Центробежные концентраторы

Одной из старейших обогатительных технологий является центробежный концентратор. Принцип действия концентратора базируется на принудительном разделении обрабатываемой породы на две фракции — тяжёлую и лёгкую.

Разделение породы на фракции происходит в результате взаимодействия потока промывочной воды, центробежных сил и поля тяжести, действующих на частицу в горизонтально или наклонно вращающемся роторе.

Интенсивность процесса разделения породы по плотности возрастает благодаря возникающим колебаниям минерального слоя. Этому способствует положение ротора — наклонное или горизонтальное.

С развитием горного дела и металлургии шёл и процесс совершенствования техники для обогащения. Так, уже в начале XIV века встречались машины, применявшиеся для извлечения полезных компонентов при помощи гравитационного метода.

Пиком совершенствования метода гравитационного обогащения можно с читать конец XIX — начало XX веков, когда эта методика являлась единственной и применялась при обработке любых полезных ископаемых. Начало разработке теории гравитационных методов обогащения положил П. Риттингер в первой половине XIX века.

Он предложил уравнения движения падающего в воде тела для объяснения явлений отсадки — разделения минеральных зёрен по удельному весу в восходящей струе воды.

В последние десятилетия эта методика обрела новое значение в связи с значительным обеднением перерабатываемой породы и, как следствие, возросшими объёмами для переработки.

Рационализаторы предлагают новые идеи как для самостоятельного применения, так и в сочетании с другими процессами (флотацией, гидрометаллургией и др.).

Но дальнейшее развитие и совершенствование этой технологии и оборудования связано с необходимостью более полного извлечения ценных компонентов из мелких и тонких классов, содержание которых составляет 40-60%, а иногда 80-90%.

Центробежные концентраторы типологизируются по способу разрыхления материала:

— центрифуги, работающие без разрыхления минеральной постели;
— механическое разрыхление постели;
— гидродинамическое разрыхление постели;
— вибрационное разрыхление постели.

У концентраторов с механическим разрыхлением постели наблюдается процесс сегрегации частиц, т. е. просеивание тонких частиц через промежутки между более крупными зернами. В этих аппаратах содержание тонких и мелких частиц в концентратах несколько выше, чем в исходной смеси.

Если аппараты используют для разрыхления постели потоки воды, которые запускают процесс улавливания частиц с высокой плотностью. Здесь же идёт процесс классификации с вымыванием из осевшего концентрата тонких и мелких частиц.

Наиболее эффективным способом разрыхления постели является флюидизация. Это процесс создания псевдоожиженной постели, подаваемой под давлением водой с внешней стороны вращающегося конуса в зонах концентрации тяжёлых фракций. Этот способ обеспечивает два процесса сепарации частиц — классифицирующий и сегрегационный. На их возникновение оказывает влияние величина центробежного ускорения и интенсивность возмущающего воздействия.

Оба способа происходят в два этапа: первый — в потоке пульпы вдоль стенки вращающегося ротора, второй этап — в постели, в зонах накопления гравиоконцентрата. Но основная проблема данного процесса заключается в селективном улавливании и удержании в минеральной постели крупных и мелких тяжёлых частиц, которые при входе в зону ожижения уже находятся внизу минеральной постели. При правильном распределении скоростей нижний пристенный слой движется медленнее, чем верхний.

Такой процесс позволяет частицам проскользнуть к поверхности чаши, тогда как лёгкие частицы пустой породы, находящиеся в верхнем слое, выбрасываются из концентратора и уходят в хвосты. Таким образом, при правильно выстроенном технологическом процессе, можно добиться полного сегрегационного разделения и извлечения полезных ископаемых.

Правда, накопленный опыт эксплуатации концентраторов показал необходимость предварительной классификации обогащаемого материала по крупности.

Старатели

Сейчас концентраторы имеют узкую специализацию по извлечению: золота, платиноидов, серебра, олова, а также для предконцентрации руд цветных металлов перед флотационными методами обогащения. Самыми распространёнными технологиями обогащения рудного золота стали флотационный, гравитационный и гидрометаллургические методы.

Большая часть добываемого золота извлекается из минерального и техногенного сырья при помощи цианирования и флотации. Но крупное золото выгоднее обогащать гравитационными методами. При их помощи извлекают практически всё мелкое и тонкое золото.

Но сама технология имеет ряд недостатков. Например, необходимы частые остановки для съёма концентрата, т. к. происходит быстрая запрессовка заполняющей канавки между кольцевыми рифлями на внутренней поверхности улавливающего органа конической или сферической формы минеральной породой.

Даже при промышленном обогащении руд и песков возникает необходимость частых остановок концентратора для съёма запрессованного концентрата и промывки канавок. Кроме того, к минусам относят слабую концентрацию золота и низкую извлекаемость зёрен мелких классов.

Это обусловлено высокой турбулентностью несущих потоков в концентраторе. Она приводит к тому, что мелкие зёрна начинают двигаться в потоке во взвешенном состоянии, не осаждаясь на улавливающих устройствах. Вносит свою лепту и сложность оборудования, а также необходимость покупки сопутствующего, и постоянное инженерное сопровождение его работы.

Чтобы решить эти проблемы ученые и рационализаторы предлагают свои идеи.

Для предотвращения запрессовки в аппаратах с периодической разгрузкой концентрата активно стали применять устройства направленного струйного пуска напорной воды, которая через мелкие отверстия в корпусе концентратора подаётся навстречу центробежному полю в основания канавок.

Поток встречной воды разбивает глинистые частицы и «взвешивает» их, выносит и разрыхляет более крупные зёрна лёгких минералов. Это позволяет проникать внутрь постели зёрнам тяжёлых минералов.

Основная причина низкого гравитационного извлечения зёрен мелких классов лежит в высокой турбулентности несущих потоков в аппаратах.

Предлагается наращивать интенсивность силового поля скоростью осаждения всех зёрен в потоке, тем самым резко повышая производительность аппаратов по извлечению ценного сырья. Параллельно с этим необходимо разведение смывного потока с центробежным полем обогащения рудных материалов.

Создать центробежное поле в концентраторах и сепараторах можно двумя путями:
— подачей потока воды под давлением в закрытый (или открытый) неподвижный цилиндрический сосуд, создав, таким образом, гидроциклон;
— закручиванием свободно подаваемого потока воды при помощи стенки вращающегося сосуда.

При большой интенсивности центробежного поля и малых осевых скоростях потока процесс переходит в режим осаждения, и обогащение материала по плотности при этом прекращается. При высокой осевой скорости потока обогащение также нарушается из-за высокой транспортной способности потока (все зёрна взвешиваются).

Другой эффективный способ гравитационного обогащения — центробежная сепарация. Своё распространение эта технология получила из-за относительно низких капитальных и эксплуатационных затрат, простой технологичности процесса и заметной экологичности.

Золотодобытчики широко применяют центробежные безнапорные концентраторы с разрыхлением постели водой, которую подают со внешней стороны конуса.

Современные рационализаторы предлагают оптимизировать эту технологию и оборудование, например, создав агрегат обогащения в центробежных безнапорных концентраторах или центробежный сепаратор с отсадкой.

Вторая жизнь отвалов

Другой перспективной сферой применения центробежных концентраторов может стать вовлечение в повторный хозяйственный оборот отходов химической, угольной, горнорудной, металлургической, нефтегазовой отраслей промышленности, которые образуют в результате их производственной деятельности природно-техногенные месторождения, иначе говоря, отвалы отходов производства.

В начале 2000-х годов на территории России в отвалах, шламохранилищах и хвостохранилищах только горно-металлургических комплексов скопилось более 80 миллиардов тонн твёрдых отходов.

В последние десятилетия существования СССР промышленность ежегодно складировала в отвалах более 2 млрд м3 вскрышных пород, 100 млн тонн шлаковых зол, 140 млн тонн пыли. Сейчас, по оценкам экспертов, на отвалы ежегодно поступает около 15 млн тонн шлаков, из которых повторно используются не более 25–30%, остальное оседает в отвалах.

Растущая потребность в ресурсах и возрастающая экологическая нагрузка, вызванная существующими отвалами, подталкивает государство и бизнес к их переработке и извлечению полезного сырья.

Для этих целей налажен выпуск мобильных технологических комплексов, которые включают в себя три звена: роторная гидравлическая мельница, полочный многопродуктовый гидроклассификатор и центробежный концентратор.

Мельница может измельчать зернистый материал до размера 0,1 микрометра. Чем тоньше требуется измельчить исходный материал, тем эффективнее работает гидродинамическая мельница.

Многопродуктовый полочный гидроклассификатор используется для разделения различных зернистых материалов при любой их крупности и плотности. Это распространяется и на мелкодисперсные частицы. Также этот аппарат обеспечивает производительное и качественное обогащение породы и разделение этих материалов по фракциям.

Центробежный концентратор на своём этапе уже выделяет тяжёлые металлы, золото и платиноиды из техногенных отходов и хвостов. Эта методика и оборудование доводит процент извлечения тяжёлых металлов из хвостов до 95–99%.

После извлечения тяжёлых металлов полученный шлак можно использовать в качестве строительных материалов, например, для работ по наполнению закладочным материалом подземных горных выработок.

А сами земли, высвободившиеся из-под отвалов и хвостохранилищ, после должной и правильной рекультивации, могут быть возвращены в сельскохозяйственный оборот и использоваться для земледелия или строительства.

Новые горизонты

Но одной из самых интересных сфер применения центробежных концентраторов стала медицина. В некоторых лабораториях используют настольные центробежные концентраторы со встроенным мембранным насосом.

Этот аппарат позволяет в один шаг произвести концентрацию и очистку ДНК от паразитов на стадии подготовки анализов по методу полимеразной цепной реакции (ПЦР). Что позволяет ускорить получение результата.

Этот метод базируется на принципах молекулярной биологии и с его помощью можно выявить самые разные инфекции. Также метод ПЦР используется в криминалистике, например, когда требуется определить, кому принадлежит биоматериал, найденный на месте преступления. Еще ПЦР является одним из методов установления отцовства.

Существующие центробежные концентраторы зарекомендовали себя как надёжные и производительные аппараты. Но при усложнении технологических процессов и оборудования концентраторы продолжают свою работу и являются составной частью любого типа системы рудоперерабатывающего процесса, где есть необходимость в извлечении мелких и самородных частиц полезных тяжёлых минералов.

Накопленный опыт эксплуатации концентраторов показал необходимость предварительной классификации обогащаемого материала по крупности.

Эксперт

«Центробежные концентраторы как сложившийся и пригодный к реальному, профессиональному применению класс обогатительного гравитационного оборудования сложился на самом деле не так давно, а широкое распространение началось менее 30 лет назад.

И развитие этой технологии напрямую связано с именем Байрона Нелсона — изобретателя и создателя компании Knelson. Поэтому в такой довольно консервативной индустрии, как обогащение полезных ископаемых, центробежные концентраторы, можно сказать, «новички».

Говоря о возможности модернизации, хочется сказать, что этот процесс никогда и не останавливался. Если мы сравним те же концентраторы Knelson 30-летней давности и самые последние образцы, то мы увидим, что из общего у них остался лишь фундаментальный принцип центробежной сепарации.

В первую очередь новые концентраторы сейчас тотально (кроме лабораторных моделей) снабжены системой центральной разгрузки, что дало возможность существенно снизить время остановки на промывку, оснастить концентраторы автоматизированной системой управления, что, в свою очередь, снизило негативные последствия человеческого фактора, и, поверьте, эти улучшения существенно повысили извлечение и общую эффективность при применении на современных предприятиях.

Изменились материалы, применяемые для изготовления контактных частей концентраторов и, в частности, «сердца» концентратора — концентрационного конуса. Если ранее применение нержавеющей стали для изготовления конуса накладывало определённые ограничения на применение, в том числе снижало его ресурс и удобство обслуживания, то применение полиуретана в современных конусах многократно улучшило его эксплуатационные и технологические характеристики.

Применение полиуретана уже позволило на сегодняшний момент получить конусы 7-ого поколения (G7), а всего в применении 4 основных типа конусов 4-ого, 5-ого, 6-ого и 7-ого поколений, каждый из которых ориентирован на свою области применения, что позволяет применять концентраторы более гибко, в том числе при изменении руды или места концентратора в схеме.

И я ещё не останавливаю вашего внимания в модернизации механической и электрической части, которая позволила заметно повысить его эксплуатационные характеристики. Отдельного внимания заслуживает технология CVD (центробежные концентраторы с непрерывной варьируемой разгрузки) и её аналоги у конкурентов, которая появилась в начале 21 века.

Хотя потенциал применения всё ещё остаётся не до конца раскрытым, технические характеристики данной технологии позволяют вывести центробежную технологию за пределы «золотого круга» обогащения благородных металлов и стать более экологичной и менее затратной альтернативой флотации в процессах обогащения базовых цветных и редкоземельных металлов, а также на некоторых этапах обогащения и металлургии чёрных металлов и даже в обогащении углей.

В целом, наблюдая за развитием технологии у различных производителей и научно-производственных объединений, можно наблюдать множество инноваций и оригинальных подходов в развитии центробежной технологии.

В нашей стране широко распространены изыскания в области нефлюидизируемых конусов, разрыхление постели в которых происходит в процессе сложных движений ротора (центробежно-вибрационные, концентраторы с двумя осями вращения) или изменения геометрии чаши (концентратор с плавающей постелью), а также путём механического воздействия на постель.

И хотя перспективы превращения многих из них в работающие крупнотоннажные аппараты в обозримом будущем сомнительны в первую очередь из-за возникающих сложностей в механической надёжности таких систем, это, безусловно, значимый вклад в науку. Вполне вероятно, что с развитием техники и появлением новых высокотехнологичных материалов (возможно на основе нано-технологий) эти изыскания могут быть реализованы в полной мере.

99% применяемых в России концентраторов при промышленной переработке золотоносных руд — концентраторы с флюидизируемым конусом.

И здесь, с одной стороны, можно сказать, что промышленность «голосует ногами», но, с другой стороны, на рынке просто нет альтернативы промышленных надёжных сепараторов сегрегационного типа с производительностью хотя бы 10-20 т/ч.

Исходя из нашего опыта, наиболее востребованные машины из нашей линейки (KC-CD/XD/QS30 И KC-XD/ QS48) имеют только номинальную производительность 75 и 200 т/ч соответственно!

И здесь мы снова сталкиваемся с проблемой механической прочности концентраторов с нефлюидизируемым конусом из-за их конструктивных особенностей.

Дело в том, что концентраторы со сложным движением ротора (вибрационного типа) с заявкой на извлечение тонкого золота априори имеют проблему с механической прочностью.

Любая вибрация — это нагрузка на подшипники, чем выше скорость и чем больше масса ротора, тем более высокая нагрузка на подшипники ложится, а когда ещё и увеличивается поток питания, проходящий через ротор, который также отрицательно влияет на стабильность системы, результирующая всех этих сил приводит к разрушительным колебаниям всей машины.

Поэтому применение таких машин ограничивается лабораторным использованием при первичной мелкопромышленной добычи и для перечистки продуктов доводки.

Другое дело — концентраторы центробежного типа, которые либо вовсе не имеют флюидизации конус, либо рифли орошаются с внешней стороны (из центра конуса), и движение конуса строится вокруг одной оси без посторонних колебаний.

Перед этими машинами обычно не стоит задачи эффективно извлекать тонкое золото, но они пригодны для извлечения крупного и среднего золота, просты в эксплуатации и не требуют серьёзной классификации питания перед подачей. Скорость вращения обычно ограничена 30G.

Концентраторы данного типа применимы для небольших и иногда средних артелей как альтернатива отсадочным машинам на крупном металле. Применение их в циклах измельчения на рудном золоте не эффективно в первую очередь из-за посредственного извлечения тонкого золота.

Производительность данных машин (из тех что я видел) не превышает 20 т/ч.

На этом фоне концентраторы с флюидизируемой постелью через стенки конуса показывают себя как универсальные аппараты, способные выступать в качестве больших промышленных машин (единичная производительность до 1000 т/ч) при этом с эффективным извлечением металла вплоть до 40 мкм, а при должной классификации до 20 мкм.

Поэтому на сегодняшний момент во всех случаях, когда целесообразно применять гравитацию, «лучше» применять концентраторы с флюидизируемым конусом.

Из текущих трендов развития, по крайней мере до последнего времени, отмечу повышение извлечения тонкого металла за счёт увеличения центробежной силы, что достигалось увеличением скорости вращения (стандартная, номинальная динамическая нагрузка на наших концентраторах — 60G).

Динамические нагрузки повышаются до 200 и даже до 400G. Однако пределом для повышения этих показателей до бесконечности опять же таки является механическая прочность и точность изготовления, кроме того для высокооборотистых применений требуется особая классификация при подготовке материала, т. к. на таких скоростях общая балансировка системы должна быть максимально стабильной.

К развитию центробежной технологии я также отнёс бы и развитие опыта применения концентраторов в схемах фабрик. От естественных для гравитации первичных циклов измельчения в голове процесса концентраторы перемещаются, находя своё применение на хвостах фабрики, при перечистке концентрата флотации, хвостов флотации, хвостов гидрометаллургических схем.

Лично меня печалит малое распространение концентраторов у предприятий, перерабатывающих алювиальные месторождения, хотя вопрос потерь тонкого золота у них стоит всё острее и острее, но консервативный подход подбора оборудования «как деды работали» и нежелание осваивать новое оборудования мешает получать очевидную прибыль на месте потерь.

Но есть и исключения, и очевидную выгоду применения центробежных концентраторов начали для себя находить артели, работающие на техногенных отвалах и эфелях.

В целом, появление центробежных концентраторов в обогатительной и в большей степени золото-извлекательной промышленности придало гравитационным технологиям на фоне растущего количества месторождений с всё более упорными рудами и тонким металлом «второе дыхание», и я верю в то, что тот день, когда «химия победит физику» никогда не наступит».

Владислав Пелих, инженер по наладке систем управления и монтажу технологического оборудования ООО «ФлСмидт Рус» в Иркутской области

---

Текст: Дмитрий Трапезников