RU2402381C1

RU2402381C1 - Centrifugal concentrator

Info

Publication number: RU2402381C1
Application number: RU2009138057/03A
Authority: RU
Inventors: Евгений Семёнович Михеев (RU); Евгений Семёнович Михеев; Илья Евгеньевич Михеев (RU); Илья Евгеньевич Михеев
Original assignee: Евгений Семёнович Михеев; Илья Евгеньевич Михеев
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2010-10-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: proposed concentrator can be used in enrichment of mineral resources. It comprises the base, drive and cup with entrapping coat. Flywheel is mounted aligned with said cup. Drive is articulated with the cup and flywheel to allow variable gear ratio there between by means of, for example rotary rocker mechanism. Flywheel and cup revolve with angular opposite-sign accelerations. Besides concentrator can be furnished with mechanism designed to set limits of gear ratio variations.

EFFECT: higher efficiency.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, в частности к устройствам для выделения свободных частиц тяжелых полезных компонентов в центробежном поле, в которых разделение материалов по плотности происходит в жидкой среде. Благодаря компактности, возможности улавливать мелкие и тонкие классы с высокой производительностью, простоте обслуживания и экологичности эти устройства (центробежные концентраторы) получили широкое распространение. Однако им присущ общий недостаток: малое время эффективной работы в связи с уплотнением материала на улавливающем покрытии чаши (в нарифлениях) под действием центробежной силы. Поэтому основным направлением усовершенствования центробежных концентраторов (сепараторов) является увеличение времени их эффективной работы путем противодействия процессу уплотнения материала, находящегося в чаше (минеральная постель).The present invention relates to the field of mineral processing, in particular to devices for the separation of free particles of heavy mineral components in a centrifugal field, in which the separation of materials by density occurs in a liquid medium. Due to their compactness, the ability to capture small and thin classes with high performance, ease of maintenance and environmental friendliness, these devices (centrifugal concentrators) are widely used. However, they have a common drawback: a short time of effective work in connection with the compaction of the material on the catching coating of the bowl (in arrays) under the action of centrifugal force. Therefore, the main direction of improvement of centrifugal concentrators (separators) is to increase the time of their effective operation by counteracting the compaction process of the material in the bowl (mineral bed).

Известен центробежный сепаратор для доводки геологоразведочных проб (а.с. СССР 208587, кл. 1а,8, МПК B03 B, УДК 622.771.5(088.8)), в котором с целью повышения извлечения металла чаша имеет коническую форму, а кольцевые нарифления имеют переменный шаг и переменную глубину. Повышение извлечения в этом случае может быть существенным только непродолжительное время, так как минеральная постель остается статичной.A centrifugal separator is known for refinement of exploration samples (AS USSR 208587, class 1a, 8, IPC B03 B, UDC 622.771.5 (088.8)), in which the cup has a conical shape to increase metal recovery, and ring annular arches have variable pitch and variable depth. The increase in extraction in this case can be significant only for a short time, since the mineral bed remains static.

Известен центробежный сепаратор, содержащий чашу с нарифлениями и неподвижные рыхлители, свободные концы которых размещены внутри рифлей. При вращении чаши неподвижные рыхлители воздействуют на материал, находящийся в рифле. (Журнал «Колыма» 1993 г.6 стр.13…16). Аналогичное решение предложено (Патент RU 2062149 C1, МПК В03В 5/32), где определены оптимальные параметры конусности чаши, форма рыхлителей и их расположение (горизонтальное) Повышая эффективность извлечения, эти сепараторы не свободны от недостатков, а именно:A centrifugal separator is known, which contains a cup with muffs and fixed cultivators, the free ends of which are placed inside the riffles. When the bowl rotates, stationary rippers act on the material in the flute. (The magazine "Kolyma" 1993 G. 6 pp. 13 ... 16). A similar solution was proposed (Patent RU 2062149 C1, IPC V03B 5/32), where the optimal parameters of the bowl taper, the shape of the rippers and their location (horizontal) were determined. Increasing the extraction efficiency, these separators are not free from disadvantages, namely:

- рыхлители энергично противодействуют уплотнению материала лишь в части объема рифли, пристенный слой (наиболее значимый для процесса обогащения) остается плотным из-за необходимости зазора между рыхлителем и покрытием чаши;- the cultivators energetically counteract the compaction of the material only in part of the corrugation volume, the wall layer (the most significant for the enrichment process) remains dense due to the need for a gap between the cultivator and the bowl coating;

- рыхлители создают турбулентность в локальных объемах своего действия, причем наибольшему искажению естественной поверхности пульпы подвергается ближний к оси вращения слой, откуда, в основном, частицы более плотного материала «пытаются» проникнуть вглубь объема. Гидродинамические силы восходящего потока пульпы подхватывают мелкие и тонкие «возбужденные» частицы полезного компонента, унося их в хвосты.- cultivators create turbulence in local volumes of their action, and the layer closest to the axis of rotation undergoes the greatest distortion of the natural surface of the pulp, from where, basically, particles of a denser material “try” to penetrate deep into the volume. The hydrodynamic forces of the upward flow of pulp pick up small and thin “excited” particles of the useful component, carrying them to the tails.

Известен центробежный концентратор (Патент RU 2049561 C1, МПК В03В 5/32), содержащий чашу с нарифлениями, установленный внутри чаши диск (для предварительного разгона пульпы), а также сопла для подачи разрыхляющей воды, обращенные к нарифлениям. Замена механических рыхлителей струями воды, подаваемой в рифли под напором, принципиально не изменила ситуацию: основная масса материала в рифлях прижимается центробежной силой к стенке чаши, а в локальных объемах действия струй воды турбулентность «разжижает» материал, способствуя одновременно сносу тонких частиц.A centrifugal concentrator is known (Patent RU 2049561 C1, IPC B03B 5/32), containing a cup with muffs, a disk installed inside the cup (for preliminary dispersal of the pulp), as well as nozzles for supplying loosening water, facing the muffs. Replacing mechanical rippers with jets of water supplied to the riffles under pressure did not fundamentally change the situation: the bulk of the material in the riffles is pressed by centrifugal force against the wall of the bowl, and in local volumes of water jets turbulence “dilutes” the material, contributing to the removal of fine particles.

Широко известный сепаратор Knelson компании Batman Enginering Incorporation, содержащий вертикально установленный ротор в форме усеченного конуса с двойными стенками, внутренняя поверхность конуса содержит кольцевые канавки, на дне которых имеются отверстия для подачи воды из межстенного пространства для разрыхления материала. Здесь рыхление постели происходит от пристенного слоя и, практически, по всему объему (с учетом того, что количество отверстий имеет порядок тысяч).The well-known Batels Enginering Incorporation Knelson separator containing a vertically mounted rotor in the form of a truncated cone with double walls, the inner surface of the cone contains annular grooves at the bottom of which there are holes for supplying water from the interstitial space for loosening the material. Here, the loosening of the bed comes from the near-wall layer and, practically, throughout the entire volume (taking into account that the number of holes is of the order of thousands).

К недостаткам этой конструкции можно отнести необходимость обеспечения соотношения центробежной силы и давления «разрыхляющей» воды в довольно узких пределах, что особенно сложно в период остановки аппарата для съема концентрата. Кроме того, наличие потока разрыхляющей воды от пристенного слоя к центру не исключает выноса тонких частиц полезного продукта. Вместе с тем, многочисленные отверстия в дне рифлей допускают частицам твердого проникать в межстенное пространство, что является проблемой как для эксплуатации (необходимо чистить это пространство даже при чистой разрыхляющей воде), так и для процесса (возможна потеря металла).The disadvantages of this design include the need to ensure the ratio of centrifugal force and pressure of "loosening" water within fairly narrow limits, which is especially difficult during the stop of the apparatus for removing the concentrate. In addition, the presence of a flow of loosening water from the near-wall layer to the center does not exclude the removal of fine particles of a useful product. At the same time, numerous openings in the bottom of the grooves allow solid particles to penetrate into the inter-wall space, which is a problem both for operation (it is necessary to clean this space even with clean loosening water) and for the process (metal loss is possible).

Известно устройство (Патент RU 2132738 С1, МПК В03В 5/32), включающее вращающуюся коническую гибкую чашу с нарифлениями, с внешней стороны которой равномерно по окружности установлены обжимающие ролики с неподвижными осями. Это техническое решение обеспечивает встряхивание минеральной постели в зоне действия обжимных роликов, создавая отрицательные ускорения в радиальном направлении. Учитывая, что часть чаши (по высоте) постоянно деформируется, это техническое решение реализуемо для устройств небольших размеров.A device is known (Patent RU 2132738 C1, IPC V03B 5/32), comprising a rotating conical flexible bowl with arrays, on the outside of which compression rollers with fixed axes are mounted uniformly around the circumference. This technical solution provides shaking of the mineral bed in the area of action of the crimp rollers, creating negative accelerations in the radial direction. Given that part of the bowl (in height) is constantly deformed, this technical solution is feasible for small devices.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является схема центробежно-вибрационного концентратора, приведенная в Патенте RU 2031727 C1, МПК В03В 5/32 на способ разделения смеси, когда в центробежно-вибрационном сепараторе на чашу воздействуют силовыми импульсами в плоскости, перпендикулярной оси чаши, при отношении импульсов к частоте вращения чаши от 3 до 11.Closest to the proposed technical solution (prototype) is the centrifugal-vibration concentrator scheme shown in Patent RU 2031727 C1, IPC V03V 5/32 on the method of separation of the mixture, when in the centrifugal-vibration separator the force is applied to the bowl in a plane perpendicular to the axis of the bowl , with the ratio of pulses to the frequency of rotation of the bowl from 3 to 11.

Реализация указанного способа разделения смесей по приведенной схеме обеспечивает сложное движение чаши, состоящее из двух вращений: вращение чаши относительно собственной оси и вращение оси чаши относительно неподвижной оси. Каждое из вращений осуществляется независимо и угловые скорости являются абсолютными. Из теоретической механики известно, что такое движение можно рассматривать как вращение относительно мгновенного центра вращения (м.ц.в.) с абсолютной угловой скоростью, равной в нашем случае разности переносной (вращение оси чаши относительно неподвижной оси) и относительной (вращение чаши относительно собственной оси).(«Курс теоретической механики» И.М.Воронков, издательство «Наука», 1965 г., стр. 366). Так как схемой обеспечены абсолютные угловые скорости оси чаши и самой чаши, то относительная скорость вращения чаши относительно собственной оси определится как разность этих абсолютных скоростей. М.Ц.В. всегда находится в плоскости, проходящей через неподвижную ось и ось чаши (в плоскости эксценриситета), откуда следует, что именно в этой плоскости находятся точки чаши с наибольшим и наименьшим радиусами вращения (с наибольшей и наименьшей линейной скоростью), а так как диаметрально расположенные точки «обменяются» местами (и линейными скоростями) через половину оборота чаши в ее относительном вращении, то именно эти параметры (мгновенный радиус вращения и относительная угловая скорость) определят величину линейного (тангенциального) ускорения, действующего на точки чаши.The implementation of this method of separation of mixtures according to the above scheme provides a complex movement of the bowl, consisting of two rotations: rotation of the bowl about its own axis and rotation of the axis of the bowl relative to the fixed axis. Each of the rotations is carried out independently and the angular velocities are absolute. It is known from theoretical mechanics that such a movement can be considered as rotation relative to the instantaneous center of rotation (m.c.v.) with an absolute angular velocity equal in our case to the difference between the portable (rotation of the axis of the bowl relative to the fixed axis) and relative (rotation of the bowl relative to its own axis). ("The Course of Theoretical Mechanics" IM Voronkov, publishing house "Science", 1965, p. 366). Since the absolute angular velocities of the axis of the bowl and the bowl itself are provided by the circuit, the relative speed of rotation of the bowl relative to its own axis is determined as the difference of these absolute speeds. M.TS.V. it is always in the plane passing through the fixed axis and the axis of the bowl (in the eccentricity plane), which implies that it is in this plane that the points of the bowl with the largest and smallest radii of rotation (with the largest and smallest linear speed) are located, and since the diametrically located points “Exchange” places (and linear velocities) through half a turn of the bowl in its relative rotation, it is these parameters (instantaneous radius of rotation and relative angular velocity) that determine the linear (tangential) value of Koren, acting on the cup point.

Наличие тангенциального ускорения существенно меняет картину воздействия на материал в чаше: ускоряющаяся поверхность чаши «проскальзывает» относительно пристенного слоя, который, ускорившись в меньшей мере, чем чаша, в свою очередь «проскальзывает» относительно остальных слоев. Слои сдвигаются относительно друг друга в окружном направлении, вызывая разрыхление всего объема материала.The presence of tangential acceleration significantly changes the picture of the effect on the material in the cup: the accelerating surface of the cup “slips” relative to the wall layer, which, having accelerated to a lesser extent than the cup, in turn “slips” relative to other layers. The layers are shifted relative to each other in the circumferential direction, causing loosening of the entire volume of the material.

Основным недостатком прототипа является то, что относительный сдвиг слоев стеснен из-за различия скоростей и ускорений (как нормальных, так и тангенциальных) всех точек чаши, а изменению объема материала в слое препятствует нормальная составляющая центробежной силы. Иными словами, материалу, стремящемуся сдвинуться по окружности в «своем» направлении, противодействует материал этого же слоя, испытывающий в это время тангенциальную силу в противоположном направлении, в результате чего для осуществления перемещений часть материала выжимается на меньший радиус, а это существенно уменьшает величину сдвига.The main disadvantage of the prototype is that the relative shift of the layers is constrained due to the difference in speeds and accelerations (both normal and tangential) of all points of the bowl, and the normal component of the centrifugal force prevents the change in the volume of material in the layer. In other words, a material tending to move in a circumference in its “own” direction is opposed by the material of the same layer, which is experiencing tangential force in the opposite direction at the same time, as a result of which part of the material is squeezed out by a smaller radius, which significantly reduces the amount of shift .

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности процесса обогащения путем придания чаше переменной скорости вращения относительно неподвижной оси (плавное изменение передаточного отношения от привода к чаше в течение цикла), что порождает меняющееся по знаку угловое ускорение, одинаковое для всех точек чаши. Это ускорение (изменение линейной скорости) вызывает перемещение слоев материала относительно друг друга в окружном направлении, чему способствует то обстоятельство, что все точки кольцевого слоя испытывают тангенциальную силу одного направления. Величина смещения слоев относительно друг друга определится, очевидно, соотношением тангенциального и нормального ускорений (сил) аналогично тому, как величина перемещения материального тела по плоскости определяется соотношением сдвигающего импульса силы и нормальной силы (веса). Здесь имеется подобие коэффициенту трения, известного из физики: смещение слоев происходит при отношении тангенциальной силы к нормальной не ниже определенной величины. Следует заметить, что в нашем случае это соотношение зависит от характеристики исходного сырья.The aim of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the enrichment process by giving the bowl a variable speed of rotation relative to the fixed axis (smooth change in the gear ratio from the drive to the bowl during the cycle), which generates a sign that changes in sign, the angular acceleration is the same for all points of the bowl. This acceleration (linear velocity change) causes the material layers to move relative to each other in the circumferential direction, which is facilitated by the fact that all points of the annular layer experience the tangential force of one direction. The magnitude of the displacement of the layers relative to each other is obviously determined by the ratio of the tangential and normal accelerations (forces), similarly to how the displacement of a material body on a plane is determined by the ratio of the shear momentum of the force and normal force (weight). Here there is a similarity to the coefficient of friction, known from physics: the displacement of the layers occurs when the ratio of the tangential force to the normal is not lower than a certain value. It should be noted that in our case this ratio depends on the characteristics of the feedstock.

Для парирования реактивных моментов на привод от постоянно меняющихся разгонов-торможений чаши соосно и в противофазе с ней вращается маховик, забирая энергию у тормозящейся чаши (сам при этом разгоняясь) и отдавая энергию ускоряющейся чаше (сам при этом тормозясь). Сумма кинетических энергий маховика и чаши остается практически постоянной, и привод равномерно передает энергию, несколько большую, чем в обыкновенном центробежном концентраторе, так как она дополнительно расходуется на смещение слоев.To counter reactive moments to the drive from constantly changing acceleration and deceleration of the bowl, the flywheel rotates coaxially and out of phase with it, taking energy from the braking bowl (while accelerating itself) and giving energy to the accelerating bowl (while braking itself). The sum of the kinetic energies of the flywheel and the bowl remains almost constant, and the drive evenly transfers energy, somewhat larger than in an ordinary centrifugal concentrator, since it is additionally spent on the displacement of the layers.

На фиг.1 и 2 схематично показан соответственно общий вид предлагаемого концентратора (без загрузочного и разгрузочного устройств) и сложный разрез концентратора. На фиг.3 показаны графики изменения угловой скорости чаши, рассчитанные для различных величин смещения осей шкива привода и чаши.Figure 1 and 2 schematically shows, respectively, a General view of the proposed hub (without loading and unloading devices) and a complex section of the hub. Figure 3 shows graphs of changes in the angular velocity of the bowl, calculated for different values of the displacement of the axes of the drive pulley and the bowl.

Концентратор состоит из основания 1, в подшипниковом узле которого установлена объединенная с валом 2 чаша 3 с улавливающим покрытием, соосно с чашей размещен маховик 4, в котором выполнен радиальный паз 5 для размещения в нем ролика 6, установленного на шкиве 7 привода 8. Шкив 7 имеет радиальный паз 9 для размещения в нем ролика 10 (аналогичен ролику 6), установленного на кронштейне 11, жестко связанном с валом 2, следовательно, с чашей 3. Оси шкива 7 и чаши 3 смещены относительно друг друга на величину «е».The concentrator consists of a base 1, in the bearing assembly of which a bowl 3 with a catching coating combined with the shaft 2 is installed, a flywheel 4 is placed coaxially with the bowl, in which a radial groove 5 is made to accommodate a roller 6 mounted on the pulley 7 of the drive 8. Pulley 7 has a radial groove 9 for accommodating a roller 10 (similar to roller 6) mounted on an arm 11 that is rigidly connected to the shaft 2, therefore, the bowl 3. The axles of the pulley 7 and the bowl 3 are offset relative to each other by an amount of "e".

Работает концентратор следующим образом. Электродвигатель привода 8 посредством ременной передачи вращает шкив 7, который благодаря взаимодействию паза 9 с роликом 10 вовлекает во вращение вал 2 с чашей 3. Одновременно шкив 7 благодаря взаимодействию «своего» ролика 6 с пазом 5 маховика 4 вращает маховик. Кинематическая пара шкив - чаша посредством ролика образует кулисный механизм с вращающейся кулисой, который характеризуется переменной угловой скоростью ведомого звена (чаша) при равномерном вращении ведущего звена (шкив). (Артоболевский И.И. «Механизмы в современной технике», т.2, стр.13, - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979 г.). Точно такую же пару образуют шкив- маховик. Ролики 6 и 9 одновременно с вращением совершают возвратно-поступательные перемещения относительно «своих» пазов.The hub operates as follows. The drive motor 8 through a belt drive rotates the pulley 7, which, due to the interaction of the groove 9 with the roller 10, engages the shaft 2 with the bowl 3 in rotation. At the same time, the pulley 7, due to the interaction of its own roller 6 with the groove 5 of the flywheel 4, rotates the flywheel. The kinematic pair of pulley - bowl through the roller forms a rocker mechanism with a rotating link, which is characterized by a variable angular velocity of the driven link (bowl) with uniform rotation of the drive link (pulley). (Artobolevsky II, “Mechanisms in modern technology”, vol. 2, p. 13, - M .: Nauka. Main editorship of physical and mathematical literature, 1979). The exact same pair is formed by a flywheel pulley. The rollers 6 and 9 simultaneously with the rotation make reciprocating movements relative to "their" grooves.

Представленное взаиморасположение элементов (ролики, пазы, оси чаши и шкива) обеспечивает вращение чаши и маховика в противофазе: замедление вращения чаши происходит одновременно с ускорением вращения маховика, и наоборот.The presented relative position of the elements (rollers, grooves, the axis of the bowl and pulley) provides the rotation of the bowl and the flywheel in antiphase: the slowing down of the rotation of the bowl occurs simultaneously with the acceleration of rotation of the flywheel, and vice versa.

На практике обогащаемый материал может иметь весьма широкий разброс характеристик по обогатимости, что требует различной интенсивности рыхления минеральной постели. Интенсивность рыхления зависит от величины смещения осей (е), при «е», равном нулю, концентратор превращается в простой «центробежник». Перемещение шкива привода 7 относительно основания 1 от совпадения осей (е=0) до некоторой максимальной величины (е=e_max) меняет диапазон изменения передаточного отношения от 1 до максимального значения в цикле одинаково для чаши и маховика. Среднее за цикл (оборот) передаточное отношение равно единице. На фиг.1 смещение осей осуществляется перемещением всего привода 8 относительно основания 1 регулировочным винтом 12.In practice, the enriched material can have a very wide range of enrichment characteristics, which requires different intensities of loosening of the mineral bed. The intensity of loosening depends on the displacement of the axes (e), with "e" equal to zero, the concentrator turns into a simple "centrifugal". The movement of the drive pulley 7 relative to the base 1 from the coincidence of the axes (e = 0) to a certain maximum value (e = e _max ) changes the range of the gear ratio from 1 to the maximum value in the cycle the same for the bowl and the flywheel. The average gear ratio (cycle) is equal to one. In Fig.1, the displacement of the axes is carried out by moving the entire drive 8 relative to the base 1 with the adjusting screw 12.

Влияние величины смещения осей на угловую скорость чаши определяется по известным зависимостям теоретической механики. В качестве примера на фиг.3 приведены графики изменения угловой скорости чаши, рассчитанной при угловой скорости маховика 140 об/мин и радиусе размещения роликов 100 мм при разных величинах смещения осей шкива и чаши. Кривая 1 - при величине смещения е=5 мм; кривая 2 - при величине смещения е=40 мм; кривая 3 - при е=0. Из графиков видно, что при неизменном периоде неравномерность вращения чаши меняется весьма существенно. Средняя угловая скорость (за оборот) чаши и маховика одинакова и равна скорости шкива.The influence of the displacement of the axes on the angular velocity of the bowl is determined by the known dependences of theoretical mechanics. As an example, figure 3 shows graphs of the change in the angular velocity of the bowl, calculated at an angular speed of the flywheel of 140 rpm and a radius of placement of the rollers of 100 mm for different values of the displacement of the axes of the pulley and the bowl. Curve 1 - with a displacement value of e = 5 mm; curve 2 - with a displacement value of e = 40 mm; curve 3 - for e = 0. The graphs show that with a constant period, the uneven rotation of the bowl changes quite significantly. The average angular velocity (per revolution) of the bowl and flywheel is the same and equal to the speed of the pulley.

Claims

1. A centrifugal concentrator containing a base, a rotating bowl with a catching coating and a drive, characterized in that to increase the efficiency of the enrichment process, a flywheel is placed coaxially with the bowl, the drive is kinematically connected to the bowl and the flywheel, ensuring a variable gear ratio with each of them, for example, by means of a rocker mechanism with a rotating wings, wherein the flywheel and the bowl rotate with angular accelerations opposite in sign.

2. The centrifugal concentrator according to claim 1, characterized in that it is equipped with a mechanism for regulating the limits of change of gear ratios.