральная постель).
Известен центробежный сепаратор для доводки геологоразведочных проб (а.с. СССР 208587, кл. 1а,8, МПК B03 B, УДК 622.771.5(088.8)), в котором с целью повышения извлечения металла чаша имеет коническую форму, а кольцевые нарифления имеют переменный шаг и переменную глубину. Повышение извлечения в этом случае может быть существенным только непродолжительное время, так как минеральная постель остается статичной.
Известен центробежный сепаратор, содержащий чашу с нарифлениями и неподвижные рыхлители, свободные концы которых размещены внутри рифлей. При вращении чаши неподвижные рыхлители воздействуют на материал, находящийся в рифле. (Журнал «Колыма» 1993 г.6 стр.13…16). Аналогичное решение предложено (Патент RU 2062149 C1, МПК В03В 5/32), где определены оптимальные параметры конусности чаши, форма рыхлителей и их расположение (горизонтальное) Повышая эффективность извлечения, эти сепараторы не свободны от недостатков, а именно:
- рыхлители энергично противодействуют уплотнению материала лишь в части объема рифли, пристенный слой (наиболее значимый для процесса обогащения) остается плотным из-за необходимости зазора между рыхлителем и покрытием чаши;
- рыхлители создают турбулентность в локальных объемах своего действия, причем наибольшему искажению естественной поверхности пульпы подвергается ближний к оси вращения слой, откуда, в основном, частицы более плотного материала «пытаются» проникнуть вглубь объема. Гидродинамические силы восходящего потока пульпы подхватывают мелкие и тонкие «возбужденные» частицы полезного компонента, унося их в хвосты.
Известен центробежный концентратор (Патент RU 2049561 C1, МПК В03В 5/32), содержащий чашу с нарифлениями, установленный внутри чаши диск (для предварительного разгона пульпы), а также сопла для подачи разрыхляющей воды, обращенные к нарифлениям. Замена механических рыхлителей струями воды, подаваемой в рифли под напором, принципиально не изменила ситуацию: основная масса материала в рифлях прижимается центробежной силой к стенке чаши, а в локальных объемах действия струй воды турбулентность «разжижает» материал, способствуя одновременно сносу тонких частиц.
Широко известный сепаратор Knelson компании Batman Enginering Incorporation, содержащий вертикально установленный ротор в форме усеченного конуса с двойными стенками, внутренняя поверхность конуса содержит кольцевые канавки, на дне которых имеются отверстия для подачи воды из межстенного пространства для разрыхления материала. Здесь рыхление постели происходит от пристенного слоя и, практически, по всему объему (с учетом того, что количество отверстий имеет порядок тысяч).
К недостаткам этой конструкции можно отнести необходимость обеспечения соотношения центробежной силы и давления «разрыхляющей» воды в довольно узких пределах, что особенно сложно в период остановки аппарата для съема концентрата. Кроме того, наличие потока разрыхляющей воды от пристенного слоя к центру не исключает выноса тонких частиц полезного продукта. Вместе с тем, многочисленные отверстия в дне рифлей допускают частицам твердого проникать в межстенное пространство, что является проблемой как для эксплуатации (необходимо чистить это пространство даже при чистой разрыхляющей воде), так и для процесса (возможна потеря металла).
Известно устройство (Патент RU 2132738 С1, МПК В03В 5/32), включающее вращающуюся коническую гибкую чашу с нарифлениями, с внешней стороны которой равномерно по окружности установлены обжимающие ролики с неподвижными осями. Это техническое решение обеспечивает встряхивание минеральной постели в зоне действия обжимных роликов, создавая отрицательные ускорения в радиальном направлении. Учитывая, что часть чаши (по высоте) постоянно деформируется, это техническое решение реализуемо для устройств небольших размеров.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является схема центробежно-вибрационного концентратора, приведенная в Патенте RU 2031727 C1, МПК В03В 5/32 на способ разделения смеси, когда в центробежно-вибрационном сепараторе на чашу воздействуют силовыми импульсами в плоскости, перпендикулярной оси чаши, при отношении импульсов к частоте вращения чаши от 3 до 11.
Реализация указанного способа разделения смесей по приведенной схеме обеспечивает сложное движение чаши, состоящее из двух вращений: вращение чаши относительно собственной оси и вращение оси чаши относительно неподвижной оси. Каждое из вращений осуществляется независимо и угловые скорости являются абсолютными. Из теоретической механики известно, что такое движение можно рассматривать как вращение относительно мгновенного центра вращения (м.ц.в.) с абсолютной угловой скоростью, равной в нашем случае разности переносной (вращение оси чаши относительно неподвижной оси) и относительной (вращение чаши относительно собственной оси).(«Курс теоретической механики» И.М.Воронков, издательство «Наука», 1965 г., стр. 366). Так как схемой обеспечены абсолютные угловые скорости оси чаши и самой чаши, то относительная скорость вращения чаши относительно собственной оси определится как разность этих абсолютных скоростей. М.Ц.В. всегда находится в плоскости, проходящей через неподвижную ось и ось чаши (в плоскости эксценриситета), откуда следует, что именно в этой плоскости находятся точки чаши с наибольшим и наименьшим радиусами вращения (с наибольшей и наименьшей линейной скоростью), а так как диаметрально расположенные точки «обменяются» местами (и линейными скоростями) через половину оборота чаши в ее относительном вращении, то именно эти параметры (мгновенный радиус вращения и относительная угловая скорость) определят величину линейного (тангенциального) ускорения, действующего на точки чаши.
Наличие тангенциального ускорения существенно меняет картину воздействия на материал в чаше: ускоряющаяся поверхность чаши «проскальзывает» относительно пристенного слоя, который, ускорившись в меньшей мере, чем чаша, в свою очередь «проскальзывает» относительно остальных слоев. Слои сдвигаются относительно друг друга в окружном направлении, вызывая разрыхление всего объема материала.
Основным недостатком прототипа является то, что относительный сдвиг слоев стеснен из-за различия скоростей и ускорений (как нормальных, так и тангенциальных) всех точек чаши, а изменению объема материала в слое препятствует нормальная составляющая центробежной силы. Иными словами, материалу, стремящемуся сдвинуться по окружности в «своем» направлении, противодействует материал этого же слоя, испытывающий в это время тангенциальную силу в противоположном направлении, в результате чего для осуществления перемещений часть материала выжимается на меньший радиус, а это существенно уменьшает величину сдвига.
Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности процесса обогащения путем придания чаше переменной скорости вращения относительно неподвижной оси (плавное изменение передаточного отношения от привода к чаше в течение цикла), что порождает меняющееся по знаку угловое ускорение, одинаковое для всех точек чаши. Это ускорение (изменение линейной скорости) вызывает перемещение слоев материала относительно друг друга в окружном направлении, чему способствует то обстоятельство, что все точки кольцевого слоя испытывают тангенциальную силу одного направления. Величина смещения слоев относительно друг друга определится, очевидно, соотношением тангенциального и нормального ускорений (сил) аналогично тому, как величина перемещения материального тела по плоскости определяется соотношением сдвигающего импульса силы и нормальной силы (веса). Здесь имеется подобие коэффициенту трения, известного из физики: смещение слоев происходит при отношении тангенциальной силы к нормальной не ниже определенной величины. Следует заметить, что в нашем случае это соотношение зависит от характеристики исходного сырья.
Для парирования реактивных моментов на привод от постоянно меняющихся разгонов-торможений чаши соосно и в противофазе с ней вращается маховик, забирая энергию у тормозящейся чаши (сам при этом разгоняясь) и отдавая энергию ускоряющейся чаше (сам при этом тормозясь). Сумма кинетических энергий маховика и чаши остается практически постоянной, и привод равномерно передает энергию, несколько большую, чем в обыкновенном центробежном концентраторе, так как она дополнительно расходуется на смещение слоев.
На фиг.1 и 2 схематично показан соответственно общий вид предлагаемого концентратора (без загрузочного и разгрузочного устройств) и сложный разрез концентратора. На фиг.3 показаны графики изменения угловой скорости чаши, рассчитанные для различных величин смещения осей шкива привода и чаши.
Концентратор состоит из основания 1, в подшипниковом узле которого установлена объединенная с валом 2 чаша 3 с улавливающим покрытием, соосно с чашей размещен маховик 4, в котором выполнен радиальный паз 5 для размещения в нем ролика 6, установленного на шкиве 7 привода 8. Шкив 7 имеет радиальный паз 9 для размещения в нем ролика 10 (аналогичен ролику 6), установленного на кронштейне 11, жестко связанном с валом 2, следовательно, с чашей 3. Оси шкива 7 и чаши 3 смещены относительно друг друга на величину «е».
Работает концентратор следующим образом. Электродвигатель привода 8 посредством ременной передачи вращает шкив 7, который благодаря взаимодействию паза 9 с роликом 10 вовлекает во вращение вал 2 с чашей 3. Одновременно шкив 7 благодаря взаимодействию «своего» ролика 6 с пазом 5 маховика 4 вращает маховик. Кинематическая пара шкив - чаша посредством ролика образует кулисный механизм с вращающейся кулисой, который характеризуется переменной угловой скоростью ведомого звена (чаша) при равномерном вращении ведущего звена (шкив). (Артоболевский И.И. «Механизмы в современной технике», т.2, стр.13, - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979 г.). Точно такую же пару образуют шкив- маховик. Ролики 6 и 9 одновременно с вращением совершают возвратно-поступательные перемещения относительно «своих» пазов.
Представленное взаиморасположение элементов (ролики, пазы, оси чаши и шкива) обеспечивает вращение чаши и маховика в противофазе: замедление вращения чаши происходит одновременно с ускорением вращения маховика, и наоборот.
max
На практике обогащаемый материал может иметь весьма широкий разброс характеристик по обогатимости, что требует различной интенсивности рыхления минеральной постели. Интенсивность рыхления зависит от величины смещения осей (е), при «е», равном нулю, концентратор превращается в простой «центробежник». Перемещение шкива привода 7 относительно основания 1 от совпадения осей (е=0) до некоторой максимальной величины (е=e) меняет диапазон изменения передаточного отношения от 1 до максимального значения в цикле одинаково для чаши и маховика. Среднее за цикл (оборот) передаточное отношение равно единице. На фиг.1 смещение осей осуществляется перемещением всего привода 8 относительно основания 1 регулировочным винтом 12.
Влияние величины смещения осей на угловую скорость чаши определяется по известным зависимостям теоретической механики. В качестве примера на фиг.3 приведены графики изменения угловой скорости чаши, рассчитанной при угловой скорости маховика 140 об/мин и радиусе размещения роликов 100 мм при разных величинах смещения осей шкива и чаши. Кривая 1 - при величине смещения е=5 мм; кривая 2 - при величине смещения е=40 мм; кривая 3 - при е=0. Из графиков видно, что при неизменном периоде неравномерность вращения чаши меняется весьма существенно. Средняя угловая скорость (за оборот) чаши и маховика одинакова и равна скорости шкива.