Грохочення та класифікація

 

Грохочення і класифікація застосовуються з метою розділення корисної копалини на продукти різної крупності – класи крупності.

Грохоченням називається процес розділення сипкої корисної копалини на класи крупності шляхом просівання через одне або декілька сит.

Грохочення широко застосовується при переробці корисних копалин на збагачувальних фабриках і сортуванні, при виробництві будівельних матеріалів, в хімічній і інших галузях промисловості.

Продукти з точно визначеними розмірами зерен називаються класами. Крупність класів виражається в міліметрах і позначається числом зі знаком «+» або «–» (напр., + 50 мм; – 0,5 мм), а також двома числовими показниками, що позначають мінімальний і максимальний розміри зерен у даному класі (напр., 10 – 100 мм).

Машини і пристрої для грохочення називаються грохотами. Матеріал, що надходить на грохочення, називається вихідним, а продукти грохочення класами крупності (сукупність частинок матеріалу, обмежених верхнім і нижнім розмірами). Матеріал, що залишився на ситі, називається надрешітним продуктом, матеріал, що пройшов через отвори сита, – підрешітним. Клас, використовуваний як готовий товарний продукт, називається сортом.

За крупністю найбільших зерен(грудок) у вихідному матеріалі і необхідних класів крупності розрізняють грохочення: крупне (до 1200 мм) – на класи від -300 до +100 мм; середнє (до 350 мм) – на класи від -60 до +25 мм; дрібне (до 75 мм) – на класи від -25 до +6 мм; тонке (до 10 мм) – на класи від -5 до +0,5 мм; особливо тонке грохочення (до 0,045 мм). Наведені межі крупності умовні. Розділення частинок розміром 1 мм – 40 мкм здійснюють, як правило, класифікацією.

За технологічним призначенням розрізнюють п'ять видів операції грохочення:

- самостійне – для виділення класів, які являють собою готові товарні продукти (сорти), цю операцію також називають механічним сортуванням;

- підготовче – для розділення матеріалу, що переробляється на класи крупності, призначені для подальшої роздільної переробки (наприклад, перед збагаченням у важких середовищах);

- допоміжне – застосовують у схемах дроблення для виділення готового за крупністю продукту перед дробарками (попереднє грохочення) і для контролю крупності дробленого продукту (контрольне грохочення);

- зневоднююче – для видалення основної маси рідини, що міститься в матеріалі, який переробляється, а також виділення суспензії, знешламлення;

- вибіркове – застосовується в тих випадках, коли різні класи корисної копалини відрізняються за якістю. Цей вид грохочення можна також назвати операцією збагачення за крупністю.

В залежності від середовища, в якому здійснюють технологічну операцію, розрізняють сухе і мокре грохочення.

Класифікація матеріалу за крупністю здійснюється у водному або повітряному середовищі і базується на використанні розбіжності у швидкостях осадження частинок різної крупності. Великі частинки осаджуються швидше і концентруються в нижній частині класифікатора, дрібні частинки осаджуються повільніше і виносяться з апарата водним або повітряним потоком. Одержувані при класифікації крупні продукти називаються пісками, а дрібні – зливом (при гідравлічній класифікації) або тонким продуктом (при пневмокласифікації). Класифікація застосовується для розділення дрібних і тонких продуктів по зерну розміром не більше 1 мм.

На практиці застосовують різні типи грохотів.

За принципом дії розрізняють такі типи грохотів: • нерухомі (колосникові, гідрогрохоти, конусні та дугові), • з рухомими елементами: - коливаннями та вібраціями робочого органу (інерційні, резонансні, плоско-хитні, гіраційні); - обертальним робочим органом (барабанні та грохоти-дробарки, відцентрові, конусні самооочисні, імовірнісні); - рухомою просіювальною поверхнею (валкові, шнекові, з пружно-деформованим ситом, з безпосереднім збудженням сита). За розташуванням просіюючої поверхні розрізняють: похилі та горизонтальні. Відповідно до форми просіюючої поверхні грохоти поділяють на плоскі, зі змінним кутом нахилу, дугові, конічні, циліндричні (барабанні), а також призматичні та пірамідальні. За призначенням грохоти розділяють на: попередньої класифікації (80…100 мм і більше); підготовчої класифікації (крупність матеріалу 3, 6, 10, 13, 25 мм); дешламаційні (для мокрого відокремлення дріб’язку до 0,5…1,0 мм); зневоднювальні; грохоти для розсортування (головним чином вугілля).

Грохоти, застосовувані на збагачувальних фабриках, можуть бути розділені на такі групи: нерухомі – колосникові, конічні і дугові; барабанні обертові; вібраційні з круговими вібраціями (з дебалансним віброзбуджувачем) і з прямолінійними вібраціями (із самобалансним віброзбуджувачем).

Однак, незважаючи на конструктивні розбіжності, принцип дії у всіх грохотів той самий – розділення за крупністю відбувається шляхом відсівання дріб'язку з матеріалу, що надходить на грохочення, при його переміщенні в розпушеному стані по просіюючій поверхні.

Залежно від густини матеріалів, які піддають розсіву, застосовують грохоти легкого (δ ≤ 1,4 т/м³), середнього (δ ≤ 1,8 т/м³) і важкого (δ ≤ 2,8 т/м³) типів.

Простішим є нерухомий грохот із паралельних колосникових рейок з щілинами проміж них, ширина щілин визначає розміри пропускаємого матеріалу.

Валкові грохоти складаються із встановлених на рамі обертових валків, на які насаджують диски різних діаметрів. Дроблений матеріал рухаючись по валкам, розділяється на два класи за крупністю. Такі грохоти, що характеризуються високою продуктивністю, широко застосовують при підготовці руди до збагачення, а також на пришахтних дробильно-сортувальних фабриках.

Вібраційний грохот складається із рами-короба з решіткою-сіткою в нижній частині. Рама з’єднується з основою ресорами. Вібратор, встановлений на рамі, передає її коливання, під впливом яких дроблена руда переміщується по решітці. Дрібні куски просіваються, а крупні скочуються по решітці. Ці досить прості, надійні і продуктивні грохоти широко застосовують на практиці.

Хитний грохот – це короб з декількома решітками-сітками з різними розмірами отворів. За допомогою ексцентрикового механізму коробу і руді, яка надходить на нього, надається хитання. Дроблений матеріал, рухаючись по решіткам, просівається на декілька класів по крупністю.

Барабанний грохот – це порожній обертовий барабан, встановлений похило. Поверхня барабана покрита перфорованими листами з різними за діаметрами отворами – мінімальними у верхній і максимальними в нижній частині барабана. Дроблений матеріал, який подається в верхню частину барабана, при обертанні останнього безперервно перекочується по перфорованій поверхні і переміщується вниз, просіваючись через отвори. В результаті одержують декілька класів матеріалу за крупністю.

При необхідності для підвищення ефективності розділення у барабан подають воду.

Ефективність грохочення характеризує повноту відсівання нижнього класу (матеріалу, дрібнішого від розміру отворів сит) у підрешітний продукт. Ефективністю грохочення називається виражене в відсотках або частках одиниці відношення маси підрешітного продукту (Q_п) до маси нижнього класу у вихідному матеріалі (Q_нк):

.

Ефективність грохочення визначається за формулою:

, %,

де α – вміст нижнього класу у вихідному живленні грохота, %; β – вміст нижнього класу в надрешітному продукті, %; – вміст нижнього класу в підрешітному продукті, %.

Застосовують також вирази:

, %,

де Q_вих - маса початкового продукту.

Між продуктивністю і ефективністю існує зворотна залежність: якщо перша росте, то друга, за інших рівних умов, знижується.

Продуктивність грохота і ефективність грохочення залежать від багатьох чинників (факторів), які можна розділити на дві групи:

- фактори, що залежать від фізико-механічних властивостей вихідного матеріалу (ґранулометричний склад матеріалу, його густина і вологість, вміст і склад глинистих домішок);

- конструктивно-механічні фактори грохота (спосіб грохочення, рівномірність живлення, форма і розмір отворів просіюючої поверхні, кут нахилу короба, амплітуда і частота коливань).

Зупинимося на цих факторах докладніше.

Розмір отворів сита - впливає на швидкість руху частинок вздовж сита та їх проходження через отвори. Частинки розміром значно менші за розмір отворів сита легко проходять через нього. Частинки, близькі до розміру отворів сита, дуже утруднюють процес грохочення. Такі частинки називаються важкими, їх розмір знаходиться в межах 0,75-1,5 розміру отворів сита. Важкі зерна застряють в отворах або їх перекривають, що зменшує площу живого перетину сита і знижує якість грохочення.

Вологість вихідного матеріалу. Для грохочення має значення вміст зовнішньої вологи, яка покриває плівкою поверхню зерен матеріалу. У разі грохочення кам'яного вугілля його розсів сильно утруднюється при вологості понад 6 %. Особливо сильно впливає вологість матеріалу при грохоченні дрібних класів на ситах з невеликими отворами (0,5; 6; 13 мм). Дрібні класи мають найбільшу вологість внаслідок їх великої питомої поверхні. Зовнішня волога в матеріалі, а також наявність глинистої компоненти спричиняє злипання дрібних частинок між собою, налипання їх на великі грудки і замазування отворів сит в'язким матеріалом. Все це перешкоджає розшаруванню матеріалу за крупністю на ситі і утруднює проходження дрібних зерен через отвори, внаслідок чого вони залишаються в надрешітному продукті. При певному граничному вмісті вологи (8-12%), який залежить від властивостей матеріалу і розміру отворів сита, ефективність грохочення різко падає. Зі збільшенням вологості матеріалу понад 12% рухливість зерен зростає і поступово настають умови для мокрого грохочення, тобто грохочення матеріалу з водою, яке і застосовують для обводнених продуктів.

Розміри поверхні грохочення. Продуктивність грохота майже прямо пропорційна ширині сита. Збільшення довжини підвищує імовірність проходження частинок крізь сито, збільшуючи ефективність грохочення. Довжина сита повинна бути у 2-3 рази більша від ширини сита.

Насипна густина і форма зерен. Продуктивність грохочення зростає по мірі збільшення насипної густини і наближення форми частинок до кулястої.

Форма отворів сита. У практиці грохочення застосовуються квадратні, щілинні, прямокутні і круглі отвори сит. При цьому найбільш широко використовуються сита з отворами квадратної форми внаслідок їх легкого виготовлення. Однак щілинні і прямокутні отвори мають переваги більшого живого перетину, меншої схильності до забивання. Для перфорованих поверхонь часто використовують круглі отвори, оскільки вони дають найбільш точне розділення.

Амплітуда і частота вібрації. Збільшення амплітуди і частоти коливань приводить до збільшення числа контактів зерен з просіюючою поверхнею, поліпшення умов самоочищення сита від зерен, що застряють в отворах, внаслідок чого збільшуються продуктивність і ефективність грохочення. Однак збільшення амплітуди і частоти обмежене механічною міцністю грохота. Частота вібрації повинна зменшуватися, а амплітуда зростати по мірі збільшення розміру отворів сита грохота.

Товщина шару матеріалу на ситі. Існує оптимальна товщина шару матеріалу, при якій спостерігається максимальна швидкість грохочення. Для найбільш успішного грохочення вихідна товщина шару матеріалу на ситі не повинна перевищувати 3-4 кратних розміри отворів сита.

Кут нахилу просіюючої поверхні. Пропорційно зміні кута нахилу просіюючої поверхні змінюється продуктивність грохота і обернено пропорційно – ефективність грохочення та крупність нижнього продукту.

Гідравлічною класифікацією називається процес розділення суміші мінеральних зерен у рідині на класи крупності за швидкістю їхнього осідання. Розділення матеріалу протікає головним чином у стиснених умовах при турбулентному режимі течії гідросуміші.

Класифікації піддають руди крупністю до 6 мм і вугілля крупністю до 13 мм. При гідравлічній класифікації розділення суміші на класи відбувається за рівнопаданням. Цей процес можливий лише при розділенні сумішей, зерна яких досить однорідні за густиною і формою. У тому випадку, якщо компоненти суміші значно розрізняються за густиною і формою зерен, то при класифікації відбувається до деякої міри і гравітаційне збагачення. Принцип процесу гідравлічної класифікації заснований на зміні траєкторії руху зерен матеріалу 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.

У результаті класифікації одержують звичайно два продукти. Продукт, що містить тонкі зерна, крупність яких не перевищує граничної, називається зливом. Крупний продукт, розмір зерен якого перевищує розмір граничного зерна, називається пісками. Розмір зерна, по якому відбувається розділення матеріалу за крупністю, називається граничним. Під граничною крупністю розуміють крупність частинок, що виділяються в продукти у рівних кількостях (по 50 %). Гідравлічна класифікація застосовується для розділення зерен за граничною крупністю понад 40 мкм, а знешламлювання – по зерну розміром – 10–70 мкм.

Гідравлічна класифікація є підготовчим, допоміжним і рідше самостійним (збагачувальним) процесом.

Як підготовчу операцію гідравлічну класифікацію застосовують на гравітаційних збагачувальних фабриках перед концентрацією на столах, відсаджувальних машинах, ґвинтових 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 часток дозволяє одержати товарні продукти.

На збагачувальних фабриках гідравлічну класифікацію використовують для замикання циклу подрібнення, знешламлювання продуктів, поділу вихідного матеріалу перед збагаченням, зневоднення продуктів.

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 (КНС) найчастіше використовують у замкнених циклах подрібнення для одержання готового за крупністю продукту, що направляється на 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. 11.6) складається з нахиленої під кутом 14 – 20° ванни 1, у якій поміщені один або два вали 2 із закріпленими на них спіралями 3.

 

Рис. 11.6. Спіральний класифікатор:1 – ванна; 2 – вал; 3 – спіраль; 4 – підйомний механізм спіралі; 5 – привод.

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

Верхня цапфа вала шарнірно закріплена в упорних підшипниках, що дозволяє за допомогою підйомного механізму 4 піднімати нижню частину спіралі без порушення зчеплення конічних зубчастих коліс. Це дає можливість робити запуск апарата (після його зупинки) під навантаженням без очищення ванни від пісків.

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 горизонтальному потоці кожне зерно переміщується у горизонтальному напрямку із швидкістю потоку середовища і одночасно – у вертикальному напрямку із швидкістю падіння в середовищі під дією гравітаційних сил. Для того щоб зерно не потрапило у злив, воно за час руху уздовж ванни класифікатора повинно встигнути опуститися на певну глибину зливного потоку h:

, м,

де h – глибина зливного потоку, м; V – швидкість падіння граничного зерна, м/с; L – довжина дзеркала пульпи в ванні класифікатора, м; u – швидкість горизонтального потоку, м/с.

Розрідженість пульпи є визначальним фактором для одержання зливу необхідної крупності. При збільшенні розрідження 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:

Q_зл = 4,56 m k_β k_δ k_c k_α D^1,768, т/год;

по пісках:

Q_П = 5,45 m k_δ k_α D ³n,т/год,

де m, D, n – число, діаметр (м) і частота обертання спіралей (хв^-1); k_β,k_δ,k_c,k_α – коефіцієнти, що враховують відповідно крупність зливу, густину руди, розрідженість зливу і кут нахилу ванни класифікатора.

При гідравлічній класифікації розділ на фракції за крупністю виконують у потоках рідини на основі законів падіння тіл у водяному середовищі. Для цієї мети застосовують гідроциклони, рідше – камерні класифікатори.

Гідроциклони (рис.11.7) застосовують для класифікації на стадіях тонкого подрібнення.

 

Рис. 11.7. Гідроциклон: 1 – циліндрична частина; 2 – конічна частина;

3 – живильний патрубок; 4 – зливний патрубок; 5 – піскова насадка.

 

Гідроциклон – це циліндр з боковим патрубком для тангенціального підвода пульпи під великим тиском (до 50-250 МПа) та нижньою конічною частиною. Потік пульпи в циклоні рухається по спіралі, яка в конусі стискується. Більш крупні і важкі частки під дією відцентрової сили рухаються по периферії конуса. В нижній частині конуса потік роздвоюється. Зовнішній потік з більш крупними і важкими частками продовжує опускатися вниз і виходить із циклона через нижній розвантажувальний отвір. Внутрішній потік з дрібними частками піднімається по спіралі вверх і виходить із циклона через верхній розвантажувальний отвір.

Гідроциклони дозволяють розділяти матеріал з розмірами часток до сотих долей міліметра. Вони характеризуються простотою, надійністю в роботі і високою продуктивністю.