Сущность электрических методов обогащения

Электрические методы обогащения основаны на различии электрических свойств разделяемых минералов. Различаясь по электропроводности, диэлектрической проницаемости, контактному потенциалу, трибоэлектрическому, пироэлектрическому или пьезоэлектрическому эффекту, они приобретают при зарядке различную величину или знак заряда и, как следствие, разную траекторию движения в электрическом поле, обеспечивая разделение частиц по их электрическим свойствам или электрическую сепарацию минералов.

Зарядка частиц сепарируемого материала может осуществляться контактированием с заряженным электродом, ионизацией в электрическом поле коронного разряда, электризацией трением, изменением температуры, давления и другими способами. Выбором способа зарядки частиц обеспечивается наибольшее различие в электрических свойствах основных разделяемых минералов и тем самым максимальная эффективность электрической сепарации.

На каждую заряженную минеральную частицу при сепарации в электрическом поле действуют:

электрическая кулоновская сила F э, обусловленная притяжением частицы к противоположно заряженному электроду и отталкиванием ее от одноименно заряженного как в однородном, так и в неоднородном поле. Влияние Р э на траекторию движения частиц практически нивелируется только в поле переменной полярности из-за механической инерции частиц;

сила зеркального отображения F 3 , обусловленная взаимодействием остаточного заряда частицы и вызванного этим зарядом на поверхности электрода равного по величине индуктивного заряда. Сила направлена к электроду. По абсолютной величине она значительно меньше Р э и ее действие заметно лишь вблизи электрода или при соприкосновении с ним;

пондеромоторная сила F п обусловленная разницей между значениями диэлектрической проницаемости частицы ε ч и среды ε с, в которой осуществляется сепарация. Она стремится вытолкнуть частицу в более слабые участки поля, если ε ч < ε с, и наоборот втянуть при ε ч > ε с. Сила проявляется только в неоднородном поле, в том числе, в отличие от F э, и в полях переменной полярности. Она весьма мала в воздушной среде по сравнению с F э и достигает больших значений в жидкостях с высокой диэлектрической проницаемостью;

механические силы, основными из которых являются сила гравитационного притяжения,F Г центробежная сила F ц силы сопротивления среды F с.

Силы молекулярного сцепления частиц между собой и с электродами, сила трения между частицами и электродом для частиц крупнее 0,1 мм, а также инерционные силы, действующие на завершающем этапе сепарации, сравнительно малы и обычно не учитываются.

Разделение различно заряженных частиц происходит в результате воздействия на них электрических и механических сил в рабочей зоне сепаратора. Соотношение сил и эффективность разделения при этом будут зависеть от различия электрических свойств разделяемых минералов, изменения напряженности электрического поля во времени (постоянное или переменное) и пространстве (однородное или переменное), наличия движущихся носителей заряда (ионов, электронов), вида среды разделения (газ или жидкость) и характера движения материала в рабочем пространстве электрических сепараторов.

В сепараторах с криволинейным транспортирующим электродом барабанного типа (рис. 6.1, а ) процесс разделения минералов происходит в воздушной среде.

Рис. 6.1.Векторные диаграммы сил, действующих на частицы в сепараторах: а, б - барабанном электростатическом; в - плоскостном электростатическом; г - камерном электростатическом; д - диэлектрическом; 1 - положительно заряженная частица; 2 - отрицательно заряженная частица

Неоднородное электростатическое или электрическое поле постоянной полярности напряженностью до 10 кВ/см создается между барабаном и отстоящим от него на некотором расстоянии вторым электродом или системой электродов. Электрическая сила F э будет прижимать к барабану частицы, имеющие знак заряда, противоположный знаку полярности барабана, и отталкивать от него одноименно заряженные частицы. Сила зеркального отображения F 3 , направлена к центру барабана, удерживая частицы на его поверхности. Центробежная сила F ц , наоборот, стремится оторвать частицы от поверхности. Гравитационная сила F г действует вертикально вниз, ее составляющие зависят от угла поворота барабана. Пондеромоторная сила F п

направлена от центра барабана, поскольку диэлектрическая проницаемость минералов больше, чем воздуха, и концентрация силовых линий поля повышается в направлении ко второму электроду. Однако сила F п , как и сила сопротивления воздушной среды F с для зернистых частиц в рабочей зоне сепаратора, относительно невелика и их можно не учитывать.

Результирующая сила F, определяющая траекторию движения частиц в электрическом поле сепаратора, является векторной суммой основных взаимодействующих сил:

В сепараторах с плоским транспортирующим электродом (рис. 6.1, в ) между ним и расположенным сверху вторым электродом или системой электродов создается электрическое или электростатическое поле напряженностью 2-4 кВ/см. Результирующая сила F, определяющая траекторию разделяемых частиц, складывается из электрической силы F э , силы зеркального отображения F з , и гравитационной силы F г , вызывающих движение частиц по плоскости и существенно влияющих на разделение минералов, резко различающихся по форме:

Силами F с и F п , как и в первом случае, можно пренебречь.

В камерных сепараторах (рис. 6.1, г) электростатическое поле постоянной полярности напряженностью 2 - 4 кВ/см создается между пластинчатыми электродами. Разделение частиц, обладающих различными зарядами, осуществляется в процессе их свободного падения между электродами. При этом движение частиц в горизонтальном направлении определяется в основном электрической силой F э , вызывающей притяжение частиц к противоположно заряженному электроду и отталкивание их от одноименного электрода. Сила F 3 начинает проявляться только при приближении частиц к одному из них, поэтому, как и сила F п , практически не влияет на их разделение. В вертикальном направлении на каждую частицу будут действовать разнонаправленные силы тяжести F Г и сопротивления среды F п.

Разделение минералов в непроводящей жидкости в диэлектрических сепараторах (рис. 6.1, д) происходит в резко неоднородном электрическом поле переменной полярности напряженностью до 5 кВ/см. Определяющей процесс силой в этих условиях является пондеромоторная сила F п. Под ее действием частицы с диэлектрической проницаемостью ε 2 , большей ε с, втягиваются в область поля наибольшей напряженности у электрода с малым радиусом кривизны, тогда как частицы с ε 2 , меньшей ε с, выталкиваются из этой области. Из механических сил влияют на разделение частиц силы тяжести F Г и сопротивления среды как в вертикальном F с, так и горизонтальном, F" с направлении.

Электрическое обогащение – это процесс разделения сухих частиц полезных ископаемых, которое основано на различии в электрических свойствах разделяемых компонентов.

К этим свойствам относятся: электропроводность; диэлектрическая проницаемость; контактный потенциал; трибоэлектрический эффект и др.

Применяется для доводки черновых концентратов алмазных и редкометалльных руд: титано-циркониевых; тантало-ниобиевых; оловянно-вольфрамовых; редкоземельных (монацит-ксенотимовых). Менее распространены электрическая сепарация гематитовых руд, разделение кварца и полевого шпата; обогащение калийных (сильвинитовых) руд, извлечение вермикулита и некоторых других неметаллических полезных ископаемых.

Впервые электрическая сепарация предложена в 1870 г. в США для очистки волокон хлопка от семян и была основана на различии в скорости перезарядки. В 1901 г. В США сконструирован барабанный электросепаратор, основанный на различии в электропроводности частиц и применен для обогащения цинковой руды. В 1936 г. советскими учеными Н.Ф. Олофинским, С.П. Жибровским, П.М. Рывкиным и Е.М. Балабановым изобретен коронный сепаратор. В 1952 г. предложена трибоадгезионная электросепарация, в 1961 г. – непрерывнодействующая диэлектрическая сепарация. Серийно электросепараторы начали производиться с 1971 г.

Сущность электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом. Под действием электрического поля изменяются траектории движении частиц минералов в зависимости от их электрических свойств.

Важнейшая стадия электрической сепарации – это зарядка частиц (электризация). Она может осуществляться путем создания на частицах избыточных зарядов какого-либо одного знака, либо создания на противоположных концах частицы зарядов разного знака.

Существует несколько способов зарядки частиц. Способ выбирается в зависимости от наиболее контрастных электрических свойств минерала.

На рис. 9.3 представлена схема зарядки частиц с помощью коронного разряда. Последний возникает в результате частичного пробоя воздуха между коронирующим (верхняя игла) и осадительным электродом (нижняя плоскость). Между этими электродами – высокий потенциал в 30 – 40 кВ.

Корона – это большое количество ионов воздуха, которые осаждаются на все частицы (на схеме П и НП).

При касании частиц о нижний электрод частицы ведут себя по разному: проводники (справа) быстро отдают заряд электроду, получают от него заряд другого знака, т.е. «+». Возникает сила отталкивания этих частиц, которая и изменяет траекторию их движения. Непроводники не могут отдать свой заряд и, следовательно, притягиваются к нижнему электроду.

Рассмотренный механизм зарядки частиц наиболее часто применяется в промышленности.

На рис. 9.4 показана схема наиболее распространенного коронно-электростатического барабанного сепаратора.

Здесь добавлен отклоняющий электрод, предназначенный для дополнительного отклонения проводниковой фракции, сброшенной с поверхности барабана.

Для усиления контрастности электрических свойств разделяемых минералов исходный материал иногда подогревается в бункере и питателе.

В зависимости от способа образования на частицах заряда и его передачи в процессе электрического разделения различают:

Электростатическую,

Коронную,

Диэлектрическую.

При электростатической сепарации разделение проводится в электростатическом поле, частицы заряжаются контактным или индукционным способами. Разделение по электропроводности происходит при соприкосновении частиц с электродом (например, заряженной поверхностью барабана; проводниковые частицы при этом получают одноименный заряд и отталкиваются от барабана, а непроводниковые не заряжаются).

Образование разноименных зарядов возможно при распылении, ударе или трении частиц о поверхность аппарата (трибоэлектрическая сепарация ). Избирательная поляризация компонентов смеси возможна при контакте нагретых частиц с холодной поверхностью заряженного барабана (пироэлектрическая сепарация ).

Коронная сепарация проводится в поле коронного разряда, частицы заряжаются ионизацией. Коронный разряд создается в воздухе между электродом в виде острия или провода и заземленным электродом, например, барабаном; при этом проводниковые частицы отдают свой заряд заземленному (осадительному) электроду.

Диэлектрическая сепарация проводится за счет пондеромоторных сил в электрическом поле; при этом частицы с различной диэлектрической проницаемостью движутся по различным траекториям.

Наряду с электрической сепарацией применятся электрическая классификация, которая основана на различном поведении в электрическом поле частиц, отличающихся по крупности.

Электрическая классификация очень эффективна при обеспыливании материалов, так как пыль практически полностью удерживается электрическим полем (например, классификация слюды, асбеста, строительных песков, солей, различных порошков).

Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых сыпучих материалов крупностью от 0.05 до 3 мм, обогащение которых другими методами малоэффективно либо экономически нецелесообразно. Электрические методы, как правило, используются в сочетании с другими методами (магнитными, гравитационными, флотационными).

Электрические методы обогащения основаны на различии в электрических свойствах минералов, а именно на различии в электропроводности и диэлектрической проницаемости.

Во многих веществах существуют свободные заряженные микрочастицы. Свободная частица отличается от "связанной" тем, что она может передвигаться на большое расстояние под действием сколь угодно малой силы. Для заряженной частицы это означает, что она должна приходить в движение под действием сколь угодно слабого электрического поля. Именно это наблюдается, например, в металлах: электрический ток в металлическом проводе вызывается сколь угодно малым напряжением, приложенным к его концам. Это и свидетельствует о наличии в металле свободных заряженных частиц.

Характерно, что носители свободны только внутри проводника, то есть не могут беспрепятственно выходить за его границу.

Проводниками являются металлы, электролитические жидкости. В металлах носителями являются электроны, в электролитических жидкостях носителями являются ионы (могут иметь положительный и отрицательный заряд).

Под действием внешнего электрического поля положительные носители движутся вдоль поля, а отрицательные – против поля. Это приводит к возникновению тока, направленного вдоль поля.

Упорядоченное движение носителей зарядов, приводящее к переносу заряда, называется электрическим током в веществе. Электрический ток возникает под действием электрического поля. Свойство вещества проводить электрический ток называется электропроводностью.

По величине электрической проводимости все минералы делятся на три группы:

1. Проводники с электрической проводимостью 10 2 – 10 3 См/м

Сименс (См) – проводимость такого проводника, в котором проходит сила тока 1А при напряжении на концах проводника в 1В.

2. Полупроводники с электрической проводимостью 10 – 10 -8 См/м

3. Непроводники (диэлектрики) с электрической проводимостью

< 10 -8 См/м

Например, графит, все сульфидные минералы являются хорошими проводниками. Вольфрамит (Fe,Mn)WO 4 (10 -2 -10 -7) и касситерит SnO 4 (10 -2 -10 2 или 10 -14 -10 -12) обладают умеренной электропроводностью, а силикатные и карбонатные минералы очень плохо проводят электричество.

Электрические методы применяются при обогащении титаноциркониевых, титанониобиевых, оловянно-вольфрамовых коллективных концентратов, а также при обогащении фосфоритов, угля, серы, асбеста и многих других полезных ископаемых, переработка которых другими методами (гравитационным, флотационным, магнитным) не эффективна.

Физическая сущность процесса электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом.

В электрическом поле заряженные частицы под действием электрических и механических сил движутся по различным траекториям.

Это свойство используется для разделения минеральных зерен в аппаратах, называемых электрическими сепараторами.

Электрические силы, действующие на минеральные частицы пропорциональны величине заряда и напряженности электрического поля, так как

где - диэлектрическая проницаемость, равная ,

Е- напряженность в данной среде.

Механические силы пропорциональны массе:

Сила тяжести:

Центробежная сила:

У мелких частиц электрические силы больше механических, а у крупных частиц механические преобладают над электрическими, что ограничивает крупность материала мельче 3 мм, обогащаемого в электрических сепараторах.

В пространстве вокруг электрически заряженной частицы или между двумя заряженными частицами возникает электрическое поле.

Используя электрические свойства минералов при обогащении, применяют следующие разновидности сепарации: по электропроводимости (рис. 14.8), по диэлектрической проницаемости, по трибоэлектростатическому и пироэлектрическому эффекту.

Рис. 14.8 Сепараторы для разделения по электропроводности

а. Электростатический сепаратор; б. Электрический коронный сепаратор;

в. Коронно - электростатический сепаратор

1- бункер; 2 - барабан; 3 – щетка для снятия проводниковой фракции; 4, 5, 6 - приемники для продуктов; 7 – электрод; 8 – отсекатель; 9 – коронирующий электрод; 10 - отклоняющий электрод.