Czynniki wpływające na proces klasyfikacji

Klasyfikacja materiałów ziarnistych na sitach stwarza w warunkach przemysłowych dużo problemów. Proces technologiczny klasyfikacji mechanicznej w przesiewaczach uzależniony jest od trzech podstawowych charakterystycznych czynników, tj. od:

• parametrów technicznych przesiewacza,
• właściwości fizyko-mechanicznych przesiewanych surowców,
• sposobu prowadzenia procesu przesiewania.

Do pierwszej grupy można zaliczyć między innymi: wielkość pokładu sita, kąt nachylenia sita, rodzaj, kształt i wielkość otworów sitowych, parametry dynamiczne przesiewacza. Do drugiej grupy należą wilgotność nadawy, wielkość uziarnienia i udział ziaren drobnych, zawartość zanieczyszczeń (domieszek ilastych), wilgotność. Do grupy trzeciej należą: przesiewanie na sucho i mokro, czas przesiewania, grubość warstwy materiału, wydajność, układy nadsobne, posobne lub mieszane sit, itp.
Wymienione czynniki wpływają na siebie wzajemnie decydując o jakości oraz wydajności procesu przesiewania, a także o prawidłowej współpracy pozostałych maszyn (zwłaszcza kruszarek i młynów), dlatego istotne jest, aby przy projektowaniu lub modernizacji układu przesiewania, a także właściwym sterowaniu procesem przesiewania, poznać i uwzględnić wszystkie czynniki mające związek z przesiewaniem [7,8,9]. W tabeli 1 scharakteryzowano najistotniejsze wielkości determinujące proces przesiewania.

TAB. 1 Charakterystyka wielkości determinujących proces klasyfikacji sitowej

W przypadku klasyfikacji hydraulicznej drobnoziarnistych materiałów, np. piasków, stosuje się wodę, wykorzystując tzw. prędkość sedymentacji fazy stałej, która jest najważniejszym składnikiem wzorów stosowanych przy obliczaniu klasyfikatorów i innych urządzeń. Prawidłowe określenie prędkości sedymentacji zawiesin ma duże znaczenie dla wyników procesu rozdziału i jego skuteczności. Rozróżnia się dwa rodzaje opadania ciał, tj. swobodne i skrępowane [4].

Opadanie swobodne i skrępowane

Opadanie swobodne występuje wtedy, gdy opadanie pojedynczego ziarna następuje w nieograniczonym środowisku, tzn. gdy wielkość ziarna jest bardzo mała w porównaniu z przekrojem poprzecznym zbiornika oraz gdy ziarna znajdujące się w zbiorniku nie oddziaływują bezpośrednio wzajemnie na siebie ani na ścianki zbiornika.
Prędkość opadania ziarna jest spowodowana wypadkową sił działających na ziarno, takich jak: siły ciężkości, siły wyporu środowiska zgodnie z prawem Archimedesa i oporu hydrodynamicznego cieczy związanego z rodzajem ruchu ziarna. Opór hydrodynamiczny zależy od wielkości i kształtu ziarn, gęstości i lepkości cieczy oraz prędkości i przyspieszenia ziarn w stosunku do cieczy. Jest on wynikiem tarcia warstw środowiska o powierzchnię ciała i spadku ciśnienia między początkowym (zgodnie z kierunkiem opadania) a przeciwległym punktem jego powierzchni.
Podczas klasyfikacji czy wzbogacania materiału w warunkach przemysłowych nie występują warunki opadania swobodnego, ponieważ mamy do czynienia ze zbiorem cząstek wzajemnie oddziaływujących na siebie oraz na elementy urządzenia. Jest to opadanie skrępowane ziarn, które powoduje wyciskanie cieczy do góry i ruch strug pomiędzy opadającymi cząstkami. Następuje wówczas zmniejszenie prędkości opadania ziarn w stosunku do opadania swobodnego, która będzie jeszcze bardziej się zmniejszać wraz ze wzrostem koncentracji (zawartości) ziarn [4].

Na prędkość opadania skrępowanego wpływają zasadniczo cztery parametry:

• podwyższona lepkość,
• większa gęstość ośrodka,
• wypór cieczy do góry przez opadające ziarna,
• zmiana wartości współczynnika oporu (współczynnik zmniejszenia prędkości).Podstawą większości wzorów na prędkość opadania skrępowanego są wzory dla opadania swobodnego (Stokes’a, Rittingera, Allena, Budryka), do których wprowadzono odpowiednie poprawki, np. w miejsce gęstości cieczy dodano gęstość mieszaniny ziarn i cieczy [4].

Przy opadaniu swobodnym ziarn wąskiej klasy ziarnowej za prędkość opadania przyjmuje się średnią prędkość danego zbioru (czyli najbardziej prawdopodobną) zakładając, że wymiarem średniego ziarna jest średnia arytmetyczna wymiarów otworów dwóch kolejnych sit analitycznych. Często używa się również średnicy zastępczej, określanej jako średnica kuli zbudowanej z tego samego co ziarno materiału i mającej tę samą objętość lub powierzchnię.
Wyznaczana prędkość opadania skrępowanego ziarn jest podstawą do obliczenia klasyfikatorów hydraulicznych. Przyjmuje się, że mieszanina doprowadzonych ziarn do klasyfikatora ulega rozdziałowi na dwa produkty, tj. wylew i przelew określone granicą ziarna podziałowego d₅₀.
Przykładowo, dla klasyfikacji grawitacyjnej w strumieniu wznoszącym w zakresie prawa Stokes’a, na podstawie wzoru (1) dla ziarn d < 0,1 mm

Tok obliczeń przestrzeni klasyfikatora grawitacyjnego jest uzależniony od rodzaju i kształtu jego komory. Dla klasyfikatora pionowoprądowego najogólniej prędkość średnią strumienia w komorze przyjmuje się równą prędkości granicznej w opadaniu skrępowanym ziarna o wielkości równej założonemu ziarnu podziałowemu d₅₀. Prędkość opadania ziarn względem ścian komory wynosi v_α = v₀ + v_śr, gdzie v_śr – prędkość cieczy względem ścian komory, v₀ – rzeczywista prędkość względem cieczy dowolnych ziarn o wielkościach różnych od d₅₀.
Ogólnie stwierdzić należy, że wzory na obliczanie prędkości opadania swobodnego, jak i skrępowanego są z uwagi na swoją postać stosunkowo skomplikowane i uciążliwe do zastosowania w praktyce. Dlatego projektując układy klasyfikacji powinno się bazować na badaniach doświadczalnych, o ile są możliwe do zrealizowania.

Niekorzystne równoopadanie

Zjawiskiem niekorzystnym występującym w procesach klasyfikacji lub wzbogacania surowców jest równoopadanie ziarn. Polega ono na tym, że ziarna równoopadające, posiadając różną gęstość i rozmiar, mają tę samą wielkość końcową opadania w danym ośrodku. Stosunek dwóch różnych ziarn opadających z tą samą prędkością jest nazywany współczynnikiem równoopadania e. Przykładowo wg Rittingena-Newtona (4)

W klasyfikacji piasków, znając współczynnik równoopadania i średnicę ziarn d o określonej gęstości δ wynoszonych do przelewu, można wyznaczyć średnicę ziarn kierujących się do wylewu. Im większa będzie wartość współczynnika e, tym mniejsza dokładność klasyfikacji.
W tabeli 2 scharakteryzowano najistotniejsze wielkości determinujące proces klasyfikacji hydraulicznej.

TAB. 2 Charakterystyka wielkości determinujących proces klasyfikacji hydraulicznej