Классификация и сортировка материалов

 

Разделение твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зерен называется классификацией.

Известны два основных способа классификации: 1) ситовая (грохочение) – механическое разделение на ситах; 2) гидравлическая – разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или в воздухе.

Разделение смеси зерен на классы в воздушной среде называется сепарацией.

Классификация может иметь самостоятельное значение – для приготовления готовых продуктов определенных сортов (в этом случае она называется сортировкой) или быть вспомогательной операцией для предварительной подготовки материала к последующей переработке. Наиболее широко различные способы классификации используются совместно с процессами измельчения.

Грохочение. Процесс разделения сыпучих материалов на классы по крупности путем просеивания через одно или несколько сит называется грохочением.

Основной частью аппаратов для грохочения (грохотов) является рабочая поверхность, изготовляемая в виде проволочных сеток (сит), стальных перфорированных листов (решет) или параллельных стержней (колосников).

Проволочные сита изготовляются из сеток с квадратными или прямоугольными отверстиями размером от 100 до 0,4 мм. Согласно ГОСТ сита обозначаются номерами, соответствующими размеру стороны отверстия сетки между проволоками, выраженного в миллиметрах. Размеры ячеек сеток стандартизованы в соответствии с нормальным рядом чисел в машиностроении.

Решета – стальные листы толщиной 3–12 мм с проштампованными или просверленными отверстиями размером 5–50 мм. При штамповке отверстия получаются расширяющимися по толщине листа сверху вниз, что уменьшает возможность их забивания материалом.

Колосники – стержни, обычно трапециевидного сечения. Для колосниковых решеток иногда используют старые рельсы со срезанной подошвой.

Определение гранулометрического состава сыпучего материала, т. е. определение содержания в нем частиц различных размеров, называется ситовым анализом. При выполнении ситового анализа проводится рассев средней пробы материала. Для рассева применяют набор проволочных сит с постоянным отношением (модулем) размера отверстий каждого сита к последующему, равным или (для более подробного ситового анализа).

После просеивания взвешивают остатки материала на каждом из сит, а также зерна, прошедшие через самое тонкое (нижнее) сито. Отношение количеств полученных остатков на ситах к навеске исходного материала показывает содержание различных классов зерен в материале, т. е. зерен, размеры которых ограничены верхним и нижним пределами, соответствующими размерам отверстий верхнего и нижнего соседних сит.

Классы зерен обозначают размерами отверстий этих сит, соответствующими предельным размерам зерен данного класса. Если, например, зерна получены последовательным просеиванием на ситах № 2 и № 1, т. е. с отверстиями 2 и 1 мм, то класс зерен обозначают следующим образом: 2 + 1 мм.

Графическое изображение состава сыпучего материала в координатах «содержание (выход) зерен данного класса – номера сит» называется характеристикой крупности.

На основании данных ситового анализа могут быть построены кривые распределения. Кривая распределения, или характеристика крупности, определяет гранулометрический состав сыпучего материала, представляющего собой статистическую совокупность зерен разной крупности.

Классификация по крупности на грохоте происходит при относительном движении материала и рабочей поверхности грохота. В результате получают два продукта: куски (зерна), прошедшие через сито — просев (подрешеточный продукт), и куски (зерна), оставшиеся на сите — отсев (надрешеточный продукт). Работа грохотов оценивается двумя показателями: эффективностью грохочения и производительностью грохота.

Эффективность грохочения в процентах определяется по формуле

, (9.13)

где – масса подрешеточного продукта; – масса исходного материала;
– содержание нижнего класса в исходном материале, %.

Материальный баланс по нижнему классу (без учета потерь материала):

,

где – масса надрешеточного продукта; – содержание нижнего класса в надрешеточном продукте, %.

Учитывая, что (согласно материальному балансу грохота), последнее уравнение можно представить в виде

 

,

откуда

.

 

Заменяя отношение в выражении (9.13) найденным его значением, окончательно в процентах получим

. (9.14)

Величины и определяют рассевом проб материала.

Производительность грохота зависит от физических свойств материала (плотности, формы и размера зерен, влажности), размеров сита, относительной скорости движения материала, способа его подачи, толщины слоя материала на сите и других факторов и находится по эмпирическим уравнениям, приводимым в специальной литературе.

Грохочение производится через одно сито (решето, колосники) или последовательно через несколько сит – многократное грохочение.

Многократное грохочение осуществляется тремя способами: от мелкого к крупному – через сита, расположенные в одной плоскости, размеры отверстий которых увеличиваются от предыдущего к последующему ситу (рис. 9.15а); от крупного к мелкому – через сита, расположенные одно над другим, размеры которых уменьшаются от верхнего к нижнему ситу (рис. 9.15б); комбинированным способом (рис. 9.15в).

Грохочение от мелкого к крупному имеет ряд достоинств: удобство обслуживания, ремонта и смены сит, небольшая высота грохота, удобство распределения отдельных фракций продукта по сборникам. К недостаткам этого способа относятся: невысокое качество грохочения, так как отверстия мелких сит перекрываются крупными кусками, перегрузка и повышенный износ мелких сит, значительная длина грохота.

Достоинства грохочения от крупного к мелкому: лучшее качество грохочения вследствие отсева в первую очередь наиболее крупных кусков, меньший износ сит. Недостатки: сложность ремонта и смены сит, большая высота грохотов, неудобный отвод готового продукта.

 

 

Рис. 9.15. Способы многократного грохочения:

а) от мелкого к крупному; б) от крупного к мелкому; в) комбинированный

 

Недостатки первых двух способов грохочения удается в известной мере преодолеть при грохочении комбинированным способом.

Грохоты разделяются на две группы: неподвижные и подвижные. По форме просеивающей поверхности различают плоские и цилиндрические (барабанные) грохоты. В зависимости от расположения грохоты делятся на наклонные и горизонтальные.

Плоским неподвижным грохотом является колосниковая решетка, которая устанавливается с наклоном 30–50°. Такие грохоты применяются для крупного грохочения (размер щели между колосниками не менее 50 мм ).

Неподвижный колосниковый грохот очень прост по устройству, но обеспечивает несовершенную классификацию и сравнительно легко забивается.

Роликовые грохоты представляют собой ряд параллельно расположенных валов с насаженными на них концентрично и эксцентрично роликами или дисками, вращающимися в одном направлении. Рассеиваемый материал движется по роликам, при этом нижний продукт проваливается в зазоры между роликами. Скорость вращения роликов возрастает в направлении движения материала, благодаря чему грохот не забивается. Верхний продукт разгружается в конце грохота. Роликовые грохоты по сравнению с колосниковыми обеспечивают более эффективное грохочение, так как при движении по роликам материал непрерывно встряхивается.

Барабанные грохоты. Барабанный грохот представляет собой открытый с торцов барабан цилиндрической, конической или многогранной формы, изготовленный из сетки или перфорированных стальных листов. Барабан вращается либо на центральном валу, установленном на выносных подшипниках, либо на опорных роликах. Привод барабана обычно осуществляется с помощью конической зубчатой передачи, причем одна из шестерен укрепляется на валу, а у небольших грохотов – непосредственно на барабане.

Барабаны грохотов устанавливают наклонно, под углом 4–7° к горизонту. Конические барабаны устанавливают горизонтально. Отверстия в барабане для прохода нижнего продукта в большинстве случаев делают увеличивающимися по ходу материала (грохочение от мелкого к крупному). Окружная скорость барабанных грохотов составляет 0,6–1,5 м/с.

Достоинством барабанных грохотов является: простота конструкции и обслуживания, равномерное вращение. Однако эти грохоты при большой металлоемкости имеют небольшую производительность единицы поверхности сита и сравнительно легко забиваются.

Указанные недостатки столь существенны, что барабанные грохоты постепенно вытесняются плоскими качающими и вибрационными грохотами.

Плоские качающиеся грохоты на пружинящих опорах имеют прямоугольный короб с ситом, которому сообщаются качания от эксцентрикового механизма. При качаниях грохота, обычно наклоненного к горизонту под углом
7–14°, материал перемещается вдоль сита. При этом нижний продукт просеивается, а верхний сбрасывается с разгрузочного конца грохота.

Плоские качающиеся грохоты применяют для классификации сухим и мокрым способом материалов с размером кусков не более 50 мм.

Достоинства грохотов: большая производительность, чем у колосниковых и барабанных грохотов, высокая эффективность грохочения, компактность, удобство обслуживания и ремонта.

Вибрационные грохоты. В этих грохотах плоское и обычно наклонное сито совершает колебание с помощью специального вибратора. Получили широкое распространение благодаря следующим преимуществам: при любой частоте колебаний отверстия сит почти не забиваются материалом; более высокая производительность и эффективность грохочения, чем у грохотов других типов; пригодность для грохочения влажных материалов; компактность, относительная легкость регулирования и простота смены сит; меньший, чем для других грохотов расход энергии.

Гидравлическая классификация и воздушная сепарация. Гидравлической классификацией называется процесс разделения неоднородного по крупности твердого материала на классы в зависимости от скорости осаждения зерен разного размера в жидкой (водной) или газовой (воздушной) средах. Каждый класс зерен, выделяемых при классификации, является совокупностью зерен, обладающих близкими значениями скорости осаждения.

Гидравлическая классификация осуществляется в горизонтальных, восходящих и вращающихся потоках воды, движущейся в классификаторе с такой скоростью, что зерна меньше определенного размера, не успевая оседать, уносятся с нею в слив, зерна же большего размера оседают в классификаторе. По результату действия к гидравлическим классификаторам следует отнести все аппараты отстойного типа. В отличие от грохочения гидравлическая классификация применяется для разделения мелкого материала (5–0,05 мм и менее).

Гидравлические классификаторы. Эти аппараты используются главным образом для классификации продукта измельчения, получаемого в мельницах, и работают в замкнутом цикле с ними. При этом слив классификатора является готовым продуктом, а пески, состоящие из более крупных частиц, возвращаются в мельницу на доизмельчение. Наибольшее распространение получили спиральные, реечные и чашечные классификаторы.

Спиральный классификатор представляет собой наклонное (под углом
12–18°) корыто полуцилиндрического сечения, внутри которого со скоростью от 1,5 до 20 мин^-1 вращаются одна или несколько спиралей, частично погруженных в жидкость и транспортирующих пески в верхнюю часть корыта для выгрузки. Слив удаляется из нижней части классификатора через высокий порог. Угол наклона корыта, число оборотов спиралей и концентрация твердого материала в пульпе являются основными факторами, влияющими на эффективность классификации и производительность аппарата.

В реечных классификаторах транспортирование песков в корыте коробчатого сечения осуществляется рамами со скребками, совершающими возвратно-поступательное движение. Периодически опускаясь на дно короба, рамы перемещаются на некоторое расстояние вверх, сгребая осевшие пески, после чего поднимаются над дном и приподнятыми перемещаются в обратном направлении, не задевая осевших песков. Затем гребки опускаются на дно короба, и цикл повторяется. По сравнению со спиральными классификаторами реечные имеют меньшую удельную производительность, более сложны по конструкции, труднее сопрягаются с мельницами при замкнутом цикле измельчения. Поэтому спиральные классификаторы, особенно в крупнотоннажных производствах, вытесняют реечные.

Чашевый классификатор, обеспечивающий высокую производительность по сливу, представляет собой реечный классификатор, над нижним концом которого установлена конусная чаша c медленно вращающимися гребками. Пульпа, направленная на классификацию, поступает в чашу, где крупные частицы оседают на дно, сгребаются гребками к центру и через отверстие в дне чаши попадают в корыто реечного классификатора. Мелкие частицы уходят в слив через край корыта в кольцевой желоб. В реечном классификаторе мелкая фракция, увлеченная песками, отмывается водой, движущейся противотоком, и направляется в чашу агрегата.

Для выделения наиболее мелких частиц применяют гидравлическую классификацию под действием центробежных сил в гидроциклонах. Они характеризуются высокой производительностью, но не обеспечивают четкую классификацию. Гидравлическая классификация частиц размером до 3–15 мкм проводится в отстойных центрифугах со шнековой выгрузкой.

Воздушные сепараторы делятся на сепараторы с замкнутым потоком воздуха и воздушно-проходные.

Центробежно-воздушный сепаратор с замкнутым потоком воздуха
(рис. 9.16) имеет конический корпус 1 и внутренний конус 2.

 

 

Рис. 9.16. Центробежно-воздушный сепаратор с замкнутым потоком воздуха:

1 – корпус; 2 – внутренний конус; 3 – распределительный диск;

4 – вентилятор; 5 – заслонка; 6 – патрубок для удаления крупных частиц;

7 – патрубок для удаления мелких частиц

 

Над внутренним конусом установлен вентилятор 4, обеспечивающий циркуляцию воздуха. Материал поступает через воронку на вращающийся распределительный диск 3 и отбрасывается центробежной силой к стенкам конуса 2. Крупные частицы сползают по стенкам и удаляются через трубу 6. Мелкие частицы подхватываются воздушным потоком, осаждаются на стенках корпуса, сползают с них и выгружаются через трубу 7.

Разделение сыпучего материала на фракции по размерам частиц регулируется поворотом заслонок 5, в результате чего изменяется расход циркулирующего воздуха.

На рис. 9.17 приведена схема воздушно-проходного центробежного сепаратора, работающего обычно в одном агрегате с измельчителем. Измельченный материал, транспортируемый потоком воздуха, поступает из измельчителя в сепаратор снизу. Затем он движется по кольцевому каналу между корпусом 1 и внутренним конусом 2 и проходит между поворотными лопатками 7 в конус 2. Воздух с мелкими взвешенными частицами отсасывается через патрубок 6. Крупные частицы отбрасываются на стенки внутреннего конуса и удаляются из него через патрубок 5. Они присоединяются к потоку крупных частиц, осажденных в кольцевом канале. По патрубку 4 крупные частицы направляются на повторное измельчение в мельницу.

Выведенные с потоком воздуха по патрубку 6 мелкие частицы направляются в циклон, где они осаждаются. Воздух из циклона при работе в замкнутом цикле возвращается в измельчитель или при работе в открытом цикле выбрасывается наружу.

Рис. 9.17 Схема воздушно-проходного центробежного сепаратора:

1 – корпус; 2 – внутренний конус; 3 – патрубок для ввода исходного сырья;

4,5 – патрубки для отвода крупных частиц; 6 – патрубок для вывода воздуха с мелкими частицами; 7 – поворотные лопатки