Файл: Олофинский Н.Ф. Трибоадгезионная сепарация.pdf

іощихся увеличением пройденного пути и давления воздуха, заряд возрастает (рис. 9), при этом начальная скорость заряжания не зависит от дав­ ления.

Рис. 11. Изменение максимально­ го заряда образца из плавленного кварца в вакууме в зависимости от скорости его качения:

1 — о ч и щ е н н ы й о б р а з е ц ; 2 — о ч и щ е н н ы й

При малых скоростях качения (рис. 10) величина заряда также не зависит от давления. При влажных же или загрязненных поверхностях скорость заряжа­ ния частиц в пределах указанных скоростей качения снижается (рис. 11).

Вначале, при небольших скоростях, заряд быст­ ро увеличивается, достигает максимума в некотором промежутке скоростей, а затем резко уменьшается. Снижение заряда при больших скоростях объясняется изменением поверхностных свойств образца, вызван­ ным процессом качения. Местный нагрев поверхности частицы способствует увеличению его поверхностной проводимости.

Механизм заряжания частиц диэлектрика (при контакте с металлом) в зависимости от скорости ка­ чения объясняется переходом электронов от металла к диэлектрику. При трибоадгезионной сепарации, соп­ ровождающейся обычно малыми скоростями качения

36

(2—4 см/с) сепарируемых материалов по лотку, за­ ряд увеличивается, особенно при вибрации.

Величины зарядов зависят также от чистоты по­ верхности материала и плотности соприкосновения поверхностей трения между собой. Чем больше по­

времени качения показано на рис. 12. Вначале заряд быстро увеличивается, а затем величина его стабили­ зируется [35]. Аналогичное изменение величин за­ рядов наблюдалось также и другими исследователя­ ми [54].

При наших экспериментах принимались: скорость перемещения частиц по лотку о=3,5 см/с, длина лотка 400 мм. На этом пути наблюдалось увели­ чение заряда частиц, а следовательно, и силы адге­ зии [47].

Приведенный обзор факторов, влияющих на адге­ зию, не охватывает всех особенностей, характеризую­ щих поверхностные явления твердых тел, однако выявленные нами [5—11, 47] возможности управле­ ния некоторыми из них помогли повысить эффек­ тивность сепарации многих тонкодисперсных мате­ риалов.

37

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ТРИБОАДГЕЗИОННОЙ СЕПАРАЦИИ

1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ТРИБОАДГЕЗИОННОЙ СЕПАРАЦИИ

При содержании в исходном материале значитель­ ного количества тонких частиц обогащение его на барабанных электросепараторах малоэффективно, а иногда и невозможно. В этом случае на процесс раз­ деления, наряду с прочими факторами, значительно влияет адгезия. При этом частицы мельче 40 мкм, не­ зависимо от их физических свойств, прочно удержи­ ваются на поверхности барабана, что ухудшает их сепарацию и делает ее в ряде случаев неэффектив­ ной.

В то же время в связи с развитием порошковой металлургии и широким использованием узкокласспфицированных продуктов в химической, электротех­ нической и других отраслях промышленности сепара­ ция сухими методами тонкоизмельченных материалов (мельче 75 мкм) является весьма актуальной зада­ чей.

Успешное развитие электронно-ионной технологии все же позволило применить для указанных целей электрические методы сепарации, основанные на раз­ личии электропроводности и диэлектрической прони­ цаемости исходных материалов.

Доказана возможность эффективного использова­ ния зарядов трения и сил молекулярного сцепления для разделения полезных ископаемых и материалов по крупности и вещественному составу, а в ряде случаев и по насыпной массе, что позволило создать принци­ пиально новый (трибоадгезионный) метод сепарации

[1, 5-11, 47].

Регулируя силы адгезионного взаимодействия, можно в широких пределах изменять сепарационные свойства разделяемых материалов. Решающее значе­ ние при этом имеет электрическая составляющая си­ лы адгезии частиц порошков, менять величину кото­ рой можно усилением степени их электризации. Пос­ леднее достигается изменением электрофизических

3S

свойств, поверхностного состояния частиц, числа кон­ тактов, амплитуды вибрации и других факторов.

Способность частиц сепарируемого материала к селективному восприятию электрических зарядов как по величине, так и по знаку является одним из усло­ вий успешного применения трибоадгезнонной сепара­ ции для разделения различных полезных ископаемых по вещественному составу и крупности.

Трибоадгезионный метод сепарации первоначаль­ но трактовался с учетом действия только молекуляр­ ной составляющей силы адгезии. При дальнейшем развитии теории этого процесса на основе новых ра­ бот Б. В. Дерягина и его школы [16, 27—32, 52] установлено, что па формирование силы адгезии су­ щественно влияет и электрическая составляющая.

Молекулярная составляющая силы адгезии (см. формулу (2)] проявляется до непосредственного кон­ такта частиц и зависит в основном от размеров пос­ ледних и от площади истинного контакта. По Б. В. Дерягину [16], основная закономерность статиче­ ского прилипания может быть сформулирована следующим образом. Силы прилипания при прочих равных условиях обратно пропорциональны линейным размерам частиц. Следовательно, если имеются ма­ лые частицы, находящиеся только под действием сил прилипания и собственной массы (пропорциональной кубу их линейных размеров), то силы адгезионного взаимодействия с уменьшением размера -частиц воз­ растают.

В процессе прилипания'между поверхностями двух твердых тел возникает точечный контакт. При этом необходимая сила притяжения не относится к какойлибо площади, а устанавливается лишь зависимость этой силы от формы поверхностей вблизи точек кон­ такта.

Из рассмотренной выше теории адгезии'известно, что две соприкасающиеся частицы притягиваются друг к другу, если сила сцепления FM между ними превышает силу тяжести /ч одной из них, т. е. когда

где FM— молекулярная составляющая силы адгезии;

„39

А — безразмерный коэффициент, учитывающий фор­ му поверхности в местах контакта частицы; dcp — средний диаметр частицы; а — поверхностное натяже­ ние частицы на границе раздела с окружающей сре­

что коэффициент А не зависит от диаметра) и резко возрастает с уменьшением крупности частиц.

Из этого соотношения определяется граничный ди­ аметр частицы, ниже которого сила сцепления пре­

сила сцепления начинает проявляться более резко и превалирует над остальными силами, действующими на частицу, находящуюся на поверхности барабана сепаратора. В результате этого отдельные тонкоиз­ мельченные вещества (например, графит, тальк, каолин и др.) приобретают способность, подобно смачи­ вающим жидкостям, прочно прилипать к твердым по­ верхностям. Как указывалось, в формировании адге­ зии существенную роль играют, кроме статических сил, также электрические. Электрическая составляю­ щая силы адгезии [см. формулу (3)] представляет собой сумму силы взаимодействия, обусловленной двойным электрическим слоем, образующимся в мес­ те контакта, и силы взаимодействия заряда (равно­ мерно распределенного по сферической частице) с материалом подложки. Возникновение этого заряда, очевидно, связано с предварительной электризацией частиц. Заряды частиц могут возникать при сопри­ косновении как разнородных, так и однородных мате­ риалов за счет эффекта отрыва.

При нарушении адгезионной связи на границе металл — малая шарообразная частица диэлектрика или полупроводника вероятность возникновения газо­ вого разряда мала, так как с уменьшением размера частиц уменьшается объем между частицей и поверх­ ностью. Величина первоначального заряда частицы qo

40

и поверхностная плотность ее заряда в этом случае могут быть значительными. Благодаря этому при по­ падании заряженной частицы на поверхность бараба­ на сепаратора сила взаимодействия ее заряда и за­ ряда, индуцированного им, будет достаточна для удержания частицы на поверхности барабана.

Электрические силы, обусловленные зеркальным отображением, значительно больше молекулярных сил

II сил двойного электрического слоя. Ими в основном

иопределяются силы адгезии при трибоадгезиониой сепарации. Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью подложки (при наличии определенного зазора между соприкасающимися поверхностями) осо­ бенно сильно проявляется в начальный момент их

контакта с поверхностью.

Продолжительность действия сил зеркального отображения зависит от поверхностных свойств соп­ рикасающихся тел, состояния среды (влажность, тем­ пература), размеров частиц и др. Если поверхность незаземленная или непроводящая и мала вероятность утечки зарядов (например, за счет ионизации возду­ ха), то силы зеркального отображения могут доволь­ но долго обусловливать адгезию частиц.

В трибоадгезионных сепараторах поверхности ба­ рабана и лотка заземляются. Однако, так как они всегда покрыты тончайшим слоем сепарируемого ма­ териала или пленкой окисленного металла, это зат­ рудняет утечку трибозарядов частиц. Кроме того, частица находится на барабане непродолжительное время (менее 1 с при диаметре барабана 300 мм и оптимальной частоте вращения его около 1 м/с), поэ­ тому сила зеркального отображения останется зна­ чительной, и ее действие сохранится в течение всего периода нахождения частицы на поверхности вра­ щающегося барабана. В работе [22] определена сила адгезии слоя окиси алюминия и карбида кремния к стальной заземленной подложке без напряжения при подаче его на подложку. Установлено, что в этом слу­ чае суммарная сила адгезии к заземленной подложке примерно в полтора раза больше, чем к незаземлен­ ной подложке, находящейся под потенциалом.

Нами экспериментально доказано, что заряжен­ ная частица, независимо от знака ее заряда, прочно

41

удерживается на поверхности заземленного бараба­ на. При этом попадая на поверхность барабана час­ тица индуцирует на ней заряд, равный по величине и противоположный по знаку. Заряд, вызванный двой­ ным электрическим слоем на внутренней поверхности барабана, стечет в землю. Величины зарядов частиц, по выходу удерживаемой фракции сепарируемого ма­ териала учитывались нами косвенно.

Показано, что при предварительной зарядке час­ тиц с помощью вибролотка выход указанной фрак­ ции в три раза больше выхода частиц, заряженных трением друг о друга или о лоток и в пять—семь раз больше выхода незаряженных частиц, поступающих из бункера непосредственно на барабан. Кроме ука­ занных выше сил, иа частицу, находящуюся па по­ верхности барабана, действуют также составляющая силы тяжести п центробежная сила, зависящая от массы частицы, линейной скорости вращения бараба­ на и его диаметра.

2. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЧАСТИЦЫ СЕПАРИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Процесс трибоадгезионной сепарации характери­ зуется уравнением, представляющим собой сумму сил, действующих на частицу, находящуюся на по­ верхности вращающегося барабана сепаратора.

где FM—AdCp, Один — молекулярная составляющая си­ лы адгезии, определяемая в основном средним диа­ метром частиц.

Молекулярная составляющая силы адгезии прояв­ ляется до непосредственного контакта частиц, и за­ висит от площади истинного контакта, материала частиц, физического состояния соприкасающихся по­ верхностей, влажности окружающей среды и др. Дей­ ствие молекулярной составляющей силы адгезии рез­ ко возрастает с уменьшением размеров частиц.

Электрическая составляющая силы адгезии

42

При трибоадгезионной сепарации на величину F? влияет степень электризации частиц, вызываемая кон­ тактной разностью потенциалов и их начальным заря­ дом (перед попаданием на поверхность барабана). Влиять на величину заряда сепарируемых частиц можно внешними воздействиями — термической или

тателя (при перемещении частиц по его поверхности), гранулометрическим составом и др.

При перемещении в сепараторе частицы материа­ ла трутся друг о друга и электризуются. Поведение заряженных частиц на поверхности барабана опреде­ ляется характером имеющейся на ней подложки. В отдельных случаях, например при неэлектропровод-

иой подложке, электрические силы Fэ способствуют отрыву частиц от барабана.

Сила тяжести, действующая на частицу, находя­ щуюся на поверхности барабана, зависит от массы и

где т — масса частицы; g — ускорение силы тяжес­ ти; а — угол поворота барабана.

Знак и величина нормальной составляющей силы FT зависят от величины угла а: при а < 90° сила тя­ жести прижимает частицу к барабану, при а>90° отрывает ее от него.

Центробежная сила, действующая на частицу, на­ ходящуюся на поверхности вращающегося барабана,

где т — 1 jtdcpg'p; ѵ5 — частота вращения барабана;

Dб — диаметр барабана.

С увеличением і>о и Пб центробежная сила суще­ ственно влияет на частицу. При определенной ско­ рости важную роль играет также и масса частицы,

43