Теоретические основы электрического обогащения руд
Электрическое обогащение представляет собой процесс разделения минеральных частиц в электрическом поле, основанный на различии их электрических свойств. Электрические методы обогащения применяются для доводки концентратов руд редких и черных металлов, а также для обогащения неметаллических полезных ископаемых (угля, фосфоритов, каолина, кварцевого песка и др.). Электрическому обогащению подвергается обычно материал крупностью от 2 до 0,1 мм, причем желательна его классификация в узких пределах. Избирательно воздействуя на заряженные частицы различных минералов, электрическое поле позволяет разделить их на отдельные продукты.
По электрическим свойствам все тела делятся на проводники, полупроводники и непроводники (диэлектрики). Для электрического обогащения важнейшими характеристиками минералов являются электропроводность (удельная проводимость) и диэлектрическая проницаемость.
Для того чтобы тело оказалось заряженным, необходимо нарушить нейтральность составляющих его атомов. При избытке электронов тело будет заряжено отрицательно, при недостатке — положительно.
Электрические заряды вносят определенные изменения в окружающее пространство, проявляющееся в том, что на внесенные в это пространство электрические заряды действуют силы. Если в пространстве обнаруживается действие сил на электрические заряды, то говорят, что в нем существует электрическое поле. На рис. 89 показано поле двух одинаковых по величине зарядов — разноименных и одноименных.
U — разность потенциалов, В;
о — удельная электрическая проводимость (ом-1*м-1);
S — сечение проводника, м2;
l — длина проводника, м.
Удельную электропроводность (проводимость) можно представить так:
где е — заряд электрона;
n0 — концентрация свободных носителей тока (число электронов проводимости) в единице объема (у проводников она равна примерно 10в22 на 1 см3);
w — подвижность носителей (скорость, полученная носителем при прохождении разности потенциалов, равной единице).
В отличие от проводников диэлектрики обладают плохой электропроводностью.
Электропроводность полупроводников также очень мала, но при определенных условиях (повышение температуры) может увеличиваться. Проводники характеризуются электропроводностью (удельной проводимостью) 10в6—10в-2 ом-1*см-1, полупроводники — 10в-3—10в-10 ом-1*см-1, диэлектрики — 10в-11 ом-1*см-1 и ниже.
У незаряженного проводника под влиянием электрического поля на одном конце, обращенном к положительному электроду, возникает отрицательный заряд, на противоположном конце — положительный (явление электростатической индукции). Индукционные заряды в состоянии равновесия располагаются на поверхности проводника.
У непроводников (диэлектриков) в электрическом поле связанные между собой положительные и отрицательные заряды не передвигаются свободно, как электроны в проводниках, а лишь смещаются — положительные заряды в направлении отрицательного электрода, а отрицательные заряды в направлении положительного электрода (явление поляризации). В итоге у диэлектриков под влиянием электрического поля возникают поверхностные поляризационные заряды. При удалении из электрического поля как проводника, так и непроводника наведенные заряды исчезают (если не было соприкосновения с электродами).
Следует отметить, что электрический ток в проводнике и смещение микрозарядов в молекулах диэлектрика, происходящее в момент возникновения и исчезновения поляризации, представляют собой процессы одного и того же рода. В обоих случаях происходит перемещение зарядов в электрическом поле, но в диэлектриках при возникновении поляризации под воздействием постоянного напряжения смещение зарядов быстро прекращается, после чего диэлектрик остается поляризованным; в проводниках же под действием постоянного напряжения перемещение зарядов происходит непрерывно.
Систему, в которой центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга, называют диполем. В неоднородном электрическом поле диполь поворачивается по полю и втягивается в область более сильного поля, в однородном поле (напряженность поля всюду одинакова по величине и направлению) диполь стремится повернуться по линиям напряженности (силовым линиям). Напряженность электрического поля E является векторной (силовой) характеристикой поля и представляет собой отношение силы F, действующей в данной точке поля на заряд q, к величине этого заряда:
Единица заряда в системе СИ — кулон (К) определяется как заряд, проходящий за 1 с через сечение проводника при силе тока в 1A (1K = 1 A*с). За единицу напряженности в системе СИ принимается напряженность в такой точке поля, в которой на заряд в 1 К действует сила в 1 Н. Из определения напряженности следует, что на заряд q в поле напряженностью E действует сила F = qF. При этом сила совпадает по направлению с напряженностью, если заряд положительный, или направлена против напряженности, если заряд отрицательный.
Напряженность электрического поля E зависит от среды, уменьшаясь в е раз в веществе с диэлектрической проницаемостью е. Нобольшие частицы произвольной формы, помещенные в электрическое поле, ведут себя как диполи. На их концах возникают индуцированные заряды, равные по величине и противоположные по знаку. Под действием электрических сил частицы ориентируются по полю, а затем перемещаются в сторону увеличения напряженности поля независимо от знака притягивающего заряда.
Из минералов, входящих в состав подвергаемых электрическому обогащению продуктов, примерами проводников электрического тока могут служить ильменит, рутил, магнетит и др. (табл. 3), примерами непроводников — циркон, монацит, дистен, ставролит, кварц и др. Разделение минералов на проводники и непроводники является условным, так как при определенных условиях (температура, давление, напряжение) непроводники могут стать проводниками.
Электропроводность одного и того же минерала может изменяться в зависимости от содержания примесей и состояния поверхности, в частности электропроводность в значительной степени зависит от наличия на поверхности минерала окисных пленок, шламов и влаги. Естественное состояние минеральной поверхности в ряде случаев можно изменить в желаемом направлении, например с помощью специальных реагентов. В итоге искусственно увеличивается разница поверхностной электропроводности минералов, главным образом диэлектриков (на электрические свойства проводников реагенты влияют мало), и улучшаются результаты разделения. Например, обработка раствором хлористого натрия алмазсодержащих гравитационных концентратов позволяет увеличить электропроводность тяжелых минералов, присутствующих в концентрате, и более полно отделить их от алмазов электрическим методом.
Влияние реагентов на изменение электропроводности минералов связано с избирательным изменением гидрофобности (или гидрофильности) этих минералов, т. е. их способности смачиваться водой. Повышение гидрофильности одного из минералов-диэлектриков способствует адсорбции на его поверхности влаги на воздуха и приводит к росту поверхностной электропроводности. Иногда без обработки реагентами электрическое обогащение применить вообще не удается, особенно для разделения минералов малой электропроводности. Так, при большой влажности воздуха отделить электрическим методом кварц от полевого шпата и берилла практически можно только в результате их предварительной обработки органическим реагентом — лаурилсульфатом натрия.
Эффективность электрического обогащения в ряде случаев можно повысить подогревом руды до температуры 50° С и выше с целью подсушки (устранение отрицательного влияния влаги, нивелирующей различие электропроводности минеральных частиц), обеспыливанием (удаление пылевидных частиц, обволакивающих более крупные частицы) и др. Детальное изучение влияния влажности на процесс электрического обогащения показало возможность использования этого фактора для регулирования селективности процесса. В частности, установлено, что поверхностная влага оказывает не только отрицательное влияние на процесс обогащения, а при поддержании ее в оптимальных пределах способствует увеличению различия в электропроводности разделяемых минералов и тем самым улучшает селекцию. Работы в этом направлении продолжаются.
Существуют различные методы сообщения частицам электрических зарядов. Практически наиболее важными из них являются электризация трением, контакт с заряженным электродом и коронный разряд.
При электризации трением, обусловленной переходом электронов, на частицах возникают заряды трения (трибоэлектрические заряды), иногда достигающие большой величины. Знак заряда зависит от природы частиц и материала лотка, по которому они перемещаются, а также от состояния их поверхности и пр. Если различные минералы обогащаемого продукта приобретают различные по знаку и достаточно большие трибоэлектрические заряды, этот продукт можно разделить в электрическом поле на отдельные минеральные фракции. Например, при движении по дюралюминиевой пластине кварц приобретает отрицательный заряд большей величины, а дистен — меньшей, после чего смесь этих минералов можно разделить в электрическом поле: кварц отклонится в направлении положительно заряженного электрода больше, чем дистен.
При сообщении частицам заряда способом непосредственного контакта с заряженным электродом у частиц на стороне контакта возникают заряды, противоположные по знаку заряду электрода. При этом у диэлектрика заряд, обусловленный его поляризацией, не может перейти на электрод и частица остается электронейтральной. В то же время у проводника вследствие хорошей электропроводности возникший заряд нейтрализуется (отрицательный заряд переходит на положительный электрод, и наоборот); в результате проводник приобретает заряд заряженного электрода и отталкивается от него как одноименно заряженный. Различие в поведении минералов проводников и диэлектриков на заряженном электроде позволяет разделить их в электрическом поле.
При зарядке в поле коронного разряда частицы приобретают заряды вследствие ионизации воздуха между электродами. Коронный разряд представляет собой электрический разряд в газе (воздухе), возникающий в неоднородном поле при определенной разности потенциалов, приложенной к двум электродам, один из которых тонкий (например, проволока или острие), а второй — плоский или большого диаметра. Поскольку напряженность поля вблизи электрода в виде проволоки значительно выше, чем у плоского электрода, в области около тонкого электрода происходит разряд, сопровождаемый ионизацией воздуха и образованием коронного свечения. Ионы направленно перемещаются от тонкого (коронирующего) электрода к противоположному, возникает так называемый ток короны. Обычно коронирующие электроды присоединяются к отрицательному полюсу источника тока, а противоположные электроды заземляются и присоединяются к положительному полюсу. Внутри короны имеются положительные и отрицательные ионы, за пределами короны будут ионы только одного знака (отрицательные при отрицательной короне); отрицательные ионы газового разряда перемещаются к заземленному электроду, заряжая частицы минералов, которые под влиянием электрического поля также движутся к положительному электроду и осаждаются на нем (отсюда электрод называют осадительным). При этом проводники легко отдают заземленному электроду свой заряд ионизации, разряжаются и отскакивают от него, а диэлектрики, сохраняя заряд в той или иной степени, удерживаются на заземленном электроде. Время прохождения частицами зоны коронного разряда примерно 0,1 с. Чем выше электропроводность частиц, тем быстрее происходит их разрядка на заземленном электроде. Наиболее эффективно в поле коронного разряда разделяются минеральные частицы, значительно отличающиеся электропроводностью (например, проводники — рутил и ильменит от непроводников — циркона и ставролита).
В зависимости от знака заряда электрода одни минералы либо притягиваются к нему, либо отталкиваются (условно их называют обратимыми положительно или отрицательно), а другие минералы нечувствительны к знаку заряда электрода и, например, одинаково отталкиваются от электрода любого знака (необратимые минералы). Явление обратимости объясняют трибоэлектрическим эффектом, возникающим при трении частиц некоторых минералов о любую поверхность. Одни и те же минералы могут быть обратимыми положительно или отрицательно в зависимости от работы выхода электронов: если работа выхода электронов из минерала больше, чем из материала соприкасающейся с ним поверхности (например, металлического лотка), минерал заряжается отрицательно и является отрицательно обратимым; в противном случае, если эта работа меньше, минерал получает положительный заряд и обратим положительно. Явление обратимости минералов используется для разделения таких диэлектриков, как кварц и циркон: если до перемены полярности оба минерала притягивались к электроду, то после перемены полярности электрода циркон отталкивается от него, а кварц притягивается.
При электрическом обогащении в воздушной среде основную роль играет электрическая сила, обусловленная зарядом минеральных частиц. Заряженные положительно или отрицательно частицы перемещаются соответственно к отрицательному или положительному электроду. При электрическом обогащении, например в жидком диэлектрике с диэлектрической проницаемостью е*, промежуточной между проницаемостью разделяемых минералов е1 и е2, частицы с диэлектрической проницаемостью е1, большей диэлектрической проницаемости среды е, перемещаются в сторону увеличения напряженности поля, а частицы с диэлектрической проницаемостью е2, меньшей в, перемещаются в обратном направлении. Так как в однородном электрическом поле электрические силы, обусловленные разностью диэлектрической проницаемости частицы и среды, равны нулю, электрическое обогащение минералов с различной проницаемостью в среде (типа органической жидкости) с промежуточной проницаемостью может осуществляться только в неоднородном поле.
Практическое распространение получило главным образом электрическое обогащение в электрическом поле в воздушной среде, хотя в последнее время уделяется большое внимание разработке теории и практики диэлектрической сепарации, позволяющей разделять минералы с близкой электропроводностью.
Источник
Электрические методы обогащения
Электрическое обогащение – это процесс разделения сухих частиц полезных ископаемых, которое основано на различии в электрических свойствах разделяемых компонентов.
К этим свойствам относятся: электропроводность; диэлектрическая проницаемость; контактный потенциал; трибоэлектрический эффект и др.
Применяется для доводки черновых концентратов алмазных и редкометалльных руд: титано-циркониевых; тантало-ниобиевых; оловянно-вольфрамовых; редкоземельных (монацит-ксенотимовых). Менее распространены электрическая сепарация гематитовых руд, разделение кварца и полевого шпата; обогащение калийных (сильвинитовых) руд, извлечение вермикулита и некоторых других неметаллических полезных ископаемых.
Впервые электрическая сепарация предложена в 1870 г. в США для очистки волокон хлопка от семян и была основана на различии в скорости перезарядки. В 1901 г. В США сконструирован барабанный электросепаратор, основанный на различии в электропроводности частиц и применен для обогащения цинковой руды. В 1936 г. советскими учеными Н.Ф. Олофинским, С.П. Жибровским, П.М. Рывкиным и Е.М. Балабановым изобретен коронный сепаратор. В 1952 г. предложена трибоадгезионная электросепарация, в 1961 г. – непрерывнодействующая диэлектрическая сепарация. Серийно электросепараторы начали производиться с 1971 г.
Сущность электрической сепарации заключается во взаимодействии электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом. Под действием электрического поля изменяются траектории движении частиц минералов в зависимости от их электрических свойств.
Важнейшая стадия электрической сепарации – это зарядка частиц (электризация). Она может осуществляться путем создания на частицах избыточных зарядов какого-либо одного знака, либо создания на противоположных концах частицы зарядов разного знака.
Существует несколько способов зарядки частиц. Способ выбирается в зависимости от наиболее контрастных электрических свойств минерала.
На рис. 9.3 представлена схема зарядки частиц с помощью коронного разряда. Последний возникает в результате частичного пробоя воздуха между коронирующим (верхняя игла) и осадительным электродом (нижняя плоскость). Между этими электродами – высокий потенциал в 30 – 40 кВ.
Корона – это большое количество ионов воздуха, которые осаждаются на все частицы (на схеме П и НП).
При касании частиц о нижний электрод частицы ведут себя по разному: проводники (справа) быстро отдают заряд электроду, получают от него заряд другого знака, т.е. «+». Возникает сила отталкивания этих частиц, которая и изменяет траекторию их движения. Непроводники не могут отдать свой заряд и, следовательно, притягиваются к нижнему электроду.
Рассмотренный механизм зарядки частиц наиболее часто применяется в промышленности.
На рис. 9.4 показана схема наиболее распространенного коронно-электростатического барабанного сепаратора.
Здесь добавлен отклоняющий электрод, предназначенный для дополнительного отклонения проводниковой фракции, сброшенной с поверхности барабана.
Для усиления контрастности электрических свойств разделяемых минералов исходный материал иногда подогревается в бункере и питателе.
В зависимости от способа образования на частицах заряда и его передачи в процессе электрического разделения различают:
При электростатической сепарации разделение проводится в электростатическом поле, частицы заряжаются контактным или индукционным способами. Разделение по электропроводности происходит при соприкосновении частиц с электродом (например, заряженной поверхностью барабана; проводниковые частицы при этом получают одноименный заряд и отталкиваются от барабана, а непроводниковые не заряжаются).
Образование разноименных зарядов возможно при распылении, ударе или трении частиц о поверхность аппарата (трибоэлектрическая сепарация). Избирательная поляризация компонентов смеси возможна при контакте нагретых частиц с холодной поверхностью заряженного барабана (пироэлектрическая сепарация).
Коронная сепарация проводится в поле коронного разряда, частицы заряжаются ионизацией. Коронный разряд создается в воздухе между электродом в виде острия или провода и заземленным электродом, например, барабаном; при этом проводниковые частицы отдают свой заряд заземленному (осадительному) электроду.
Диэлектрическая сепарация проводится за счет пондеромоторных сил в электрическом поле; при этом частицы с различной диэлектрической проницаемостью движутся по различным траекториям.
Наряду с электрической сепарацией применятся электрическая классификация, которая основана на различном поведении в электрическом поле частиц, отличающихся по крупности.
Электрическая классификация очень эффективна при обеспыливании материалов, так как пыль практически полностью удерживается электрическим полем (например, классификация слюды, асбеста, строительных песков, солей, различных порошков).
Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых сыпучих материалов крупностью от 0.05 до 3 мм, обогащение которых другими методами малоэффективно либо экономически нецелесообразно. Электрические методы, как правило, используются в сочетании с другими методами (магнитными, гравитационными, флотационными).
Источник
