Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых : электрические методы обогащения полезных ископаемых

№ 1916

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра обогащения руд цветных и редких металлов

Н.Ф. Пантелеева
А.М. Думов

Магнитные, электрические
и специальные методы
обогащения полезных
ископаемых

Электрические методы обогащения
полезных ископаемых

Курс лекций

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

 

УДК 622.7 
 
П16 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Л.С. Стрижко 

Пантелеева Н.Ф., Думов А.М. 
П16  
Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых: Электрические методы обогащения 
полезных ископаемых: Курс лекций. – М.: Изд. Дом МИСиС, 
2009. – 146 с. 
ISBN 978-5-87623-240-3 

Рассмотрены физические основы электрической сепарации, электрические свойства вещества, классификация минералов по их электрическим 
свойствам, способы сообщения частицам электрического заряда, электрические поля сепараторов и силы, действующие на частицы в электрических полях, конструкции коронно-электростатических, трибоэлектрических, трибоадгезионных и других сепараторов, факторы, влияющие на процессы электросепарации и схемы электрического обогащения различных продуктов. 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия» по специальностям 130405 и 550500. Рекомендуется при подготовке к 
экзамену по курсу «Магнитные, электрические, радиометрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых» и выполнении курсовых 
и дипломных работ и проектов. 
УДК 622.7 

ISBN 978-5-87623-240-3 
© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение................................................................................................5 
1. Общие сведения об электрическом методе обогащения ..................6 
1.1. Развитие электрического метода обогащения ............................6 
1.2. Сущность метода ...........................................................................7 
2. Силы, действующие на частицы в электрическом поле ...................9 
2.1. Электрическое поле и его основные параметры.........................9 
2.2. Соотношение электрических сил при электрическом 
обогащении .........................................................................................13 
3. Свойства минералов, используемые при электрическом 
обогащении .............................................................................................15 
3.1. Электропроводность....................................................................15 
3.2. Диэлектрическая проницаемость...............................................20 
3.3. Трибоэлектрические свойства....................................................21 
3.4. Другие электрические свойства .................................................22 
4. Способы сообщения частицам электрического заряда...................23 
4.1. Касание частицей электрода, находящегося 
под определенным электрическим потенциалом ............................24 
4.2. Методы заряжения частиц..........................................................25 
4.3. Метод заряжения частиц путем трения о транспортирующий 
лоток или друг о друга (трибоэлектрическая сепарация)...............32 
4.4. Другие электрические свойства минералов ..............................34 
4.5. Классификация электрических сепараторов.............................37 
5. Физические основы разделения минеральных 
частиц в поле коронного разряда..........................................................38 
5.1. Общая конструкция коронно-электростатического 
сепаратора ...........................................................................................38 
5.2. Заряжение и поведение частиц в поле коронного разряда ......41 
5.3. Подготовка исходного питания перед электрической 
сепарацией...........................................................................................49 
5.4. Электрические силы, действующие на частицу 
в электростатическом сепараторе .....................................................50 
5.5. Влияние числа оборотов осадительного электрода 
на процесс сепарации минералов в поле разряда ............................54 
6. Типы коронных электросепараторов................................................57 
6.1. Сепарация в поле коронного разряда ........................................57 
6.2. Электросепараторы для пылевидного материала.....................58 
6.3. Барабанные коронные электросепараторы ...............................60 

6.4. Коронно-магнитные сепараторы................................................69 
6.5. Камерные электросепараторы. Электрическая 
классификация ....................................................................................69 
7. Электрическая сепарация минералов при электризации 
трением....................................................................................................75 
7.1. Физические основы трибосепарации.........................................75 
7.2. Барабанные трибоэлектрические сепараторы...........................81 
7.3. Камерные трибоэлектростатические сепараторы.....................83 
7.4. Исследование процесса трибоэлектростатической 
сепарации на пластинчатых электросепараторах............................89 
8. Трибоадгезионная сепарация ............................................................94 
8.1. Физические основы трибоадгезионной сепарации...................94 
8.2. Результаты трибоадгезионной сепарации полезных 
ископаемых и других материалов...................................................101 
9. Пироэлектрическая и диэлектрическая сепарация минералов.....105 
9.1. Пироэлектрическая сепарация .................................................105 
9.2. Пьезоэлектрические явления при электросепарации 
минералов..........................................................................................107 
9.3. Электрическая сепарация при использовании разницы 
в диэлектрической проницаемости разделяемых минералов.......107 
10. Факторы, влияющие на процесс электросепарации....................117 
10.1. Влияние физико-химических свойств обогащаемого 
материала...........................................................................................117 
10.2. Влияние конструкции и режима электросепарации 
на технологические показатели.......................................................124 
10.3. Подготовка материала к электросепарации ..........................127 
11. Области применения электросепарации ......................................136 
Библиографический список.................................................................143 
Приложение. Удельное сопротивление некоторых минералов .......144 
 

Введение 

Электрические методы обогащения, уступая магнитным методам 
по масштабу применения, незаменимы при доводке концентратов 
руд редких и черных металлов, обогащении кварцевого песка, полевых шпатов, каолина, фосфоритов и т.п. Они также применяются для 
обеспыливания различных материалов. 
Первый электростатический сепаратор для очистки хлопка был 
разработан в 1870 г. В 1920 г. в промышленности цветных металлов 
работало более 150 электростатических сепараторов. В 1936 г. в 
СССР были предложены конструкции коронно-электростатических 
сепараторов, более эффективных, чем электростатические. В 1940 г. 
был начат их серийный выпуск. За рубежом применение этих сепараторов началось только после 1945 г. 
В конце 70-х годов XX в. в СССР были проведены широкомасштабные исследования метода трибоэлектрической сепарации и на 
их основе разработан один из самых эффективных в мире сепараторов этого класса – сепаратор ПЭСС, успешно применяющийся и в 
настоящее время. 
Несмотря на сравнительно малую производительность электрических сепараторов, метод является уникальным по возможностям тонкой настройки на разделение различных минералов и зачастую называется «сухой флотацией». В некоторых случаях он является единственно возможным способом разделения частиц с близкими флотационными и магнитными свойствами. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ 
МЕТОДЕ ОБОГАЩЕНИЯ 

1.1. Развитие электрического метода 
обогащения 

Попытки разделения сыпучих минеральных смесей и продуктов с 
помощью электрических сил предпринимались с самого начала развития электротехники. Впервые электрическое поле было использовано в 1870 г. для очистки семян хлопка. Первый электростатический 
сепаратор для разделения проводников и непроводников был изобретен в 1901 г. Л. Блехом и Д. Моршером, а затем в 1905 г. был усовершенствован Гуффом. С этого времени электростатическая сепарация начала применяться для обогащения полезных ископаемых и в 
других областях промышленности. Таким образом, началом промышленного применения электрического обогащения с достаточно 
высокими технико-экономическими показателями, считается начало 
ХХ столетия. Но и до настоящего времени, несмотря на целесообразность его применения, этот метод не получил достаточно широкого распространения вследствие целого ряда причин. Это объясняется 
незначительным выпуском оборудования, неполнотой информации 
об опыте его применения, недостаточным вниманием к решению 
проблем, связанных с внедрением электросепарации. Между тем 
процессы электрического обогащения непрерывны, поддаются самому тонкому управлению и регулированию, что обусловливает возможность полной их автоматизации. 
Отечественным ученым принадлежит приоритет в создании теории и 
практическом освоении методов коронной сепарации (1936 г.), термоадгезионой и диэлектрической сепарации. Работы ряда отечественных 
исследователей способствовали внедрению электросепарации в промышленную практику (Н.А. Капцов, С.П. Кебровский, Е.М. Балабанов, 
В.И. Ревнивцев, Н.Ф. Олофинский, Л.Г. Подкосов, И.Н. Плаксин, 
В.И. Попков, З.В. Волвова, А.М.Ангелов, В.И. Кармазин, В.В. Кармазин и др.). 
Электрическая сепарация в настоящее время применяется для минералогических анализов, классификации минерального сырья, обеспыливания, обогащения руд редких металлов и черновых концентратов черных, цветных и редких металлов, алмазосодержащих концентратов, обогащения полевых шпатов, калийных солей, фосфорсодержащего сырья. Сепарация коллективных концентратов руд редких 
металлов, фосфоритовых, полевошпатовых и многих других руд от

личается высокой технологической эффективностью. Электросепарацию называют «сухой флотацией», так как существует возможность тонкой регулировки процессов. Существенным недостатком 
процессов сепарации является низкая производительность. Это связано с тем, что каждая частица должна иметь контакт с осадительным электродом (за исключением процессов классификации в электростатических сепараторах), и, следовательно, питание сепараторов 
должно подаваться в один слой. Это ограничивает предельную 
удельную производительность до в 1,5…2 т/м ширины питания сепаратора. В связи с этим метод, имея ряд неоспоримых достоинств, не 
может применяться для обогащения исходной руды. Сфера его применения ограничена доводочными операциями по разделению сложных минеральных комплексов. 

1.2. Сущность метода  

При электрическом методе имеет место силовое воздействие 
электрического поля на предварительно заряженные частицы различных минералов или на проводник, по которому пропускается ток. 
Взаимодействие электрического поля с заряженными частицами, 
отличающимися по физическим свойствам, обеспечивает их движение по разным траекториям под действием различных электрических 
сил. В результате этого получаются продукты различного минерального состава. Как правило, это три продукта: проводниковая фракция, непроводниковая фракция и промежуточный продукт, направляемый обычно на дальнейшую переработку.  
Электрическое поле – пространство, где имеет место силовое воздействие на предварительно заряженные минеральные частицы или 
на проводник с током. Электрическое поле характеризуется напряженностью, а если поле неоднородно по величине напряженности, то 
и градиентом напряженности. Напряженность электрического поля – концентрация силовых линий в определенном направлении, 
приходящаяся на единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению. На рис. 1.1 показаны конфигурации электрических 
полей электростатических сепараторов.  
Потенциал поля ϕ = W/q (В) представляет собой энергию W (Дж), 
приходящуюся на единицу заряда q (Кл).  
Напряженность поля Е (В/м) представляет собой функцию от ряда 
переменных: 
– напряжения, подаваемого на электрод U, кВ; 

– расстояния между электродом (электродами), на который (которые) подается напряжение определенной величины и знака, и заземленным электродом l, м; 
– диэлектрической проницаемости среды ε, Ф/м; 
– температуры t, °С, запыленности воздуха, влажности.  

 

Рис. 1.1. Конфигурации электрических полей: а и б – поля точечных 
положительного и отрицательного зарядов; в – поле двух 
разноименных равных по величине точечных зарядов; г – то же, 
но одноименных зарядов; д – то же, но заряд А в 4 раза больше В; 
е – поле вокруг уединенного заряженного шара или бесконечного 
цилиндра; ж – поле между проводом и параллельной плоскостью; 
з – поле между проводами и параллельными пластинами; и – поле 
между проводом и цилиндром; к – поле между двумя разноименными 
параллельными пластинами (в средней части это поле однородное) 

2. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЧАСТИЦЫ 
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 

2.1. Электрическое поле 
и его основные параметры 

Разделение минеральных продуктов при электрическом обогащении осуществляется в электрических сепараторах (далее – электросепараторы), в рабочей зоне которых имеется электрическое поле. 
Электрическое поле – пространство, в котором проявляют себя 
электрические силы, действующие на тело, имеющее заряд.  
Электрическое поле характеризуется рядом параметров:  
1) величиной напряженности поля, характером ее распределения 
и направлением вектора напряженности; 
2) средой, в которой создается поле: вакуум, газообразный, жидкий 
или твердый диэлектрик (в электросепараторах используется электрическое поле в воздухе, т.е. в газообразном диэлектрике, реже – поле в 
жидком диэлектрике); 
3) способом сообщения минеральным частицам заряда: 
– электростатическое поле,  
– поле коронного разряда; 
– коронно-электростатическое поле. 
В электросепараторах используются поля всех трех видов. 
В электрическом поле на частицу действуют следующие силы: 
– сила, обусловленная зарядом частицы (электрическая сила);  
– сила, определяемая разницей в диэлектрической проницаемости 
частицы и среды, в которой происходит разделение (в неоднородном 
поле).  
Разделение минерального сырья в воздушной среде с помощью 
только этой силы не представляется возможным. Для этого диэлектрическая проницаемость частиц должна отличаться на несколько 
порядков, а разница в массе частиц не должна превышать 10 %. Разделение минералов на основании разности в их диэлектрической 
проницаемости (т.е. различной степени поляризации) возможно 
только в среде жидкого диэлектрика. 
Перемещение частиц, вызванное вышеперечисленными силами, 
приводит к общему уменьшению свободной энергии.  
В рабочей зоне электрического сепаратора на разделяемые частицы кроме электрической силы действует ряд механических сил. Тра

ектория частицы в рабочей зоне сепаратора определяется соотношением электрической силы и суммы механических сил: 
– силы тяжести или ее составляющей; 
– центробежной силы при движении частицы по криволинейной 
траектории. 
Для тонких, шламистых частиц (крупностью меньше 20…30 мкм) 
также весьма существенно влияние сил адгезии между ними и электродом, на котором они находятся и сил молекулярного сцепления 
между частицами, приводящее к образованию флокул.  
В диэлектрических сепараторах заметную роль играет сопротивление среды. 
Таким образом, процесс электрического обогащения возможен 
при условии Fэл ≥ Fмех (Н/кг). Например, при движении частиц по 
криволинейной траектории 

 
Fэл ≥ (v2/R – gcosα), 

где v – окружная скорость вращения осадительного электрода м/с; 
R – радиус осадительного электрода, м2;  
gcosα – нормальная составляющая силы тяжести частицы, м/с2. 

Представим, что в неоднородное электрическое поле (рис. 2.1) 
помещены:  

2 

gradЕ 

– 
+ 
+

+

ε1 

–

+ 

1 
Е 

– 
5 

ε2 

ε 
3 

4 
ε1 
ε2 

+
– 

+
–

Е 
gradЕ 

5 
ε 
4 
3 

1 
2 

 

Рис. 2.1. Электрические силы, действующие в электрическом 
поле на частицы с различной диэлектрической проницаемостью 
или с зарядами разного знака 

а) частица 1, имеющая отрицательный заряд; 
б) частица 2, имеющая положительный заряд; 
в) незаряженная частица 3, имеющая величину диэлектрической 
проницаемости больше диэлектрической проницаемости среды; 

г) незаряженная частица 4, имеющая величину диэлектрической 
проницаемости меньше диэлектрической проницаемости среды; 
д) электрический диполь 5, т.е. совокупность двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, расположенных на относительно малом расстоянии друг от друга. 
Обозначим: 
– напряженность поля – Е; 
– диэлектрическая проницаемость среды между электродами – ε; 
– диэлектрическая проницаемость частиц 3 – ε1; 
– диэлектрическая проницаемость частиц 4 – ε2. 
Примем, что ε1 > ε2 > ε2. 
На частицы 1 и 2 будет действовать сила F1, определяемая зарядом частицы q и напряженностью электрического поля E: 

 
F1 = qE. 

Эта сила направлена параллельно вектору напряженности E. 
Известно, что величина максимального заряда шарообразной проводящей частицы, помещенной в поле напряженностью Е, может 
быть определена по формуле 

 
q = 4πε′ε0r2E, 

где r – радиус частицы, м; 
Е – напряженность электрического поля, В/м; 
ε0 = 8,85⋅10–12 – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; 
ε′ – относительная диэлектрическая проницаемость. 

Тогда 

 
F1 = 4πε′ε0r2E2  
(2.1) 

Сила F1 действует как в однородном, так и в неоднородном поле и 
определяется размером частицы и напряженностью электрического 
поля, в котором находится частица.  
Незаряженные частицы 3 с диэлектрической проницаемостью 
большей, чем диэлектрическая проницаемость среды, будут втягиваться полем и двигаться из места с меньшей напряженностью в 
участок поля с большей напряженностью. Незаряженные частицы 4 с 
диэлектрической проницаемостью меньшей, чем диэлектрическая 
проницаемость среды, будут выталкиваться полем и двигаться из 
места с большей напряженностью в участок поля с меньшей напря

женностью. Движение частиц 3 и 4 будет происходить параллельно 
вектору градиента напряженности поля grad E. 
В левой части рисунка вектор gradЕ направлен в сторону увеличения напряженности поля, т.е. в сторону уменьшения расстояния 
между электродами (сверху вниз). 
Электрические диполи 5 ведут себя как частицы с очень большой диэлектрической проницаемостью и двигаются в сторону возрастания напряженности поля. 
В неоднородном электрическом поле на частицу с относительной 
диэлектрической проницаемостью ε1 действует электрическая сила F2: 

 
F2 = ε′ε0(
1′ε  – ε′)r3Egrad E/(
1′ε  + 2ε′), 

где r – радиус частицы, м; 
Е – напряженность электрического поля, В/м; 
grad E – градиент напряженности (производная напряженности в 
направлении ее максимального изменения), В/м2; 
ε0 = 8,85·10–12 – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; 
ε′ – относительная диэлектрическая проницаемость среды 
(для воздуха ε′ = 1). 

Тогда 

 
F2 = ε0(
1′ε  – 1)r3Egrad E/(
1′ε  + 2). 

В однородном поле grad E = 0, следовательно F2 = 0, так как эта 
сила определяется разностью диэлектрических проницаемостей частицы и среды. 
Электрическое обогащение, в отличие от магнитного, может 
осуществляться как в однородном, так и в неоднородном поле, так 
как сила F1 (как следует из выражения (2.1)) не равна нулю в однородном поле. 
Величина градиента напряженности зависит от напряженности 
электрического поля и формы электродов, между которыми создается поле. Для того чтобы получить зависимость силы F2 только от напряженности поля, вводится понятие коэффициента неоднородности поля: 

 
с = grad E/E. 

Физически коэффициент неоднородности поля, зависящий только от 
формы электродов, представляет собой градиент, приходящийся на 
единицу напряженности поля, и имеет в системе СИ размерность м–1.