Гідравлічна класифікація

Гідравлічна класифікація

1. Характеристика процесу

Гідравлічна класифікація - процес розділення суміші мінеральних зерен на класи крупності за швидкістю їхнього падіння у воді.

При гідравлічній класифікації розділення суміші на класи відбувається у відповідності з закономірностями рівнопадання. Цей процес можливий лише при розділенні сумішей, зерна яких досить однорідні за густиною і формою. У тому випадку, якщо компоненти суміші суттєво розрізняються за густиною і формою зерен, то при класифікації відбувається до деякої міри і гравітаційне збагачення.

Принцип процесу гідравлічної класифікації оснований на зміні траєкторії руху зерен матеріалу, який розділяють, під впливом гравітаційних сил, сил опору середовища руху зерен та інерційних сил. Залежно від напрямку цих сил гідравлічна класифікація може здійснюватися в горизонтальних, вертикальних і криволінійних потоках.

Гідравлічна класифікація є підготовчим, допоміжним і рідше збагачувальним процесом.

Як підготовчу операцію гідравлічну класифікацію застосовують на гравітаційних збагачувальних фабриках перед концентрацією корисних копалин на столах, відсаджувальних машинах, гвинтових сепараторах і інших апаратах.

Як допоміжна операція гідравлічна класифікація застосовується для виділення недостатньо подрібненої частини матеріалу (пісків) на збагачувальних фабриках, що використовують процес подрібнення.

Значно рідше при переробці багатих руд (наприклад, залізних, марганцевих) класифікація має самостійне значення. Виділення з цих руд глинистих частинок дозволяє одержати товарні продукти.

Гідравлічна класифікація застосовується для розділення зерен за граничною крупністю більш 40 мкм, а знешламлювання - по зерну розміром - 10 - 70 мкм. Верхня межа крупності матеріалу, що направляється на класифікацію, складає для руд не більше 6 мм, для вугілля - 13 мм.

Коефіцієнтом шкали гідравлічної класифікації S називається відношення послідовних швидкостей висхідних струменів води в класифікаторі. Коефіцієнт шкали гідравлічної класифікації пропорційний коефіцієнту рівнопадання:

- для вільних умов:

, (1)

для стиснених умов:

. (2)

2. Закономірності процесу класифікації

Теоретичні уявлення щодо процесу гідравлічної класифікації базуються на двох основних положеннях:

- швидкість обтікання зерна у вертикальному напрямку u в гідравлічному класифікаторі дорівнює швидкості його стисненого падіння Vст при заданому значенні розпушення пульпи (u = Vст) або при класифікації в розведених пульпах швидкості вільного падіння (u = V0);

- швидкість руху зерна щодо нерухомих стінок класифікатора Vабс дорівнює різниці між швидкістю висхідного потоку u і швидкістю стисненого падіння Vст зерна (Vабс = u - Vст).

З цих положень випливає, що частинки з гідравлічною крупністю (кінцевою швидкістю) більшою швидкості висхідного потоку Vст > u, повинні опуститися на дно і потрапити в пісковий продукт, а частинки з гідравлічною крупністю меншою швидкості висхідного потоку Vст < u, повинні бути винесені в злив. Однак це справедливо лише для руху одиночних частинок у сталому вертикальному потоці. Класифікація ж є процесом масовим, тому на практиці такого чіткого розділення немає: піскові продукти засмічені дрібними зернами, а в зливах присутні крупні зерна. Причиною невідповідності теоретичних висновків і практики є надмірне спрощення явищ, що відбуваються при класифікації. На процес класифікації впливають різні випадкові фактори:

- постійне надходження потоку матеріалу в зону класифікації, а також стиснене розвантаження піскового продукту і пов'язані з цим зміни концентрації твердої фази, турбулентність потоку і тиск середовища;

- масовий характер руху частинок різної форми і маси, а також взаємодія частинок між собою і зі стінками апарата обумовлюють вирівнювання швидкостей руху частинок різної крупності, утворення агрегатів зерен що рухаються як єдине ціле, рух зерен у гідродинамічному сліді.

Таким чином, напрямок руху кожної конкретної частинки дуже не однозначно характеризується різницею між кінцевою швидкістю її осадження і швидкістю потоку.

Детальні дослідження процесу гідравлічної класифікації проводилися багатьма вченими: Ханкоком, П.В. Лященко, Б.В. Кізевальтером, М.Д. Барським, Л.Г. Подкосовим, В.А. Олевським та ін.

Л.Г. Подкосов розглядав гідравлічну класифікацію як масовий процес розділення завислого матеріалу залежно від крупності, густини і форми частинок, а також від режиму потоку. Кінетика розділення частинок у вертикальному потоці може бути описана такою залежністю:

, (3)

де x - повнота розділення суспензії, частки од.; t - тривалість розділення, с; f1(d) - функція, що враховує вплив гранулометричного складу; f2(И) - функція, що враховує вплив розпушення матеріалу.

З рівняння (4.3) випливає, що залежність повноти розділення суспензії від часу носить експонентний характер. Повне розділення (x = 1) досягається лише при t = ?.

М.Д. Барський запропонував рівняння для розрахунку відносної швидкості руху частинок вузького класу крупності з урахуванням сил взаємодії між частинками і зі стінками апарата:

, (4)

де еd - вилучення у злив i-тої фракції із середньою крупністю d; B, k - постійні коефіцієнти; Fr - число Фруда:

, (5)

де Vi - швидкість витання частинки крупністю d.

При розрахунках за рівнянням (4.4) не враховуються вплив продуктивності по вихідному живленню і вміст твердого в пульпі, що є недоліком цього методу.

В апаратах з горизонтальним потоком, що працюють без подачі нижньої води, розділення матеріалу відбувається в неоднакових умовах. У верхніх шарах (поблизу дзеркала) пульпа більш розріджена, тут відбувається вільне або близьке до нього осадження частинок з максимальною швидкістю. В міру опускання частинок вміст твердого в пульпі збільшується і розділення відбувається в стиснених умовах, при цьому швидкість осадження зменшується до мінімального значення близького до нуля.

В.А. Олевським запропоновано розрахунок розділення частинок у механічному класифікаторі з горизонтальним транспортним потоком, оснований на такій схемі процесу: тверді частинки, надійшовши з живленням у механічний класифікатор, переміщаються потоком води від місця завантаження до зливного порога зі швидкістю Vx , рівною

м/с, (6)

де Qc - об'ємна продуктивність класифікатора по зливу, м3/с; B - ширина класифікатора, м; h - перевищення рівня пульпи над рівнем зливного порога, м.

У той же час частинки опускаються вниз з різною швидкістю Vу, що залежить від їх крупності, густини і форми. Частинки, що встигли по вертикалі пройти шлях, рівний h, за період їхнього транспортування на довжину L від місця завантаження до зливного порога, опустяться на дно і будуть транспортуватися в піски, частинки меншої гідравлічної крупності будуть винесені в злив. Гідравлічна крупність (кінцева швидкість) граничного зерна визначається зі співвідношення:

м/с. (7)

Недоліком цього методу розрахунку є припущення про рух частинок з постійною швидкістю і відсутність урахування взаємного впливу частинок різної крупності на зміну швидкості їхнього падіння.

У класифікаторах з використанням відцентрових сил ефективність розділення визначається співвідношенням швидкостей руху частинок і рідини. Для розрахунку швидкості руху частинок спочатку визначають число Архімеда:

(8)

де r - радіус обертання частинки навколо осі апарату, м/с; щ - частота обертання рідини, с-1.

З використанням обчисленого параметра Архімеда за формулами (2.40) і (2.22) визначають коефіцієнт гідродинамічного опору і швидкість руху частинки.

3. Ефективність класифікації

При ідеальній роботі класифікатор повинен виділяти з вихідного матеріалу всі дрібні фракції і не допускати вилучення великих зерен у дрібний продукт. Отже, поняття ефективності класифікації повинне відбивати як кількісну характеристику процесу - ступінь вилучення дрібного класу в злив, так і якісну - гранулометричний склад зливу.

Ефективність класифікації визначається за формулою:

, (9)

де - вилучення зерен крупністю менше мм у злив, % ; - вилучення зерен крупністю більше мм у піски, % .

Оцінка якості продуктів класифікації і самого процесу здійснюється за допомогою ситового аналізу. Дані ситового аналізу продуктів класифікації наносять на діаграму (рис. 4.1), де на осі абсцис відкладають розмір зерен, а на осі ординат - вилучення продуктів. Ордината точки перетинання кривих крупного і дрібного продуктів відсікає на осі абсцис відрізок, рівний граничній крупності розділення даного матеріалу.

Під граничною крупністю класифікації розуміють розмір зерен, імовірність вилучення яких у продукти розділення однакова (по 50 %).



Рис. 1 - Визначення граничної крупності класифікації.

1 - піски; 2 - злив.

По діаграмі визначають засмічення дрібного продукту крупними класами і крупного продукту - дрібними класами.

У загальному випадку ефективність класифікації збільшується при зниженні питомих навантажень, при класифікації розріджених пульп, а також при розділенні матеріалів з малим вмістом зерен проміжних розмірів (близьких до граничного крупності). Ефективність класифікації сучасних апаратів коливається від 70 до 90 % .

4. Класифікатори

Апарати, у яких здійснюється процес гідравлічної класифікації, називають класифікаторами. Апарати гідравлічної класифікації підрозділяють за двома основними ознаками: за силовим полем, під дією якого здійснюється розділення суспензії, і за способом розвантаження пісків.

За силовим полем розрізняють класифікатори гравітаційні і відцентрові, за способом розвантаження пісків - із примусовим і самопливним розвантаженням (табл. 4.1).

Таблиця 1 - Гідравлічні класифікатори

Спосіб розвантаження пісків	Силове поле
	гравітаційне	відцентрове
Примусовий	Механічні класифікатори	Відсаджувальні центрифуги
Самопливний	Гідравлічні класифікатори	Гідроциклони

На збагачувальних фабриках класифікатори використовують для замикання циклу подрібнення, знешламлювання продуктів, розділення вихідного матеріалу перед збагаченням, зневоднення продуктів.

Механічні класифікатори

Механічні класифікатори працюють за принципом розділення вихідного продукту в горизонтальному потоці на крупну фракцію - піски і дрібну - злив. Розвантаження пісків здійснюється механічним способом - примусово.

Залежно від конструкції розвантажувальних пристроїв розрізняють механічні класифікатори: спіральні, скребкові, елеваторні (багер-зумпфи) і ін.

Спіральні класифікатори найбільше часто використовують у замкнених циклах подрібнення для одержання готового за крупністю продукту, що направляється в збагачення, рідше їх використовують для відмивання глинистих матеріалів, а також для зневоднення зернистих продуктів.

Максимальна крупність живлення спіральних класифікаторів малих розмірів складає 6 мм, великих - до 12 мм.

Спіральний класифікатор (рис. 4.2) складається з нахиленої під кутом 14 - 20° ванни 1, у якій поміщені один або два вали 2 із закріпленими на них спіралями 3.



Рис. 2 - Спіральний класифікатор: 1 - ванна; 2 - вал; 3 - спіраль; 4 - підіймальний механізм спіралі; 5 - привод.

Спіралі виготовляють зі сталевих смуг, що утворюють двозахідну гвинтову стрічку. Для запобігання від зносу спіраль футерують пластинами зі зносостійких матеріалів (вибілений чавун, легована сталь і т.п.). Ширина смуг залежно від продуктивності класифікатора по пісках складає 0,1 - 0,4 діаметра спіралі.

Верхня цапфа вала шарнірно закріплена в опорних підшипниках, що дозволяє піднімати нижню частину спіралі без порушення зчеплення конічних зубчастих коліс. Це дає можливість робити запуск апарата (після його аварійної зупинки) під навантаженням без очищення ванни від пісків.

Класифікатори виготовляють у двох виконаннях - односпіральні і двоспіральні залежно від необхідної продуктивності.

Розрізняють два технологічних типи спіральних класифікаторів: з не зануреними і з зануреними спіралями. У першому випадку уся верхня половина витка спіралі виступає над дзеркалом пульпи, у другому - частина спіралі, що знаходиться поблизу зливного порогу, цілком занурена в пульпу. Однак з 1980 р. класифікатори з зануреною спіраллю з виробництва були зняті, тому далі розглядаються лише класифікатори з незануреною спіраллю.

Процес розділення за крупністю в спіральному класифікаторі відбувається в такий спосіб. Вихідний продукт подається в середню частину ванни спірального класифікатора під рівень пульпи. У процесі класифікації в апараті залежно від стану і режиму руху пульпи розрізняють чотири шари по висоті ванни і три зони по довжині (рис. 4.3).

Рис 3 - Схема роботи спірального класифікатора.

І - зона інтенсивного перемішування; ІІ - зона класифікації;

ІІІ - зона висхідних потоків; 1 - постіль класифікатора; 2 - піски;

3 - зависла речовина; 4 - шар з дрібними фракціями.

Чотири шари по висоті ванни класифікатора характеризуються різними густиною і крупністю:

- шар 1 - нерухомий і густий (постіль класифікатора), охороняє днище ванни від механічного зносу; у ньому накопичуються металевий скрап і вільні зерна важких мінералів;

- шар 2 - осілі піски, що безупинно переміщуються до верхнього розвантажувального кінця ванни класифікатора;

- шар 3 - густа суспензія мінеральних зерен, що безупинно перемішується і розділяється на шари 2 і 4;

- шар 4 характеризується висхідними і горизонтальними потоками, спрямованими до зливного порогу.

Через неоднакову висоту пульпи в трьох зонах класифікатора (по довжині ванни) перемішування в них відбувається з різною інтенсивністю:

- зона І розташована поблизу місця введення вихідного матеріалу і характеризується малою глибиною й інтенсивним перемішуванням пульпи; розділення зерен у зоні дуже рівномірне;

- зона ІІ займає основну частину ванни, яка заповнена пульпою, у цій зоні відбувається процес класифікації зерен при незначній інтенсивності перемішування;

- зона ІІІ розташована поблизу зливного порога і характеризується висхідними потоками, що виносять зерна в злив.

Таким чином, при переміщенні матеріалу до зливного порогу в ньому змінюються гранулометричний склад і об'ємний вміст твердої фази завдяки осадженню крупних зерен на дно. Це приводить до поступового збільшення кінцевих швидкостей падіння зерен і створення кращих умов для очищення зливу.

Наявність у живленні класифікатора значної кількості первинних шламів збільшує в'язкість пульпи, з цієї причини зменшується швидкість осадження частинок і в злив надходить матеріал із крупністю, що перевищує розрахункову. Збільшення в'язкості пульпи, викликану наявністю шламів можна понизити додаванням реагентів-пептизаторів у цикл подрібнення.

Розрідженість пульпи є визначальним фактором для одержання зливу необхідної крупності. При розрідженні пульпи швидкість осадження крупних частинок збільшується, а отже зменшується можливість їхнього вилучення в злив. Навпаки, у дуже густих пульпах осадження крупних частинок відбувається повільніше і злив виходить більш грубим. Однак надмірне розрідження пульпи може настільки збільшити швидкість висхідного потоку, що він буде виносити у злив і крупні частинки.

Продуктивність класифікатора визначається з використанням емпіричних формул:

по зливу:

Qзл = 4,56 m kв kд kc kб D1,768, т/год; (10)

по піскам:

Qп = 5,45 m kд kб D 3n , т/год (11)

де m, D, n - число, діаметр (м) і частота обертання спіралей (хв-1); kв, kд, kc, kб - коефіцієнти, що враховують відповідно крупність зливу, густину руди, розрідженість зливу і кут нахилу ванни класифікатора.

Коефіцієнт крупності зливу kв , визначають за даними табл. 4.2.

Таблиця 2 - Коефіцієнт kв , що враховує крупність зливу

Номінальна крупність зливу d95 , мм	1,17	0,83	0,59	0,42	0,30	0,21	0,15	0,10	0,074
Вміст у зливі класів, % %	-0,074 мм	17	23	31	41	53	65	78	88	95
	-0,045 мм	11	15	20	27	36	45	50	72	83
Базисна розрідженість	R2,7=Р:Т	1,3	1,5	1,6	1,8	2,0	2,33	4,0	4,5	5,7
Розрідженість зливу	% твердого	43	40	38	36	33	30	20	18	16,5
Коефіцієнт kв	2,50	2,37	2,19	1,96	1,70	1,41	1,00	0,67	0,46

Коефіцієнт густини руди враховує розходження в густині базисної руди і руди, яка надходить на класифікацію, він визначається по формулі:

kд = д / 2,7 , (12)

де д - об'ємна густина руди, т/м3.

Коефіцієнт розрідженості зливу kc враховує розходження між заданою розрідженістю (R) і базисною (R2,7) для даної крупності зливу. Величина коефіцієнта kc залежно від густини руди і співвідношення розрідженостей R і R2,7 наведена в табл. 4.3.

Таблиця 3 - Коефіцієнт, що враховує розрідженість зливу kc

Густина руди д, т/м3	Співвідношення R / R2,7
	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,5	2,0
	Коефіцієнт kс
2,7 3,0 3,3 3,5 4,0 4,5 5,0	0,60 0,63 0,66 0,68 0,73 0,78 0,83	0,73 0,77 0,82 0,85 0,92 1,00 1,07	0,86 0,93 0,98 1,02 1,12 1,22 1,32	1,00 1,07 1,15 1,20 1,32 1,45 1,57	1,13 1.23 1,31 1,37 1,52 1,66 1,81	1,33 1,44 1,55 1,63 1,81 1,99 2,18	1,67 1,82 1,97 2,07 2,32 2,56 2,81

Коефіцієнт кута нахилу ванни класифікатора kб визначається за даними табл..4.

Таблиця 4 - Коефіцієнт кута нахилу ванни класифікатора kб

Кут нахилу б, град.	14	15	16	17	18	19	20
Коефіцієнт kб	1,12	1,10	1,06	1,03	1,00	0,97	0,94

Елеваторні класифікатори (багер-зумпфи) з механічною видачею осаду застосовуються в практиці вуглезбагачення для попереднього зневоднення і відділення шламів із дрібного концентрату і рідше для виділення грубозернистої частини з дрібних продуктів і знешламлювання рядового вугілля. Гранична крупність класифікації складає приблизно 0,5 мм.

Елеваторний класифікатор являє собою залізобетонну ємкість, з якої осілий матеріал вивантажується елеватором з перфорованими ковшами (рис. 4.4). Принцип роботи елеваторного класифікатора оснований на осадженні частинок під дією гравітаційних сил. Однак в елеваторному класифікаторі шлам осаджується разом з відносно крупними зернами концентрату. Вихідне живлення подається безупинно по жолобу в залізобетонний зумпф 1. Завдяки перегородці 2 пульпа в зумпфі змінює напрямок руху і утворює висхідний потік. Частинки розміром менше граничної крупності виносяться через зливний поріг і попадають у злив. Частинки розміром більше граничної крупності осідають і вивантажуються з апарата ковшами багер-елеватора. Ефективність класифікації залежить від продуктивності класифікатора і вмісту твердого у вихідній пульпі.

Технічні характеристики спіральних класифікаторів з незануреною спіраллю наведені в табл. 5.

Таблиця 5 - Технічні характеристики спіральних класифікаторів з не зануреною спіраллю

Параметр	1КСН-12	1КСН-15	1КСН-20	1КСН-24	1КСН-30	2КСН-24	2КСН-30
Характеристика спіралі: число, шт. діаметр, мм частота обертання, хв-1 Характеристика ванни: довжина, мм кут нахилу, градус Продуктивність: по пісках, т/год по зливу, т/год Потужність електродвигуна, кВт Габарити, мм: довжина ширина висота Маса, т	1 1200 4,1; 8,2 6500 18 40-80 7 6 8500 1700 3000 6,4	1 1500 3,9 8200 18 75 10 7 10000 2360 3750 12,6	1 2000 4,1 8400 17 170 17 10 11000 2800 4750 17,8	1 2400 3,6 9200 18 260 18 13 12500 3150 4900 21,4	1 3000 1,5; 3,0 12500 18 150-300 33 28 15000 3750 5800 14,4	2 2400 2,5; 5,2 9200 18 370-770 46 40 11750 5600 4900 39,6	2 3000 1,5; 3,0 12500 18 260-520 63 40 15150 6760 7100 68,9

Площа дзеркала елеваторного класифікатора найчастіше визначається відстанню між колонами будівлі фабрики (звичайно 6000 х 6000 мм).



Рис. 4 - Елеваторний класифікатор.

1 - багер-зумпф;

2 - перегородка;

3 - елеватор

Одержання осаду зі вмістом вологи 18 - 22 % забезпечується довжиною зони зневоднення (довжиною надводної частини елеватора), яка повинна бути не меншою 4 м по вертикалі.

Ефективність класифікації залежить від продуктивності класифікатора і вмісту твердого у вихідній пульпі (табл. 4.6).

Таблиця 6 - Ефективність роботи елеваторного класифікатора

Питоме навантаження q0 , м3/год*м2	Вміст твердої фази в оборотній воді, кг/м3	Вміст класу крупністю більше 0,5 мм у зливі, %
15 - 20 20 - 25 25 - 30	50 - 80 До 120 150	До 6 10 - 12 До 50

Об'ємна продуктивність елеваторного класифікатора розраховується за формулою:

 м/с, (13)

де q0 - питома об'ємна продуктивність, м3/год*м2; F - площа дзеркала класифікатора (звичайно F = 36 м2).

Технічні характеристики елеваторних класифікаторів наведені в табл. 4.7.

Таблиця 7 - Технічні характеристики елеваторних класифікаторів

Параметр	ЭОБ-6	ЭОСБ-6	ЭОБ-10	ЭОСБ-10	ЭОСБ-12
Крупність вихідного продукту, мм Максимальна довжина елеватора, м Крок ковша, мм Об'єм ковша, м3 Швидкість руху ланцюга, м/с Продуктивність , т/год Потужність електродвигуна залежно від швидкості руху ланцюга, кВт Маса при максимальній довжині елеватора, т	0-13 25 800 0,040 0,17-0,38 24-91 4-17 22,5	0-13 25 400 0,050 0,17-0,38 38-149 5,5-30 23,8	0-13 25 800 0,100 0,17-0,38 60-230 7,5-30 29,6	0-13 25 400 0,125 0,17-0,38 96-370 10-40 35,9	0-13 25 500 0,200 0,17-0,25 154-388 10-55 61,8

Переваги елеваторних класифікаторів полягають в порівняно високій ефективності (Е = 70 - 90 %) і можливості підйому матеріалу на необхідну висоту, а недолік - у їхній громіздкості.

Скребкові класифікатори відстійного типу призначені для знешламлювання рядового вугілля і дрібного концентрату, а також для попереднього зневоднення дрібного концентрату відсаджувальних машин.

Принцип дії скребкового класифікатора, як і елеваторного, оснований на осадженні грубозернистого матеріалу під дією сили ваги.

Скребковий класифікатор являє собою металеву ванну 1 прямокутної форми з горизонтальною і похилою частинами (рис. 4.5).

Пульпа завантажується в торцеву частину ванни класифікатора. Розділення на грубозернисту фракцію і шлам відбувається в горизонтальній частині ванни, а похила частина, у днище якої встановлене щілинне сито 2,служить для видачі і зневоднення осаду. Осад до місця розвантаження транспортується скребковим конвеєром 3 з перфорованими шкребками, що сприяє більш інтенсивному видаленню води з осаду. При проходженні над щілинним ситом осад споліскується водою з бризкал 4. Злив, що містить шлам, видаляють через шиберні пристрої 5 у збірні жолоби 6, розташовані по обидва боки ванни. Висота рівня пульпи у ванні регулюється положенням шиберів, змонтованих на бічних стінках ванни.

Рис. 5 - Скребковий класифікатор.

1 - ванна; 2 - щілинне сито; 3 - скребковий конвеєр;

4 - бризкала; 5 - шиберні пристрої; 6 - збірний жолоб.

При питомому навантаженні 15 - 25 м3/год*м2 скребкові класифікатори працюють ефективно, якщо вміст твердого в оборотній воді не перевищує 120 кг/м3. Об'ємна продуктивність скребкових класифікаторів розраховується за формулою (4.13), їхні технічні характеристики наведені в табл. 4.8.

Таблиця 8 - Технічні характеристики скребкових класифікаторів

Параметр	КО 1	КО 2	КО 3
Крупність вихідного продукту, мм Робоча площа, м2 Швидкість скребкового ланцюга, м/с Продуктивність по пульпі, м3/час: дрібний концентрат рядове вугілля Потужність електродвигуна, кВт Габарити, мм: Довжина Ширина Висота Маса, т	0-100 20 0,24 600 800 30 12250 3900 3000 19,9	0-100 16 0,24 500 650 22 10350 3900 3000 18,8	0-100 12 0,24 350 500 17 8450 3900 3000 17,1

Переваги скребкового класифікатора - компактність конструкції, низька чутливість до коливань навантаження і порівняно висока ефективність класифікації (Е = 70 - 90 %) . Недоліки - малий термін служби ланцюга конвеєра і заклинювання шкребків грудками матеріалу.

Гідравлічні класифікатори

Гідравлічні класифікатори працюють за принципом розділення вихідного продукту в горизонтальних і вертикальних потоках на крупну фракцію - піски і дрібну - злив. Розвантаження пісків здійснюється самопливом.

Конусний класифікатор - найбільш простий гідравлічний класифікатор. Розділення матеріалу відбувається в горизонтальному потоці. Класифікатори цього типу використовуються на збагачувальних фабриках в основному як буферні ємності і значно рідше (у зв'язку з низькою ефективністю) у допоміжних операціях для відділення пісків від шламів або для зневоднення знешламленого дрібнозернистого матеріалу. Конусний класифікатор являє собою конус 1 з кутом 60 - 65є, установлений на рамі вершиною вниз (рис. 4.6). Живлення крупністю до 3 мм подається через центральну трубу 2, у якій установлена сітка 5 для уловлювання сторонніх предметів і заспокоювання потоку.

Рис.6 - Схема конусного класифікатора.

1 - конічний корпус; 2 - центральна труба; 3 - зливний жолоб;

4 - піскова насадка; 5 - сітка.

Розвантаження зливу в жолоб 3 здійснюється самопливом через зливний поріг, розвантаження пісків здійснюється безупинно через піскову насадку 4 або з застосуванням різних затворів періодичної дії. Крупність розділення в конусних класифікаторах складає 0,15 мм. Характерним для цих класифікаторів є високе розрідження пісків (30 - 40 % твердого) і невисока ефективність (50 - 60 %).

Гідравлічні класифікатори з вертикальним потоком пульпи в практиці роботи збагачувальних фабрик використовуються рідко. Вони поширені в будівельній техніці при одержанні пісків для виробництва бетону.

Прямотечійний вертикальний класифікатор (рис. 4.7а) призначений для розділення піску і гравію на дві фракції по граничному зерну крупністю 0,3 - 0,5 мм. Пульпа надходить у класифікатор знизу по живильній трубі 1 у дифузор 2. Із дифузора пульпа підхоплюється потужним потоком води, що надходить у зону розділення через отвори кільцевого колектора 3, і виноситься в циліндричну камеру 4, де відбувається розділення. Крупна фракція (піски) видаляється через конус 5, а дрібна - через зливну трубу 6.

Для одержання декількох продуктів класифікації апарати встановлюють послідовно.

Протитечійний вертикальний класифікатор (рис. 4.7б) призначений для розділення піску за граничним зерном крупністю 0,3-1,2 мм. Живлення (пульпу) подають в класифікатор зверху, назустріч висхідному потоку води. Процес розділення відбувається так само, як і в прямотечійному класифікаторі.

Рис. 7 - Гідравлічні класифікатори з вертикальним потоком пульпи.

а - прямотечійний вертикальний класифікатор;

б - протитечійний вертикальний класифікатор.

1 - живильна труба; 2 - дифузор; 3 - водяний колектор; 4 - камера розділення; 5 - розвантажувальний конус; 6 - зливна труба.

Гідравлічні багатокамерні класифікатори використовують для підготовки подрібнених руд до збагачення. Вони призначені для розділення матеріалів на кілька класів за швидкістю їхнього осадження у водному середовищі (наприклад, перед концентрацією на столах).

Гідравлічні багатокамерні класифікатори (рис. 4.8) являють собою відкритий жолоб 1, що розширюється до зливного порога і по якому протікає горизонтальний потік вихідного матеріалу. У дно жолоба вмонтовані пірамідальні класифікаційні камери 2, розміри яких збільшуються в напрямку розвантажувального кінця корпуса класифікатора. Число камер залежно від типорозміру класифікатора 4, 6 або 8. У нижній частині кожної пірамідальної камери (спігота) розміщені пристрої для класифікації осідаючого матеріалу у висхідних потоках води, подаваної знизу: мішалки 3 для розпушення осідаючих пісків, камери 4 тангенціального підведення води (вортекси) і конуси 5 для розвантаження крупних фракцій. Тангенціальне підведення води знизу забезпечує стійкість висхідного потоку і більш рівномірне розділення вертикальних швидкостей по поперечному перетину камери. Крупність пісків, що послідовно розвантажуються з камер класифікатора, зменшується в напрямку потоку вихідного матеріалу. Швидкість висхідних потоків води в камерах також поступово зменшується оскільки вона повинна бути рівною кінцевій швидкості стисненого падіння зерен граничної крупності. Найдрібніший продукт видаляється через зливний поріг.

Рис. 8 - Гідравлічний багатокамерний класифікатор.

1 - жолоб; 2 - класифікаційні камери; 3 - мішалки;

4 - вортекси; 5 - розвантажувальні конуси.

Об'ємна продуктивність гідравлічних багатокамерних класифікаторів розраховується за формулою:

м/год, (14)

де L і B - довжина і ширина ванни класифікатора, м; V - кінцева швидкість осадження граничного зерна, м/с.

Технічні характеристики гідравлічних багатокамерних класифікаторів наведені в табл. 4.9.

Таблиця 9 - Технічні характеристики багатокамерних класифікаторів

Параметр	КГ-4	КГ-6	КГ-8
Макс. крупність вихідного продукту, мм Число секцій Частота обертання мішалок, хв-1 Витрати води, м3/год Продуктивність, т/год Потужність електродвигуна, кВт Габарити, мм: довжина ширина висота Маса, т	1,65 4 1,20 4,7-18,0 15-25 1,7 3660 1752 2844 2,0	2,5 6 1,26 3,6-9,0 15-25 2,8 5435 2307 3632 3,3	2,5 8 1,26 4,3-10,8 15-25 2,8 7359 2884 4172 4,2

Гідроциклони застосовуються для класифікації за крупністю і знешламлювання дрібних і тонких продуктів. Вони використовуються також для згущення пульпи і збагачення.

В промисловості використовуються гідроциклони діаметром від 250 до 1400 мм. На збагачувальних фабриках використовують головним чином циліндроконічні гідроциклони малих типорозмірів з кутом конусності 10о і великих типорозмірів з кутом конусності 20о. Гідроциклони малих діаметрів працюють з відносно високим тиском, великих діаметрів - з низьким тиском. Залежно від призначення гідроциклони мають різний кут при вершині конічної частини корпуса (кут конусності): згущувальні - 10є; класифікаційні - 20є; важкосередовищні - 40-60є; збагачувальні (короткоконусні) - понад 90є.

Класифікаційний гідроциклон являє собою циліндроконічний апарат (рис. 4.9). Живлення під тиском подається у верхню частину циліндра за допомогою тангенціально розташованої живильної насадки 3. Злив вивантажується через зливний патрубок 4 у циліндричній частині 1 гідроциклона, а піски - через піскову насадку 5, розташовану в конічній частині 2.

Рис. 9 - Гідроциклон.

1 - циліндрична частина;

2 - конічна частина;

3 - живильний патрубок;

4 - зливний патрубок;

5 - піскова насадка.

У результаті тангенціального введення вихідної пульпи в гідроциклон вона набуває інтенсивного обертального руху з частотою, що досягає декількох тисяч обертів на хвилину. У таких умовах всередині гідроциклона виникає відцентрова сила, що значно переважає силу ваги. При вихровому русі пульпи в гідроциклоні утворюються два обертових потоки - зовнішній, що переміщається уздовж стінок конуса вниз до піскової насадки 5, і внутрішній циліндричний, спрямований угору уздовж осі до зливного патрубка 4. Поблизу геометричної осі апарата відцентрова сила стає настільки великою, що відбувається розрив суцільності потоку і утворення повітряного стовпа діаметром до 0,7 від діаметра зливного патрубка.

Швидкість руху частинки в гідроциклоні можна описати як векторну суму тангенціальної Vt , радіальної Vr і осьової Vx складових. Тангенціальна швидкість пульпи збільшується зі зменшенням відстані від осі, тому в гідроциклоні спостерігається різке зростання відцентрової сили від стінок до осі. Осьова швидкість частинки в зовнішньому потоці спрямована вниз, а у внутрішньому - вгору. Положення частинки по радіусу гідроциклона визначає, куди вона буде винесена вертикальним потоком - у злив чи у піски. Відносно рідкої фази пульпи частинки рухаються одночасно в осьовому і радіальному напрямках відповідно до діючих на них сил, головними з яких є відцентрова і сила опору середовища. Незважаючи на те, що рух пульпи в гідроциклоні носить турбулентний характер, обтікання більшості частинок має ламінарний характер (2.4), тому що відносні швидкості обтікання невеликі. Диференціальне рівняння руху частинки в радіальному напрямку має вигляд:

, (15)

звідки радіальна швидкість переміщення частинки в рівноважному стані:

. (16)

де Vr і Vt - радіальна і тангенціальна швидкості, м/с; d - діаметр частинки, м; д і Д - густини частинки і середовища, кг/м3; м - в'язкість середовища, Па·с; r - радіус обертання частинки, м.

Таким чином, з рівняння (4.16) видно, що крупність є основним розділовим параметром (інші параметри практично однакові).

На показники роботи гідроциклонів впливають конструктивні і технологічні фактори. До конструктивних факторів належать: форма і геометричні розміри гідроциклона, піскової насадки, живильного і зливного патрубків, спосіб установки гідроциклона; до технологічних факторів - тиск на вході і властивості оброблюваної пульпи (вміст твердого, його гранулометричний і речовинний склади). Зупинимося на цих факторах більш докладно.

Конструктивні фактори:

- діаметр D (м) гідроциклона визначає його продуктивність по твердому:

Q = 200 D 2, т/год , (17)

Вибираючи гідроциклон, варто прагнути до установки мінімального числа апаратів, що забезпечують необхідну крупність частинок зливу. Зі збільшенням діаметра гідроциклона збільшується крупність зливу, тому тонкі зливи одержують в апаратах малих розмірів;

- розмір і форма живильного патрубка dЖ мало впливають на якісні показники роботи гідроциклона, у той же час продуктивність гідроциклона прямо пропорційна розміру живильного патрубка. Форма отвору живильного патрубка звичайно виконується прямокутною (щілинною), еквівалентний діаметр живильного патрубка приймається в межах:

dЖ = (0,08 - 0,25) D, м; (18)

- діаметр зливного патрубка dЗЛ впливає на всі показники роботи гідроциклона. Збільшення діаметра зливного патрубка викликає пропорційне збільшення продуктивності і приводить до одержання більш грубих зливів у зв'язку зі скороченням часу перебування матеріалу в апараті. Діаметр зливного патрубка приймається залежно від діаметра гідроциклона і на 20 - 25 % більше діаметра піскової насадки:

dЗЛ = (0,2 - 0,4) D, м; (19)

dЗЛ = (1,20 - 1,25) dП, м; (20)

- діаметр піскової насадки dП практично не впливає на продуктивність, однак впливає на якісні показники роботи гідроциклона. Зі зменшенням розміру піскової насадки збільшується вихід зливу і його крупність, збільшується вміст твердого в пісках і зменшується їхній вихід. Розмір піскової насадки вибирають залежно від діаметра гідроциклона і діаметра зливного патрубка:

dП = (0,03 - 0,20) D, м; (21)

dП = (0,15 - 0,80) dЗ, м. (22)

Обраний гідроциклон повинен бути перевірений на продуктивність по пісках QП . Питома продуктивність гідроциклона по пісках qП , що проходять через піскову насадку обраного розміру dП складає:

qП =QП / (0,785n dП 2), т/год*м2 , (23)

де QП - продуктивність гідроциклонів по пісках, т/год; n - число обраних в операції гідроциклонів.

Нормована питома продуктивність вибраного гідроциклона повинна складати 5*103 - 2,5*104 т/год*м2. Якщо питома продуктивність не входить у зазначений інтервал, треба прийняти інший розмір насадки і перевірити номінальну крупність зливу при новому діаметрі насадки dП .

- розвантажувальне відношення dП / dЗЛ , тобто відношення діаметра піскової насадки до діаметра зливного патрубка є основним чинником, що визначає показники роботи гідроциклона. Зі збільшенням розвантажувального відношення збільшується вихід пісків, знижується їх крупність і вміст твердого, відповідно до цього змінюється характеристика зливу. Ефективність класифікації досягає максимуму при оптимальному розвантажувальному відношенні, що складає 0,3 - 0,5. Якщо зміна розвантажувального відношення виробляється за рахунок зміни діаметра піскової насадки, то при постійному тиску на вході продуктивність гідроциклона змінюється мало, якщо ж за рахунок діаметра зливного патрубка, то продуктивність змінюється прямо пропорційно цьому діаметру;

- кут конусності б визначає об'єм гідроциклона і час перебування в ньому матеріалу. Зі збільшенням кута конусності збільшується крупність класифікації, зменшуються вихід пісків і об'ємна продуктивність:

Q0 = 3М104 kб k dЖ dЗЛ р00,5 , м3/год, (24)

де р0 - тиск пульпи на вході в гідроциклон, МПа; kб - поправка на кут конусності б гідроциклона (при б = 10о kб=1,15; при б = 20о kб=1,0); k - поправка на діаметр гідроциклона, що визначаються за формулою:

k = 0,8 + 1,2 / (1 + 10 D) ; (25)

- спосіб установки гідроциклона залежить від його розміру і тиску на вході. На роботу гідроциклонів великих розмірів при невеликих тисках на вході може істотно впливати гравітаційне поле. У цьому випадку рекомендується встановлювати гідроциклони в похилому або горизонтальному положенні. У похилому положенні встановлюють також важкосередовищні гідроциклони.

Технологічні фактори:

- тиск р0 на вході в гідроциклон для одержання задовільних результатів розділення повинен бути постійним і досить високим. При заданій об'ємній продуктивності (4.23) він визначається головним чином розмірами зливного dЗЛ і живильного dЖ отворів. Підвищення тиску сприяє зменшенню граничної крупності розділення і одержанню більш дрібних зливів. При одержанні грубих зливів допускається робота гідроциклона з тисками 0,05 МПа, при одержанні тонких зливів - не менше 0,2 МПа;

- вміст твердого у вихідній пульпі в впливає на крупність і розрідженість продуктів розділення. Одержання тонких зливів можливе лише при досить низьких вмістах твердого у вихідній пульпі. У протилежному випадку крупність зливу зростає внаслідок збільшення в'язкості і густини пульпи в гідроциклоні. Крім того, підвищення вмісту твердого в пульпі спричиняє збільшення навантаження на піскову насадку, яка може не забезпечити вивантаження пісків, що приведе до порушення процесу розділення;

- гранулометричний склад вихідного матеріалу впливає на якісні показники процесу розділення. При розділенні грубозернистих шламів злив більш крупний, а піски більш густі, ніж при роботі за тих же умов, але на більш дрібних матеріалах. Результати класифікації погіршуються при збільшенні вмісту у вихідному матеріалі класів, близьких до граничної крупності розділення.

При виборі гідроциклона його типорозмір визначають, виходячи з необхідної продуктивності по живленню, з урахуванням крупності одержуваного зливу. Номінальна крупність частинок зливу dН гідроциклону може бути визначена за формулою:

, мкм,

де - діаметри гідроциклона, зливної і піскової насадок, м; - вміст твердого в живленні гідроциклона, %; - поправочний коефіцієнт на діаметр гідроциклона; - об'ємна густина твердої фази, т/м3; - тиск на вході в гідроциклон, МПа.

Гідроциклони в порівнянні з механічними класифікаторами більше витрачають електроенергії, не можуть класифікувати більш крупний матеріал, мають менш тривалі міжремонтні періоди. Основні їхні переваги - низька вартість, більші питома продуктивність і ефективність, малі габаритні розміри. З цієї причини перевагу при виборі класифікаційного апарата віддають гідроциклонам. Технічні характеристики гідроциклонів наведені в табл. 10.

Таблиця 10 - Технічні характеристики гідроциклонів

Параметр	ГЦ-75	ГЦ-150	ГЦ-250	ГЦ-360	ГЦ-500	ГЦ-710	ГЦ-1000	ГЦ-1400
Діаметр гідро- циклона, мм Кут конус- ності, градус Еквівалент- ний діаметр живильного отвору, мм Діаметр зливного отвору, мм Діаметр піскового отвору, мм Тиск на вході, МПа Продуктивність при тиску 0,1 МПа, м3/год Габарити, мм: довжина ширина висота Маса, кг	75 10 17 22 8; 12; 17 0,01- -0,02 5 300 350 600 20	150 10 38 50 12; 20; 27; 34 0,01- -0,02 15 500 450 1200 100	250 20 65 80 34; 48; ?5 0,03- -0,25 50 600 650 1400 200	360 20 90 115 34; 48; 75; 96 0,03- -0,25 95 700 750 1900 300	500 20 130 150 48; 75; 96; 150 0,03- -0,25 180 900 1000 2500 450	710 20 150 200 48; 150 75; 200 0.03- -0,25 260 1200 1400 3500 1450	1000 20 210 250 75; 150 200; 250 0,06- -0,45 470 1500 1600 4500 2400	1400 20 300 380 200; 250 300; 350 0.06- -0,45 900 2100 2200 6200 4500

5. Використання гідравлічної класифікації в технологічних схемах

Гідравлічна класифікація залежно від конкретних умов, що визначаються характеристикою корисної копалини і місцем у технологічної схемі, може бути самостійним, підготовчим і допоміжним процесом.

Як самостійний процес гідравлічна класифікація застосовується при збагаченні глинистих руд для відділення бідних за вмістом цінного компоненту дрібних класів і глинистих частинок від крупнозернистого продукту (рис. 4.10). В даному випадку одержані при класифікації продукти - кінцеві: дрібний матеріал направляється у відвал, а крупнозернистий продукт є товарним.

Рис. 10 - Схема застосування класифікації самостійним процесом.

Підготовча класифікація передбачається для попереднього розділення корисної копалини за крупністю на два або декілька класів, кожний з яких підлягає далі збагаченню за власною схемою (рис. 4.11).



Рис. 11 - Схема застосування класифікації підготовчим процесом.

Як допоміжна операція класифікація використовується при тонкому подрібненні корисних копалин з метою вилучення готового за крупністю тонкого матеріалу і повернення пісків у млин (рис. 12).

Рис. 12 - Схеми застосування класифікації допоміжним процесом в циклі подрібнення.

При зниженій крупності живлення (менше 10 мм) і підвищеному вмісті в живленні шламів (15 % і більше) застосовують схеми а і б (рис. 4.12). Схема без контрольної класифікації (рис. 4.12 а) дозволяє одержати злив крупністю 55 - 60 % класу - 0,074 мм, а схема з контрольною класифікацією (рис. 4.12 б) - злив крупністю 80 - 95 % класу - 0,074 мм.

При підвищеній крупності живлення (більше 10 мм) і зниженому вмісті в живленні шламів (менше 15 % ) застосовують схеми в і г (рис. 4.12). Схема без контрольної класифікації (рис. 4.12 в) дозволяє одержати злив крупністю 55 - 60 % класу - 0,074 мм, а схема з контрольною класифікацією (рис. 4.12 г) - злив крупністю 80 - 95 % класу - 0,074 мм.

Допоміжною операцією класифікація є також при використанні її для знешламлення і згущення продуктів перед процесами збагачення і для попереднього зневоднення крупнозернистих продуктів.