Винтовые сепараторы представляют особую разновидность аппаратов, работающих по принципу разделения материала в безнапорном наклонном потоке малой глубины. В отличие от всех известных аппаратов этого типа у винтовых сепараторов неподвижный наклонный гладкий желоб выполнен в виде спирали с вертикальной осью. Пульпа загружается в верхнюю часть желоба и под действием силы тяжести стекает вниз в виде тонкого разной глубины по сечению желоба потока. При движении в потоке помимо обычных гравитационных и гидродинамических сил, действующих на зерна, развиваются центробежные силы. Тяжелые минералы концентрируются у внутреннего борта желоба, а легкие - у внешнего. Желоб винтовых сепараторов в поперечном сечении представляет собой 1/4 окружности или вытянутого эллипса.
Разновидностью винтовых сепараторов являются винтовые шлюзы. Двухжелобный винтовой шлюз ШВ-2-1000А. Винтовые шлюзы имеют более широкий желоб с малым наклоном его днища. Они предназначены для обогащения тонкозернистых материалов (менее 0,074 мм) при малых скоростях движения потока в желобе.
Винтовые сепараторы быстро нашли широкое применение для обогащения мелкозернистых песков, содержащих ильменит, циркон, рутил и другие полезные минералы, и для измельченных руд редких и благородных металлов, железных руд, фосфоритов, хромитов и др. В 1967 г. только в США использовались свыше 10 тыс. винтовых сепараторов, из которых 0,2 % обогащались береговые редкометальные россыпи и железные руды, а 10 % вольфрамовые руды. Применение высокопроизводительных и дешевых винтовых сепараторов па многих гравитационных фабриках позволило увеличить производительность фабрик в 1,5 - 2 раза без увеличения площади и снизить себестоимость продукции.
Исследования процесса винтовой сепарации производились в Иргиредмете, начиная с 1947 г. Отечественные винтовые сепараторы успешно работали при обогащении крупнозернистых (16, 12 мм) золото и оловосодержащих песков. В настоящее время винтовые сепараторы работают на многих гравитационных предприятиях страны, обеспечивая технический прогресс гравитационного обогащения.
Оценке процесса обогащения на Винтовых сепараторах и теоретической разработке его закономерностей посвящены работы многих советских и зарубежных исследователей: К. В. Соломина, М. Ф. Аникина, В. Д. Иванова, Л. Г. Подкосова, В. Н. Шохина, Б. В. Кизевальтера, А. В. Яшина, Г. В. Глиссона, Г. Кирхберга и др. В результате их исследований были установлены основные закономерности процесса и качественные зависимости. Однако в трактовке механизма разделения у различных авторов имеются существенные расхождения, многие вопросы теории разделения на винтовых сепараторах остаются дискуссионными и общепризнанной теории процесса обогащения в винтовых потоках пока нет.
Минеральное зерно, движущееся в потоке пульпы по винтовому желобу, испытывает одновременно воздействие сил, различных по величине и направлению. Равнодействующая их определяет траекторию движения зерна и его положение в поперечном сечении потока.
В отличие от поведения зерен в прямых наклонных потоках в винтовом потоке зерна имеют перемещение относительно друг друга не только вдоль желоба, но и в поперечном направлении. В итоге легкие зерна, имеющие большую скорость перемещения по потоку, не только обгоняют зерна придонного слоя потока, но и смещаются под влиянием большей центробежной силы и поперечной циркуляции к внешнему борту потока, образуя, таким образом, веер продуктов на желобе.
Процесс разделения зернистого материала на винтовом желобе согласно представлениям ряда исследователей имеет два этапа (фазы)
Достигнув равновесного состояния, далее зерна движутся по своим винтовым траекториям.
Первый этап является общим для всех процессов разделения в тонком слое пульпы, движущейся по наклонной поверхности. Расслоение зерен проходит в соответствии с принципами, изложенными выше. Большое значение при этом имеют турбулентные пульсации потока, а также явления сегрегации при движении сплоченного придонного слоя. На этом этапе в придонные слои избирательно переходят крупные тяжелые зерна и менее избирательно — тяжелые мелкие зерна. Основными факторами разделения здесь одновременно являются и крупность, и плотность зерен. Придонный слой обогащается тяжелой мелкой фракцией.
Второй этап концентрации многими авторами связывается с явлением поперечной циркуляции потока. Однако поперечное перемещение зерен вызывается также: неодинаковой продольной скоростью легких зерен, занимающих верхние слои, и тяжелых зерен, движущихся в придонных слоях, что приводит к возникновению неодинаковых центробежных сил. Верхние зерна вынуждены под действием этих сил сместиться к внешнему борту; тангенциальной составляющей от веса зерна, которая возникает из-за наклона винтовой поверхности в сторону оси винтового желоба (угол b) для зерен, движущихся в сплоченном состоянии по дну желоба.
Дискуссионность представлений о роли поперечной циркуляции в перераспределении зерен по сечению желоба связана с различными особенностями ее проявления в верхних и нижних слоях пульпы, различающихся сплоченностью зерен. Кроме того, интенсивность поперечной циркуляции в сильной степени зависит от глубины потока. Учитывая это, следует признать, что проявляться она будет лишь в глубоких зонах расслоения и формирования потока.
В результате поперечного перераспределения зерна формируют отдельные слои потока (концентрат, промпродукт, хвосты) и приобретают установившийся характер движения.
Основное перераспределение зерен заканчивается после прохождения примерно двух или трех витков, после чего зерна движутся на постоянных радиусах. Случайно попавшие зерна не "в свою зону" перераспределяются далее. Этому способствует смывная вода, которую подают в зону внутреннего борта желоба.
Кинетика расслаивания зерен на винтовом сепараторе является типичной для многих массовых процессов: скорость расслаивания зерен является экспоненциальной функцией от времени (или от длины пробега пульпы по желобу). Скорость разделения зерен по высоте потока характеризуется образованием донного слоя тяжелых минералов уже на этапе формирования потока на винтовом желобе, т. е. на первых двух витках, где скорости потока и зерен еще не установились. Высокой скорости расслоения в этот начальный период способствует и то, что пульпа имеет еще высокую степень разрыхления.
Оптимальная длина желоба три витка. Снижение показателей с увеличением длины желоба вызывается перемешиванием слоев пульпы, что для процесса вредно.
Оптимальная длина желоба для зерен разной крупности различна. Для выделения крупных зерен достаточно двух витков, в то время как для мелких (0,15; 0,1 мм) необходимы четыре витка. В том случае, когда ценные тяжелые минералы представлены зернами различной крупности, необходимо организовывать разгрузку концентрата не единовременно в конце желоба, а рассредоточение на втором, третьем, четвертом витках (это характерно для сепараторов зарубежных конструкций). Учитывая малую эффективность обогащения зерен, движущихся в установившемся режиме, предложено периодически осуществлять перемешивание винтового потока (после отбора из него концентрата на втором-третьем витке) и повторное, дальнейшее обогащение его на следующих витках сепаратора.
Винтовые аппараты разделяют на сепараторы для обогащения неклассифицированных или ширококлассифицированных материалов крупностью от 0,1 до 3 мм и шлюзы для обогащения тонкозернистых материалов от 0,02 до 0,5 мм. Винтовой сепаратор состоит из винтового желоба, пульпоприемника, устройства для разделения и вывода продуктов обогащения, распределителя смывной воды и несущего каркаса.
Винтовой желоб изготавливается из чугунного или силуминового (сплав алюминия с кремнием) литья. Каждый виток желоба состоит из двух секций полувитков. Перспективными являются пластмассы и полимерные материалы, из которых прессуют желоб. Сепараторы, изготовленные из силумина, в 5 раз легче чугунных. На некоторых предприятиях желоба изготавливают на месте в армоцементном исполнении.
Рабочая поверхность желобов футеруется элементами из резины, каменного литья или полимеров.
Винтовой желоб характеризуется следующими параметрами: диаметром, шагом винта, формой и размерами поперечного сечения, длиной желоба. Значение каждого из них выбирается в зависимости от свойств обогащаемого материала. Геометрическая форма размеры и состояние рабочей поверхности желоба должны строго выдерживаться. Число желобов у сепаратора может быть 1 или 2.
Пульпоприемник устанавливается в начале сепаратора или шлюза и служит для уменьшения скорости потока пульпы, поступающего из пульпопровода, а также для предварительного формирования потока с целью плавного ввода его на винтовой желоб. Наиболее распространен улитковый пульпориемник спиральный желоб с возрастающим радиусом кривизны.
Устройства для разделения продуктов обогащения (отсекатели). Отделение продуктов обогащения из веера на витках винтового желоба производят поворотными ножами, устанавливаемыми у отверстия с отводящим трубопроводом интервалом 0,5-1 виток. На верхних витках отбирают концентрат, а на нижних промпродукты. Хвосты разгружаются в конце желоба.
Также разработано устройство для выделения продуктов обогащения. Его устанавливают в конце желоба (на выходе всего потока) для рассекания встречного потока на отдельные вертикальные слои по всему его поперечному сечению. Такой делитель потока позволяет легко регулировать выход продуктов.
Распределители смывной воды обеспечивают равномерную подачу ее по всему периметру внутреннего борта желоба. Наиболее простыми являются распределители желобчатого типа. У этих конструкций к рабочему желобу примыкает маленький желобок для воды. Он может быть с внутренней или внешней стороны. С помощью трубок, установленных навстречу потоку (из внешнего желобка), или просто через прорези (из внутреннего желобка) в стенке вода поступает к внутреннему борту
В отечественных сепараторах применяют также каскадные распределители это набор полуцилиндрических бачков по всей длине желоба, установленных на центральной стойке. Вода распределяется с помощью поворотных ромбических затворов аналогично распределителю на концентрационном столе. Однако каскадные распределители сложны и могут работать на аппаратах в одножелобном исполнении.
Диаметр винтового желоба является основным конструктивным параметром сепаратора и определяет размеры аппарата, его массу и производительность. Выбор диаметра сепаратора зависит от производительности по твердому, крупности и плотности разделяемых минералов.
Установлено, что материалы, содержащие ценные компоненты крупностью 1-2 мм, эффективнее обогащаются на сепараторах большого диаметра (1000 мм и более). Для обогащения тонкозернистых материалов (общей крупностью менее 0,5 мм) следует применять сепараторы меньших размеров (500 - 750 мм). Рудные материалы средней крупности 1 +0,074 мм достаточно эффективно обогащаются на сепараторах различного диаметра.
Шаг винтового желоба t определяет угол наклона к горизонту винтовой линии желоба a и влияет на гидродинамическую характеристику потока и условия транспортирования материала.
Для характеристики угла наклона обычно пользуются безразмерным шагом отношением шага к диаметру желоба.
Для промышленных сепараторов величина шага принимается 0,4-0,6 м, а для винтовых шлюзов 0,5-0,6 м. У лабораторных аппаратов величина шага может быть до 0,8 м. Меньшее значение шага принимают для сепараторов большего диаметра, а большее значение для малых по размеру сепараторов. При этом учитывается увеличение общей высоты аппаратов.
Влияние величины шага на эффективность обогащения разных по крупности продуктов различно.
Обогащение продуктов крупностью менее 0,2 мм эффективнее при больших значениях шага.
Обогащение продуктов крупность 2 +0,2 мм эффективно проходит при малых значениях шага. Это объясняется достижением оптимальных соотношений между крупностью зерен и глубиной потока.
Профиль поперечного сечения (след, образованный от пересечения винтовой поверхности вертикальной плоскостью, проходящей через ось сепаратора) может представлять собой элемент горизонтального или вертикального эллипса с разным соотношением полуосей, окружность или наклонную прямую линию.
При этом следует различать не только эллиптичность профиля (отношение большой полуоси его к малой полуоси), но также и ширину желоба, которая характеризуется отношением длины горизонтальной оси эллипса к диаметру желоба сепаратора.
Для обогащения продуктов крупностью менее 0,2 мм лучшим оказался пологий профиль желоба в виде кубической параболы.
Существует вполне определенная связь между размером сепаратора и размером зерен, наиболее эффективно извлекаемых в концентрат. С увеличением диаметра сепаратора крупность эффективно извлекаемых на нем зерен увеличивается. Сепараторы малого размера эффективно извлекают мелкие зерна тяжелых минералов.
Плотность минералов. При разделении минералов с плотностью более 3000 кг/м3 от легких минералов плотностью менее 3000 кг/м3 эффективность обогащения резко увеличивается с повышением плотности тяжелого минерала.
Тонкие зерна эффективнее улавливаются на винтовых шлюзах, где создаются меньшие турбулентности потоков. На винтовых шлюзах нижний предел крупности извлекаемых зерен может быть снижен до 0,03 (0,02) мм.
Характерно, что различные классы крупности извлекаются на винтовых сепараторах с различной эффективностью.
Форма зерен. С увеличением коэффициента сферичности тяжелых зерен они оказываются все более смещенными из зоны концентрата в зону хвостов.
Для концентрации на винтовых сепараторах благоприятным будет наибольшее различие в коэффициентах сферичности (rсф) разделяемых минералов, причем легкие зерна должны быть округленными, т. е. иметь rсф, близкий к 1, а зерна тяжелых минералов вытянутыми или уплощенными, т. е. иметь rсф<<1.
Содержание тяжелых минералов в обогащаемом материале на винтовых сепараторах может быть от долей до десятков процентов. Экспериментально установлено, что бедные (до 10 % тяжелой фракции) продукты эффективнее обогащаются на сепараторах с малым шагом (порядка 0,5-0,7 м). Богатые (более 10 %) продукты эффективнее обогащать на сепараторах с большим шагом (от 0,7 до 1м).
Подготовка материала перед обогащением на винтовых сепараторах состоит в его классификации и обесшламливании. Предварительная классификация может происходить как на ситах (грохочение), так и в гидравлических классификаторах. В последнем случае результаты обогащения лучше. При этом возрастает и производительность сепаратора (до 20 %).
Винтовые сепараторы могут работать и на неклассифицированных продуктах, но если они содержат до 30-40 % класса 0,074 мм, то их предварительно необходимо обесшламливать.
Разжижение (плотность) пульпы. При обогащении руд и песков, различающихся вещественным составом, в среднем оптимальная плотность исходной пульпы составляет от 10 до 35 % твердого, для песков россыпных месторождений 15-25 % твердого, а для измельченных железных руд с высоким содержанием тяжелой фракции 25-35 % твердого.
Высокое содержание твердого в пульпе нарушает процесс расслоения, материал движется сплошной массой. При чрезмерном разжижении (менее 10 % твердого) и при сохранении производительности по твердому винтовой желоб переполняется, т. е. возникает необходимость снижения общей производительности. В тех же случаях, когда нагрузка по твердому на сепараторе мала (а расход воды велик), то и тяжелые, и легкие зерна движутся у внутреннего борта, не обеспечивая хорошего веера.
Смывная вода, подаваемая на каждый виток сепаратора, способствует получению более качественных концентратов, уменьшает заиливание поверхности желоба в зоне концентрата, а также способствует транспортировке тяжелых минералов, увеличивая разжижение в приосевой зоне желоба. Обычно расход смывной воды находится в пределах 0,3-0,6 л/с для одного желоба сепаратора диаметром 600 мм.
Избыток смывной воды приводит к сносу тяжелых минералов в область промежуточного продукта, а недостаток к получению бедных концентратов.
Производительность винтовых сепараторов определяется размерами желоба и характеристикой обогащаемого материала. По этой причине один и тот же аппарат имеет примерно в 2—3 раза большую производительность при обогащении россыпного материала, чем при обогащении измельченных руд.
Винтовые аппараты имеют высокую удельную производительность. Так, сепаратор СВ-2-1000 имеет удельную производительность 0,9-2,5 т/ч на 1 м2 занимаемой площади, винтовой шлюз ШВ-2-1000 0,2-2 т/ч на 1 м2 занимаемой площади.
Установка винтовых сепараторов в начале процесса обогащения обеспечивает выделение сразу значительного количества отвальных хвостов, а это позволяет существенно увеличить производительность остального оборудования и снизить расходы на обогащение.
Простота в обслуживании, отсутствие механического привода и потребления энергии, малая площадь и высокая надежность в работе отличают винтовые сепараторы.
Применение винтовых сепараторов качественно изменило гравитационные фабрики. Значительно упростились технологические схемы и управление процессами. Обслуживание сепараторов состоит в соблюдении заданного режима загрузки и внешнем осмотре состояния желобов сепараторов. Нормы обслуживания на крупных фабриках доходят до 200-300 сепараторов на одного оператора.
С появлением винтовых сепараторов стало возможным строительство автоматизированных фабрик с низкой себестоимостью обогащения редкометальных песков.
Первоначально установленные винтовые сепараторы М-3 в настоящее время заменены современными, более эффективными сепараторами СВ-2-1000 с силуминовыми желобами. Эти сепараторы позволяют иметь большую степень концентрации (в сравнении с М-3) и лучшее извлечение тяжелой фракции. Внедрение новых сепараторов на одной из драг позволило сократить на две операции технологическую схему, уменьшить фронт доводочных операций, сократить численность обслуживающего персонала на 40 % и повысить производительность драги на 4 %.