4.4. Электростатическая сепарация. Физические основы процесса

Электростатическое обогащение основано на различной электропроводности и электроемкости минералов.

Удельная электропроводность некоторых минералов выражается следующими цифрами, см^-1∙см^-1:

серебро Ag	681000		халькозин Cu2S	91
медь Cu	634000		пирит FeS2	41,7
золото Au	455000		магнетит Fe3O4	1,24
железо Fe	113000		халькопирит CuFeS2	0,983
ковеллин CuS	8000		куприт CuO	0,028
галенит PbS	3350		сидерит FeCO3	0,00014
графит C	700		кварц SiO2	0,84104
пирротин FenSn+1	119

Большинство сульфидов принадлежит к хорошим проводникам электричества, вольфрамит, касситерит и цинковая обманка являются умеренными проводниками, тогда как большинство силикатов, карбонатов и некоторые сульфиды - плохие проводники.

Величина электропроводности зависит от изменения состояния поверхности минерала.

Наличие на поверхности влаги, тончайших слоев солей, окислов, шламов и т.д. способствует повышению или понижению электропроводности, что имеет большое практическое значение и создает серьезные трудности в осуществлении процесса в заводских условиях.

Процесс электростатического обогащения требует наличия сил притяжения или сил отталкивания, которые могли бы оттолкнуть электропроводящую частицу от ее первоначального пути. Если частицу привести в соприкосновение с телом, заряженным электричеством, то заряд начнет распространяться по поверхности частицы до тех пор, пока он не покроет всей ее поверхности, и пока потенциалы частиц не сравняются. В зависимости от электропроводности и от электроемкости частицы, распространение заряда может быть или мгновенным или весьма продолжительным. Под воздействием электрического заряда частица, находящаяся под влиянием индукции заряженного электрического тела, сначала притягивается, но притяжение сменяется отталкиванием, как только потенциалы электрода и частицы сравняются.

На рис.4.30 представлены два принципиально различных аппарата электрического обогащения. На электрод (рис.4.30,а) из питателя поступают частицы различной электропроводности. На рисунке черными кружками показаны частицы, обладающие высокой электропроводностью, а светлыми - неэлектропроводные. Частицы минералов с высокой электропроводностью при соприкосновении с электродом (барабаном) мгновенно получают одинаковый заряд и отталкиваются, направляясь на приемник d, а частицы с низкой электропроводностью требуют большего времени заряжения, и поэтому за весьма короткий промежуток времени, пока они скользят по барабану электрода в электрическом поле, не успевают зарядиться и сразу же падают вниз, направляясь в приемник с.

Рис.4.30. Схемы электростатических сепараторов

Электростатический сепаратор состоит из нескольких последовательно расположенных роликов, заключенных в общем кожухе. Длина ролика 3,5 м, его диаметр 150 мм. Заряд статического электричества подается на ролики. Напряжение достигает до 250 тыс. В. Для надлежащей работы сепаратора в материале не должно быть влаги и пыли. Например, из концентрата, состоящего из цинковой обманки, марказита и содержащего 35 Zn и 20 Fe, после электростатической сепарации на таком аппарате получен вполне удовлетворительный цинковый концентрат с содержанием 50 Zn и 7 Fe. На аппарате (рис.4.30,б) заряжание рудных частиц производится на поверхности заземленного барабана е от заряженного тонкого провода h. Поток i заряженных частиц воздуха доходит до заземленного вращающегося барабана, по которому ссыпаются рудные частицы, и оказывает на них воздействие. Частицы с хорошей электропроводностью передают заряд барабану и заземляются, а поэтому не испытывают воздействия электрических сил и сразу же падают в приемник d, тогда как частицы со слабой электропроводностью постепенно заряжаются на поверхности барабана. Этот заряд на поверхности барабана вызывает образование заряда противоположного знака. Поэтому минералы со слабой электропроводностью притягиваются к барабану и задерживаются на нем, пока заряд не рассеется, а остающиеся минеральные частицы скребком или щеткой g удаляются с поверхности барабана и направляются в приемник с. Развитие техники изготовления трансформаторов и катодных выпрямителей позволило повысить эффективность электростатического обогащения, которое быстро развивается параллельно с развитием электростатического пылеулавливания.

Для эффективного обогащения требуется предварительная тщательная классификация материала по крупности, так как сила притяжения и отталкивания зависит от электроемкости, и на процесс операции влияет объем и форма частиц.

При проведении процесса электростатического обогащения установлено, что различные минералы различно отклоняются от своей нормальной траектории движения в зависимости от силы электростатического поля. Величина и направление этого отклонения различны. Одни минералы отталкиваются положительным электрическим зарядом, другие - отрицательным и, наконец, третьи отталкиваются при любом знаке электрического заряда.

Исходя из этого, минералы разделяют на три группы:

1. реверсивно положительные;

2. реверсивно отрицательные;

3. нереверсивные, т.е. отталкивающиеся при любом знаке заряда.

Эти свойства минералов позволяют практически производить выделение селективных концентратов. Особенное внимание уделяется специальному действию реагентов-активаторов, повышающих или понижающих электропроводность рудных частиц. Таким путем создается более четкое различие в электропроводности обогащаемых минералов.

Например, для силикатов в качестве активатора с успехом применяют соляную кислоту, а для рудных минералов - органические кислоты и масла.

Для активации измельченный материал продувается перед концентрацией через цилиндр посредствам сопла с распылителем активирующего вещества.

В современной практике получают все большее распространение электростатические сепараторы с заземленным вращающимся барабаном, с коронирующим электродом.

Конструкции барабанных электростатических сепараторов разработаны П.М. Рывкиным и Н.Ф. Олофинским.

Рис.4.31. Схема электростатического сепаратора с заземленным барабаном и коронирующим электродом

На рис.4.31 представлена схема такого сепаратора. Коронирующий электрод 1 питается от линии высокого напряжения и создает ионизацию воздуха, что вызывает поток ионов определенного знака на заземленный барабан 2. Заземление барабана условно показано отводом 4. Сухой классифицированный материал из бункера 3 поступает на вращающийся барабан, и частица начинает скользить по его поверхности. При этом проявляется сила тяжести P, центробежная сила F_c и электрические силы. На схеме (рис.4.31) соотношение этих сил представлено графически для четырех характерных положений.

Электрические силы, взаимодействующие с частицей, зависят от соотношения между скоростью разрядки и скоростью зарядки частиц, находящихся на заземленном барабане. Для частицы с хорошей электропроводностью остаточный заряд частицы очень мал, и основная электрическая сила F, прижимающая частицу к поверхности барабана, в зоне коронного заряда будет также очень мала. Тогда под влиянием силы тяжести и центробежной силы эта частица быстро отделится от барабана 2 и попадет в приемник 1.

Если, наоборот частица будет иметь большой остаточный заряд, а это случится тогда, когда переходное контактное сопротивление R между осадительным электродом и частицей велико, то электрические силы, удерживающие частицу на поверхности вращающегося барабана, будут больше центробежной силы и силы тяжести.

В этом случае частица будет удерживаться на поверхности заземленного барабана до тех пор, пока не будет снята щеткой 5, а следовательно, частица попадет в приемник 3.

Частицы, обладающие промежуточной электропроводностью, при вращении барабана попадут в приемник 2, потому что у этих частиц после их выхода из зоны коронного разряда А-В-С (рис.4.31) механические силы (центробежная и тяжести) больше, чем силы электрические в то время, когда притока новых ионов нет, а разрядка частицы происходит на заземленном барабане. Частицы-полупроводники занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками по сопротивлению R и по остаточному заряду Q.

Сила остаточного заряда частицы, прижимающая ее к поверхности, выражается формулой:

,

где ε - диэлектрическая постоянная частицы.

Пондеромоторная отталкивающая сила  вызывается поляризацией частицы в неравномерном электрическом поле и направлена от осадительного электрода к коронирующему:

,

где V - объем частицы; E - напряженность электрического поля;  - диэлектрическая постоянная; dE/dx - градиент электрического напряжения.

Электростатическая индукция F1 представляет силу электрического отображения и выражается формулой:

,

где а - радиус частицы.

Для мелких частиц можно принять, что сила трения уравновешивается силой тяжести и центробежной силой. В этом случае сумма силы Ф = F+F1+ определяет поведение частицы на поверхности барабана. Если Ф > 0, то частица будет прижиматься к поверхности барабана, в противном случае при Ф < 0 частица будет отскакивать от заземленного барабана.

Необходимо всегда учитывать, что между чистой поверхностью частицы и электродом имеется полупроводящий слой 4÷6  в виде оксида - окисла. Эти оксидные пленки на частице и на поверхности барабана изменяют величину переходного сопротивления R. Механическая сила тяжести частицы P = mg зависит от размеров частицы и от ее плотности, а центробежная сила зависит также от массы частицы m и дополнительно от числа оборотов барабана и его радиуса. Сила тяжести P, как показано на рис.2, распадается на нормально слагающую силу тяжести Pн и на тангенциальную слагающую силы тяжести Pт. При значениях n - число оборотов барабана в минуту, r - радиус барабана,- удельный вес частицы, окружная скорость v = r n / 30, а величина центробежной силы определится формулой:

.

Сила трения зависит от гладкости поверхности барабана, от размера и формы частицы, а также от давления на частицу и наличия смежных частиц. Следует иметь в виду, что придвижении частиц по вращающемуся барабану наблюдается скольжение частиц по его поверхности. С одной стороны действует сила трения частицы о поверхность барабана и между смежными частицами, а с другой стороны - сила скольжения и тангенциальная составляющая силы тяжести Pт, а также нормальная составляющая силы тяжести Pн, которые в нижней части барабана стремятся оторвать частицы от поверхности барабана. Если в зоне АВС сумма сил более нуля, то частица будет удерживаться на поверхности барабана:

.

Сила, удерживающая частицу на поверхности барабана, зависит от диэлектрической постоянной ε, переходного сопротивления R, удельного веса частицы υ, радиуса и числа оборотов n барабана.

Регулирование работы сепаратора заключается главным образом в изменении напряжения на коронирующем электроде и числа оборотов барабана. При уменьшении радиуса барабана и скорости его вращения снижается центробежная сила, что ведет к уменьшению отрывающего действия частицы от барабана.

При обработке на таком электростатическом сепараторе оловянного концентрата, содержащего 39,8% касситерита, после четырех перечисток был получен концентрат с содержанием 92,6% касситерита и промежуточный продукт с содержанием 62% касситерита. Потери касситерита составляли 2,9%. При разделении касситерито-шеелитового концентрата на том же аппарате получен оловянный концентрат (с содержанием 91,2% касситерита), в котором содержание шеелита составляло 0,6%, вторым концентратом являлся вольфрамовый, также вполне кондиционный. При этом в касситерито-шеелитовом концентрате содержалось 59,4% касситерита и 17,7% шеелита. Испытания на доводочной станции показали извлечение 80÷97% Sn и 95÷99% W из некондиционного оловянно-вольфрамового концентрата при расходе электроэнергии 0,3 кВт/ч на 1 тонну сырья.