Разработка научных основ электрической сепарации по проводимости Кривов, Сергей Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Значимость разработки научных основ для развития метода электрической сепарации по проводимости. Обзор литературы, по становка задачи исследования 16

1.1. Современное состояние в применении метода электрической сепарации по проводимости. Разработка научных основ процесса основной резерв развития метода, усовершенствования конструкций и режимов работы электросепараторов 16

1.2. Предшествующие теоретические подходы к анализу закономерностей зарядки и силового воздействия на частицы в электрическом поле высоковольтных электродов сепаратора 24

1.3. Выбор и обоснование базовой конструкции электросепаратора и минеральных комплексов для исследования 39

1.4. Анализ экспериментальных данных о зарядке и движении частиц минералов в электрическом поле сепараторов 47

1.5. Выводы и постановка задач для исследования 58

Глава 2. Методы исследования 61

2.1. Введение 61

2.2. Анализ соотношения теоретических и экспериментальных исследований для разработки научных основ метода электрической сепарации. Роль теоретических подходов 62

2.3. Методики экспериментальных исследований 65

2.4. Метод исследования электрического поля базового сепаратора-пластинчатого наклонного электросепаратора 86

2.5. Выводы по главе 95

Глава 3. Разработка теории зарядки и силового воздействия на частицы на электродах сепаратора и вблизи них

3.1. Введение 96

3.2. Расчет кинетики зарядки частицы на электроде 101

3.3. Расчет электрических сил, действующих на частицу на электроде. 114

3.4. Электрическая сила, действующая на частицу вблизи электрода ... 127

3.5. Экспериментальное подтверждение основных положений разработанной теории зарядки и силового воздействия на частицы 135

3.6. Расчет режима работы электростатического сепаратора 138

3.7. Выводы по главе 142

Глава 4. Анализ электрического поля в высоковольтной системе электродов пластинчатого сепаратора 144

4.1. Расчет и анализ электрического поля 144

4.2. Выводы по главе 156

Глава 5. Разработка теории электрической сепарации с учетом особенностей поведения частиц минералов на плоском наклонном электроде 157

5.1 Введение 157

5.2. Общая характеристика поведения частиц в сепараторе 158

5.3. Проблема адгезии и залегания частиц

5.4. Обоснование механизма селективной зарядки частиц с различными свойствами как решающего фактора разделения частиц в электрическом поле 185

5.5. Основные закономерности и особенности процесса разделения. Анализ основных факторов, влияющих на процессы зарядки и особенности движения частиц в сепараторе 207

5.6. Оценка параметров скачкообразного движения частиц 213

5.7. Расчет процесса зарядки частиц при скачкообразном движении... 230

5.8. Методика расчета процессов зарядки и движения частиц минералов в пластинчатом электростатическом сепараторе 237

5.9. Выводы по главе 241

Глава 6. Предложения по новым принципам и элементам конструкции электрического сепаратора. Разработка рекомендаций по совершенствованию процессов электросепарации на примере ряда месторождений 246

6.1. Введение 246

6.2. Совершенствование конструкции путем устранения причин нарушения процесса селективной зарядки и перезарядки проводящих частиц 247

6.3. Совершенствование конструкции путем применения коронной подзарядки диэлектрических частиц 264

6.4. Выбор режимов разделения и технологической схемы электрической сепарации концентратов руды Стремигородского месторождения 281

6.5. Рекомендации по выбору режимов электросепарации ильменит-хромит-гематитового продукта Лукояновского месторождения 291

6.6. Рекомендации по режимам разделения и технологической схеме электросепарации рутил-цирконовых концентратов Тарского месторождения и Итмановской россыпи 296

6.7. Значимость разработанной теории электрической сепарации по проводимости для расширения области применения пластинчатых электросепараторов и совершенствования электросепараторов других типов. Общенаучная значимость разработанной теории 303

6.8. Выводы по главе 305

Заключение 306

Список литературы 312

• Предшествующие теоретические подходы к анализу закономерностей зарядки и силового воздействия на частицы в электрическом поле высоковольтных электродов сепаратора
• Анализ соотношения теоретических и экспериментальных исследований для разработки научных основ метода электрической сепарации. Роль теоретических подходов
• Электрическая сила, действующая на частицу вблизи электрода
• Обоснование механизма селективной зарядки частиц с различными свойствами как решающего фактора разделения частиц в электрическом поле

Введение к работе

~"

Актуальность проблемы.

Наиболее современным и перспективным методом для обогащения различных видов минерального сырья является электрическая сепарация -эффективный, экологически чистый и наименее энергоемкий разделительный процесс

Электрическая сепарация занимает все более важное место среди методов обогащения, области ее применения весьма разнообразны и продолжают расширяться. Различают несколько методов электрического обогащения, отличающихся по используемым в них физическим силам и методам зарядки частиц. Промышленное использование, благодаря практической важности, получил в основном метод сепарации по электрической проводимости. Накоплен большой практический опыт разделения с помощью этого метода ряда труднообогатимых редкометальных минеральных комплексов.

Однако возможности электрической сепарации далеко не реализованы и ее широкое внедрение в обогатительные процессы сдерживается тем, что конструирование сепараторов, выбор режимов их работы ведется, в основном, на эмпирической основе, на базе технологических опытов без глубокого исследования физических основ процесса.

Отсутствуют теоретические методы и способы выбора режимов работы сепараторов. Нет уверенности, что и уже разработанные процессы протекают оптимальным образом. Значительные трудности возникают с применением электросепарации для новых месторождений из-за большого объема лабораторных и полупромышленных исследований.

Несмотря на значительное количество публикаций и патентной информации, все они посвящены в основном технологическим вопросам сепарации или описанию узлов и конструкций сепараторов. Исследовательские работы из-за неполноты и разрозненности сведений не дают возможности создать научно обоснованную теорию электрической сепарации.

Конечно, общие принципы зарядки и движения частиц сформулированы в соответствующих разделах электродинамики, но без учета конкретных особенностей поведения частиц в процессах электросепарации они не могут быть использованы для практических расчетов. Исследования в этой области без современной теоретической основы, в большинстве случаев, приводят к негативным результатам и искажают объективную оценку возможности этого прогрессивного процесса.

Дальнейший прогресс в области электрической сепарации требует разработки научных основ метода в комплексном сочетании как теоретических, так и экспериментальных исследований, предметом которых должны быть физические процессы, составляющие основу электросепарации по проводимости. Такой фундаментальной основой метода является

зарядка частиц на электродах сепаратора, действие на них электрических сил, обеспечивающих их рациональное движение и разделение в электрическом поле конкретных сепараторов.

Цель и задачи работы, С учетом актуальности проблемы, целью исследований является разработка научных основ электрической сепарации по проводимости и практических рекомендаций, позволяющих на основе новых физических представлений и учете реальных особенностей поведения частиц в электрическом поле, проведение научно-обоснованного выбора параметров конструкций сепараторов и выбора режимов их работы.

Основными задачами, вытекающими из сформулированной цели исследования, являются:

разработка теоретической модели зарядки частиц в электрическом поле с объемным зарядом при контакте с электродом;

разработка теоретической модели силового воздействия электрического поля на частицу, находящуюся на электроде и вблизи него, с учетом свойств реальных частиц, в том числе контактного сопротивления;

проведение анализа электрического поля электродной системы и разработка методики расчета электрического поля сепаратора;

разработка экспериментальных методик, обеспечивающих комплексный подход к исследованию процесса электросепарации, учитывающий необходимость одновременности определения параметров движения частиц, процесса их зарядки и образования конечных продуктов разделения;

проведение экспериментальных исследований физических процессов, составляющих основу электросепарации по проводимости, и на их основе выявление особенностей процессов применительно к базовой конструкции пластинчатого электросепаратора;

разработка методики расчета физических процессов в электросепараторе на основе теоретических разработок с учетом выявленных особенностей;

на основе проведенных исследований разработка новых принципов, элементов конструкции и обоснование рекомендаций по рациональной организации процесса сепарации на примере ряда месторождений.

Метод исследования. Для выполнения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании основных положений и расчетных уравнений электрофизики и электродинамики. Экспериментальные исследования проводились в широком диапазоне конструктивных и технологических параметров электросепарации с привлечением разных

методов измерения. При обработке экспериментов применялся статистиче
ский анализ результатов. """' —

Таким образом, в отличие от распространенного на практике технологического подхода, использовался комплексный метод, заключающийся г сочетании теоретического анализа и экспериментального исследования основных физических закономерностей, лежащих в основе процесса электросепарации, выявлении общих закономерностей и особенностей процесса и формулировании на этой основе принципов рациональной организации и методик расчета процессов в сепараторе с привлечением расчетов на IBM.

Научная новизна работы:

1. Разработана модель зарядки, силового воздействия и движения
частиц минералов в электрическом поле включающая:

теоретический расчет кинетики зарядки и силового воздействия на частицу, находящуюся на электроде, при различных свойствах частицы и различных значениях переходного сопротивления контакта;

теоретический расчет силового воздействия на частицу, находящуюся вблизи электрода;

методику расчета зарядки при скачкообразном движении частиц минералов по зарядному электроду пластинчатого электросепаратора;

Представленные расчеты являются развитием идей изложенных в разделе "Тензор натяжения электрического поля" книги И.Е.Тамма "Осно-аы теории электричества".

1. Разработана комплексная методика экспериментального исследования процессов в электросепараторе, включающая возможность одновременного измерения зарядоз частиц, траекторий их движения в сепараторе '? результатов разделения на выходе сепаратора, позволяющая всесторонне исследовать пропасе элек*росепарации в широком диапазоне изменения характеристик частин,, технологических и конструктивных пзраметуои сепаратора.

2. Разработаны рекомендации по применению модификации метода эквивалентных разрядов, заключающейся во введении в расчетную схему линейно-зависимых зарядов, позволяющие для данного класса задач позы-енть точность расчета электрического поля сепаратора. Практическая реализация метода позволила выявить особенности структуры электрического поля сепаратора.

3. На основе экспериментального изучения физических явлений, составляющих основу процесса электросепарации по проводимости, выявлены особенности поведения частиц минералов в пластинчатом сепараторе;

- .суммарный заряд частиц минералов при одновременно дейст
вующих процессах индукционной зарядки и трибоэлектризации

является их алгебраической суммой, что обеспечивает селективную зарядку частиц;

движение частиц минералов по зарядному электроду имеет сложный скачкообразный характер;

при движении в межэлектродном промежутке частицы минералов испытывают соударения с отклоняющим электродом, приводящие к перезарядке частиц проводников.

5. Обосновано повышение эффективности работы пластинчатого электросепаратора за счет снижения перезарядки частиц проводниковой фракции при ударах об отклоняющий электрод и за счет повышения величины и стабильности зарядов частиц диэлектрической фракции.

Достоверность: Достоверность полученных в данной работе результатов опред&іиется:

корректным применением фундаментальных математических методов и законов электродинамики;

тщательным методическим обоснованием экспериментальных исследований, большим объемом исследований с варьированием влияющих факторов;

хорошими результатами сопоставления, расчетных и экспериментально определенных величин зарядов и электрических сил;

соответствием результатов физическим представлениям о наблюдаемых процессах;

надежной и эффективной работой созданного оборудования.

Практическая значимость и реализация результатов:

1. Разработаны рекомендации по рациональной организации процесса разделения и выбору режимов работы пластинчатых наклонных электросепараторов.

2. Предложен способ, позволяющий повысить эффективность работы сепаратора за счет увеличения выхода проводящих частиц и уменьшения взаимозасорения продуктов, заключающийся во введении в конструкцию сепаратора диэлектрической прокладки.

3. Предложен способ, позволяющий повысить эффективность работы сепаратора за счет увеличения выхода диэлектрических частиц и уменьшения взаимозасорения продуктов, заключающийся во введении в конструкцию сепаратора узла коронной подзарядки.

4. Предложены и обоснованы режимы работы пластинчатого сепаратора нового поколения для эффективного разделения концентратов Лукоя-новского, Тарского и Стремигородского месторождений, позводившие расширить область применения пластинчатых сепараторов при высоком качестве получаемых продуктов разделения.

5. Результаты работы внедрены на ВДГМК г. Вольногорск при модернизации действующих сепараторов.

6. В Бронницкой ГГХЭ при полупромышленной переработке концентратов Тарского месторождения.

7. В ЗАО "Кварц-Аи" при создании промышленной линии по переработке электронного скрапа.

Личный вклад автора выразился в:

- постановке вопросов для исследования, формулировании теоретических задач и проведении аналитических расчетов: решении уравнений неразрывности полного тока и тензора натяжения Максвелла для разработки теории зарядки и силового воздействия электрического поля на частицы на электроде и вблизи него;

-разработке алгоритма усовершенствованного метода расчета поля, проведении расчетов и анализа электрического поля;

-разработке экспериментальных методик, планировании и проведении экспериментальных исследований;

-разработке методик расчета процессов в электросепараторе и способов повышения эффективности его работы на основе усовершенствования конструкции электросепараторов;

-разработке конструкций электросепараторов нового поколения.

На защиту выносятся:

1. методика расчета процессов зарядки частиц произвольной формы, эк-вивалентируемой полуэллипсоидом, при контакте с электродом в электрическом поле, включающая аналитические расчетные формулы, с учетом различных случаев проявления контактного сопротивления;

2. методика и аналитические выражения для расче«а силового воздействия электрического полч на частицы при контакте с электродом и вблизи него;

3. методика расчета зарядки и движения частиц минералов в электрическом поле пластинчатого сепаратора с учетом дискретного характера зарядки при скачкообразном движении;

4. комплексная методика экспериментального исследования процессов в сепараторе;

5. экспериментальные данные об особенностях поведения частиц минералов в пластинчатом сепараторе;

6. способы повышения эффективности работы сепаратора.

Апробация работы: Материалы работы докладывались и обсуждались на совещаниях и семинарах: на заседании научно-технического совета Минцветмета (г. Вольногорск, февраль 1985 г.); на Всесоюзной научно-

технической конференции «Совершенствование техники и технологии электрического обогащения в народном хозяйстве» (г. Свердловск, июль 1986 г.); на совещании разработчиков месторождений Тарское и Лукоянов-ское (1987, 1993 г.) на научных семинарах кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений МЭИ (Москва, 1993 г., 1998 г ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 23 печатные работы, в том числе 7 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 348 страниц, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (170 наименований), содержит 100 рисунков, 37 таблиц, 2 приложения.

Предшествующие теоретические подходы к анализу закономерностей зарядки и силового воздействия на частицы в электрическом поле высоковольтных электродов сепаратора

Рассмотрим, какие силы действуют на частицу в процессе ее зарядки и движения [1-3,37,38,53,119,120 и др.].

Это сила тяжести Fg , она определяется как Fg=mgcosa , где g - ускорение свободного падения, а - угол наклона поверхности, на которой находится частица, например, угол наклона зарядного электрода пластинчатого сепаратора или угол поворота зарядного электрода барабанного сепарато 4 3 ра. Для сферы имеем Fg =—тш p4g cos а, где а - радиус сферы, рч - плотность частицы. В зависимости от угла а составляющая силы тяжести может прижимать частицу к электроду (барабану) либо отрывать ее от него. На наклонной плоскости пластинчатого сепаратора эта сила всегда является прижимающей.

Центробежная сила F4 действует на частицу только в случае, если она находится на вращающемся электроде F4 = 2тсоэл I D3Jl , где соэл - ско 26 рость вращения электрода, DM - диаметр окружности, по которой движется частица при вращении. При отсутствии вращения частицы с электродом, случае характерном для пластинчатого сепаратора, центробежная сила равна нулю. В барабанном сепараторе эта сила играет существенную роль в силовом воздействии на частицы.

Сила, обусловленная неравномерностью электрического поля FE (пондеромоторная сила). Для ее расчета в воздухе используется выражение FE = 4тгє0а EgradE, где єо - электрическая постоянная, є - относи є + 2 тельная диэлектрическая проницаемость частицы, Е - напряженность электрического поля. Эта сила определяется [1,157] степенью неоднородности электрического поля и размером частиц. В слабонеоднородных электрических полях, характерных для электросепараторов по проводимости, она пренебрежимо мала.

Сила сопротивления среды движению частицы Fc имеет место при относительном движении газовой среды и частицы. Для частицы, лежащей на электроде, она отсутствует. Сила сопротивления среды в общем виде рассчитывается как Fc=0,5CxpeV2S , где V - скорость частицы относительно среды рв - плотность воздуха, S - характерное сечение тела, в случае сферы S=Ka2 ; Сх - коэффициент сопротивления, который можно аппроксимиро 24 / о/з \ вать [1], как Сх = —11 + Re / 61 , где: Re - число Рейнольдса.

Сила адгезии (прилипания) частицы к электроду Fadz [29, 30]. Она определяется как свойствами частицы и электрода, так и состоянием среды, в которой происходит контакт частицы с электродом. На определенную роль силы адгезии в процессе электросепарации указывается в ряде публикаций по электросепарации [3,7]. Отмечается, что в конструкции барабанного сепаратора, сила адгезии приводит к разным условиям отрыва частиц и, соответственно, к ухудшению процесса разделения, т.е. она является для этого сепаратора сильным мешающим фактором. Однако, известен способ трибоадгезионной сепарации [2,3,10], в котором сила адгезии рассматривается не как сопутствующая другим силам. В этом способе сила адгезии является основной действующей силой, определяющей разделение частиц. В публикациях о работе наклонного пластинчатого электростатического сепаратора [3,7,16-25] исследователи не рассматривают роль силы адгезии и ее влияние на процесс разделения.

Способы теоретически рассчитать величину силы адгезии в условиях близких к процессам электросепарации отсутствуют [2,3,10,29,30]. В реальных технологических процессах предпочитают применять меры направленные на уменьшение ее влияния.

Основной и определяющей весь процесс силой, действующей в электрических сепараторах, является сила действия электрического поля на заряженную частицу. В первом приближении ее можно записать как FK=Eq , где: q - заряд частицы. При ее анализе в случае размещения частицы на электроде или вблизи него необходимо учитывать силу зеркального отображения F30 , действующую в направлении к электроду.

Из всех сил, действующих на частицу в электросепараторе, наибольшие трудности имеют место при определении электрической силы, действующей на частицу на электроде и вблизи него. С определением электрических сил тесно связаны вопросы кинетики зарядки частицы на электроде. От того, как будет организован процесс зарядки частиц, будет зависеть силовое воздействие на нее со стороны электрического поля, которое определяет удержание или отрыв частиц с электрода в соответствии с (1.2) и дальнейшее движение.

Электросепарация по проводимости основана на зарядке частиц при контакте с электродом. Поэтому главное внимание при анализе физических процессов должно быть уделено поведению частицы на электроде и вблизи него.

Общим и наиболее важным физическим процессом для всех электросепараторов по проводимости следует считать зарядку частиц при контакте с электродом и в целом их поведение на электроде и вблизи него.

Следовательно, в первую очередь, необходимо рассмотреть известные данные и оценить достаточны ли они для осуществления рациональной организации процесса разделения по проводимости.

Анализ состояния вопроса начнем с выяснения возможностей теоретических подходов к решению этой задачи.

Анализ известных теоретических закономерностей зарядки частиц на электроде и силового воздействия на нее на электроде и вблизи него

Сущность зарядки частиц в электрическом поле при контакте с электродом (индукционная зарядка) заключается в следующем. Если частицу поместить на электрод в электрическое поле Ео , то со стороны электрода начинается переток зарядов на частицу. В результате частица приобретает потенциал электрода и соответствующий этому потенциалу заряд q. Внешнее поле Ео в результате такой зарядки стремится оторвать частицу от электрода. Если эта сила превышает силу, прижимающую частицу к электроду, то частица оторвется от электрода и будет двигаться в межэлектродном промежутке в соответствии с уравнением движения (1.1), имея соответствующий моменту отрыва заряд q.

Задача о зарядке и расчетах сил, действующих на частицу на электроде, рассматривалась многими авторами [1,3,7,31,34-52,77,78,80,106, 118-123,144,146,155]. Условно все исследования можно разделить следующим образом: расчет предельных зарядов различных частиц [31,34,35,36,37,38 и др.]; задачи, посвященные исследованию кинетики зарядки [1,7,39,40,41,42-52] при различных условиях; работы, посвященные расчету электрических сил, действующих на частицы на электроде в процессе зарядки [1, 3,7,31,35,36,42-50] и вблизи него [36,55,56]. И хотя такая классификация работ условна, как условно деление на какие-либо части единого процесса зарядки и силового воздействия поля на частицы, это упрощает анализ публикаций по данному вопросу.

Анализ соотношения теоретических и экспериментальных исследований для разработки научных основ метода электрической сепарации. Роль теоретических подходов

Определенную информацию о физических процессах в сепараторах можно почерпнуть из технологических работ.

В [6,7] указывается, что частицы перекатываются либо скользят по заземленному электроду сепаратора, т.е. движение происходит, возможно, при постоянном их контакте с электродом. В то же время отмечается, что при движении происходит концентрация проводящих частиц в верхнем слое потока частиц, а непроводящих - в нижнем, т.е. не все частицы движутся, контактируя с электродом. При этом не поясняется, в каких условиях и за счет каких факторов происходит такое различие в поведении частиц.

В [7] указывается, что частицы проводника - рутила и диэлектрика -циркона приобретают при движении по заземленному электроду сепаратора предельные заряды. При этом знак заряда частиц рутила - положительный, а циркона - отрицательный. Такие данные о знаках и значениях зарядов проводящих и непроводящих частиц противоречат основным положениям теории индукционной зарядки.

В [6] отмечается, что разделение в пластинчатом сепараторе происходит за счет того, что проводники и диэлектрики приобретают индуктивные заряды. При этом проводники приобретают больший, а диэлектрики -меньший заряды, и в результате этого они отклоняются к разноименным электродам. Такое описание зарядки дает основание для неоднозначного толкования процесса разделения. Без дополнительной информации о закономерностях зарядки такое описание процесса противоречит законам электростатики.

В [16] указано, что разделяемые частицы приобретают заряды, перемещаясь по пластине заземленного электрода. Однако характер движения не обсуждается. Не приводится данных о величинах зарядов. О знаках зарядов частиц можно судить по знакам потенциалов, прикладываемых к электродам и направлению перемещения частиц. Попадая в зону действия отклоняющих электродов, проводники отклоняются к верхнему - отрицательному электроду, т.е. имеют положительный заряд. Диэлектрики отклоняются к нижнему - положительному электроду, т.е. имеют отрицательный заряд. При перемене полярности разделения минералов не происходит. Полярность электродов подбиралась экспериментально на основе технологических опытов. На основе аналогичных технологических опытов в [16] показана важная роль процесса трибозарядки. Значение и знаки трибозаря-дов не приводятся, однако отмечается, что они зависят от длины пути, а именно, от числа мест касания частицы и электрода. Это дает возможность предположить, что движение частицы по электроду может происходить значительно сложнее, чем простое скольжение или качение [6.7].

В [16] говорится о важности влияния на процесс разделения отклоняющего электростатического поля, однако конкретные количественные данные не приводятся. Поэтому нельзя дать количественную оценку этому физическому процессу в сепараторе.

В [20] отмечено, что зарядка частиц в пластинчатом сепараторе осуществляется за счет трения и индукционной зарядки. При этом проводниковые частицы графита заряжаются, в основном, за счет индукционного механизма зарядки, приобретают заряд, знак которого противоположен знаку потенциала верхнего электростатического электрода, что соответствует общей теории индукционной зарядки для проводящих частиц (см. 1.2). Диэлектрические и полупроводящие частицы по данным [20] одинаково отклоняются в другую сторону, т.е. приобретают заряд одного и того же знака. Следует отметить, что традиционным применением сепараторов является разделение именно полупроводящих и диэлектрических минералов. Из [20] неясно, каким образом можно осуществить такое разделение. В [21] делаются попытки объяснения поведения частиц в пластинчатом сепараторе. Основанием для этого явились наблюдения за процессом сепарации коллективного концентрата титаноциркониевых россыпей в лабораторной модели сепаратора. Однако каким образом проводились эти наблюдения в [21] не приводится. Указывается, что в межэлектродном пространстве сепаратора образуется взвешенный слой, внутри которого происходит хаотичное движение частиц. Суммарный эффект разделения складывается из многократного повторения циклов разделения и массового отскока частиц от отклоняющего электрода. Вместе с тем, в сепараторе образуется чистый придонный слой непроводниковых минералов.

Из приведенных в [21] данных неясно являются ли массовые отскоки частиц от отклоняющего электрода положительным фактором и необходимым для организации процесса и получения эффекта суммарного разделения, либо отрицательным явлением. Процесс зарядки в [21] не рассматривается. На основе приведенной картины процесса авторы [21] дают рекомендации о мероприятиях, необходимых для улучшения организации процесса разделения. Предлагается ликвидировать прямой контакт частиц с заряженным отклоняющим электродом. Однако практических путей исключения этих контактов в [21] не дается.

Электрическая сила, действующая на частицу вблизи электрода

Следует также учесть, что величины сопротивлений утечки отдельных элементов из мерительной системы должны быть еще выше. Это и определило выбор электростатического вольтметра типа С502, удовлетворяющего такому условию.

Определив массу всех частиц минерала М, попавших на изолированный датчик, путем взвешивания этого датчика до и после опыта, получим величину среднемассового заряда: qz = q/m = 0/М.

Для определения знака, приобретаемого частицами заряда, а также для повышения точности измерений, поскольку начальный участок шкалы у вольтметров типа С502 нелинейный, перед измерением величины заряда на измерительную систему предварительно подавалось напряжение "начального смещения" определенного знака. Величина /в, определялась как разница показаний вольтметра до и после измерений.

Аппаратура для исследования движения частиц предназначена для определения скоростей и траекторий движения частиц в процессе сепарации методом фотографирования. Метод фотографирования [91] получил широкое распространение и по своим возможностям он является наиболее подходящим для исследования движения частиц в сепараторе по сравнению с интерференционным или оптико-электронным методами [1]. Суть метода фотографирования траекторий заключается в создании в исследуемом промежутке при помощи диафрагм узкого пульсирующего пучка света. Пучок света формируется в продольном направлении в центральной части сепаратора. При импульсном освещении на фотопленке фиксируются траектории движения частиц в виде ряда точек. Траектории дают наглядное представление о характере движения частиц в исследуемом объеме, а по известной частоте повторения вспышек и масштабу изображения определяется скорость и пройденное частицей расстояние.

Аппаратура для фотосъемки (III на рис.2.1) включает в себя источник света, импульсную лампу (ИЛ) с системой диафрагм и фотоаппарат. Для подсветки движущихся частиц использовался импульсный источник света ИИС-2, разработанный в МЭИ. В соответствии с рекомендациями [91] использовалась лампа трубчатой конструкции, которая позволяет при помощи диафрагм легко сформировать требуемый плоский пучок света небольшой ширины ( 5 мм). В качестве задающего генератора (ГЗ) для источника ИИС-2 использовался генератор типа Г5-7А.

Принципиальная электрическая схема импульсного источника света, а также работа отдельных его узлов подробно описана в [91] .

Фотосъемка производилась зеркальным фотоаппаратом с объективом с фокусным расстоянием 58мм, и набором колец до 30 мм на фотопленку Тип-22 (чувствительность 1300 ед. ГОСТа). Объектив с фокусным расстоянием 58 мм позволяет проводить фотографирование общей картины движения частиц в межэлектродном промежутке. Применение набора колец дает возможность детального исследования областей вблизи электродов.

Рассмотрим вопросы, связанные с созданием и реализацией комплексной методики на основе данного стенда. Для детального исследования зарядки и поведения отдельно проводниковых и диэлектрических частиц, подлежащих разделению, в электри 73 ческом поле сепаратора использовались мономинералы (ильменит, рутил, циркон, кварц, ставролит, апатит и другие), входящие в состав коллективных концентратов различных месторождений, а также их искусственные смеси. Для проверки методики и проведения модельных экспериментов использовались никелевые сферические частицы размером от 70 до 200 мкм.

Работа описанного экспериментального стенда происходит следующим образом. После подачи высокого напряжения на отклоняющие электроды сепаратора включается вибратор питателя и, предварительно нагретые частицы материала поступают на зарядную подложку сепаратора. Находясь на подложке, частицы приобретают заряд и, двигаясь в электрическом поле отклоняющих электродов, попадают в приемник продуктов разделения. Схема измерения фиксирует величину и знак полученного частицами заряда.

Одновременно с подачей материала из питателя в сепаратор включается импульсный источник света и проводится фотографирование траекторий движения частиц. После окончания процесса фотографирования и измерения заряда данной пробы, выключением вибратора прекращается подача исходного материала в сепаратор.

Материал, распределенный по секциям приемника продуктов разделения, взвешивается для получения веера и величины среднемассового заряда. Взвешивание проводилось на электромеханических весах МІМ "La-borz" с точностью 0,001 г или электронных весах VI-200 с точностью 0,01 г, в зависимости от навески минералов.

Обоснование механизма селективной зарядки частиц с различными свойствами как решающего фактора разделения частиц в электрическом поле

Значение силы в произвольный момент времени по (3.25) можно рассчитать, подставив в (3.25) значение qi(t) или q2(t) , вычисленное по (3.10). Проведем анализ (3.25) и сравним его с выражением для силы, полученным выше при неучете переходного сопротивления.

При индукционной зарядке в начальный момент времени t=0, qm6 /qco=0 (рис.3.5, точка А, расположенная на оси абсцисс) действует сила, прижимающая частицу к электроду, обусловленная, в основном, зарядами поляризации на нижней поверхности частицы. В процессе зарядки при увеличении qll36 по (3.6) снижается напряженность электрического поля внутри частицы и, соответственно, уменьшаются заряды поляризации. Сила, действующая на частицу, согласно (3.17), убывает, затем изменяет свой знак и становится отрывающей (рис.3.5, кривая 1).

При биполярной зарядке при t=0, qj = q2 =0 значение силы по (3.25) совпадает со значением, полученным по (3.17) (рис.3.5, точкам). Таким образом, наличие или отсутствие контактного сопротивления не влияет на электрическую силу в начальный момент времени, она обусловлена только зарядами поляризации частицы, а поляризация зависит от свойств самой частицы и не зависит от переходного сопротивления.

При дальнейшем разделении зарядов по (3.10) сила (3.25) увеличивается до некоторого максимального значения, оставаясь прижимающей (рис.3.5, кривая 2). При qi = q2 = q , (fl = -1/da) сила достигает своего максимального значения:

Таким образом, при чисто биполярной зарядке частица не может оторваться от электрода. Выражение (3.25), кроме предельных значений прижимающей силы, позволяет проанализировать еще некоторые моменты процесса зарядки. В результате увеличения заряда q2 при разделении зарядов на частице возрастает напряженность электрического поля в зазоре между нижней поверхностью частицы и электродом. Это может привести к электрическому разряду, и тогда нейтрализация заряда осуществится скачком, а сила изменится от некоторого значения на кривой 2 до значения на кривой 1 (рис.3.5, кривая 3). При неполной нейтрализации заряда скачок силы произойдет до некоторого промежуточного значения, лежащего в области между кривыми 1 и 2 на рис.3.5.

В случае, когда частица зарядилась биполярно до предельного заряда и затем произошла частичная нейтрализация заряда таким образом, что qi = qco q2 = V Ясс, где 0 г/ 1, после подстановки этих выражений для qi и q2 в (3.24) и соответствующих преобразований получим: F2 = - = fc- } (3.27) кЬсє0Е0 2da Степень нейтрализации 77 связана с избыточным зарядом частицы соотношением q = qoofl-rj). Зависимость силы Fz по (3.17) и (3.27) (см. рис.3.5, кривая 4,5) от избыточного заряда количественно совпадают для хорошо проводящих частиц. Отличие зависимостей связано с тем, что они устанавливаются по разным временным закономерностям. Зависимость (3.17) определяется текущим временем, отвечающим процессу зарядки (3.6), а зависимость (3.27)соответствует моменту зарядки (3.10) qi = q , после чего заряд меняется в зависимости от времени по отличным от (3.6) или (3.10) законам: 125 либо нейтрализация происходит скачком, либо в течение какого-то времени. Таким образом, для частицы с большими значениями є1 и уі на зависимость силы от избыточного заряда практически не влияет, есть переходное сопротивление контакта частица-электрод или оно равно нулю. Сопротивление контакта оказывает влияние на время достижения избыточного заряда и соответствующей ему силы.

Учет конечной величины контактного сопротивления. В этом случае на нижней поверхности частицы присутствует свободный заряд q2 своб, отличающийся по величине от заряда qi своб. Этот заряд q2 своб из-за процессов разделения и нейтрализации в каждый момент времени составляет некоторую долю того заряда, который имеет место при чисто биполярном разделении зарядов. График зависимости силы от избыточного заряда в этом случае должен проходить между кривыми 1 и 2, рис.3.5. Пусть в каждый момент времени t заряды на частице связаны соот ношением У 2 своб = S І1-, Величина s меняется от нуля при чисто ин дукционной зарядке, когда весь заряд q2 своб нейтрализуется, до единицы при биполярном заряжении, когда Ч2 Чі , и в общем случае при конечном контактном сопротивлении зависит от времени.