Разделение частиц классификацией – теоретические основы.

Классификация, если это необходимо для технологического процесса обогащения, следует за измельчением и грохочением, позволяя разделение материалов крупностью менее 1—3 мм. В соответствии с используемой средой для разделения материала выделяют гидравлическую или воздушную классификацию.

Классификация измельченных рудных материалов в жидкой или воздушной среде, а также гравитационные методы обогащения основаны на различиях скоростей падения частиц различного размера и плотности в этих средах.

В основе практической классификации лежат теоретические расчеты, начинающиеся с описания падения одиночного сферического тела в безграничной среде или падение его же в жидкости, находящейся в сосуде размеры поперечного сечения которого значительно превышают размер падающего тела. Такое чисто теоретическое падение называют «свободным».

Если падение тела в жидкости происходит в сосуде с размером сечения сопоставимым с размерами падающего тела или падает не единственное тело и в процессе присутствуют другие тела, разного размера, формы и плотности то процесс падения становится «стесненным».

Стесненное падение – обычное условие классификации в классифицирующих и гравитационных обогатительных аппаратах. Условия стесненного падения возникают как при падении одиночных частиц в узких сосудах, например, трубах, когда размер частиц соизмерим с диаметром трубы, так и при совместном падении однородных или разнородных по размерам, форме, плотности зерен в больших сосудах.

Такие параметры как «скорость падения» частиц относительно жидкости, «сила тяжести», «подъемная сила», «гидродинамическое сопротивление» являются важными характеристиками процесса классификации.

Гидродинамическое сопротивление зависит от размеров и формы твердых частиц, плотности и вязкости жидкости, скорости и ускорения частицы относительно жидкости. В условиях стесненного падения появляется новая характеристика - «расстояние между частицами».

Гидродинамическое сопротивление возникает вследствие трения жидкости о поверхность падающей частицы рудного материала, а также перепада давления между передней по отношению к движению и противоположной частью его поверхности. Перепад давления при больших скоростях движения определяется образованием вихрей позади движущего тела. Величина силы трения и размер образования вихрей обуславливаются степенью вязкости жидкости.

В условиях стесненного падения дополнительно возникает «сила механического взаимодействия» между частицами. Она определяется массой падающих частиц и скоростью при соприкосновении.

При падении в неподвижной жидкости с начальной нулевой скоростью частица материала под действием силы тяжести будет постепенно увеличивать скорость падения, при этом одновременно растет сила сопротивления. Через некоторый промежуток времени частица приобретает практически постоянную скорость, называемую «конечной скоростью падения».

В качестве расчетной принимают, что свободно падающая в жидкости частица имеет сферическую форму. Коэффициент сопротивления шара не зависит от его ориентации в пространстве. При этом основные закономерности падения шаров в жидкости справедливы и для частиц не имеющих сферическую форму, но с некоторыми поправками на конкретную форму.

Для тел, имеющих правильную геометрическую форму (куб, тетраэдр, октаэдр …) имеется зависимость между характерным размером тела и рассчитаны коэффициенты (коэффициенты сферичности) учитывающие форму.

Для тел неправильной формы невозможно установить четкую зависимость между коэффициентом сопротивления, числом Рейнольдса и коэффициентом сферичности. Поэтому можно определить скорость свободного падения в жидкости частиц заданной крупности, т.е. узкого класса, как среднюю скорость. Скорости отдельных частиц внутри класса могут существенно отличаться от средней.

За размер частицы при расчете принимают среднеарифметический размер отверстий двух смежных сит или эквивалентный диаметр шара. Основная трудность при определении скорости падения частиц неправильной формы состоит в точности определения коэффициента сферичности.

Скорость движения частиц во вращающейся жидкости (гидроциклоны, центрифуги) в направлении, перпендикулярном оси вращения, также может быть определена по формулам падения в неподвижной жидкости, при условии замены ускорения свободного падения на центростремительное.

При совместном падении группы частиц, т.е. в условиях стесненного падения гидродинамические условия обтекания их жидкостью иные чем при свободном падении. Эти условия приводят к повышению гидравлического сопротивления частиц, проявляющееся в том, что при действии одной и той же активной силы, например, силы тяжести, скорость частиц при совместном (стесненном) падении будет меньше скорости их свободного падения. Чем меньше расстояние между частицами, т.е. чем их больше, тем меньше скорость падения всей массы.

Как показывают исследования, скорости стесненного падения однородных частиц могут служить основой для расчета скоростей падения частиц при наличии в пульпе различных по крупности и плотности частиц.

Скорость стесненного падения однородных частиц можно рассматривать как скорость группового падения частиц в неподвижной жидкости или как скорость движения жидкости, поддерживающей слой частиц, которые находятся относительно наблюдателя в неподвижном состоянии (взвешенный слой).

Совместное падение разнородных частиц бывает двух видов. Падение при наличии в пульпе частиц различных размеров и разных плотностей характерное для любого процесса классификации. И падение крупных частиц в суспензии, состоящей из воды и тонких частиц, размеры которых в сотни раз меньше размеров крупных зерен, что характерно для процесса обогащения в тяжелых суспензиях.