Процесс обогащения в тяжелых средах основан на разделении смеси зерен по плотности в гравитационном или центробежном полях в среде, плотность которой — промежуточная между плотностями разделяемых частиц. Минералы меньшей плотности, чем среда, всплывают, а более тяжелые — тонут. Происходит разделение на легкие (всплывшие) и тяжелые (потонувшие) продукты, В качестве тяжелых сред можно использовать тяжелые органические жидкости, водные растворы тяжелых солей и тяжелые суспензии, представляющие собой взвеси в воде тонкодисперсных частиц тяжелого минерала (утяжелителя). Хорошо перемешанная взвесь, образующая суспензию, обладает некоторыми свойствами, близкими к свойствам однородной тяжелой жидкости (например, вязкостью, текучестью, устойчивостью).
Тяжелые органические жидкости и растворы солей не нашли промышленного применения из-за высокой стоимости, трудности регенерации, токсичности и так далее. Широкое промышленное распространение получил метод обогащения в тяжелых суспензиях.
В качестве утяжелителя суспензии применяются естественные сыпучие тонкоизмельченные вещества — кварцевый песок, лёсс, глина и др.; тяжелые минералы — пирит, барит, магнетит, галенит и др.; ферросплавы — ферросилиций и др.
Наибольшее распространение в промышленности получили следующие утяжелители: кварцевый песок (плотность 2650 кг/м3, магнетит (около 5000 кг/м3), ферросилиций (6400–7000 кг/м3) и галенит (7500 кг/м3).
Кварцевый песок и магнетит применяют главным образом для приготовления суспензий плотностью менее 2000 кг/м3, ферросилиций и галенит — более плотных (до 3200–3400 кг/м3).
Основными свойствами тяжелых суспензий являются их плотность, вязкость и устойчивость. Плотность суспензии является основным технологическим свойством, характеризующим граничную плотность разделения. Характеризуется она отношением массы суспензии к ее объему. Плотность суспензии увеличивается с увеличением объемной концентрации и плотности утяжелителя.
Плотность суспензии Δс (кг/м3) рассчитывается по формуле
Δс = С (δ – 1000) + 1000,
где С — объемная концентрация утяжелителя, доли единицы; δ — плотность утяжелителя, кг/м3.
Устойчивость суспензии является одним из важнейших свойств, влияющих на точность разделения минеральных зерен в процессе обогащения. Под устойчивостью суспензии понимается ее способность сохранять постоянную плотность во времени в различных по высоте слоях. Устойчивость суспензии определяется скоростью осаждения твердой фазы и зависит от крупности частиц утяжелителя, их плотности, объемного содержания утяжелителя в суспензии, ее температуры.
Повышение устойчивости суспензии достигается подбором утяжелителей определенного состава, отличающихся высокой степенью устойчивости, созданием восходящих или горизонтальных потоков суспензии, механическим перемешиванием суспензии; добавлением в суспензию веществ-стабилизаторов, препятствующих осаждению частиц утяжелителя.
Вязкость суспензии или внутреннее трение характеризует сопротивление относительному движению ее элементарных слоев. Существенное влияние на вязкость суспензии оказывают крупность частиц утяжелителя (гранулометрический состав) и объемная его концентрация в суспензии. Чем крупнее частицы утяжелителя, тем меньше вязкость суспензии и выше ее подвижность при одной и той же плотности. Однако при этом ухудшается устойчивость суспензии (наблюдается быстрое осаждение частиц утяжелителя). Чем меньше крупность частиц утяжелителя, тем выше устойчивость суспензии, но тем выше и ее вязкость. Меньше текучесть. Поэтому крупность частиц не должна быть как слишком большой, так и слишком малой. Максимальная крупность частиц утяжелителя редко превышает 0,5 мм и в большинстве случаев составляет 0,15–0,05 мм.
При объемной концентрации утяжелителя, превышающей 35–40%, вязкость суспензии резко возрастает, она теряет свойства текучести и становится непригодной для использования при обогащении. Поэтому на практике объемное содержание утяжелителя не должно превышать 30%.
Обогащение в тяжелых суспензиях применяется обычно для удаления пустой породы перед тонким измельчением руд, удаления пустой породы из энергетических углей, обогащения труднообогатимых углей для целей коксования.
Обогащение полезных ископаемых в тяжелых суспензиях характеризуется высокой эффективностью процесса (практические показатели обогащения очень близки к теоретическим), простотой конструкции сепараторов и высокой их производительностью, нечувствительностью процесса к изменениям производительности к качеству исходного материала.
Однако процесс обогащения в тяжелых суспензиях дороже отсадки (приблизительно в два раза). Это объясняется усложнением схем в связи с необходимостью введения утяжелителя и его регенерации, тщательной классификацией и обесшламливанием исходного сырья, необходимостью установки в ряде случаев износостойкого оборудования (насосов, трубопроводов и др.)
Обогащение в тяжелых суспензиях средне- и крупнокускового материала производят в сепараторах, принцип работы которых основан на использовании гравитационных сил. Наиболее распространены сепараторы: конусные, барабанные и колесные. Обогащение мелкозернистого материала осуществляют в центробежных сепараторах (гидроциклонах).
Колесный сепаратор с вертикальным элеваторным колесом СКВ (рис. 7.7) состоит из ванны и устройств для разгрузки продуктов. Ванна сепаратора заполняется магнетитовой суспензией. Исходный материал по загрузочному желобу 1 поступает в ванну сепаратора. Разгрузка всплывшего (легкого) продукта в желоб 4 осуществляется гребковым устройством 3, а потонувший (тяжелый) продукт оседает в ковшах с перфорированным дном 12 элеваторного колеса 6 и при вращении последнего поднимается вверх и разгружается в специальный желоб.
Для регулирования положения колеса относительно корпуса элеватора имеются винты 9. Решетка 10 под действием силы тяжести поворачивается на шарнирах 5, открывая и закрывая разгрузочно-загрузочные окна 7 и 11. Через нижний патрубок в ванну сепаратора подается магнетитовая суспензия, образуя транспортный и слабовосходящий потоки, препятствующие ее расслоению.
Двухпродуктовые сепараторы СКВ применяют для обогащения угля крупностью от 300 до 13 (6) мм. Производительность их по исходному углю составляет 95–120 т/ч на 1 м ширины ванны сепаратора.
