Экспериментальное исследование процесса вибрационно- гравитационной концентрации для извлечения тонкого золота
М.М. Раджабов — аспирант
В научно-техническом центре МГГУ — «Горно-обогатительные установки» (НТЦ — ГОМУ) под руководством д.т.н., профессора В.В. Кармазина с середины 90-х годов проводятся научноисследовательские и проектно-конструкторские работы по созданию эффективных обогатительных процессов и аппаратов, позволяющих повысить извлечение золота мелких классов при первичном обогащении песков россыпных месторождений, при повторной переработке техногенных отвалов, а также в операциях доводки промпрдуктов и доизвлечения ценных самородных металлов высокой плотности из хвостов ЗИФ, ШОУ и ШОФ. Это магнитофлокуляционные концентраторы — приставки типа КПМФ, сегрегационно-диффузионный концентратор, магнитный сепаратор для шлиходоводки ВПБСц. Указанные разработки успешно прошли промышленную проверку на золотодобывающих предприятиях Республики Бурятии, Читинской, Амурской, Магаданской областей и Чукотки. Характерной особенностью этих технологий и устройств является их экологичность, так как в их основе лежат экологически чистые — гравитационные и магнитные методы обогащения.
Рис. 1. Схема движения материала тонким слоем с разделением на фракции.
Одним из объектов последних исследований НТЦ ГОМУ является новый процесс гравитационной концентрации как результат сегрегации в тонком слое и разработка на его основе аппарата для шлиходоводочных операций, способного составить конкуренцию широко применяемым в настоящее время концентрационным столам, центробежным концентраторам, магнито-жидкостным сепараторам. Новый способ и устройство отличается простотой, отсутствием движущихся частей.
Известно, что скорость процесса сегрегации — расслаивания зерен полиминеральных смесей по высоте слоя в зависимости от крупности и плотности можно повысить изменяя ряд действующих на процесс факторов, в том числе уменьшая толщину слоя и увеличивая интенсивность вибраций. Это положение явилось отправной точкой в данной работе.
Исследуемый новый способ осуществляется следующим образом (рис. 1). Материал в виде густой водной суспензии, подается вертикально вниз по оси концентратора в его придонную область, где он затем поступает в рабочую зону расходящимся горизонтальным потоком в кольцевом зазоре малой толщины. В этот тонкий слой двигающегося горизонтально материала, снизу вертикально подается вода для его разрыхления. Материал переходит из состояния густой водной суспензии в состояние разжиженной водной суспензии, при этом на весь объем материала накладываются колебания (вибрации). Таким образом в рабочей зоне частицы обогащаемого материала находятся во взвешенном состоянии, при этом создаются условия для ускорения (интенсификации) процесса их расслаивания по крупности и плотности под действием силы тяжести.
Класс, мм | Материал 1, % | Суммарный выход, % | Материал 2, % | Суммарный выход, % |
+0,4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
-0,4+0,25 | 3,81 | 3,81 | 0 | 0 |
-0,25+0,14 | 19,64 | 23,45 | 11,34 | 11,34 |
-0,14+0,1 | 35,87 | 59,32 | 24,12 | 35,46 |
-0,1+0,071 | 23,42 | 82,74 | 29,37 | 64,83 |
-0,071+0,063 | 8,93 | 91,67 | 15,21 | 80,04 |
-0,063+0,05 | 5,54 | 97,21 | 12,49 | 92,53 |
-0,05+0 | 2,79 | 100 | 7,47 | 100 |
Горизонтальная скорость частиц материала при его движении в кольцевом зазоре рабочей зоны от центра устройства к внешнему диаметру естественно уменьшается вследствие увеличения площади зазора, которая пропорциональна радиусу R. Частицы повышенной плотности в результате сегрегационного расслаивания мигрируют вниз слоя и концентрируются в углублениях на нижней поверхности, ограничивающей рабочую зону. Поток материала, состоящий уже преимущественно из частиц низкой плотности выводится из рабочей зоны сначала горизонтально, затем вертикально в кольцевом зазоре между внешней и внутренней стенками корпуса и разгружается в виде легкой фракции (хвостов).
Осаждение частиц в горизонтальном потоке жидкости.
В кольцевом зазоре рабочей зоны от центра устройства к внешнему диаметру при постоянстве расхода (питания) Q = v•S поперечное сечение S растет прямо-пропорционально радиусу зоны R, а скорость v — обратно- пропорционально радиусу зоны R. Горизонтальная скорость частиц материала при его движении в кольцевом зазоре рабочей зоны от центра устройства к внешнему диаметру естественно уменьшается вследствие увеличения площади зазора. Частицы повышенной плотности в результате сегрегационного расслаивания мигрируют вниз слоя и концентрируются в углублениях на нижней поверхности, ограничивающей рабочую зону. Поток материала, состоящий уже преимущественно из частиц низкой плотности, выводится из рабочей зоны сначала горизонтально, а затем вертикально в кольцевом зазоре между внешней и внутренней стенками корпуса и разгружается в виде легкой фракции (хвостов).
Рис. 2 а, 2 б и 2 в. Осаждение минеральных частиц различной плотности под воздействием механических колебаний.
Поток жидкости, содержащей твердые частицы, после поворота движется в горизонтальном направлении. Его течение характеризуется горизонтальной U(x) = Q/2π•r и вертикальной U(y) составляющими скорости. Частицы также имеют скорость движения относительно жидкости v(y). Определим траектории движения частиц. За время dt частица в горизонтальном направлении пройдет путь, равный
а в вертикальном
dy = [U y(y) - v(y)]dt
Решая эту систему уравнений, получаем:
(1)
откуда
(2)
Постоянная интегрирования С определяется из условия: x=0, y=y0. На поверхности жидкости Uy(y)=0, а v(y)=v0. При падении в среде мелких зерен, скорость которых мала, диаметром сопротивления можно пренебречь и учитывать лишь вязкость среды. В этом случае конечную скорость вычисляем по формуле Стокса:
(3)
Резкое снижение горизонтальной скорости потока с увеличением радиуса (расстояний от центра) приводит к снижению критерия Re и увеличению скорости осаждения частиц. Стесненное падение и вибрации повышают селективность разделения минералов по плотности. При этом в придонной части образуется уплотненный слой материала (постель), который движется только под действием механических вибраций, вызываемых внешним вибратором.
В работах И.И. Блехмана, Г.Ю. Джанелидзе и В.Я. Хайнмана приведены теоретические основы процесса сегрегации. Разделение сыпучих смесей под действием вибраций рассматривается с учетом наличия сил взаимодействия между разделяемыми частицами типа сухого трения. Авторы приходят к следующему выводу: погружение или всплывание тел в сыпучей среде, подвергающейся вибрациям, может обуславливаться тремя взаимодействующими факторами:
- отличием плотности частицы от плотности среды;
- несимметрией сил сопротивления среды, при которой сила сопротивления при движении частиц вверх меньше, чем при движении вниз;
- несимметрией закона колебания среды.
При отсутствии вибрации, находящаяся в сосуде смесь разнородных частиц сыпучей среды в поле силы тяжести или другом стационарном силовом поле (рис. 2) может иметь из-за действия сил сухого трения бесконечное число непрерывно распределенных положений равновесия: она располагается так или почти так, как ее засыпали в сосуд. Если же подвергнуть вибрированию (не слишком интенсивному, чтобы не преобладала хаотическая компонента процесса, т.е. перемешивание), то, в случае смеси крупных и мелких частиц одной плотности, в результате воздействия вибрации крупные частицы расположатся над мелкими (рис. 2 а). В случае смеси частиц одинакового размера, но с различными плотностями, легкие частицы расположатся над тяжелыми (рис. 2 б), и, наконец, в случае смеси крупных и мелких частиц различных плотностей нижнее положение займут мелкие тяжелые, затем расположатся мелкие легкие, крупные тяжелые (или смесь мелких легких и крупных тяжелых), в верхнем положении окажутся крупные легкие частицы (рис. 2 в).
Рассмотрим cтационарное распределение частиц двухкомпонентной смеси в замкнутом вибрирующем сосуде. При решении данной задачи примем простейшие предположения: рассмотрим одномерный случай при отсутствии медленных течений среды в целом и будем считать, что коэффициенты а12 и b12 не зависят от пространственной координаты z. Не зависящей от этой координаты полагаем также суммарную объемную концентрацию с = с1 + с2; при этом, используя относительные концентрации с1/с и с2 /с и сохраняя для них те же обозначения, будем иметь с1 + с2 = 1.
При учете соотношений а12 = а21, b12 = - b21 и с1 = 1 - с2 эта система сводится к уравнению И.И. Блехмана
(4)
Здесь z — пространственная координата, а aij и bij — функции z, которые определяются на основе изучения «быстрого» процесса или экспериментально; они зависят от свойств и характеристик частиц, а также от параметров вибрации вблизи данной точки. При этом имеют место соотношения
aij = aji, bij = bji
Функции aji характеризуют соответственно интенсивность диффузионных, abij — скорость упорядоченных движений частиц, причем aij > 0 по смыслу пропорционально сумме, abij — разности вероятностей обмена частиц j-й компоненты на одинаковое по объему количество частиц j-й компоненты за некоторый характерный промежуток времени t вблизи точки с координатой z.
Сумма
в этих уравнениях играет роль коэффициента диффузии в уравнении Эйнштейна-Фоккера-Планка.
Проинтегрировав последнее уравнение с учетом того, что потоки частиц через верхнее и нижнее основания рабочего пространства равны нулю, получим
(5)
где через
обозначена высота слоя, соответствующая общему объему частиц первой компоненты, a h есть общая высота слоя частиц обоих компонентов.
На рисунке 3 приведены рассчитанные по последней формуле зависимости распределения концентрации тяжелых частиц по высоте при их содержаниях в смеси, равных 0,1 и 9,4 (соответственно кривые 1–2). Иногда разделяемость частиц предлагается характеризовать величиной площади, ограниченной ординатой с1 = 10, кривой распределения и осью абсцисс 0. Нетрудно показать, что в условиях рассматриваемого примера эта площадь равна b12ln 2/а12, т.е. характеризует соотношение коэффициентов, определяющих скорости упорядоченного и хаотического движений.
Результаты исследований
В качестве основных проб были использованы продукты обогащения ЗИФ а/с «Чукотка» были представлены промпродуктом и хвостами гравитационного передела золотоизвлекательной фабрики соответственно с содержанием золота 798 г/т и 9,3 г/т, серебра 1129 г/т и 32,28 г/т. Минеральный состав промпродукта и хвостов практически не отличается. В состав промпродукта и хвостов входят следующие тяжелые минералы: арсенопирит — 50–60%; галенит — 30%; пирит — 20%.
Анализ гранулометрического состава хвостов ЗИФ а/с «Чукотка» в исходном материале показал, что 92 % материала находилось в классе — 0,2 мм, и 70% в классе — 0,1 мм, а в промпродукте 95 % материала находилось в классе — 0,25 мм, 82% в классе — 0,2 мм и 40 % в классе — 0,1 мм.
Рис. 3. Стационарное распределение «тяжелых» частиц двухкомпонентной сыпучей смеси в рабочем пространстве (1 — промпродукт, 2 — хвосты).
По кривым гранулометрического состава видно, что материал состоит преимушественно из мелких классов.
При проведении испытаний масса навески составляла 3 кг, частота вибраций — 100 Гц, амплитуда — 1 мм, расход воды 6–8 л за один цикл концентрации, который по времени составлял 15–20 минут. После завершения концентрации подача питания и воды прекращалась, выключался вибратор, от концентратора отсоединялась нижняя часть с накопителем тяжелой фракции, продукты смывались, сушились, взвешивались, рассеивались для ситового анализа.
Полученный материал в виде концентрата и хвостов отправляли в ЦИНИГРИ для пробирного анализа.
Рис. 4. Кривые ситового анализа пробы: а — материал I; б — материал II.
По результатам пробирного анализа продуктов обогащения промпродукта ЗИФ а/с «Чукотка» установлено, что извлечение золота в концентрат составило 87,6 % с содержанием 9400 г/т. Извлечение при концентрации золота из хвостов ЗИФ составило 85 % с содержанием золота 101 г/т.
Вид пробы | Выход концентрата, % |
Содержание тяжелой фракции в концентрате, г/т |
Извлечение тяжелой фракции в концентрат, % |
Промпродукт ЗИФ а/с «Чукотка» |
~ 3,3 | 9400 | 87,6 |
Хвосты ЗИФ а/с «Чукотка» |
~ 3,4 | 101 | 82 |
Табл. 2. Результаты испытаний тонкослойного гравитационного концентратора на золотосодержащих песках.
Полученные результаты исследований на доводочном ВГК доказали эффективность вибрационно-гравитационного метода, а полученные сепарационные характеристики работы концентратора позволили сделать вывод о высокой эффективности данного метода при разделении труднообогатимых мелких и тонких классов золота и пустой породы. Применение ВГК позволит увеличить извлечение золота и амальгамы при промывке песков и доизвлечении ценного компонента из промежуточных продуктов и хвостов золотоизвлекательных, шлихообогатительных фабрик и установок.
Выводы
Таким образом, предлагаемый процесс вибрационно-гравитационной концентрации, реализованный в разработанном по патенту НТЦ МГГУ концентраторе, и новая комбинированная технологическая схема обогащения хвостов золотодобычи и доводки черновых концентратов позволят расширить границы извлечения мелкого, тонкого, тонкодисперсного и коллоидного золота.
1. Блехман И.И., Хайнман В.Я. «О теории вибрационного разделения сыпучих смесей». Изв. АН СССР. «Механика», 1965, №5, с. 22–30.
2. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. «Вибрационное перемещение». М. «Наука», 1964.
3. Кизивальтер Б.В. «Теоретические основы гравитационных процессов обогащения». М., Недра, 1979.
4. Тихомиров В.И. «Гидравлический классификатор» //Советская золотопромышленность. 1 932. — № 2–3, с. 30–36.
5. Кармазин В.В., Раджабов М.М., Измалков В.А. «Исследование процесса расслаивания минеральных частиц различной плотности в гравитационно-сегрегационном концентраторе» // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013, №7, с. 73–78.
Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 3 (21)/сентябрь 2013 г.