СЕПАРАТОР Российский патент 2008 года по МПК B03C1/02 

Изобретение относится к области техники и технологии для извлечения частиц из дисперсных систем (взвесей, коллоидных растворов, суспензий) и может быть использовано при добыче полезных ископаемых для извлечения свободных металлов (золота, платины и др.), окислов большинства металлов, для разделения проводящих частиц и очистки воды.

После переработки горных пород в отвалах и хвостах остается значительное количество драгоценных металлов, в основном в мелких фракциях. Существующие устройства для обогащения золотосодержащих руд недостаточно эффективны для максимального извлечения золота из отвалов и россыпных месторождений, содержащих мало золота.

Известно техническое решение, предназначенное для обезметалливания золотосодержащих растворов, содержащее цементатор в виде корпуса с патрубками ввода и вывода раствора и чередующимися слоями металла-цементатора, которое для повышения качества золотого осадка дополнительно содержит слои инертного материала, перфорированные пластины, фиксированно установленные в верхней и нижней частях корпуса. Слои металла-цементатора и инертного материала чередуются и сжаты в пакет перфорированными пластинами, а инертный слой выполнен из углеродного материала, например графитизированного ватина (см. пат. РФ №2027787, кл. С22В 11/12, 1995).

Это техническое решение способствует обезметалливанию растворов, но не решает проблемы извлечения мельчайших частиц золота.

Известно техническое решение, предназначенное для извлечения веществ и частиц из суспензий и растворов, включающее корпус с входным и сливным отверстиями, установленные в корпусе два концентрично расположенных цилиндрических барабана, один из которых закреплен неподвижно, а другой наружный установлен с возможностью вращения, изолированные электроды, соединенные с источником напряжения, отличающееся тем, что снабжено дополнительным цилиндрическим барабаном, установленным неподвижно внутри барабанов, концентрично им, при этом внутренний барабан выполнен металлическим, средний и наружный барабаны выполнены из диэлектрика, корпус выполнен с каналом для выхода извлеченного материала, над которым установлен скребок, а электроды выполнены стержневыми и расположены в стенках среднего барабана по его образующим на части его поверхности, расположенной от оси входного отверстия корпуса до кромки канала для выхода извлеченного материала, причем источник напряжения расположен внутри металлического барабана (см. пат. РФ №2098193, кл. В03С 7/06, 1997).

Особенность устройства - электростатическое поле в рабочей зоне установки у поверхности наружного барабана создается за счет краевых эффектов стержневых электродов. При этом имеется градиент поля с увеличением интенсивности к поверхности барабана. Поэтому металлические частицы притягиваются к поверхности наружного барабана за счет сил Кулона, действующих в одном направлении на индуцированные заряды в частицах.

Недостаток этого решения - зависимость эффективности его работы от плотности пульпы, кроме того, оно не обеспечивает возможности разделения частиц металла по типам, поскольку рабочий орган выносит их из пульпы на своей поверхности, которую затем зачищают от налипших частиц. Кроме того, пропускная способность устройства существенно зависит от площади зазоров, через которые проходит пульпа.

Известен сепаратор, включающий цилиндрический корпус с плоским днищем, расположенную по оси корпуса пульпоприемную камеру, приспособления для вывода тяжелой и легкой фракций, отличающийся тем, что цилиндрический корпус с плоским днищем разеделен цилиндрическими перегородками на несколько камер, в днищах которых расположены водные форсунки, подающие воду под давлением параллельно днищу, причем направление движения водных потоков в сопряженных камерах противоположно, удаление хвостов обогащения производится через верхнюю кромку последней круговой камеры в кожух хвостосборника с наклонным днищем, приспособление для отбора тяжелых фракций выполнено в виде расположенных на днищах камер щелей (см. пат. РФ №2045351, кл. В03В 5/32, 1995 г.).

Устройство представляет из себя комбинацию признаков центробежного концентратора непрерывного действия (неподвижный цилиндр с плоским днищем и спиральной нарезкой) и центробежного концентратора циклонного типа (тангенциальная подача водного потока под давлением).

Однако эти устройства недостаточно полно улавливают частицы крупностью менее 0,041 мм, что приводит к безвозвратным потерям ценных компонентов, малопроизводительны. Гравитационные концентраты, получаемые на перечисленных устройствах, не отличаются высоким содержанием ценных компонентов. Более эффективными аппаратами для обогащения гравитационными методами являются шлюзы Бартлез-Мозли и доводочные столы Холмана (Справочник по обогащению руд. Основные процессы, - М., Недра, 1983, с.5-131). Но эти аппараты имеют весьма низкую производительность, занимают большие площади, сложны в эксплуатации.

Известен также сепаратор содержащий загрузочный узел, средство приведения в движение потока пульпы, корпус, содержащий каналы для раздельного вывода потоков разделяемых компонентов, средство пространственного разделения потока пульпы на потоки разделяемых компонентов, выполненное в виде магнитной системы (см. пат. РФ №2149703, кл. В03С 1/24, В03С 1/26, C02F 1/48, 2000 г.). Магнитная система выполнена с возможностью создания пульсирующего магнитного поля.

Недостаток устройства - невозможность его использования для извлечения немагнитных фракций, кроме того, оно не обеспечивает возможность извлечения тонких и мелких фракций.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможности извлечения мелких и тонких немагнитных фракций цветных, редких и драгоценных металлов из смеси дисперсных немагнитных материалов.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности почти полного выделения (улавливания более 90% частиц свободного золота размерностью 0,1 мм и практически полного улавливания фракций до 0,5 мм) тонкодисперсных цветных редких и драгоценных металлов и тем самым возможности создания эффективного обогатительного оборудования для первичного обогащения россыпных месторождений различной природы (естественных и техногенных) безреагентным способом (т.е. экологически безопасным по выбросам реагентов в окружающую среду).

Поставленная задача решается тем, что сепаратор, содержащий загрузочный узел, средство приведения в движение потока пульпы, корпус, содержащий каналы для раздельного вывода потоков разделяемых компонентов, средство пространственного разделения потока пульпы на потоки разделяемых компонентов, выполненное в виде магнитной системы, которая содержит генератор импульсов тока и соленоид, отличается тем, что генератор импульсов тока выполнен с возможностью генерирования мощных импульсов тока, со скоростью нарастания тока в импульсе dI(t)/dt не менее 10⁸ А/с при асимметричной во времени форме импульсов тока, с длительностью их переднего фронта меньшей заднего, при этом соленоид выполнен с возможностью генерирования мощного импульсного магнитного поля, с градиентом (grad H) не менее 10⁸ А/м², причем значение напряженности магнитного поля в канале для вывода потока, содержащего полезный компонент, равно 0. Кроме того, соленоид размещен в герметичном отсеке в полости корпуса сепаратора. Кроме того, соленоид размещен вне полости корпуса сепаратора на его внешней стенке.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач:

Признаки "... генератор импульсов тока выполнен с возможностью генерирования мощных импульсов тока, со скоростью нарастания тока в импульсе dI(t)/dt не менее 10⁸ А/с при асимметричной во времени форме импульсов тока, с длительностью их переднего фронта меньшей заднего" обеспечивают формирование мощного импульсного магнитного поля с параметрами, обеспечивающими эффективное извлечение тонких и мелких частиц проводящих материалов, причем форма генерируемых импульсов тока исключает обратное "гашение" импульсов движения металлических частиц при снижении напряженности магнитного поля (когда начинается спад внешнего магнитного поля, частицу начинает тащить обратно, но тащит обратно ее уже с меньшей силой, т.к. задний фронт импульса пологий (медленнее меняется во времени), и потому металлическая частица после окончания импульса останется в точке пространства, отличной от той, из которой она стартовала.

Признаки "... соленоид выполнен с возможностью генерирования мощного импульсного магнитного поля, с градиентом (grad H) не менее 10⁸ А/м²" обеспечивают формирование мощного высокоградиентного импульсного магнитного поля, при взаимодействии которого с частичками проводящих материалов в последних будут индуцироваться вихревые токи (в металлических частицах благодаря их высокой проводимости вихревые токи будут значительно сильнее, чем в частицах вмещающих пород, которые, чаще всего, являются хорошими изоляторами), взаимодействие которых с индуцирующим их магнитным полем сможет привести к выталкиванию таких частиц в пространство, где магнитное поле слабее (в канал для вывода потока, содержащего полезный компонент), т.е. обеспечить пространственное разделение смеси на потоки, содержащие соответственно только проводящие и только непроводящие частицы.

Признаки "... значение напряженности магнитного поля в канале для вывода потока, содержащего полезный компонент, равно 0" обеспечивают локализацию проводящих частиц в сечении канала, предназначенного для вывода потока, содержащего полезный компонент.

Признаки второго-третьего пунктов формулы изобретения конкретизируют варианты размещения соленоида, которые могут найти применения при различных схемах организации движения потока пульпы и ее объемов, локализующих полезный компонент и хвосты, так признаки второго пункта формулы изобретения используются, когда предусмотрена локализация полезных компонентов в слое движущемся вдоль стенок корпуса, тогда как признаки третьего пункта формулы изобретения используются, когда в этом слое предусмотрена локализация хвостов.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны: на фиг.1 схема сепаратора с размещением соленоида в полости корпуса сепаратора; на фиг.2 схема сепаратора с размещением соленоида на внешней стенке корпуса сепаратора; на фиг.3 показана форма и амплитуда импульсов тока, вырабатываемых генератором импульсных токов.

На чертежах показаны загрузочный узел 1, средство приведения в движение потока пульпы 2, корпус 3, каналы 4 и 5 соответственно для вывода полезного компонента (концентрата) и хвостов, генератор импульсов тока 6 и соленоид 7, герметичный отсек 8 в полости корпуса 3 сепаратора, внешняя стенка 9 сепаратора.

Конструктивно названные элементы обогатительного устройства не отличаются от известных устройств, используемых по сходному назначению.

Загрузочный узел 1 выполнен в виде питающего патрубка, связанного с системой подготовки пульпы (на чертежах не показана), обеспечивающей дезинтеграцию твердого материала (при необходимости такой операции) и его перемешивание с водой.

В качестве средства приведения в движение потока пульпы 2 используют насос известной конструкции, предпочтительно песковой, и формирование во внутреннем пространстве корпуса 3 спирального желоба 10 (по которому будет перемещаться пульпа к рабочей зоне 11 соленоида), выполненного с наклоном, обеспечивающим самотечное движение пульпы без седиментации твердой составляющей.

Соленоид 7 выполнен в виде горизонтального ряда одинаковых соосных кольцевых катушек прямоугольного сечения, в каждой соседней паре которых протекают импульсные токи встречного направления. Ось катушек перпендикулярна направлению движения потока пульпы по желобу 10. В зависимости от принятой схемы организации движения потока пульпы по желобу 10 (отличающейся составом слоя, движущегося вдоль борта желоба, удаленного от оси корпуса 3, в этом слое концентрируют либо полезный компонент, либо хвосты). В первом случае соленоид 7 размещают со стороны борта желоба ближнего к оси корпуса, в герметичном отсеке 8, при этом канал 4 для вывода полезного компонента (концентрата) располагают возле борта желоба, удаленного от оси корпуса 3, что обеспечивает "попадание слоя" концентрата в канал 4, причем канал 5 для вывода хвостов располагают возле борта желоба, ближнего к оси корпуса.

Во втором, наиболее предпочтительном случае для циклонного типа сепараторов соленоид 7 размещают со стороны борта желоба, дальнего от оси корпуса, при этом канал 4 для вывода концентрата располагают возле борта желоба, ближнего к оси корпуса 3, что обеспечивает "попадание слоя" концентрата в канал 4, а канал 5 для вывода хвостов располагают возле борта желоба, дальнего от оси корпуса.

Обязательное требование к соленоиду - сохранение работоспособности в диапазоне токов, поступающих от генератора 6 импульсных токов, с возможностью формирования высокоградиентного мощного импульсного магнитного поля с параметрами: с напряженностью (H(t)) не менее 10⁶ А/м, при скорости изменения (dH(t)/dt) не менее 10⁷ А/м·с и градиенте (grad Н) не менее 10⁸ А/м². Соленоид размещают на выходном участке желоба 10.

В качестве генератора 6 импульсных токов можно использовать генератор импульсных токов с емкостным накопителем энергии и тиристором в качестве прерывателя тока. Скорость нарастания тока в импульсе dI(t)/dt) не менее 10⁸ А/с (что позволяет получать в соленоиде dH(t)/dt) порядка 10⁶-10⁷ А/м·с). Форма, амплитуда и длительность импульса тока генератора показаны на фиг.3.

Сепаратор работает следующим образом.

Исходный материал (пульпа - взвесь в воде смеси немагнитных дисперсных материалов, содержащей проводящие и непроводящие частицы, например россыпной материал, содержащий частицы редких и благородных металлов и пустую породу) по питающему патрубку вводится в желоб 10 корпуса 3 и далее самотеком перемещается в рабочую зону 11 соленоида 7. Здесь в результате взаимодействия с мощным высокоградиентным импульсным магнитным полем сепарируемым частицам в зависимости от их физических свойств сообщаются различные траектории движения и осуществляется их пространственное разделение. Например, золото- и платиносодержащие россыпные месторождения представляют собой естественные дисперсные смеси минералов, в которых частицы свободного металла отличаются от вмещающих пород своей высокой электропроводностью. При воздействии на такую смесь импульсным магнитным полем в частичках минералов будут индуцироваться вихревые токи (в металлических частицах благодаря их высокой проводимости вихревые токи будут значительно сильнее, чем в частицах вмещающих пород, которые чаще всего являются хорошими изоляторами). Импульсы магнитного поля имеют асимметричную форму - крутой подъем (передний фронт) и пологий спуск (задний фронт), соответствующую форме импульсов тока, генерируемых генератором 6 импульсных токов. Во время нарастания импульса внешнего магнитного поля в частицах индуцируется сильный вихревой ток (причем величина этого тока тем больше, чем быстрее нарастает, меняется во времени внешнее магнитное поле). Вихревые токи в металлических частицах взаимодействуют с индуцирующим их магнитным полем, и частица выталкивается в пространство, где магнитное поле слабее - в слой, попадающий в канал 4 (что обеспечивается неоднородностью поля - его высокоградиентностью).

Когда начинается спад внешнего магнитного поля, частицу начинает тащить обратно. Но тащит обратно ее уже с меньшей силой, т.к. задний фронт импульса пологий (медленнее меняется во времени), и частица после окончания импульса продолжает двигаться на участке пространства, лежащем вдоль борта желоба ближнего к оси корпуса, а вдоль противоположного борта желоба движутся непропроводящие частицы - хвосты. Кроме того, ко времени начала спада магнитного поля частицы металла находятся уже на значительном расстоянии от соленоида и уже не могут возвратиться в общий поток.

После достаточно большого числа импульсов достигается пространственное разделение потоков проводящих и непроводящих частиц, что обеспечивает их размещение в сечениях различных приемных каналов (частицы вмещающих пород с магнитным полем практически не взаимодействуют и под действием центробежной силы прижимаются к противоположному борту желоба и, соответственно каналу 5).

При необходимости "оптимизации" процесса сепарации под конкретный материал оперируют данными об удельной проводимости материала частицы и ее крупностью, при этом используют математическое выражение, указанное в формуле полезной модели, что позволяет определить требуемую величину силы взаимодействия (F˜σ×r⁴×H(t)×dH(t)/dt, где σ - удельная проводимость частицы; r - линейный размер частицы; H(t) напряженность магнитного поля; dH(t)/dt скорость изменения магнитного поля) и рассчитать необходимые конструктивные параметры магнитной системы.

Для проверки работоспособности предложения проводились эксперименты с искусственными смесями минералов, составленными из кварцевого песка крупностью от 0,5 до 0,1 мм и опилок меди, алюминия и латуни, крупностью от 3,0 до 0,1 мм. Смеси не были классифицированы, чтобы сразу было видно, частицы каких размеров извлекаются. В результате экспериментов выяснилось, что в извлеченном материале присутствуют частицы всех металлов и всех классов крупности, в том числе класса 0,1 мм. Основную массу извлеченного металла составляют частицы классов 0,5-0,2 мм, причем частицы алюминия выталкиваются магнитным полем дальше, чем латунь и медь. Это объясняется тем, что алюминий имеет проводимость лишь ненамного меньшую, чем медь, а плотность - в три раза меньшую. Легкие частицы выталкиваются дальше.

Лабораторный образец аппарата, работающего на этом принципе, был испытан. Испытания показали работоспособность способа и возможность его реализации в рамках существующих в настоящее время технических средств.

Устройство позволяет надежно извлекать из россыпи частицы золота размером 0,1 мм или других более легко извлекаемых материалов. Наиболее эффективной областью его использования является переработка отвалов (известно, что при разработке россыпей традиционными способами хорошо извлекаются достаточно крупные фракции (более 0,5 мм), а то, что мельче, при промывке уходит в отвалы (по разным оценкам с мелочью уходит ˜40-60% золота).

Изобретение может быть использовано при добыче полезных ископаемых для извлечения свободных металлов (золота, платины и др.), окислов большинства металлов, для разделения проводящих частиц и очистки воды. Позволяет обеспечить возможность извлечения мелких и тонких немагнитных фракций цветных, редких и драгоценных металлов из смеси дисперсных немагнитных материалов. Сепаратор содержит загрузочный узел, средство приведения в движение потока пульпы, корпус, содержащий каналы для раздельного вывода потоков разделяемых компонентов, средство пространственного разделения потока пульпы на потоки разделяемых компонентов, выполненное в виде магнитной системы, которая содержит генератор импульсов тока и соленоид. Генератор импульсов тока выполнен с возможностью генерирования мощных импульсов тока, со скоростью нарастания тока в импульсе dI(t)/dt не менее 10⁸ А/с при асимметричной во времени форме импульсов тока, с длительностью их переднего фронта меньшей заднего. Соленоид выполнен с возможностью генерирования мощного импульсного магнитного поля, с градиентом (grad Н) не менее 10⁸ А/м². Значение напряженности магнитного поля в канале для вывода потока, содержащего полезный компонент, равно 0. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сепаратор, содержащий загрузочный узел, средство приведения в движение потока пульпы, корпус, содержащий каналы для раздельного вывода потоков разделяемых компонентов, средство пространственного разделения потока пульпы на потоки разделяемых компонентов, выполненное в виде магнитной системы, которая содержит генератор импульсов тока и соленоид, отличающийся тем, что генератор импульсов тока выполнен с возможностью генерирования мощных импульсов тока, со скоростью нарастания тока в импульсе dI(t)/dt не менее 10⁸ А/с при ассиметричной во времени форме импульсов тока, с длительностью их переднего фронта меньшей заднего, при этом соленоид выполнен с возможностью генерирования мощного импульсного магнитного поля, с градиентом (grad H) не менее 10⁸ А/м², причем значение напряженности магнитного поля в канале для вывода потока, содержащего полезный компонент, равно 0.2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что соленоид размещен в герметичном отсеке в полости корпуса сепаратора.3. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что соленоид размещен вне полости корпуса сепаратора, на его внешней стенке.