Разделение частиц при гравитационном обогащении.

В основу принципа гравитационного обогащения легли процессы разделения минеральных частиц, отличающихся плотностью, размером или формой, учитывающие различия скорости их движения в какой либо среде, под воздействием силы тяжести и сил сопротивления. 

Гравитационными процессы обогащения используются при проведении: отсадки, концентрации на столах, обогащения на шлюзах и желобах, обогащения в винтовых сепараторах, обогащения в тяжелых жидкостях и суспензиях, гравитационной классификации, сгущения пульпы, промывки (частично).

Важное значение при гравитационном обогащении имеет среда в которой происходит движение минералов. В качестве таковой среды выступает вода, воздух, тяжелые суспензии и жидкости.

В процессе разделения при гравитационном обогащении на движущиеся в избранной среде частицы минералов помимо сил тяжести, как правило действую и иные силы. Например такие, как:

• гидродинамические силы (подъемная сила и сила сопротивления при обтекании твердых частиц жидкостью;
• силы возникающие при столкновении твердых частиц между собой;
• силы трения твердых частиц друг о друга;
• силы трения твердых частиц о дно или стенки оборудования в котором идет процесс.

Поэтому, хоть сила гравитации и является определяющей при этих процессах, при расчетах протекания процесса обогащения необходимо учитывать и влияние остальных сил. Степень влияния дополнительных сил напрямую зависит от физических характеристик обрабатываемого сырья, его концентрации и состава среды.

Гравитационная сила определяется массой частиц и ускорением свободного падения g. Неизбежные во время гравитационного обогащения дополнительные знакопеременные симметричные ускорения (например от вибрации) так же оказывают влияние на процесс, уменьшая величину гравитационной силы и увеличивая перемешивание частиц.

Для сокращения подобного негативного влияния необходимо, что бы ускорение сообщаемое частицам материала со стороны внешних сил, в применяемых на практике машинах и аппаратах, не превышали ускорения силы тяжести.

Разделение гидравлическое и сегрегационное.

В процессе гравитационного обогащения частицы руды в гравитационной машине или аппарате перемещаются в горизонтальном направлении (вдоль корпуса) по действием внешних сил и одновременно в вертикальном (сверху вниз) под действием силы тяжести.

Распределение частиц руды по высоте потока определяющая характеристика процесса гравитационного обогащения. Это разделение происходит в зависимости от крупности, плотности и формы под воздействием вышеуказанных сил.

Поэтому-то одной из задач предварительной рудоподготовки перед основным процессом гравитационного обогащения становится обеспечение максимально близкого по крупности состава партии руды. Лишь при одинаковой (близкой) крупности и форме частиц материала происходит эффективное разделение по плотности, что и требуется для обогащения.

Различают два основных вида разделения частиц при гравитационном обогащении - гидравлическое и сегрегационное. Гидравлическое разделение происходит, когда силы взаимодействия между частицами малы, по сравнению с гидродинамическими. Сегрегационным, называют разделение в условиях соприкосновения частиц с силами преобладающими над гидродинамическими.

В условиях гидравлического разделения более крупные частицы, имеющие большую скорость свободного падения, располагаются ниже. При сегрегации частиц близкой плотности мелкие частицы оказываются ниже крупных. Если частицы имеют различную плотность, что бывает гораздо чаще, в нижнем слое оказываются мелкие и тяжелые частицы, над ними слой крупных тяжелых вперемешку с мелкими легкими, а вверху крупные легкие.

Скорость разделения частиц при сегрегации увеличивается при повышении крупности и различия плотности минералов и зависит так же от интенсивности вибраций и толщины слоя материала. Сегрегация значительна в тех гравитационных процессах, где объемное содержание твердых частиц составляет 40-50%. Например при отсадке, обработке на концентрационных столах и в суживающихся желобах. Сегрегация не проявляется при промывке и обогащении в тяжелых суспензиях. Некоторые аппараты гравитационного обогащения могут сочетать использование обоих процессов разделения.

Гравитационные процессы обогащения отличаются «массовостью», так как в них одновременно участвует большое количество твердых частиц с разной плотностью, размерами и формой. Кроме заданного перемещения частиц, направленного на их разделение, в этих процессах происходят и случайные перемещения, тормозящие разделение.

При гравитационном обогащении в машинах и аппаратах разделение частиц происходит в «разрыхленных» слоях, где твердые частицы находятся во взвешенном состоянии под действием жидкости, газа или вибрации от твердых стенок. Толщина взвешенных слоев может значительно колебаться - от нескольких метров (сепараторы, сгустители, гравитационные классификаторы) до нескольких миллиметров (концентрация на столах или в шлюзах).

С научной точки зрения процессы происходящие при гравитационном обогащении описываются «Энергетической теорией разделения частиц». Всю теорию излагать здесь не будем, скажем лишь что взвесь находящаяся в гравитационной машине рассматривается как механическая система тел, находящаяся в поле силы тяжести в неустойчивом равновесии.

Разделение в потоках жидкости малой толщины.

Свои особенности имеют процессы разделения частиц в потоках жидкости малой толщины. Движение пульпы в таком оборудовании для обогащения, как концентрационные столы, шлюзы, желоба или винтовые сепараторы, происходит по наклонным поверхностям под действием силы тяжести.

При перемещении в таких условиях продольная скорость слоев потока увеличивается по направлению к его поверхности. Здесь разделяют два вида движения - ламинарное и турбулентное. В первом случае отдельные слои потока перемещаются параллельно дну, без перемешивания. Во втором случае происходит перемешивание слоев и их скорости выравниваются, а поток можно условно разбить на три зоны (вязкий подслой, переходная и основная турбулентные зоны).

В вязком подслое, прилегающем ко дну, скорость незначительна из-за контакта с поверхностью оборудования, движение носит ламинарный характер. Остальной поток явно выраженный турбулентный и скорость пульпы больше.

Перемещение твердых частиц в потоке жидкости малой толщины по наклонным поверхностям происходит тремя способами. Во-первых, скольжением и перекатыванием по дну. Во-вторых, скачкообразными движениями вверх-вниз во взвешенном состоянии, но с периодическим касанием дна. В-третьих, полностью во взвешенном состоянии, без контакта с поверхностью. Каким способом будут перемещаться частицы в каждом конкретном случае зависит от скорости и глубины потока, шероховатости поверхности дна, крупности и концентрации частиц в пульпе.

Скорость продольного движения частиц во взвешенном состоянии в верхних слоях потока меньше скорости движения самой жидкости, в нижних слоях скорость жидкости замедляется до скорости перемещения частиц.

В принципе, любое устройство в виде желоба (пример лоток старателя золотодобытчика) может служить гравитационным обогатительным оборудованием. Однако степень концентрации в обычном лотке будет небольшой, для эффективности обогащения требуется обеспечить разделение потока пульпы в лотке на части. Для этого служат дополнительные вибрационные воздействия на пульпу, например такие как встряхивание лотка или придание центробежных ускорений круговым раскачиванием.

Вибрация поверхности промышленного оборудования для гравитационного обогащения улучшает разделение частиц, разрыхляет нижние слои, способствуя сегрегации. Вибрация концентрационных столов, кроме того способствует продвижению частиц минералов в заданном направлении.