1.1.2. Виды грохочения

Предварительное – для отделения от исходного угля крупных кусков с целью выборки из них породы и других предметов и последующего дробления.

Подготовительное – для получения отдельных (машинных) классов угля, пригодных для раздельного их обогащения или других видов обработки.

Самостоятельное – для выделения сортов сухого отсева.

Контрольное – для контроля крупности готового продукта.

Обесшламливающее – для удаления шлама из машинных классов и продуктов разделения при мокром обогащении.

Обеспыливающее – для удаления шлама из машинных классов и продуктов разделения при сухом обогащении.

Обезвоживающее – для удаления воды от продуктов мокрого обогащения.

Вспомогательное – для выделения мелочи из отдельных сортов.

Избирательное – для получения классов угля, отличающихся не только по крупности, но и качеству.

В практике обогащения углей грохочение осуществляется от крупных кусков к мелким. Верхнее сито имеет отверстия наибольшего, нижнее – наименьшего размера.

1.2. Теоретические основы грохочения

Просеивание зерен нижнего класса сыпучего материала сквозь сито можно рассматривать как операцию, состоящую из двух стадий: зерна нижнего класса должны пройти сквозь слой зерен верхнего класса, чтобы достигнуть поверхности сита; зерна нижнего класса должны пройти через отверстия сита. Осуществлению обеих стадий помогает соответствующий характер движения короба грохота, приводящий слой зерен на сите в разрыхленное состояние и освобождающий сито от зерен, застрявших в его отверстиях.

При встряхивании короба в слое зерен, лежащем на сите, происходит их сегрегация (расслоение по крупности), причем наиболее крупные зерна оказываются в верхнем слое, а наиболее мелкие – на поверхности сита. Последние легко достигают поверхности сита и проходят через его отверстия.

Рис. 1.3. Схема прохождения зерна через квадратное отверстие сита

Зерна проходят через отверстия беспрепятственно, если они не касаются проволоки, т. е. когда центр зерна при падении проектируется на заштрихованную площадь (l – d)² (рис. 1.3).

Можно считать, что число случаев, благоприятствующих прохождению зерна через отверстие, пропорционально заштрихованной площади (l – d)², а число всех возможных случаев падения зерна на отверстие пропорционально его площади l². Вероятность прохождения зерна через отверстие определится отношением площадей:

С учетом толщины проволок сита получено следующее выражение для вероятности прохождения зерна сквозь сито:

Рис. 1.4. Вероятность прохождения зерен через сито в зависимости от их относительного размера

Первый член этого выражения представляет коэффициент живого сечения сита. Следовательно, вероятность прохождения зерна прямо пропорциональна живому сечению сита.

Зерна размером до 0,75l имеют большую вероятность их прохождения через отверстия сита и называются легкогрохотимыми. Небольшое увеличение размера зерен сверх 0,75l предопределяет резкое снижение вероятности прохождения. Поэтому зерна крупностью в пределах от 0,75l до l называются трудногрохотимыми. Зерна диаметром от l до 1,5l называются «затрудняющими», так как они затрудняют просеивание «трудных» зерен. Зерна крупностью более 1,5l существенно не влияют на перемещение «легких» и «трудных» зерен по поверхности сита (рис. 1.4).

Чем больше скорость движения материала по грохоту, тем меньше вероятность просеивания, при прочих равных условиях, и тем больше производительность грохота по исходному материалу.

Сферическое зерно диаметром d (рис. 1.5), движущееся по ситу со скоростью v, пройдет через отверстие при условии, что траектория движения центра его тяжести пересечет верхнюю плоскость сита не дальше точки 0₁. Если траектория движения зерна пройдет выше, то возможность прохождения его через отверстие маловероятна.

Координаты точки 0₁

где v – скорость движения зерна, м/с; t – время движения, с; g – ускорение свободного падения, м/с².

Рис. 1.5. Схема влияния скорости движения зерна на прохождение его через отверстие сита

Из рис. 1.5 следует, что

Из формулы (1.6) видно, что

Подставив в формулу (1.6) значения x₁ и t₁, получим

Скорость v, при которой обеспечивается прохождение зерна через отверстие,

Для «трудного» зерна размером, приближающимся к размеру отверстия d≈l, получено

где d – размер зерна, м.

Рис. 1.6. Схема влияния наклона и толщины решета на размер зерна, проходящего в отверстие сита

По формуле (1.10) можно вычислить максимальную скорость сферического тела d≈l, при которой обеспечивается беспрепятственное прохождение его через отверстие.

Предельная скорость движения материала (скорость подачи) по формуле (1.10) получена без учета подбрасывания.

При режиме с подбрасыванием скорость движения зерен повышается в 2–3 раза. Оптимальную подачу устанавливают экспериментально в зависимости от производительности и необходимой эффективности грохочения.

Существенное влияние оказывают на процесс грохочения угол наклона и толщина просеивающей поверхности (рис. 1.6). Если грохочение осуществляется на наклонной под углом α плоскости толщиной h, мм, то для определения размера зерна, проходящего через отверстия, получено выражение

Чтобы получить подрешетный продукт одинаковой крупности при α = 20° и, α = 25° размер отверстий наклонного сита должен быть в 1,15 и 1,25 раза больше отверстий горизонтального сита.

В начальный период грохочения эффективность его увеличивается быстро, а затем замедляется. Это объясняется тем, что скорость грохочения зависит от количества зерен, которые должны пройти сквозь отверстия сита. В первые моменты проходят в основном легкогрохотимые зерна, и процесс грохочения протекает быстро. Затем с течением времени количество их становится все меньше и меньше.

Трудногрохотимые же зерна требуют для своего просеивания значительно больше времени. Поэтому и эффективность просеивания с течением времени замедляется.

С увеличением производительности грохота Q, при прочих равных условиях, эффективность грохочения Е понижается.

Таким образом, на эффективность грохочения влияют, в основном, два фактора: гранулометрический состав грохотимого материала и отверстия просеивающей поверхности грохота. На вероятность прохождения частицы через отверстие оказывают влияние технологические, конструктивные, динамические и гидродинамические факторы.

1.3. Гранулометрический состав

1.3.1. Крупность частиц

При дроблении, измельчении и грохочении приходится иметь дело с рыхлыми смесями частиц материалов (породы) различного размера – от максимальных кусков, измеряемых сотнями миллиметров, до мельчайших частиц величиной в несколько микронов.

Куски обычно имеют неправильную форму и их величина может быть охарактеризована лишь несколькими размерами. Для практических целей желательно характеризовать величину отдельного куска одним размером. Этот размер обычно называют «диаметр» куска. Диаметром кусков сферической формы будет диаметр шара. Для кусков кубической формы за диаметр принимают длину ребра куба; для кусков неправильной формы диаметр определяют по главным измерениям – длине l, ширине b и толщине t параллелепипеда, в который вписывается змеряемый кусок. При этом используют все размеры или только некоторые из них. За диаметр d куска принимают:

Перечисленные способы определения диаметра куска неправильной формы используются при изучении отдельных кусков. Формула для вычисления выбирается в зависимости от способа измерений и целей, для которых подсчитывается диаметр куска. С помощью сит можно получить один размер куска. В этом случае приходится пользоваться формулой (а). С помощью микроскопа определяется два размера и можно пользоваться формулами (б) и (г). Для крупных кусков можно получить все три размера и применить формулы (в), (д), (е) и (ж), если надо характеризовать линейный размер, объем, поверхность или удельную поверхность соответственно.

При грохочении, для массовых определений размера зерен, за диаметр зерна принимают размер наименьшего квадратного отверстия, через которое это зерно может проходить.

Крупность всей массы сыпучего материала оценивают по содержанию в ней классов определенной крупности, т. е. по ее гранулометрическому составу. Гранулометрический состав материала определяют посредством анализов:

1) ситового – путем рассева на ситах на классы крупности, для материалов крупнее 0,04 мм;

2) седиментационного – путем разделения материала на фракции по скоростям падения частиц в жидкой среде, для материалов крупностью от 50 до 5 мк;

3) микроскопического – путем измерения частиц под микроскопом и классификации их на группы в узких границах определенных размеров для материалов крупностью менее 50 до десятых долей микрона.

Гранулометрический состав материалов для контроля процессов грохочения, дробления и измельчения на обогатительных фабриках определяют чаще всего посредством ситового анализа.

Средний диаметр частиц определенного класса крупности находится по формуле

Для нескольких классов или всей смеси частиц средний диаметр определяется как среднединамический диаметр по формуле

Выход отдельных классов определяется в процентах. Размер крупных и мелких частиц выражается в миллиметрах, а тонких – в микронах.

Номинальным называют размер квадратной ячейки контрольного сита, через которое проходит 95 % пробы материала. Для оценки номинального диаметра помимо прямых измерений используется поведение частицы в некоторых специфических условиях, например осаждение в воде. Некоторые из наиболее известных номинальных диаметров [3] приведены в табл. 1.3.

Очевидно, что полученный диаметр для частицы неправильной формы будет зависеть от используемой методики измерения. Например, диаметр Стокса d_Ст определяется при ламинарных условиях потока и не применим при турбулентных потоках, так как в последнем случае частица ориентируется так, чтобы обеспечить максимальное торможение, в то время как в первом случае она ориентируется случайным образом. Поэтому всякий раз при упоминании крупности частиц следует указывать, какой номинальный диаметр используется.

Крупность всей массы сыпучего материала оценивают по содержанию в ней классов определенной крупности, т. е. по ее гранулометрическому составу. Гранулометрический состав материала в зависимости от крупности определяют одним из следующих способов, мК [3]:

Таблица 1.3

Номинальные диаметры

Наиболее часто для контроля процессов грохочения, дробления и измельчения на обогатительных фабриках применяют ситовый анализ.

Для оперативного контроля гранулометрического состава материалов на потоке используют различные конструкции автоматических гранулометров [4]. По принципу действия гранулометры разделяют на ситовые, седиментационные, ультразвуковые, лазерные, оптические и т. д. Гранулометры осуществляют контроль одного (определяющего) либо нескольких классов крупности.

1.3.2. Ситовый анализ

Рассев сыпучего материала с целью определения его гранулометрического состава называется ситовым анализом.

Для рассева применяют набор проволочных сит с квадратными отверстиями.

Последовательный ряд размеров отверстий сит (от больших к меньшим), применяемых для ситового анализа, называется шкалой классификации, а постоянное отношение размеров отверстий смежных сит – модулем шкалы.

Материал крупнее 25 мм рассеивается на качающихся горизонтальных грохотах и ручных ситах, а мельче 25 мм – на лабораторных ситах. Сетка лабораторного сита натянута на цилиндрическую обечайку диаметром 200 мм высотой 50 мм. В верхнюю кромку обечайки, для придания ей жесткости, закатано проволочное кольцо. Нижняя кромка обечайки имеет несколько меньший диаметр, чем верхняя, что позволяет набирать комплекты сит, вставляя их одно в другое, и одновременно вести рассев материала на нескольких ситах. Верхнее сито закрывается крышкой, а нижнее вставляется в чашку-поддон, куда собирается подситный продукт последнего сита.

Масса пробы для ситового анализа принимается в зависимости от крупности наибольшего куска в пробе

Пробы рассеивают сухим или мокрым способом в зависимости от крупности материала и необходимой точности ситового анализа. Если не требуется особой точности и материал не слипающийся, то применяют сухой способ рассева. Сита устанавливают сверху вниз от крупных размеров отверстий к мелким. Пробу засыпают на верхнее сито и весь набор сит встряхивают на механическом встряхивателе в течение 10–30 мин. Затем сита снимают по одному и проверяют качество рассева просеиванием материала вручную. Если за 1 мин контрольного просеивания материала через сито проходит менее 1 % его остатка на сите, то рассев считается законченным. Остаток на каждом сите взвешивается с точностью до 0,01 г на технических весах. Сумма весов всех полученных классов не должна расходиться более чем на 1 % с весом исходной пробы. Если это условие выдерживается, то сумму весов всех классов принимают за 100 %. Выход классов получают делением веса каждого класса на общий их вес. Вычисление ведут до первого десятичного знака.

При наличии в пробе значительного количества мелкого материала и необходимости повышенной точности анализа пробу рассеивают мокрым способом. Пробу засыпают на сито с отверстиями наименьшего размера, например 0,074 мм, и отмывают от нее мельчайшие частиц (шлам) слабой струей воды или погружая сито в бак с водой. Промывку ведут до тех пор, пока промывочная вода не станет прозрачной. Остаток на сите высушивают, взвешивают и по разности весов определяют вес отмытого шлама. Высушенный остаток рассеивают сухим способом на ситах, включая и самое мелкое, на котором отмывался шлам. Подситный продукт этого последнего сита прибавляют к полученному ранее весу отмытого шлама.

Результаты ситового анализа записывают в таблицу, подобную табл.1.4. Вычисляют суммарные выхода, представляющие сумму выходов всех классов крупнее (суммарный выход по плюсу) и мельче (суммарный выход по минусу) отверстий данного сита.

Рис. 1.7. Набор сит для мокрого ситового анализа с орошением

1 – сито; 2 – обечайка сита; 3 – форсунка с брызгалом

Таблица 1.4

Результаты ситового анализа (для примера)

Для ситового анализа применяют встряхиватели сит разных конструкций. В отечественных лабораториях наиболее распространены механические и вибрационные встряхиватели, сообщающие набору (колонке) сит круговые качания в горизонтальной плоскости и удары по крышке набора (встряхивания). Механические встряхиватели постепенно вытесняются более совершенными и простыми электромагнитными вибрационными встряхивателями, которые имеют регулируемую частоту и амплитуду вибраций. Например, встряхивающий аппарат Фрич может устанавливаться на частоту 3000 мин^-1 при амплитуде вертикальных колебаний до 3 мм или на 6000 мин^-1 при амплитуде 0,5 мм. Для предотвращения резонансных колебаний сеток сит при режиме 3000 мин^-1 предусмотрено автоматическое прерывание вибраций на 0,5 с через каждые 3-10 с. Частота 6000 мин^-1 применяется при мокром просеивании на микроситах, рабочие поверхности которых имеют отверстия до 5 мкм. Для мокрого просеивания на встряхивателе трудно просеваемых комкующихся материалов разработаны крышки, сита и поддоны. К колонке сит можно прикрепить форсунки-брызгала и подвести воду (рис. 1.7).