6. ÚPRAVA SUROVIN (František Tichánek) Těžené suroviny neodpovídají zpravidla požadavkům spotřebitelů. V přírodě se jen zřídka vyskytují ložiska užitkových nerostů v takové formě a kvalitě, aby mohly býti efektivně využity bez předběžné úpravy. Obvykle musí být vytěžená surovina zbavena nevítaných příměsí – jaloviny. 6.1 Podstata a význam úpravnictví Základním úpravnickým procesem je rozdružování tj. oddělování užitkové složky od jaloviny. Větší množství jalových příměsí snižuje hodnotu suroviny. Úkolem úpravnictví je nejen oddělení užitkové složky od jaloviny, ale také i vzájemné oddělení jednotlivých užitkových složek. To se týká hlavně zpracování polymetalických rudných ložisek. Význam úpravy není omezen jen na užitkové nerosty, které by bez předchozího zušlechtění nebylo možno využít. Upravují se rovněž nerosty, které mohou být dále zpracovány i v neupraveném stavu. Protože by však další zpracování neupravené suroviny bylo nehospodárné, upravuje se v současné době naprostá většina dobývaných nerostných surovin. Hlavní důvody pro úpravu i těch užitkových nerostů, které je možno využívat i v neupraveném stavu, jsou: - zlevnění nákladů následného zpracování, - snížení nákladů na dopravu nerostných surovin, - zlepšení jakosti výrobků odstraněním škodlivých příměsí. Některé vytěžené suroviny jsou z hlediska kvalitativního složení vyhovující, avšak nevyhovují odběrateli velikostí zrna, případně zrnitostním složením. Tyto suroviny je nutno drtit, třídit a podle potřeby také mlít. Souhrn všech procesů, kterým je zušlechťována vytěžená surovina do technologicky využitelné formy, nebo odbytu schopného produktu, se nazývá úprava. Technickou vědou zabývající se úpravou nerostných surovin je úpravnictví. 6.2 Základní úpravnické pojmy Hornicky dobývané nerosty, nebo horniny dodávané do úpravny se všeobecně označují jako rubanina. Nerostné suroviny, z nichž se získávají kovy, označujeme jako rudy. Vytěženou rudu přiváděnou do úpravny nazýváme rudninou. V uhelných dolech se neupravené vytěžené uhlí označuje jako těžné nebo surové uhlí. Rubanina, obsahující užitkový minerál, ze kterého se nezískává kov, je nerudná surovina. Produkty úpravy se zvýšeným obsahem užitečné složky označujeme jako koncentráty. V úpravě uhlí se takto označují jen produkty získané flotačním způsobem úpravy. Produkty úpravy uhlí získané jiným rozdružovacím způsobem se obvykle označují jako prané uhlí. Produkty úpravy, tvořené neužitečnými nebo škodlivými složkami upravovaných surovin označujeme jako jalovina. V úpravě uhlí se místo jalovina používá výraz hlušina. Kromě koncentrátu a odpadů vznikají při rozdružování také meziprodukty. Meziprodukt je směs nedokonale od sebe oddělených zrn užitkových nerostů a zrn doprovodné jaloviny, nebo je tvořen vzájemně prorostlými zrny jednotlivých složek rubaniny. Při úpravě uhlí se meziprodukt označuje výrazem prorostlina. Materiál, který se přivádí do úpravnického zařízení se nazývá vsázka. K základním pojmům úpravy patří také výnos a výtěžnost. Výrazem výnos se označuje hmotnostní podíl produktu

úpravy vztažený na upravovanou surovinu. Výnos se udává v procentech a vyjadřuje kolik tun produktu se získá ze 100 t upravované suroviny. Výtěžnost nám udává jaké množství užitkové složky v % je v průběhu úpravy převedeno do produktu rozdružování z celkového množství užitkové složky v upravované surovině. Úprava nerostných surovin obvykle sestává ze tří pracovních postupů: - přípravných procesů, - hlavního úpravnického procesu – rozdružování, - pomocných procesů. K přípravným procesům patří mechanické zdrobňování a třídění. Zdrobňování dělíme podle velikosti produktu na drcení a mletí. Jako drcení označujeme zmenšování velkých zrn na zrna relativně ještě dosti veliká. Mletím rozumíme zmenšování zrn na zrna jemná. K rozdělení suroviny nebo produktů úpravy na zrnitostní třídy určité velikosti slouží třídění. Třídění může míti rovněž charakter hlavního procesu úpravy při zpracování surovin nevyžadujících rozdružování. Úpravny určené pouze k třídění se nazývají třídírny. V úpravnictví využíváme dva způsoby třídění: - mechanické třídění, které se provádí na roštech a sítech, jejichž otvory nebo štěrbiny vymezují velikost tříděných zrn - podle soupádnosti, které se provádí ve vodním nebo vzdušném prostředí. Tento způsob je založen na rozdílných pádových rychlostech zrn v hmotném prostředí a je používán při třídění jemných zrn, jejichž třídění na sítech je málo výkonné a účinné. Třídění se uplatňuje i v průběhu úpravy a má význam také při zpracování produktů úpravy. K rozdružování využíváme různých vlastností jednotlivých složek obsažených v upravované surovině. Gravitační metody rozdružování jsou založeny na rozdílných hustotách složek nerostné suroviny. Gravitační metody rozdružování jsou velmi rozšířené. Gravitační rozdružování probíhá nejčastěji ve vodním prostředí. Magnetické metody rozdružování využívají k oddělení jednotlivých složek jejich rozdílné magnetické vlastnosti (susceptibilita, permeabilita). Rozdružování v elektrickém poli využívá rozdílnou elektrickou vodivost a permitivitu různých minerálních látek. K rozdružovacím metodám využívajícím rozdílné chemické vlastnosti jednotlivých složek vsázky patří flotace a chemické způsoby úpravy. Flotace je založena na rozdílných fyzikálně-chemických vlastnostech povrchu nerostných surovin. Chemické způsoby rozdružování využívají rozdílnou rozpustnost jednotlivých minerálních složek upravované nerostné suroviny. K pomocným procesům v úpravnách patří zejména odvodňování a sušení produktů úpravy, jejich třídění a případné zdrobňování. 6.3 Drcení a mletí

6.3.1 Účel a význam zdrobňování Zdrobňování patří k nejdůležitějším technickým procesům v četných průmyslových odvětvích. Velký význam má drcení a mletí při těžbě a úpravě nerostných surovin. Procesy zdrobňování, drcení a mletí se od sebe principiálně neliší. Mezi pojmy drcení a mletí nelze stanovit exaktně nějakou fyzikálně definovanou hranici. V praxi se vychází obvykle

z velikosti zrn nebo částic v získávaném produktu. Projevují se však rozdílné požadavky a zvyklosti různých průmyslových oborů. Obvykle se za hranici mezi drcením a mletím považuje velikost zrn l mm. Drcení a mletí na úpravnách slouží společně s tříděním jako přípravný proces. Většina nerostných surovin se upravuje rozdružováním. V těchto případech se mechanické zdrobňování zařazuje:

- před vlastním rozdružováním s cílem zmenšit vstupní velikost zrn tak, aby mohla projít technologickým zařízením a vyhovovala velikostí a zrnitostním složením další úpravě,

- mezi jednotlivými rozdružovacími procesy, kdy účelem drcení a mletí je uvolnění vzájemně prorostlé užitkové a jalové složky, tj. otevření zrna, tak , aby je bylo možno další úpravou vzájemně od sebe oddělit a dosáhnout tak zvýšení výnosu koncentrátu,

- po rozdružování, kdy účelem drcení a mletí je úprava konečné velikosti produktů podle požadavků odběratelů.

Některé nerostné suroviny se nerozdružují, ale pouze třídí např. výroba kameniva. V těchto případech se mechanické zdrobňování používá:

- před tříděním, kdy zmenšujeme kusy hornin tak, aby je bylo možno v následujících procesech zpracovat příslušnou technologií,

- mezi jednotlivými operacemi třídění, kdy účelem zdrobňování je získat z hrubší zrnitostní třídy větší množství požadovaného, lépe prodejného, jemnozrnného produktu.

Dalším účelem drcení a mletí je získání produktů s velkým měrným povrchem. Měrný povrch podmiňuje fyzikálně chemické vlastnosti látek, zejména jejich reaktivnost a rozpustnost. Drcení a mletí umožňuje dobré promísení různých složek před jejich dalším zpracováním.. Výsledkem zdrobňování je vedle zvýšení stupně disperzity také zvýšená sypná hustota, tekutost (schopnost téci), mísitelnost, schopnost vznosu, změna povrchové aktivity, optických vlastností, látkové a tepelné výměny, schopnosti vazby aj. Význam zdrobňovacího procesu roste s růstem objemu výroby a spotřeby kovů, kameniva, cementu, stavebních hmot, keramických výrobků a různých jiných drcených nebo rozemílaných hmot včetně zneškodňování a zpracování odpadů. Význam zdrobňovacího procesu je v různých průmyslových oborech velmi rozdílný.

6.3.2 Způsoby drcení a mletí

Podle charakteru zdrobňované suroviny a požadavků na produkty volíme způsoby drcení a mletí. Při zdrobňování je materiál rozrušován působením vnějších sil. Zdrobňované materiály jsou v pracovním prostoru drtičů a mlýnů rozmělňovány tlakem, střihem, úderem, ohybem a kombinacemi těchto namáhání. Nejvíce se uplatňuje namáhání tlakem a smykem [3]. Namáhání na ohyb se uplatňuje jen omezeně. V drtičích a mlýnech se uplatňují zpravidla různé způsoby namáhání současně. Na převažujícím způsobu namáhání závisí kvalita produktu. Nejméně nežádoucích prachových podílů vzniká při namáhání zrn střihem. Tento způsob , ale může býti uplatněn jen u křehkých hornin. Nejvíce prachových podílů vzniká při zdrobňování roztíráním (kombinace tlaku a smyku). Zdrobňování můžeme provádět za sucha nebo za mokra. V úpravnictví probíhá drcení zpravidla za sucha. Mletí se provádí většinou za mokra zejména proto, že následné rozdružování pomletého materiálu probíhá ve vodě. Za sucha se melou obvykle až produkty

úpravy. Mletí za sucha se volí tehdy, když následující technologická operace se nemůže uskutečnit mokrou cestou (surovina mění ve vodním prostředí své vlastnosti). 6.3.3 Stupeň zdrobnění

Stupeň zdrobnění je jednou z hlavních charakteristik drtičů a mlýnů. Stupeň drcení nebo stupeň mletí vyjadřuje poměr zrnitosti vstupního materiálu k zrnitosti produktu. Ke stanovení stupně zdrobnění tedy musíme charakterizovat materiál z hlediska jeho zrnitostního složení před zdrobňováním a po zdrobňování. Stupeň drcení je dán vztahem

dDs = ,

kde D je průměr největších zrn v přívodu, d je průměr největších zrn v produktu zdrobňování.

U takto stanoveného stupně zdrobnění je v praxi obtížné určení největších zrn, případně stanovení rozměru zrna, který by měl odpovídat jeho průměru. Velikost kusů lze přesně definovat jenom u těles pravidelného tvaru. Pouze velikost koule je definována zcela jednoznačně jejím průměrem. Velikost zrn nepravidelného tvaru nelze exaktně definovat. V praxi se velikost zrn určuje obvykle pomocí sít. Nejběžnějším a nejpoužívanějším způsobem vyjádření zrnitostního složení materiálů, jsou křivky zrnitosti. Proto někteří autoři doporučují dosazovat do vzorce pro výpočet stupně zdrobnění velikost otvoru síta., kterým propadne t % zdrobňovaného materiálu nebo produktu zdrobňování. Stupeň zdrobňování určuje vztah:

t

t

dD

s = ,

kde Dt je velikost otvorů síta, kterým propadne t % zdrobňovaného materiálu, dt je velikost otvorů síta, kterým propadne t % produktu zdrobňování. Pro procesy drcení se používá hodnota t=80% a pro mletí hodnota t=95%. Velikost otvorů sít, kterými propadá 80 nebo 95% materiálu nebyla vybrána náhodně. Praxe ukázala, že rozměry největších kusů, které představují jen malou část materiálu (ne více jak 20% pro produkty drcení a ne více jak 5% pro produkty mletí), necharakterizující jeho velikost [1]. Velikost materiálu před a po zdrobnění je možno charakterizovat rovněž střední velikostí zrna. Střední velikost zrna se vypočte váženým průměrem hodnot udávajících střední hodnoty tříd z provedeného zrnitostního rozboru přívodu a produktu zdrobňování. Stupeň zdrobnění se vypočte jako poměr:

m

m

dD

s = ,

kde Dm je střední velikost zrna materiálu před zdrobněním, dm je střední velikost zrna materiálu po zdrobnění.

Stupeň zdrobnění má v praxi velký význam. Velký stupeň drcení je výhodný, poněvadž umožňuje rozdrcení materiálu v jednom drtiči. Zpravidla ale není možno dosáhnout v jednom stroji zdrobnění materiálu na požadovanou velikost. Při malém stupni zdrobnění je třeba zařadit více drtičů. Stupeň drcení nebo mletí jednotlivých strojů lze zpravidla v určitých mezích měnit. Obvykle se však maximálního stupně zdrobnění nevyužívá, neboť při vyšším stupni drcení výkony zdrobňovacích strojů prudce klesají.

6.3.4 Hlavní typy drtičů a mlýnů 6.3.4.1 Čelisťové drtiče Čelisťové drtiče se používají pro hrubé a střední drcení tvrdých a houževnatých surovin. Materiál je drcen tlakem, zčásti též lámáním, nebo roztíráním, v prostoru mezi pevnou a pohyblivou čelistí. Hlavními typy čelisťových drtičů jsou dvojvzpěrný a jednovzpěrný čelisťový drtič. Dvojvzpěrné čelisťové drtiče s horním uchycením pohyblivé čelisti (obr. 6.1) jsou používány nejčastěji v prvním stupni drcení.

obr. 6.1 Dvojvzpěrný čelisťový drtič (Svedala-Arbra) Hornina nacházející se v drtícím prostoru je zdrobňována v průběhu pohybu pohyblivé čelisti proti pevné čelisti. V době kdy se čelisti od sebe vzdalují, postupuje drcená hornina dolů k výpustné štěrbině. Spodní okraje čelisti se střídavě přibližují a vzdalují což usnadňuje výpad podrcené suroviny. Šířka výpustné štěrbiny se může v určitém rozsahu měnit, což umožňuje získávat produkt požadované zrnitosti. Největší drtící síla v dvojvzpěrném čelisťovém drtiči s horním uchycením pohyblivé čelisti působí v horní části tlamy tam kde jsou drceny největší kusy horniny. Postupně směrem k výpustní štěrbině se velikost drtící síly zmenšuje. Rozložení sil v drtícím prostoru je tak úměrné zmenšujícímu se odporu drcených kusů. Výkony největších dvojvzpěrných čelisťových drtičů dosahují až l 000 m3.h-1. K výhodám drtičů s horním uchycením pohyblivé čelisti patří, jednoduchá konstrukce, snadná údržba a obsluha. Nevýhodou je nerovnoměrné namáhání drtiče způsobující otřesy a vibrace což vyžaduje masivní základy těchto strojů. Čelisťový drtič se spodním uchycením pohyblivé čelisti dává stejnoměrnější zrno. Nevýhodou těchto drtičů je snadné zahlcování a tvorba většího množství jemných podílů. To je způsobeno tím, že na malé kusy působí největší drtící síla. Jednovzpěrné čelisťové drtiče (obr. 6.2) se používají pro primární drcení hornin s pevností v tlaku do 350 MPa a pro drcení ve druhém stupni. Jednovzpěrné čelisťové drtiče se od dvojvzpěrných drtičů liší složitým pohybem pohyblivé čelisti. Pohyblivá čelist je uchycena

přímo na hnacím, výstředníkovém hřídeli. V důsledku toho vykazuje pohyblivá čelist nejdelší dráhu pohybu na vstupu do tlamy drtiče a nejmenší těsně před výpustnou štěrbinou. Maximální pohyb čelisti v horní části snižuje možnost ucpávání tlamy velkými kusy a minimální pohyb u výstupu umožňuje získávat rovnoměrné zrno s dobrou tvarovou hodnotou. V produktech těchto drtičů se tvoří poměrně mnoho jemnozrnných částic. Jednovzpěrné čelisťové drtiče se uplatňují především při středním drcení hornin na velikost zrn 30 až 20 mm.

obr. 6.2 Jednovzpěrný čelisťový drtič (Svedala-Arbra) 6.3.4.2 Kuželové drtiče Kuželové drtiče se používají pro hrubé, střední a jemné drcení velmi pevných a obtížně drtitelných hornin. V kuželových drtičích je materiál zdrobňován mezi otáčejícím se drtícím kuželem nepohyblivým drtícím pláštěm. Podle tvaru drtícího kužele se kuželové drtiče dělí na ostroúhlé a tupoúhlé. Ostroúhlé kuželové drtiče se používají k hrubému a střednímu drcení těžce drtitelných materiálů. Materiál se drtí v prostoru mezi otáčejícím se komolým kuželem s ostrým vrcholovým úhlem a drtícím pláštěm kónického tvaru (obr. 6.3).

obr. 6.3 Kuželový drtič ostroúhlý (Lokomo) Drcení probíhá přibližováním a oddalováním drtícího kužele a pláště. Drcení probíhá nepřetržitě po celou dobu otáčky. Drtící kužel je zachycen v horním kulovém ložisku a jeho spodní část je uložena v poháněném, excentrickém pouzdru. Při rotaci pouzdra opisuje osa hřídele drtícího kužele plochu pláště kužele, jehož vrchol je v závěsném kloubovém ložisku a kruhová základna má průměr rovnající se dvojnásobku excentricity. Způsob drcení v ostroúhlém kuželovém drtiči je podobný drcení v čelisťových drtičích, avšak jejich práce je klidnější a dosahují většího výkonu. Předností ostroúhlých kuželových drtičů je rovněž příznivější tvar zrn produktu. Pro drcení ve druhém stupni drcení se používají kuželové drtiče s podepřeným hřídelem (obr. 6.4).

obr. 6.4 Kuželový drtič (Pegson-Telsmith) U těchto drtičů je osa hřídele, na níž je drtící kužel, svislá a během otáčení nemění svoji polohu. Drtící kužel je na této hřídeli excentricky usazen. Osa drtícího kužele při drcení opisuje plášť válce. Oproti kuželovým drtičům se zavěšeným hřídelem mají drtiče s podepřeným hřídelem příznivější rozložení sil mezi tlamou a vynášecí štěrbinou drtiče. Pohon ozubenými koly je umístěn bezprostředně pod drtícím kuželem což umožňuje kratší délku hřídele. Tupoúhlé kuželové drtiče (obr. 6.5)

obr. 6.5 Kuželový drtič tupoúhlý Omnicone SX (Bergeaud) V tupoúhlých kuželových drtičích se materiál drtí podobně jako v drtičích ostroúhlých. Tupoúhlé kuželové drtiče se od kuželových drtičů liší tvarem drtícího kužele a tvarem a polohou pevného drtícího pláště. Vrchol kuželové plochy drtícího pláště je, na rozdíl od drtičů ostroúhlých, nahoře. Toto rozdílné uspořádání spolu s větší výstředností hlavního hřídele je rozhodujícím faktorem drcení v tupoúhlých, kuželových drtičích. Tupoúhlé, kuželové drtiče mají větší počet otáček než drtiče ostroúhlé. Vlivem většího zdvihu a vyššího počtu otáček drtícího kužele není hornina drcena pouze rozmačkáváním, ale také úderem. To má vliv na tvarovou hodnotu zrna produktu. Na rozdíl od ostroúhlých, kuželových drtičů se tupoúhlé kuželové drtiče používají jen při středním a jemném drcení. 6.3.4.3 Kladivové a odrazové drtiče Kladivové a odrazové drtiče drtí materiál prudkými údery kladiv nebo drtících lišt a nárazy rychle se pohybujících zrn na nepohyblivé pancéřové desky. Na rozdíl od čelišťových a kuželových drtičů, ve kterých je průběh rozpadu zdrobňovaných zrn určen jejich polohou v drtícím prostoru, drtí se v úderových drtičích zrna v místech své nejmenší soudržnosti, tj. dle štěpných ploch, různých trhlin a puklin. Z tohoto důvodu bývá specifická spotřeba energie při úderném způsobu drcení menší než v čelisťových a kuželových drtičích. Kladivové drtiče (obr. 6.6) zdrobňují horninu prudkými údery kladiv kloubovitě uchycených na rychle se otáčejícím rotoru.

obr. 6.6 Kladivový drtič (Dragon) Působením odstředivé síly zaujímají kladiva radiální polohu a drtí zrna údery a zčásti i nárazy na pancéřové vyložení drtiče.Pod rotorem drtiče bývá obvykle rošt, který zachycuje nedostatečně podrcená zrna v drtícím prostoru. Kladivové drtiče se používají pro hrubé, střední i jemné drcení snadno až středně drtitelných hornin (některé druhy vápenců). Velké kladivové drtiče se používají v cementárnách i jako primární drtiče. Předností kladivových drtičů je jednoduchá konstrukce a vysoký stupeň drcení. Odrazové drtiče (obr. 6.7) mají místo kloubovitě upevněných kladiv, drticí lišty pevně spojené s rotorem.Obvodová rychlost rotorů odrazových drtičů je větší než u kladivových drtičů. Zdrobňovaná zrna jsou lištami prudce vrhána na odrazové pancéřové desky. Materiál je drcen přímými údery odrazových lišt a nárazy na odrazové desky. Odrazové drtiče nemají zpravidla spodní rošt.

K přednostem odrazových drtičů patří vysoký stupeň drcení a poměrně malá hmotnost a rozměry. Nevýhodou se jeví zejména vysoké opotřebení drtících lišt a odrazových desek. Odrazové drtiče se používají při hrubém, středním i jemném drcení kameniva a keramických materiálů.

obr. 6.7 Odrazový drtič (Svedala-Arbra) 6.3.4.4 Válcové drtiče Válcové drtiče (obr. 6.8) zdrobňují materiál nejčastěji mezi dvěma proti sobě se otáčejícími válci. Povrch válců může být hladký, rýhovaný, ozubený nebo ostnatý. V praxi se používají různé typy válcových drtičů lišících se počtem válců i technologickými vlastnostmi. Dvouválcové drtiče s hladkými válci se uplatňují při středním a jemném drcení žáruvzdorných a keramických surovin i s větším obsahem vody. Dvouválcové drtiče s ozubenými válci se uplatňují při hrubém a středním drcením snadno až středně drtitelných surovin. Válcové drtiče mají jednoduchou konstrukci a jsou provozně spolehlivé. Nevýhodou je poměrně malý stupeň drcení

obr. 6.8 Válcový drtič (Vöest)

6.3.4.5 Kulové mlýny Kulové mlýny jsou nejvíce rozšířené zdrobňovací zařízení pro mletí nerostných surovin a cementu. Kulové mlýny se nejčastěji vyrábějí ve tvaru bubnu nebo válce. Uvnitř jsou zčásti zaplněny volnými mlecími tělesy. Při otáčení mlýna jsou mlecí koule působením odstředivé síly vynášeny vzhůru a po dosažení určité výšky odpadají. Materiál je padajícími a převalujícími se koulemi rozemílán úderem, tlakem a roztíráním. Aby bylo mletí účinné, musí být mlecí tělesa vynášena dostatečně vysoko. Při relativně nízkých otáčkách se mlecí tělesa převalují a materiál je rozemílán hlavně roztíráním . Tento kaskádní způsob mletí se využívá při jemném mletí (obr. 6.9).

obr. 6.9 Kaskádní způsob mletí Při kataraktním mletí se projevuje zejména účinek jednotlivých z větší výšky, padajících koulí (obr. 6.10). Uplatňuje se především zdrobňování úderem. Tento režim je využíván při mletí hrubozrnnějších materiálů.

obr. 6.10 Kataraktní způsob mletí Podle způsobu vynášení produktů dělíme bubnové kulové mlýny na mlýny s vynášením produktů dutým čepem (obr. 6.11) s vynášením produktů štěrbinovou mezistěnou na konci mlýna (obr. 6.12) a mlýny s vynášením, produktů obvodovým výpadem (obr. 6.13).

obr. 6.11 Vynášení produktů dutým čepem

obr. 6.12 Vynášení produktů vynášecí komorou

obr. 6.13 Vynášení produktů obvodovým výpadem (Krupp) U tyčových mlýnů se používá také vynášení rozemletého materiálu soustavou štěrbin na obvodě pláště (obr. 6.14)

obr. 6.14 Vynášení produktů soustavou štěrbin na obvodu pláště V poměrně krátkých bubnových mlýnech nedochází k přemílání. Bubnové mlýny se uplatňují hlavně při mokrém mletí nerostných surovin. Používají se i při mletí za sucha v chemickém průmyslu, dále při mletí vápence, sádrovce, uhlí apod.

Troubové mlýny (obr. 6.15) se od bubnových mlýnů liší délkou, pracují podobně, ale melou především kaskádním způsobem. Troubové mlýny se používají k mletí těžce melitelných hmot za sucha i za mokra. Uplatňují v chemickém a keramickém průmyslu a zejména v cementárnách. Výroba cementu vyžaduje velmi jemné mletí vsázky i cementářského slínku.

obr. 6.15 Troubový mlýn Jakost cementu závisí na velikosti podílu nejjemnějších částic. Aby bylo dosaženo příznivé rozvrstvení mlecích koulí (největší koule na vstupu a menší směrem k výpadu produktů na konci mlýna), používají se v cementárnách vícekomorové mlýny, rozdělené mezi stěnami do oddělených komor (obr. 6.16).

obr. 6.16 Tříkomorový troubový mlýn Tyčové mlýny používají jako mlecí náplň tyče. Tyto mlýny pracují v kaskádním režimu mletí a používají se pro mletí těžce melitelných materiálů za sucha i za mokra. Mlecí náplň kulových mlýnů tvoří obvykle koule, ale používají se i mlecí tělesa jiného tvaru (válečky, krychličky aj.). Tam kde nesmí být rozemílané suroviny znečišťovány železným otěrem se místo ocelových koulí používají mlecí tělesa z pazourku, tvrdého porcelánu, korundu, alubitu nebo ocelové koule pokryté tvrzenou pryží [5]. Rovněž ocelové vyložení je nahrazeno vyložením pryžovým, silexem taveným čedičem, nebo keramickou vyzdívkou. Vyložení mlýnů chrání plášť a čela mlýnů před opotřebením. Životnost vyložení závisí na vlastnostech použitého materiálu, tvaru desek, typu mlýna a způsobu mletí a na melitelnosti a abrazivnosti zdrobňovaných surovin. Vyložení bývá buď hladké nebo má různé výstupky a unášecí žebra. Hladké vyložení se uplatňuje při jemném mletí. Při hrubším mletí se uplatňuje profilované vyložení. 6.3.4.6 Kolové mlýny Kolové mlýny se používají pro suché i mokré mletí. Mlýny jsou osvědčené, jednoduché konstrukce, spolehlivé v provozu, nenáročné na obsluhu a údržbu. Při výrobě jemné keramiky slouží kolové mlýny na suché mletí pro přípravu surovin. Mlýny zdrobňují keramické suroviny tlakem dvou otočně uložených běhounů, které se odvalují po mlecí dráze (obr. 6.17).

Mlecí dráhu tvoří desky, jimiž je vyložena otáčející se mlecí mísa. Otáčející se mlecí mísa uvádí do rotačního pohybu běhouny, pod které je soustavou škrabáků usměrňováno melivo. Rozemletý produkt shrnují škrabáky na sítovou dráhu, kterou propadají zrna požadované velikosti do sběrné mísy. Kolové mlýny pro mokré mletí slouží nejčastěji pro přípravu cihlářské suroviny. Zpracovávaná surovina nesmí obsahovat velmi tvrdá zrna a kovové předměty. V mlýně dochází současně k mletí, mísení, roztírání, hnětení a protlačování přes děrované desky mlecí dráhy. Při mletí je surovina skrápěna vodou a doplňována podle potřeby ostřivem případně plnivem. Pomletá surovina podá do talířového mísidla pod mlecí dráhou.

obr. 6.17 Kolový mlýn MKS (Přerovské strojírny) 6.3.4.7 Kotoučové mlýny Kotoučové mlýny jsou vhodné k mletí středně až obtížněji melitelných materiálů. Používají se zejména ke zpracování vápence, sádrovce, fosfátů, uhlí atd. Pro tvrdší materiály a suroviny měkké se sklonem k mazlavosti nejsou kotoučové mlýny vhodné. Kotoučové mlýny mají dva běhouny, které jsou přitlačovány k mlecí dráze silou pružin nebo hydropneumaticky (obr. 6.18).

obr. 6.18 Kotoučový mlýn (Přerovské strojírny)

Materiál je přiváděn do mlýna vzduchotěsnou násypkou na mlecí dráhu. Rozemletý materiál je z mlýna unášen do rotačního nebo lopatkového třídiče. Otáčkami lopatkového koše se reguluje jemnost mletí. Třídič je neoddělitelnou součástí mlýna. Kotoučový mlýn je hlavní pracovní stroj v mlecím okruhu, do kterého dále patří odlučovač, ventilátor a filtr. Nedostatečně rozemleté částice se vrací zpět do mlecí komory. Dostatečně pomleté částice jsou unášeny proudem vzduchu do odlučovače. 6.4 Třídění

Účelem třídění je rozdělování směsi zrn na třídy podle jejich velikosti. Produkty třídění se od původního materiálu liší jen velikostí částic nikoli složením. K třídění používáme síta nebo rošty. Produkt tvořený zrny většími, než jsou otvory v třídící ploše, označujeme jako přepad (nadsítné, roštné). Produkt tvořený zrny, která propadla sítem nebo roštem označujeme jako propad (podsítné, podroštné). Třídění je důležitým pochodem v úpravnách nerostných surovin, v keramickém průmyslu, při výrobě stavebních hmot a v dalších průmyslových odvětvích. Třídění může být také hlavním procesem v případě, že se rubanina nerozdružuje, ale pouze drtí a třídí jak tomu je při zpracování kameniva, vápence. V technologii úpravy nerostných surovin může třídění dále vystupovat jako proces přípravný nebo pomocný. Úkolem přípravného procesu je předtřídění materiálu na vhodné zrnitostní třídy před další úpravou. Pomocným procesem je třídění materiálu v různých místech technologického procesu úpravy tak, aby se usnadnilo nebo umožnilo jeho zpracování. Většina způsobů rozdružování vyžaduje, aby byly z rubaniny předem oddělena zrna, která nemohou být rozdružována společně s ostatní rubaninou. Pomocným procesem je i třídění při drcení a mletí, kdy odtřiďujeme zrna, která jsou již dostatečně zdrobněná. 6.4.1 Zrnitostní složení Účinnost naprosté většiny používaných způsobů úpravy nerostných surovin je přímo závislá na zrnitostním složení upravovaného materiálu. Znalost zrnitostního složení je důležitým předpokladem efektivního řízení technologie. 6.4.1.1 Třídící zkoušky Třídící zkouškou se zjišťuje hmotnostní podíl zrn dané velikosti ve zkoušeném vzorku. Sítový rozbor se provádí za sucha nebo za mokra na standardních, laboratorních sítech. Základními faktory, které ovlivňují přesnost sítové analýzy jsou: - způsob provádění ručního nebo mechanického rozboru, - velikost tříděného zrna, druh materiálu, velikost navážky vzorku a doba trvání sítové

analýzy, - dovolená odchylka ve velikosti oka zkušebního síta.

Sítové rozbory se provádějí na kontrolních sítech. Jsou to přesná, výrobcem ověřená síta, která tvarem, rozměry a provedením odpovídají příslušné normě. Hrubozrnné materiály se třídí na kontrolních sítech z děrovaných plechů se čtvercovými otvory. Při sítových rozborech jemnozrnných materiálů se používají drátěné tkaniny. Nejjemnější síta v sadách standardních, kontrolních sít mívají okatost kolem 60μm. Zrnitostní složení materiálů s částicemi menšími než 60μm se zjišťuje sedimentačními metodami nebo vzdušným tříděním v odstředivém

silovém poli. Nevýhodou sedimentačních metod a zrnitostních analýz v odstředivém silovém poli je jejich závislost na hustotě a tvaru vyhodnocovaných zrn. Zrnitostní složení jemnozrnných směsí se zjišťuje rovněž metodami založenými na měření rozptylu laserových paprsků. Výsledky sítových analýz vyhodnocujeme ve formě tabulek, anebo se zjištěné hodnoty pro lepší názornost zobrazují graficky jako křivky zrnitosti. V praxi se používají různé způsoby znázornění křivek zrnitosti. Obvykle bývá na vodorovné ose diagramu stupnice velikosti zrn. Na svislou osu se vynáší buď hmotnostní výnos jednotlivých zrnitostních tříd v procentech, a nebo četnost zrn v jednotlivých třídách. Dle potřeby volíme na osách různé dělení (lineární, logaritmické, semilogaritmické aj.). Tabulka č. 6.1 Výsledky sítového rozboru

velikost hmotnost výnos třídy výnos (%) zrna třídy hmotnost (cm) (g) (%) nadsítného podsítného

0,0 - 0,1 140,8 17,6 100,0 17,6 0,1 - 0,3 255,2 31,9 82,4 49,5 0,3 - 0,5 148,8 18,6 50,5 68,1 0,5 -1,0 113,6 14,2 31,9 82,3 1,0 -2,0 82,4 10,3 17,7 92,6 2,0- 2,5 59,2 7,4 7,4 100,0

Na základě hodnot z této tabulky jsou na obr. 6.19 znázorněny součtové křivky zrnitosti nadsítného a podsítného a křivka zastoupení jednotlivých zrnitostních tříd [9].

obr. 6.19 Křivky zrnitosti Sítové rozbory umožňují kontrolu práce drtičů a mlýnů, jsou podkladem pro srovnání účinnosti a vhodnosti různých zdrobňovacích zařízení. Sítovými rozbory je zjišťováno

zrnitostní složení zpracovávané suroviny i produktů úpravy. Ze součtových křivek zrnitosti lze zjistit hmotnostní složení podsítného nebo nadsítného od nejmenších nebo největších zrn až k požadované velikosti. Průběh součtových křivek charakterizuje zrnitostní skladbu tříděného vzorku. Součtová křivka blížící se svým průběhem přímce, odpovídá materiálu s rovnoměrným zastoupením zrn různých velikosti. Vydutá součtová křivka podsítného odpovídá materiálu s převažujícím podílem hrubších zrn. Vypouklý tvar součtové křivky podsítného charakterizuje materiál obsahující především jemnější zrna. V provozních podmínkách se většinou nevyžaduje znalost zrnitostního složení různých materiálů a jemnost těchto materiálů se obvykle posuzuje podle hmotnosti propadu nebo zbytku na sítech určitých standardních okatostí. Hodnocení jemnosti podle velikosti propadu nebo zbytku na kontrolních sítech není přesné. Měřítkem pro posuzování zdrobňovacího procesu není jen poměr velikosti původních a získaných zrn, ale zejména přírůstek nově vytvořeného povrchu. Jemnost četných práškových produktů a surovin se proto často hodnotí také velikostí jejich měrného povrchu. Měrný povrch je charakteristickým znakem všech sypkých hmot a jeho velikost ovlivňuje rychlost probíhajících chemických reakcí při loužení, rozpouštění apod. 6.4.2 Účinnost třídění K vyjádření účinnosti třídění se používá různých metod, jejichž problematikou se blíže zabývá technologická analýza. Zde uvádím pouze jeden z nejčastěji uváděných vzorců, vyjadřujících účinnost v technologickém slova smyslu. Účinnost třídění ηse rovná rozdílu výtěžnosti hrubého zrna do nadsítného (m) a výtěžnosti jemného zrna do nadsítného (w)

w-m=η (6.1) po dosazení za m a w dostaneme vztah

( )( )( )( ) 100

ab-ca-100100a-cb-a

⋅⋅

⋅=η (%) (6.2)

Kde a je obsah jemného zrna v přívodu na síto, b je obsah jemného zrna v nadsítném, c je obsah jemného zrna v podsítném. Tento vzorec je možno použít i při třídění podle soupádnosti. Účinnost třídění je závislá na: - vlastnostech tříděného materiálu, - konstrukci třídící plochy a třídiče. Z vlastností tříděného materiálu je při mechanickém třídění významný obsah vody v tříděném materiálu. Zvýšená vlhkost vede ke slepování jednotlivých zrn a vlhký materiál se nalepuje na třídící plochu, zalepuje otvory v sítu a tím znemožňuje propadávání jemných podílů. Potíže působí zejména voda vázaná na povrchu zrn. Při obsahu povrchové vody do 2% probíhá třídění bez potíží. Se stoupajícím podílem povrchové vody se třídění zhoršuje až do okamžiku kdy přebytek vody zruší účinek kapilárních sil. Mokré třídění je účinné, ale jeho nevýhodou je nutnost odvodňování produktů což zvyšuje náklady na zpracování. Konečný efekt třídění ovlivňuje rovněž zrnitostní složení vsázky. Příznivé zrnitostní složení značně ulehčuje třídící proces, zvyšuje výkon i účinnost třídičů.

Na účinnost třídění mají vliv také hraniční zrna. Jako hraniční zrna označujeme ta zrna, jejichž průměr je o 10 % menší než je velikost otvorů třídící plochy. Tato zrna mají tendenci k zakliňování v otvorech sít a tím zhoršují propadávání jemných tříd. Důležitým faktorem je tvarová hodnota zrn. Nejsnadněji se třídí zrna kulová. Zrna podlouhlá, deskovitá nebo jehlicovitá se obtížně staví do prostupové pozice a zůstávají z velké části v přepadu třídění. Důležitými konstrukčními faktory ovlivňujícími účinnost třídění na třídičích s kmitavým pohybem třídící plochy jsou: - sklon třídící plochy, - počet kmitů třídící plochy, - velikost amplitudy kmitu. Zrna propadají otvory třídící plochy zpravidla působením gravitace. Jako účinnou propadovou plochu je možno brát u skloněných sít její průmět do vodorovné roviny. V průběhu třídění jsou zrna nadhazována a obrácena, tak, aby zaujala propadovou polohu. To se dociluje vhodně volenými kmity třídící plochy. Se stoupajícím počtem kmitů se zpočátku výkon zvyšuje zhruba úměrně rostoucímu kmitočtu, a to až do okamžiku, kdy zrychlení udělené zrnu způsobí jeho nadhození tak, že zrno ztratí kontakt se sítem. V tomto okamžiku se výkon třídiče zvýší několikanásobně. Při dalším zvyšování kmitočtu stoupá výkon velmi nepravidelně a při přechodu některých pásem kmitočtů i klesá. Chceme-li dosáhnout vysoké účinnosti třídění je třeba, aby zrno při každém kmitu třídící plochy vykonalo jeden skok. Hmota zrn v závislosti na jejich velikosti je ale různá a proto se liší i doba letu jednotlivých zrn. Velikost amplitudy vibrace má být úměrná velikosti tříděných zrn a tedy i velikosti otvorů v třídící ploše. Při daném kmitočtu má být amplituda tak velká, aby se zrno pohybovalo od jednoho otvoru k druhému. Pro optimální průběh třídění se má velikost amplitudy pohybovat v rozmezí desetiny až poloviny otvoru síta. K porovnání různých typů třídičů slouží hodnoty mechanického faktoru K a třídícího faktoru Kv

gaK

2ω⋅= (6.3)

( )

ββα

cossinKK v

+⋅= (6.4.)

kde a je amplituda kmitu třídicí plochy (m), ω je úhlová rychlost (rad.s-1), α je úhel vrhu zrna, tj. úhel, který svírá směr kmitání třídicí plochy s vodorovnou

rovinou, β je sklon třídící plochy, tj. úhel, který svírá rovina třídící plochy s vodorovnou

rovinou. Mechanický faktor K vyjadřuje poměr velikosti zrychlení harmonického pohybu třídící plochy ku gravitačnímu zrychlení. Třídící faktor Kv je poměr průmětů složek zrychlení třídící plochy a gravitačního zrychlení na kolmici k třídící ploše. Třídící faktor charakterizuje dráhu letu tříděného zrna, jeho dopad na třídící plochu a odraz k dalšímu skoku. Čím je větší hodnota faktoru Kv, tím větší je pohyb zrn po sítě. Aby se mohlo zrno odpoutat od třídící plochy, musí být hodnota Kv > 1. U směsi zrn jsou podmínky složitější (vliv vlhkosti, tření zrn).

V praxi se při konstrukci a výběru kmitavých třídičů vychází z hodnot Kv od 1,6 pro třídění snadno tříditelných materiálů, do hodnoty 3-3,5 pro ostré třídění těžce tříditelných materiálů s vysokým obsahem jemných podílů, které mají být odtříděny. Při hodnotách Kv 4 a vyšších se jedná velmi ostré a rozvolněné třídění spojené s poklesem výkonu třídiče. V praxi se materiál třídí obvykle na větší počet tříd. Jednotlivé zrnitostní třídy je možno, v tomto případě, získat v zásadě třemi způsoby: a) tříděním od hrubého k jemnému zrnu, b) tříděním od jemného k hrubému zrnu, c) kombinací obou způsobu. Při třídění od hrubého zrna k jemnému (obr. 6.20), jsou jednotlivá síta uspořádána nad sebou. Horní síto má největší okatost a každé další spodní síto má menší velikost otvorů. Výhodou tohoto uspořádání je lepší účinnost třídění menší opotřebení třídících ploch a menší zastavěná plocha.

obr. 6.20 Postup třídění od hrubého zrna k jemnému Ve druhém seriovém uspořádání třídících ploch za sebou postupuje tříděný materiál od síta s nejmenší okatostí k sítu s největšími otvory (obr. 6.21). Nevýhodou je, že nejhrubší kusy tříděného materiálu prochází přes všechna síta, čímž trpí zejména povrchy sít s malou okatostí. Hrubá zrna vlivem své větší hmotnosti postupují bezprostředně po povrchu síta, tím zakrývají oka jemných sít a zhoršují propadávání drobných zrn. Třídiče jsou dlouhé a zabírají hodně místa. Výhodou tohoto způsobu je snadná kontrola a výměna třídících ploch. Kombinovaný způsob řazení třídících ploch se někdy užívá, aby se odstranily nevýhody předcházejících způsobů. Toto uspořádání, ale vyžaduje velké stavební výšky i plochy a je proto v praxi méně obvyklé.

obr. 6.21 Postup třídění od jemného zrna k hrubému

6.4.3 Třídící plochy Mechanické třídění se provádí na roštech nebo sítech. Z technologického hlediska je nejdůležitější funkční části každého třídiče třídící plocha. Třídící plochy roštů jsou tvořeny roštnicemi. Roštnice bývají tyčové různých profilů nebo válcové s nálitky nebo kotouči různého tvaru. Tyčové roštnice jsou tyče speciálně válcované nebo svařované z běžných profilů. Válcové roštnice se skládají z hřídele na němž jsou nasazeny kotouče kruhového nebo eliptického tvaru. Častý je také tvar sférického trojúhelníku. Třídící plochy sítových třídičů se zhotovují z děrovaných plechů, plastů případně jiných materiálů, splétáním drátů nebo skládáním z tvarovaných drátů a tyčí. Děrované plechy se používají pro třídění hrubších tříd. Výhodou děrovaných třídících ploch je jejich hladký povrch. Drátěná síta (pletiva) pro hrubé třídění mají nejčastěji oka čtvercového nebo obdélníkového tvaru. K jemnému třídění se používají oka čtvercová, obdélníková případně trojúhelníková. Dráty jsou zhotovovány nejčastěji nerezavějící oceli s vysokou pevností. Pro třídění jemnozrnného materiálu nebo pro odvodňování se používají nejčastěji síta štěrbinová. Ta jsou tvořena profilovými dráty. 6.4.4 Hlavní typy třídičů K třídění se v praxi používají hlavně pohyblivé třídiče. Nejrozšířenější jsou třídiče s kmitavým pohybem třídící plochy. Podle počtu kmitů dělíme třídiče na: - třídiče s podkritickým kmitočtem - třídiče s kritickým kmitočtem - třídiče s nadkritickým kmitočtem Počet kmitů je důležitý pro výkon a účinnost třídiče. Každý kyvný mechanismus vyvolává při kmitech setrvačné síly, které jsou tím větší, čím je větší hmotnost kmitající soustavy, čím větší je kmitočet a amplituda kmitů. Tyto setrvačné síly vznikají tím, že je nutno při každém kmitu zachytit přebytečnou kinetickou energii pohybující se hmoty. Každý kmitající třídič představuje výkyvný mechanismus, který má svůj vlastní kmitočet. Je-li tento mechanismus poháněn v rytmu vlastního kmitočtu, stačí k udržení pohybu jen nepatrná energie. Kritický (vlastní) kmitočet je pro třídič nebezpečný, neboť setrvačné síly, už při malé nadbytečné síle pohonu, dosahují vysokých hodnot, které mohou vést až k poškození stroje. Rezonanční třídiče musí být proto dokonale dynamicky vyváženy. Tyto stroje vyžadují pravidelnou kontrolu a pečlivé seřízení. Jejich výhodou je malá spotřeba energie, vysoký výkon a dobrá účinnost třídění. Dle tvaru kmitů třídící plochy dělíme třídiče na: - třídiče s kruhovými kmity, - třídiče s eliptickými kmity, - třídiče s přímočarými kmity, - třídiče se zvláštní konstrukcí. Kmity jsou vyvolávány excentrickým hřídelem, dynamicky nevyváženým rotujícím systémem nebo elektromagneticky. Schéma třídiče s kruhovými kmity, vyvolanými pomocí dvou excentrických hřídelů je zobrazeno na obr. 6.22.

obr. 6.22 Schéma třídiče s kruhovými kmity Na obr. 6.23 je znázorněno schéma třídiče s kruhovými kmity, dynamicky buzenými, rotujícím nevývažkem umístěným v těžišti skříně třídiče.

obr. 6.23 Schéma třídiče s dynamicky buzenými kruhovými kmity Na obr. 6.24 je znázorněn hrubotřídič HT z produkce Přerovských strojíren, s dynamickým buzením kruhových kmitů.

obr. 6.24 Hrubotřídič HT (Přerovské strojírny) V případě umístění nevývažku mimo těžiště, vykonává třídící plocha neusměrněný eliptický pohyb (obr. 6.25).

obr.6.25 Třídič EDT (Přerovské strojírny)

Třídiče s eliptickými kmity byly vyvinuty s cílem odstranit nedostatky třídičů s kruhovými a přímočarými kmity. Nevýhodou třídičů s kruhovými kmity je poměrně strmý úhel vrhu. Jejich výhodou je dobré uvolňování zaklíněných zrn. U třídičů s přímočarými kmity je úhel vrhu libovolně nastavitelný. V průběhu třídění zajišťuje pohyb třídící plochy ve směru delší osy elipsy rychlý postup materiálu po sítě a pohyb ve směru malé osy zajišťuje uvolňování zaklíněných zrn a dobré nakypření tříděného materiálu. Eliptické kmity jsou dynamicky buzeny pomocí rotace dvou nebo tří synchronizovaných, nevývažků s různou velikostí nevyvážené hmoty. Schéma třídiče s eliptickými kmity je znázorněno na obr.6.26.

obr. 6.26 Schéma třídiče s eliptickými kmity Na (obr. 6.27) je znázorněno schéma třídiče s přímočarými kmity, vyvolanými dvěma proti sobě rotujícími nevývažky se stejnou hmotností nevyvážené hmoty. Otáčení nevyvážených hmot zajišťují ozubená kola. Nevyvážené hmoty tak zachovávají vůči sobě v průběhu otáčky stále stejnou polohu.

obr. 6.27 Schéma třídiče s přímočarými kmity Odstředivé síly se sčítají pouze v žádaném směru kmitání a v ostatních polohách nevývažků se síly navzájem ruší. Na obrázku (6.28) je znázorněno pohybové schéma elektromagnetického vibrátoru. Vibrační zařízení se skládá z elektromagnetu upevněného na rámu třídiče napájeného střídavým proudem a jádra cívky, které je spojeno s třídící plochou. Vibrace třídící plochy nastává střídavým přitahováním o odpuzováním jádra elektromagnetu. Třídící plocha kmitá přímočarým kmitem. Směr kmitů je kolmý na sítovou plochu.

obr. 6.28 Schéma elektromagnetického vibrátoru

6.5 Klasifikace Čím jsou menší otvory v sítech, tím menší je účinnost i výkon mechanického třídění. Drahá, velmi jemná a málo trvanlivá síta nahrazujeme v těchto případech, tříděním založeným na rozdílných pádových rychlostech různě velkých zrn v hmotném prostředí. Jsou-li tříděné materiály složeny ze zrn různé hustoty případně tvaru budou tyto vlastnosti ovlivňovat složení produktů. Vznikající produkty nejsou vymezeny pouze velikostí zrn, ale i jejich sedimentačními rychlostmi. Třídění založené na rozdílných konečných pádových rychlostech se označuje jako klasifikace. Při klasifikaci získáváme produkty, které jsou tvořeny zrny se stejnými konečnými, pádovými rychlostmi tj. soupádnými zrny. Oddělování podle soupádnosti se používá pro třídění zrn zpravidla menších než 2 mm. Hlavními činiteli při klasifikaci jsou hustota a velikost klasifikovaných zrn. Vzhledem k tomu, že hustota jednotlivých zrn se může lišit jen výjimečně více jak pětinásobně, a že poměr velikosti zrn může býti sto i vícenásobný, lze třídění nejjemnějších zrn nahradit klasifikací. Podle toho v jakém hmotném prostředí se klasifikace provádí hovoříme o hydraulickém nebo o pneumatickém třídění. 6.5.1 Hydraulické třídění Hydraulické třídění je rozdělování směsi zrn na třídy se stejnou konečnou pádovou rychlostí ve vodě. Výsledek hydraulického třídění odpovídá mechanickému třídění na sítech jen tehdy, nejsou-li v tříděném materiálu obsažena zrna rozdílných hustot nebo tvaru. Zjištění zákonitostí pádu zrn v hmotném prostředí se věnovalo mnoho autorů, kteří odvodili vzorce pro výpočet konečné pádové rychlosti kulových zrn v různém zrnitostním rozmezí. Všechna pevná tělesa mají při pádu v hmotném prostředí dvě období pádu. Je to období, kdy částice padá se zrychlením a období kdy částice padá se stálou neboli konečnou rychlostí. V prvním období, působením hmotnosti, rychlost roste, současně však vzrůstá síla odporu prostředí. V určitém okamžiku dojde k vyrovnání sil a částice padá rovnoměrnou rychlostí. Pro volný pád kulové částice v hmotném prostředí po dosažení konečné pádové rychlosti platí vztah:

2v

4dcg

6dg

6d p

20

2

wp

33 ρπρπρπ ⋅⋅+⋅⋅=⋅⋅ , (6.5)

kde d je průměr zrna (m), zrna hustota je ρ (kg.m-3), g je gravitační zrychlení (m.s-2), pρ je hustota prostředí (kg.m-3), cw je koeficient odporu prostředí, vo je pádová rychlost (m.s-1). Závislost cw = f (Re) je znázorněna na obr. 6.29. Hodnota Re je bezrozměrné číslo, které charakterizuje převahu dynamického odporu nad vlivem viskozity prostředí:

νdv

Re 0= , (6.6)

Kde ν je kinematická viskozita prostředí (m2.s-1). Pro výpočet konečné pádové rychlosti použijeme vzorec:

( )wp

p0 c3

d4v

ρρρ ⋅⋅−

=g

=d

Re ν⋅ , (6.7)

V hodnotě koeficientu cw je vyjádřen jak odpor tření, tak i odpor dynamický který závisí na pádové rychlosti a na hustotě prostředí. Koeficient není stálou veličinou. Hodnota mocnitele průměru zrna d ve vzorci pro výpočet konečné pádové rychlosti se pohybuje v rozmezí od 0,5 do 2. Křivka cw = f(Re) pro kulová zrna (obr.6.29) má několik charakteristických oblastí: a) oblast malých čísel Re < 0,6 (Stokes):

Re24cw = , (6.8)

b) přechodná oblast 0,6<Re<103: cw=10 Re-0,5 pro 30<Re<300 (Allen), (6.9)

28,0Re6Re21c 5,0

w ++= − pro 0,1<Re<4.103, (6.10)

c) Newton-Rittinger oblast 103<Re<2,5.105:

cw=0,44, (6.11) Tvary vzorců pro výpočet pádových rychlostí nejčastěji citovaných autorů jsou

Rittinger ( )

p

p0

-d43,4v

ρρρ

⋅= , (m.s-1) (6.12)

Allen ( )

3

p

2p

0 d196,1vρμρρ⋅

−= , (m.s-1) (6.13)

kde μ - je viskozita prostředí [Pa.s]

Stokes ( )

μρρ p2

0 d545v−

⋅= , (m.s-1) (6.14)

Výše uvedené vzorce platí pro volný pád kulových zrn v hmotném prostředí bez vzájemného ovlivňování současně padajících zrn, bez tření o stěny atd. V praxi zrna padají v zúženém prostoru. Postihnutí všech vlivů, které se uplatňují při pádů souborů nehomogenních zrn různých tvarů v turbulentním prostředí je velmi obtížné a všechny uváděné vzorce slouží pouze pro orientační stanovení.

obr. 6.29 Závislost koeficientu odporu kulového zrna na Reynoldsově čísle 6.5.2 Stroje a zařízení pro klasifikaci ve vodním prostředí Podle způsobu práce můžeme klasifikátory rozdělit na gravitační klasifikátory a klasifikátory využívající odstředivé síly. Gravitační klasifikátory se dále dělí na: - klasifikátory s horizontálním pohybem proudu vody, - klasifikátory se vzestupným proudem vody, - mechanické klasifikátory. Ke klasifikátorům využívajícím odstředivé síly patří hydrocyklóny a odstředivky. 6.5.2.1 Klasifikátory s horizontálním pohybem proudu vody Výhodou těchto klasifikátorů je, že pracují bez nebo jen s minimálním množstvím pohybujících se strojních součástí. K nejjednodušším zařízením patří nálevky. Nálevky jsou čtyřboké jehlany obrácené vrcholem dolů, řazené za sebou. Jejich rozměry se, ve směru od přívodu, zvětšují. V objemově nejmenší nálevce je nejrychlejší proudění vody a proto zde sedimentují nejhrubší zrna, v dalších nálevkách klesají ke dnu postupně menší a lehčí zrna. Usazené produkty jsou ze zařízení průběžně vynášeny (obr. 6.30).

obr. 6.30 Nálevky Kuželové klasifikátory jsou v podstatě velké nálevky kuželovitého tvaru, které se používají pro oddělování nejjemnějších částic. Kuželové klasifikátory se používají při úpravě písků pro betonové směsi, kaolinu a brusných materiálů. Pro zlepšení ostrosti třídění se v technologii používá různého zapojení jednotlivých klasifikátorů (např. protiproudé zapojení).

6.5.2.2 Klasifikátory se vzestupným proudem vody Charakteristickým rysem těchto zařízení je vzestupný proud vznikající přidáváním vody do prostoru třídění. V třídícím prostoru klesají pouze zrna, jejichž konečná pádová rychlost je větší než rychlost vzestupného proudu. Výhodou těchto klasifikátorů, oproti klasifikátorům s horizontálním proudem, je to, že účinnost třídění je nezávislá na rychlosti přitékajícího rmutu. Hranici třídění je možno nastavit rychlostí vzestupného proudu. Na (obr. 6.31) jsou znázorněny jednotlivé typy klasifikátorů se vzestupným vodním proudem. Vsázka přiváděna do klasifikátoru je označena symbolem mA, jemnozrnný produkt – mF, hrubozrnný produkt – mG, a přívod vody, vyvolávající vzestupný proud – mM.[6]

obr. 6.31 Typy klasifikátorů se vzestupným vodním proudem 6.5.2.3 Mechanické klasifikátory Tyto klasifikátory se způsobem práce blíží klasifikátorům s horizontálním prouděním. Jednotlivé produkty jsou vynášeny z klasifikátorů mechanicky (hřebla, šroubovice apod.). V úpravnictví jsou klasifikátory používány hlavně v mlecích okruzích. Klasifikátory se nejčastěji skládají z vany, ve které se pohybuje vynášecí zařízení vyhrnující písky klasifikátoru. Na (obr. 6.32) je znázorněn šroubovicový klasifikátor zapojený v uzavřeném okruhu s kulovým mlýnem.

obr. 6.32 Šroubovicový klasifikátor

K mechanickým klasifikátorům patří rovněž mísové klasifikátory (obr. 6.33). Ve válcové nádobě, dole zakončené plochým kuželem, se na svislém hřídeli otáčí rameno s hrably, která vyhrnují hrubší částice k výpustnému otvoru ve vrcholu kužele. Jemné částice přepadají do žlabu na obvodu horní části klasifikátoru.

obr. 6.33 Mísový klasifikátor 6.5.2.4 Klasifikace s využitím odstředivé síly Snaha o zvýšení účinnosti třídění, zejména v oblasti nejjemnějších zrnitostních tříd, vedla k využití odstředivé síly, jejíž intenzita mnohonásobně převyšuje gravitační sílu. Ke klasifikaci je možno využít hydrocyklóny nebo plnoplášťové odstředivky. 6.5.2.4.1 Hydrocyklóny Hydrocyklóny jsou univerzální zařízení, která se uplatňují nejen při třídění, ale také při rozdružování nebo zahušťování. Jejich předností je jednoduchá konstrukce bez pohyblivých součástí. Hydrocyklón se skládá z horní válcové části do níž tangenciálně ústí přívodní potrubí. Spodní část má tvar kužele obráceného kuželem dolů (obr. 6.34).

obr. 6.34 Schéma hydrocyklónu Tangenciálně přiváděná vsázka se dostává do rotace, hrubší a těžší částice jsou unášeny ke stěnám a vynášeny spodní tryskou. Jemnější a lehčí částice jsou vynášeny středovým, vzestupným, vírem horní, přepadovou tryskou. Tvar a konstrukce hydrocyklónu závisí na jeho použití. Třídící hydrocyklóny mívají vrcholové úhly 20 až 30 stupňů a menší průměr válcové části. [4]. Třídící hranice cyklónu je dána průměrem válcové části, rozměry horní a dolní trysky a vstupním tlakem rmutu.

6.5.2.4.2 Odstředivky Plnoplášťové odstředivky pracují na principu kombinace třídiče s horizontálním proudem vody a mechanického klasifikátoru. Materiál se přivádí do otáčejícího se vnitřního bubnu 2, opatřeného šroubovicí 5. Přes otvory 3 v přední části vnitřního bubnu přetéká tříděný materiál do rotujícího vnějšího bubnu 4 (obr. 6.35).

obr. 6.35 Plnoplášťová odstředivka (KHD Humboldt Wedag) Odstředivá síla vynáší hrubší částice ke stěnám bubnu. Oba bubny se otáčí souhlasným směrem, ale počet otáček není shodný. Vynášecí šnek hrne hrubší částice po vnitřních stěnách vnějšího bubnu směrem k vrcholu konické části bubnu kde vypadávají otvorem 7 do vynášecí komory. Voda s nejjemnějšími částicemi vytéká otvory na přívodní straně. 6.5.2.5 Promývání Při promývání se z rubaniny odstraňují hlinité a jílovité příměsi. Nejjemnější částice při úpravě kaolínu tvoří nejcennější složku suroviny, a odpadem jsou hrubší křemité písky. Jedním ze zařízení je dvoustupňová, žlabová promývačka (obr. 6.36).

obr. 6.36 Schéma promývačky První část zařízení se skládá z polokruhovitého žlabu, v němž se otáčí šavlovitě zahnutá ramena, která rozrušují a posouvají surovinu ke konci žlabu odkud je korečkovým kolem vynášen do druhého žlabu. V něm je předběžně promytý materiál nabírán korečky ze dna žlabu a dopravován na bubnové síto v sousedním oddělení. Tento postup se opakuje, až je

posledním horečkovým kolem vynášen promytý materiál z pračky. Při promývání se uplatňuje protiproudý systém. Čistá voda je přiváděna do druhého stupně promývání. [4] V plavírnách kaolínu se převážně používá pro rozplav spirálový vynašeč písku v kombinaci z bubnovým korečkovým rozplavovačem suroviny (Excelsior-Bavaria).Na obr. 6.37. je znázorněno schéma úpravy kaolínu.

obr. 6.37 Schéma plavírny kaolínu 6.6 Rozdružování Rozdružování je nejdůležitějším procesem při úpravě nerostných surovin. Při rozdružování se rubanina rozděluje na koncentrát, bohatý na užitkovou složku a odpad, obsahující převážně jalové, neužitečné doprovodné složky rubaniny. Základní podmínkou úspěšného rozdružování jsou rozdílné fyzikální, nebo chemické vlastnosti jednotlivých složek rozdružované vsázky. Čím rozdílnější jsou vlastnosti rozdružovaných složek, tím snažší je jejich oddělení. Způsoby rozdružování závisí ve značné míře na zrnitostním složení upravované suroviny. Pro rozdružování hrubého zrna se používají jiné postupy, než pro úpravu jemného a prachového zrna. Při jednotlivých rozdružovacích metodách se využívají rozdílné fyzikální vlastnosti (hustota, magnetismus, radioaktivita, barva, tvar elektrická vodivost,) fyzikálně-chemické vlastnosti (smáčitelnost, adsorpce) a chemické vlastnosti (rozpustnost, kvalitativní tepelná změna). 6.6.1 Gravitační rozdružování Gravitační úprava je založena na využití rozdílných hustot rozdružovaných složek vsázky. Rozdělení směsi zrn se děje na základě různých rychlostí pohybu jednotlivých zrn v hmotném prostředí. Většina gravitačních způsobů rozdružování probíhá v kapalném prostředí. Pneumatické rozdružování se omezuje jen na některé zvláštní případy. Na rychlost pohybu částic, v hmotném prostředí, má vliv nejen hustota, ale jak bylo uvedeno v kapitole o klasifikaci, také velikost a tvar zrn. Gravitační rozdružování v kapalném prostředí je možno rozdělit do tří základních skupin: - rozdružování v těžkých suspenzích,

- rozdružování v proudu vody, který může být vzestupný, horizontální nebo střídavý (sazečky, žlaby),

- rozdružování v tekoucí tenké vrstvě vody (splavy). Pneumatické rozdružování se občas uplatňuje při úpravě mastku, kaolínu, keramických hlín atd. Kaolín získaný úpravou za sucha je pro některé zvláštní účely hodnotnější surovinou než kaolín upravený plavením [4]. 6.6.2 Rozdružování v odstředivém poli Rozdružování jemnozrnných, nerostných surovin v gravitačním poli není dostatečně účinné v důsledku malých sedimentačních rychlostí jemných zrn. Tento problém pomáhá řešit rozdružování v odstředivém poli, využívající odstředivé síly, které jsou mnohonásobně větší, než gravitační síla uplatňující se při gravitačních způsobech úpravy. Hlavním představitelem rozdružovačů využívajících odstředivé síly je hydrocyklon. Průběh rozdružování v hydrocyklonech je podobný jako děj popsaný při hydraulickém třídění. Na nerostné částice působí v hydrocyklonu jednak odstředivá síla a také dostředivé proudění. Specificky těžká zrna jsou vrhána odstředivou silou k vnitřnímu plášti hydrocyklonu a sestupují ke spodní výtokové trysce. Částice s menší hustotou se vlivem dostředivého proudění dostávají do střední části hydrocyklonu a jsou vynášeny k horní, přepadové trysce. 6.6.3 Magnetické rozdružování Magnetické rozdružování využívá rozdílných magnetických vlastností jednotlivých zrn v upravované surovině. Pohyb různých minerálních zrn v magnetickém poli je závislý na magnetických a mechanických silách, které na ně působí. Z mechanických sil se uplatňuje především gravitační síla, tření, adhezní síly mezi zrny, viskozita prostředí a hydraulický odpor při rozdružování za mokra. Chování částic v magnetickém poli závisí na jejich susceptibilitě a permeabilitě. Magnetická susceptibilita je schopnost částice pojmout magnetismus, magnetická permeabilita charakterizuje schopnost látek propouštět siločáry a tím i jejich magnetickou vodivost. Při magnetickém rozdružování jsou využívány zejména přirozené magnetické vlastnosti nerostných surovin. V současné době jsme schopni selektivně měnit magnetickou vodivost některých nerostů, ale tyto procesy jsou nákladné a ne vždy dobře prakticky využitelné. Podle toho jak se látky chovají v magnetickém poli, rozlišujeme látky paramagnetické a diamagnetické. Paramagnetické látky jsou přirozeně magnetické, jsou-li vloženy do magnetického pole pak toto pole zesilují. V paramagnetické látce dochází ke zvýšení hustoty magnetických siločar a látka je magnetem přitahována. Diamagnetické látky jsou magneticky nevodivé a magnetické pole zeslabují. Diamagnetické látky nejsou magnetem přitahovány, nýbrž odpuzovány. Feromagnetické látky jsou některé paramagnetické látky vyznačující se zvlášť vysokou permeabilitou a některými dalšími vlastnostmi. 6.6.3.1 Magnetické rozdružovače Magnetické rozdružovače dělíme podle intenzity magnetického pole a podle toho zda pracují za sucha nebo za mokra. Charakteristickým znakem nízkointezitních magnetických rozdružovačů je otevřený magnetický systém. Magnetické systémy jsou vytvořeny buď elektromagnety nebo permanentními magnety.

Vysokointenzitní rozdružovače využívají uzavřené magnetické systémy. Magnetické pole v takovém systému vzniká mezi plochým polem a protilehlým klínovitým protipólem. Pro rozdružování jemnozrnných, slaběmagnetických kalů se využívají vysokointezitní rozdružovače s polygradientním magnetickým polem. Tyto rozdružovače jsou konstruovány tak, že mezi póly silného elektromagnetu se otáčí pracovní element (prstenec, buben naplněný indukčními tělesy různých tvarů, na nichž se indukují magnetické póly s vysokou intenzitou magnetického pole. Na (obr. 6.38) je schématicky znázorněn polygradientní magnetický rozdružovač. Rozdružovaná surovina se přivádí s vodou do plnící zóny 4, odkud vytéká přes indukční tělesa nemagnetická složka NM. Magnetické částice se zachytí na indukovaných pólech výplně prstence 2 a jsou postupně unášeny přes zónu 3-4, kde je magnetický produkt oplachován vodou. Produkt oplachování je podroben dalšímu rozdružování na následujícím prstenci 2. Po opuštění magnetické zóny je z indukčních tělísek splachován magnetický produkt 5. Polygradientní magnetické rozdružovače je možno využít pro odstraňování nežádoucích příměsí (oxidů železa a titanu, slíd) z kaolinitu, sklářských písků a živců [2]. Intenzita magnetického pole elektromagnetu vzrůstá úměrně s intenzitou budícího proudu a počtem závitů. V důsledku odporu vodiče se ale část elektrické energie mění na teplo. Tato skutečnost je limitujícím faktorem při zvyšování intenzity magnetického pole.

obr. 6.38 Schéma polygradientního magnetického rozdružovače Oddělení částic s velmi nízkou magnetickou susceptibilitou od nemagnetického materiálu umožňuje využití supravodivých materiálů chlazených kapalnými plyny (dusík, helium). Tyto magnetické rozdružovače s velmi vysokou intenzitou magnetického pole se využívají k oddělení znečišťujících minerálních příměsí z kaolinu, používaného pro výrobu velmi kvalitního porcelánu [12]. Na obr. 6.39 je pohled na průmyslový magnetický rozdružovač firmy Carpco SMS. Tato zařízení, označovaná jako HGMS (High Gradient Magnetic Separator), dosahují v rozdružovacím prostoru vysoké hodnoty magnetické indukce 5-6 Tesla. Největší vyráběný model HGMS rozdružovače firmy Carpco, Cryofilter 5T/1000 zpracovává až 100 tun kaolínového kalu za hodinu [12]. Úprava kaolínu vysokogradientními

magnetickými rozdružovači zvyšuje bělost produktů, což je významné zejména u papírenských, plnících a nátěrových kaolínů. Magnetické rozdružovače se supravodivým vinutím elektromagnetů se používají rovněž při odstraňování železa a chrómu ze sklářských surovin.

obr. 6.39 Vysokogradientní, kryogenní magnetický rozdružovač (Carpco SMS). 6.6.4 Flotace Flotace je způsob rozdružování, využívající rozdílných fyzikálněchemických vlastností povrchu rozdružovaných minerálních částic. Flotace je založena na výběrovém spojování vzduchových bublinek s minerálními částicemi. Částice zachycené na vzduchových bublinkách jsou vyneseny na hladinu rmutu a vytvářejí mineralizovanou pěnu, která je průběžně stírána. Částice, které jsou dobře smáčitelné, se nezachytí na vzduchových bublinkách, zůstávají ve flotační cele a tvoří komorový produkt. Zjednodušeně můžeme flotační proces definovat jako způsob rozdružování založený na schopnosti jednoho minerálu vyplavat na hladinu flotačního rmutu (pěnový produkt), a druhého zůstat v objemu rmutu (komorový produkt). Flotační rozdružování probíhá vlivem působení sil na fázovém rozhraní pevné, kapalné a plynné fáze. Rozdílná schopnost minerálních zrn udržet se na povrchu fázového rozhraní vyplývá z rozdílných hodnot jejich měrné povrchové energie, jejíž velikost závisí na chemickém složení a stavbě strukturní mřížky minerálu. To umožňuje universálnost použití flotace. Té se dosahuje také tím, že jsou používány selektivně působící flotační reagencie, které se zachycují na povrchu určitých minerálních zrn, a výrazně mění jejich povrchovou energii [7]. 6.6.4.1 Flotační činidla Flotační činidla (reagencie) vyvolávají změny povrchové energie na fázovém rozhraní, tím selektivně ovlivňují flotovatelnost jednotlivých minerálů. Mění se také počet a velikost

vzduchových bublinek a stálost pěny. Podle úkolu, který mají flotační činidla v průběhu flotačního rozdružování se dělí na: - flotační činidla ovlivňující rozhraní pevná fáze-kapalina, - flotační činidla ovlivňující fázové rozhraní kapalina-plyn. Do první skupiny patří: a) sběrače – organické látky výběrově se adsorbující na povrch flotovaných částic,. zvyšují hydrofóbnost povrchu částic, čímž umožňují pevné spojení flotovaného materiálu se vzduchovou bublinkou, b) řídící flotační činidla - látky, které podporují nebo brání adsorpci sběrače na povrchu minerálních částic, a tím podporují nebo zabraňují flotaci určitých částic, podle účinku dělíme řídící přísady na aktivátory, depresory a regulátory prostředí. Oživující činidla – aktivátory jsou činidla, která vytvářejí podmínky pro adsorpci sběračů na povrchu neflotovatelných minerálních částic, nebo na částice, jejichž flotovatelnost byla v předcházející fázi flotace potlačena. Depresory – potlačující činidla jsou látky snižující přirozenou flotovatelnost částic, které nemají přecházet do pěnového produktu. Regulátory prostředí jsou činidla měnící iontové složení flotačního rmutu s cílem zlepšení vzájemné reakce flotačních činidel s minerálními zrny. Mění zásaditost nebo kyselost flotačního prostředí, regulují procesy agregace nejjemnějších částic ve rmutu. Do druhé skupiny patří pěniče. Pěniče jsou povrchově aktívní, heteropolární organické sloučeniny, snižující povrchové napětí na fázovém rozhraní kapalina-plyn. Zvyšují disperzitu bublinek, brání jejich slévání a zlepšují stálost a nosnost flotační pěny. 6.6.4.2 Flotační přístroje Flotační přístroje (flotátory) zajišťují nepřetržité promíchávání a provzdušňování rmutu, obsahujícího jemné částice rozdružované suroviny. Promíchávání urychluje kontakt vzduchových bublinek s rovnoměrně rozptýlenými minerálními částicemi a vytváření mineralizované pěny, která je stírána z hladiny rmutu ve flotační komoře. Přívod vzduchu a promíchávání se v různých typech flotátorů liší. Z tohoto hlediska můžeme flotátory rozdělit na: 1. Mechanické flotační přístroje – promíchávání a provzdušňování rmutu je zajišťováno rychle se otáčejícím měsidlem. V zóně okolo měsidla nastává vířivé proudění a provzdušňování rmutu, který je působením odstředivých sil vháněn do prostoru flotační komory (obr. 6.40)

obr. 6.40 Schéma flotátoru (Wemco 1+1) 2. Pneumatické flotační přístroje – promíchávání a provzdušňování rmutu se dosahuje vháněním stlačeného vzduchu do flotační komory

3. Pneumomechanické flotační přístroje – při konstrukčním řešení těchto flotátorů byly uplatněny přednosti mechanických a pneumatických flotátorů. Tyto přístroje mají měsidlo zajišťující dispergaci minerálních částic a vzduchových bublinek. Vzduch je přiváděn do flotační komory z vnějšího zdroje. Předností těchto flotátorů je nezávislost množství přiváděného vzduchu na počtu otáček měsidla, což umožňuje přesnou regulaci množství vzduchu dle potřeby jednotlivých flotátorů. 6.6.4.3 Flotace silikátů Silikáty jsou z hlediska flotovatelnosti velmi rozmanité. V současnosti se nejčastěji využívá flotace při úpravě živců a surovin obsahujících beryl a spodumen. Mastek a kaolinit mají velmi dobré flotační vlastnosti. Flotační technologie je použitelná při úpravě písků pro sklářské účely a jiných keramických surovin. Úkolem flotace je odstranění nežádoucích oxidů železa a jiných příměsí. Flotují se také minerály obsahující lithium a to přímou i obrácenou flotací. Při obrácené-nepřímé flotaci přechází do pěnového produktu znečišťující složka (odpad) a v komorovém produktu se koncentruje užitková složka. Postup nepřímé flotace je výhodný tehdy, když znečišťující složka suroviny má lepší flotovatelnost než užitková složka. Nepřímou flotaci je možno využít k oddělení znečišťujících minerálů železa ze sklářských písků. Selektivní dělení jednotlivých silikátů je obtížné, protože silikáty mají velmi podobné flotační schopnosti. Flotační rozdružování silikátů vyžaduje selektivní aktivaci nebo potlačení rozdružovaných minerálů [7]. 6.6.5 Chemické způsoby úpravy Jako chemické způsoby úpravy označujeme procesy při nichž se mění chemické složení upravovaných surovin. Při chemické úpravě působíme selektivně chemickým činidlem na jednotlivé složky suroviny až do jejího rozpuštění a vyluhování. K základním procesům chemických způsobů úpravy patří: a) loužení, při kterém se vhodným činidlem výběrově rozpouští požadovaná složka

vsázky, b) dělení výluhu od odpadu (sedimentací, filtrací, promýváním aj.), c) srážení složky z roztoku (cementací, elektrolýzou, aj. metodami), d) zpracování sraženiny a recirkulace loužícího činidla. Chemická úprava se ojediněle využívá při odstraňování znečišťujících příměsí z plaveného kaolinu [5]. U některých surovin k výrobě speciálních skel se uplatňuje loužení v minerálních kyselinách společně s magnetickým rozdružování při odstraňování povlaků sloučenin železa [2]. 6.7 Odvodňování, faktory ovlivňující odvodňování Vysoký obsah vody v surovině ztěžuje její další zpracování a využití. Z tohoto důvodu musí být přebytečná voda odstraněna. Snížení obsahu vody může být dosaženo mechanicky nebo pomocí tepelné energie. V prvním případě hovoříme o odvodňování, ve druhém pak o sušení. Sušení je energeticky velmi náročný proces, několikanásobně dražší než jiné způsoby odstraňování vlhkosti. Z tohoto důvodu se snažíme sušený materiál odvodnit před vlastním sušením co nejvíce mechanickými způsoby Způsoby dělení kapalné a pevné fáze závisí na řadě faktorů, z nichž nejpodstatnější jsou: - zrnitostní složení odvodňovaného materiálu,

- vazba kapaliny ve směsi s pevnou fází, - požadovaný stupeň odvodnění materiálu. K odvodňování lze využít síly gravitační, odstředivé a tlakové. Využití jednotlivých sil závisí zejména na zrnitostním složení odvodňovaného materiálu a způsobu vazby kapalné fáze na povrchu částic tuhé fáze. Technicky nejjednodušší a nejsnazší je odvodňování hrubozrnných a středně zrnitých materiálů (řádově od 0,5 mm výše). Odvodňování jemnozrnných materiálů je podstatně obtížnější. Procesy odvodňování lze rozdělit v zásadě na dvě hlavní skupiny: 1. Filtrace – oddělení vody od pevné fáze na filtrační přepážce 2. Sedimentace – oddělení vody od pevné fáze využitím zákonitostí pohybu částic tuhé

fáze v kapalině. Důležitým kritériem pro volbu procesu odvodňování jsou podmínky dalšího zpracování materiálu z hlediska obsahu vody. Filtrační odvodňování můžeme rozdělit: a)gravitační (pevná síta, transportní zařízení atd.), b)na základě rozdílu tlaků před a za přepážkou:

- podtlakové (vakuové filtry, pásové filtry), - tlakové (kalolisy, hyperbarické filtry),

c)využívající odstředivé síly (sítové odstředivky, oblouková síta). Sedimentační metody dělíme na: a) gravitační (sedimentační nádrže, odkaliště), b) využívající odstředivé síly (plnoplášťové odstředivky, hydrocyklony. Výsledky mechanického odvodňování jsou mj. výrazně závislé na způsobu a pevnosti vazby kapalné fáze s částicemi pevné fáze. Podle způsobu vazby rozdělujeme vodu na: 1.Voda vnitřně vázaná 2.Voda povrchově vázaná 3.Voda přimísená 1) Voda vnitřně vázaná má s tuhou fází nejpevnější vazbu, je obsažena ve vnitřních

kapilárách. K vnitřní vodě můžeme přiřadit také vodu hydrátovou. Vnitřně vázanou vodu nelze mechanickým odvodňováním odstranit.

2) Vodu povrchově vázanou dále dělíme na:

a) voda adsorpční, která je vázána na povrch tuhých látek s hydrofilním charakterem, tloušťka povlaku adsorpčně vázané vody se pohybuje v rozmezí 0,1 - 1μm, tento typ vody je v celkovém obsahu vody málo významný,

b) voda adhezní, tvoří vrstvu vody, uloženou na vrstvě adsorpční vody, c) voda vázaná na menší kapiláry v prostorách mezi jednotlivými zrny,

z výzkumu vyplývá, že pro odstraňování této vody je vhodné odvodňování materiálu v pohybu,

d) voda vázaná na větší kapiláry na povrchu zrn, značně ovlivňuje stupeň odvodnění materiálu, neboť jde o nesnadno porušitelnou vazbu.

e) voda vázaná v kapilárách v prostoru mezi zrny, prostory mezi zrny tvoří systém pórů, který je schopen na sebe vázat vodu působením kapilárních sil.

3) Voda přimíšená, vyplňuje prostory mezi zrny pevné fáze, avšak od vody povrchově vázané se liší podstatně slabší vazbou s povrchem částic. Tuto vodu lze relativně snadno odstranit mechanickým způsobem. Obsah této vody ve směsi závisí zejména na zrnitostním složení materiálu [10].

6.7.1 Odvodňování hrubozrnných a středně zrnitých materiálů K oddělení tuhé a kapalné fáze ze směsi hrubozrnných a středně zrnitých částic (0,5-10 mm) se převážně využívá působení gravitační síly. Proces probíhá buď ve statických nebo v kinetických podmínkách. Při odvodňování ve statických podmínkách zrna nemění svoji polohu vůči děrované přepážce. V kinetických podmínkách se mění odpor proti pronikání vody vrstvou odvodňovaného materiálu. Pohyb odvodňovacího zařízení umožňuje působení setrvačných sil, které napomáhají oddělení kapalné fáze. Průběh odvodňování se tím podstatně urychlí. K zařízením používaným k odvodňování ve statických podmínkách patří: a) odvodňovací pásové dopravníky, které dnes již patří mezi zastaralá odvodňovací

zařízení, b) odvodňovací korečkové výtahy, které se používají hlavně při úpravě nerostných

surovin pro odvodňování materiálů zrnitosti pod 80 mm, c) odvodňovací zásobníky různých konstrukcí, d) nepohyblivá odvodňovací síta zabudována ve žlabech jako tzv. trativody, tvořené

účinnost štěrbinami širokými 0,25-0,7 mm, tato štěrbinová síta umožňují odtok části vod z dopravovaného materiálu a zvyšují účinnost následujících odvodňovacích zařízení.

Do této skupiny sít patří rovněž jednoduchá, ale velmi výkonná, síta oblouková, která pro odvodnění využívají kromě gravitační síly také sílu odstředivou a síta OSO. Odvodňování na pohyblivých odvodňovacích sítech je podstatně účinnější, neboť vedle gravitační síly jsou využity i setrvačné síly. Odvodňovací plochu tvoří nejčastěji štěrbinové síto s otvory velikosti 0,25-0,5 mm. Odvodňovací síta pracují s malou amplitudou a nejčastěji s nadkritickými otáčkami. Přímočaré kmity jsou dynamicky buzeny rotujícími nevývažky. V závislosti na zrnitostním složení odvodňovaného materiálu, typu třídiče a dalších fyzikálně technických parametrech, lze na pohyblivých odvodňovacích sítech snížit obsah vody v surovině na 6-18 % vody. Protože účinnost odvodňování jemnějších materiálů na odvodňovacích sítech a v zásobnících není uspokojivá, co do stupně odvodnění a rychlosti procesu, odvodňuje se materiál zrnitostní třídy 0,5-10 mm v odstředivkách. Odstředivé síly dosahují ,mnohonásobně vyšší hodnoty než síla gravitační, případně setrvačné síly. Vlivem odstředivé síly, vyvolané rotačním pohybem, proniká voda otvory koše do prostoru mezi pláštěm a košem odstředivky odkud vytéká ven. Rotující kuželový (nebo válcový) koš, vyrobený ze štěrbinových sít, vykonává kromě rotačního pohybu většinou také vibrační pohyb ve směru osy koše, což zlepšuje vynášení odvodněného materiálu ze zařízení. Schéma odstředivky viz obr. 6.41, kde l je označeno

přívodní potrubí vsázky, 2 nátokový kužel, 3 koš, 4 nosný prstenec koše, 5 rotující nevývažky, 6 odpružení.

obr. 6.41 Sítová, vibrační odstředivka (KHD Humboldt Wedag) Předností odstředivek je velká výkonnost a účinnost odvodňování. Odstředivky umožňují snížení obsahu vody v odvodněném materiálu na 6-9 % podle charakteru suroviny a typu odstředivky. Odstředivky jsou pro svůj vysoký výkon, ale i vysokou spotřebu energie, nasazovány tam, kde lze tyto dva významné, ale protichůdné faktory akceptovat. 6.7.2 Odvodňování jemnozrnných materiálů a kalů Odvodňování, případně likvidace jemnozrnných suspenzí činí značné potíže. Možnosti deponie jsou omezené a opatření k ochraně životního prostředí sebou nesou stále větší náklady. Náklady na vybudování odkaliště jsou poměrně vysoké, protože je nutno postupovat stejně jako u jiných staveb, tj. zpracovat a schválit investiční záměr a projektový úkol, včetně všech potřebných podkladů (geodetické podklady, inženýrsko-geologický průzkum, údaje o produkci a vlastnostech odpadů aj.). Z tohoto důvodu se odkaliště staví většinou tak, aby bylo možno systematicky zvyšovat jejich hráze a zvětšovat tak kapacitu odkaliště. Ke zvyšování hrází se obvykle využívá ukládaný materiál. Při využívání odkališť je účelné provádět předzahuštění odpadů před jejich vypouštěním do nádrže. Toto opatření se příznivě projeví snížením nákladů spojených se zpětným vracením vody, poklesem ztrát vody a také potřebou menších základních ploch nádrží. Odkaliště nepříznivě ovlivňují okolní prostředí v důsledku: - záboru půdy a změny vzhledu krajiny, - sekundární prašnosti usazeného odpadu, - možnosti znečištění povrchových a podzemních vod, - potenciální nebezpečí havárie. Usazovací nádrže s kontinuálním provozem. Mezi základní typy průtočných usazovacích nádrží patří: a) pravoúhlé nádrže s horizontálním průtokem, b) kruhové nádrže s horizontální – průtokem (radiální), c) kruhové nádrže s vertikálním průtokem. Tato zařízení slouží k zahušťování suspenze. Vyčeřená voda a zahuštěný produkt jsou kontinuálně odváděny ze zařízení.

6.7.2.1 Zahušťovací nádrže Zahušťovací nádrže slouží k odvodňování kalu, který byl získán z usazovacích nádrží před jeho dalším zpracováním. Zahušťovaní kalu snižuje počet kalolisů, odstředivek, filtrů a jiných zařízení potřebných k dalšímu odvodňování kalu. Zahušťovací nádrže lze podle charakteru provozu rozdělit na: a) zahušťovací nádrže s přerušovaným provozem, b) zahušťovací nádrže průtočné. Zahušťovací nádrže s periodickým provozem pracují jako dekantační. Suspenze se po napuštění nechá usadit, po skončení zahušťování se kapalina odstraní dekantací a zahuštěný kal se odebere z nádrže. Technologický proces v zahušťovací nádrži s kontinuálním provozem probíhá tak, že do nádrže vtéká suspenze a ze dna nádrže je průběžně odpouštěn zahuštěný kal. Vyčištěná voda odtéká ze sběrných přepadových žlabů v horní části zařízení. 6.7.2.2 Etážové a lamelové usazovací nádrže Účinnost usazovacího procesu lze zvýšit zvětšením povrchové plochy nádrže. To je při zachování velikosti zastavěné plochy, umožněno etážovým, nebo lamelovým uspořádáním usazovacích nádrží. 6.7.2.3 Odvodňování vlivem odstředivé síly Intenzita procesů oddělení vody od pevné fáze závisí na velikosti působící síly. Všechna zařízení využívající k odvodňování gravitační sílu jsou málo výkonná v případě odvodňování malých zrn. V úpravě nerostných surovin jsou odstředivé síly využívány při zahušťování v hydrocyklónech, obloukových sítech a odstředivkách. V hydrocyklónech je odstředivá síla vyvolána krouživým pohybem rmutu přiváděného tangenciálně tryskou do horní válcové části. Proud rmutu se spirálovitě pohybuje do spodní kuželové části hydrocyklónu. V konické části dochází ke změně proudění rmutu. Část kapaliny nacházející se blíže ose hydrocyklónu začíná stoupat a odtéká z hydrocyklónu horní přepadovou tryskou. Zahuštěná část rmutu pohybující se blíže pláště hydrocyklónu nemění směr pohybu a opouští hydrocyklón spodní tryskou zakončující kuželovou část. V závislosti na tvaru a velikosti jednotlivých částí hydrocyklónu můžeme suroviny rozdružovat, zahušťovat nebo třídit. Bezsítové odstředivky jsou vhodné i pro odvodňování nejjemnějších kalů, které není možno odstřeďovat na sítových odstředivkách, protože tyto kaly projdou otvory v sítech. První plnoplášťová, sedimentační odstředivka byla vyrobena firmou Bird (USA). Odstředivka se skládá z otáčivého bubnu a dutého hřídele na jehož vnější straně je navinuta šroubovice (šnek). Buben i hřídel rotují stejným směrem, ale s různou rychlostí. Počet otáček bubnu je asi o 2% vyšší než počet otáček vnitřního hřídele. Buben může být cylindrického, kuželového nebo jinak složeného tvaru. Materiál je do sedimentační odstředivky přiváděn pod tlakem potrubím do dutého rotujícího hřídele. Otvory ve stěně hřídele je materiál vyhazován do kuželového bubnu v němž jsou pevné částice zachycovány na vnitřním povrchu bubnu a šnekem posunovány k vynášecímu konci bubnu.Voda se shromažďuje v povrchové vrstvě a vylévá se otvory na druhé straně bubnu. Zdokonalením plnoplášťové odstředivky je konstrukce odstředivky doplněné na straně odvodu materiálu prodloužením bubnu o válcovou sítovou část. Materiál odvodněný v bezsítové části je pomocí šneku transportován do sítové části, kde dochází k dalšímu

odvodnění. Tento typ odstředivky byl vyprojektován na základě spolupráce firem Humboldt a Bird (obr. 6.42).

obr. 6.42 Plnoplášťová odstředivka se sítovou částí (KHD Humboldt Wedag) 6.7.3 Odvodňování zahuštěných suspenzí filtrací 6.7.3.1 Bubnové vakuové filtry Bubnové vakuové filtry patří mezi podtlakové filtry s kontinuálním provozem. Jsou to otáčivé bubny, jejichž povrch je pokryt filtrační přepážkou. Přepážka je vyrobena z nerezavějícího materiálu (silon, fosforbronz aj.). Vnitřek bubnu je přepážkami rozdělen na sektory, které lze rozdělovací hlavou připojit buď k podtlaku a odvádět z nich filtrát (perioda I – tvorba filtračního koláče) případně promývací vodu (perioda II – odvodňování filtračního koláče), nebo přivádět tlakový vzduch k odfouknutí filtračního koláče (perioda III – stírání filtračního koláče). Vlivem rozdílu tlaků vně a uvnitř bubnu dochází k filtraci. Pevné částice se zachycují na povrchu bubnu a filtrát prochází do vnitřku bubnu, odkud je odváděn automatickým ventilem na hřídeli bubnu. (obr. 6.43)

obr. 6.43 Bubnový vakuový filtr Další konstrukcí bubnového vakuového filtru je bubnový filtr s vnitřní filtrační plochou. Toto řešení umožňuje přednostní zachycení hrubších částic na filtrační přepážce čímž se vytvoří vrstva s většími póry a příznivějšími podmínkami filtrace oproti klasickému bubnovému filtru. Tuto přednost však snižuje řada nevýhod (obtížnější výměna filtrační přepážky, složitější konstrukce). 6.7.3.2 Kotoučové vakuové filtry Kotoučové (diskové) vakuové filtry pracují na stejném principu jako filtry bubnové. Pro zvětšení pracovní plochy je však hřídel osazena řadou disků. Filtrační plocha je tvořena boční plochou kotoučů. Každý kotouč je složen ze segmentů, které jsou samostatně napojeny na dutou hřídel. Proces filtrace je obdobný jako u bubnového filtru. Výhodou kotoučových, vakuových filtrů je velká účinná plocha a přizpůsobivost filtru proměnlivému zatížení a možnost odstavení kteréhokoliv segmentu např. při protržení potahu.

6.7.3.3 Kalolisy Kalolisy jsou přetlakové filtry s přerušovaným provozem. V praxi se používají kalolisy rámové a komorové. Kalolis rámový se skládá z rámů a desek, které se vzájemně střídají. Mezi rámy a desky se vkládá filtrační tkanina, a to tak, že vždy dvě desky s rámem tvoří jednu samostatnou komoru. Desky mají z obou stran drážky k odvádění filtrátu. Rámy a desky se pevně upnou. Desky i rámy mají v rozích otvory, které po sestavení kalolisu vytvářejí souvislé kanály, procházející celým filtrem. Kanály slouží k přívodu suspenze a promývací vody. Během filtrace se kal vede kanálem pro suspenzi, otvory v rámech se dostává do prostoru vytvořeného rámem a sousedními deskami. Filtrát prochází filtrační tkaninou a stéká po ryhovaném povrchu desek do sběrného kanálku. Když se rámy filtru zaplní filtračním koláčem, stoupne silně odpor filtru a stadium filtrace je skončena. Pak může následovat promývání filtračního koláče, kdy se promývacím kanálem přivádí promývací kapalina. Promývací kanál, na rozdíl od kanálu pro přívod suspenze, vyúsťuje do každé druhé desky. Po promytí se někdy přivádí do filtru stlačený vzduch, který dále filtrační koláč suší. Pak následuje uvolnění desek, odstranění filtračního koláče a celý cyklus se opakuje [11]. Kalolis komorový (obr. 6.44) je složen z řady desek, které mají ve středové části vybrání, která po složení desek vytvářejí komory. Stěny komor jsou obdobně jako desky rámového filtru, rýhované a potaženy filtrační tkaninou. Středem desek prochází plnící otvory, v horní a spodní části desek jsou odvodňovací kanálky. Pracovní cyklus komorového kalolisu, je stejný jako u rámového s tím rozdílem, že komorový filtr nemá systém kanálků pro promývání filtračního koláče.

obr. 6.44 Schéma komorového kalolisu 6.7.3.4 Bubnové a kotoučové tlakové filtry Bubnové a kotoučové přetlakové filtry pracují obdobně jako tytéž podtlakové kontinuální filtry. Hlavním technickým rozdílem je, že buben nebo kotouče jsou včetně zařízení pro odstraňování filtračního koláče hermeticky uzavřeny v tlakové nádobě. Filtrovaný materiál se vhání pod tlakem do nádrže filtru. Současně se do tlakové nádoby přivádí tlakový vzduch. Pevné částice se v důsledku přetlaku zachycují na vnější straně filtrační přepážky a voda je odváděna přes dutý hřídel.

obr. 6.45 Tlakový kotoučový filtr (Andritz) Filtrační koláč je odfouknut a odvádí se přes vynášecí komoru z tlakové nádoby. Výhodou tlakových filtrů, je ve srovnání s podtlakovými, podstatně vyšší tlakový rozdíl před a za filtrační přepážkou, umožňující dosáhnout podstatně nižší obsah vody ve filtračním koláči. Investiční a provozní náklady jsou však ve srovnání s vakuovými filtry podstatně vyšší. Na obr. 6.45 je znázorněn hyperbarický kotoučový filtr fy Andritz. 6.7.4 Hodnocení účinnosti odvodňování Při kvalitativním hodnocení odvodňování vycházíme ze skutečnosti, že odvodňovaný materiál je směsí dvou složek, tuhé a kapalné fáze. Hodnocení stupně oddělení obou složek můžeme proto provést obdobně jako při hodnocení účinnosti třídění nebo rozdružování. Vycházíme z hodnot obsahu obou fází v produktech odvodňování a v původní směsi tuhé a kapalné fáze. Za ideální průběh odvodňovacího procesu považujeme takový, kdy získáme odvodněný produkt s nulovým obsahem vody a produkt, který je tvořen pouze vodou s nulovým obsahem tuhé fáze. Při reálném odvodňovacím procesu, ale v odvodněném produktu vždy část vody zůstane a také do odstraněné vody přejde nejjemnější část pevné fáze. Účinnost odvodňovacího procesu vypočteme jako výtěžnost tuhé fáze do odvodněné směsi od níž odečteme hodnotu výtěžnosti vody do odvodněné směsi.

wt εεη −=0 (%) (6.15) Účinnost odvodňování lze vypočíst ze vzorce:

( ) ( )[ ] ( ) ( )sv0svs0vs0 w100www/wwww1w100 −⋅−−⋅−−⋅⋅=η (6.16) ws je obsah vody ve směsi pro odvodnění (%), 100-ws je obsah tuhé fáze ve směsi pro odvodnění (%), wo je obsah vody v odvodněném produktu (%), 100-wo je obsah tuhé fáze v odvodněném produktu (%), wv je obsah vody v odstraněné kapalné fázi (%), 100-wv je obsah tuhé fáze v odstraněné kap. fázi (%), v0 je hmotnostní výnos odstraněné vody (%), εw je výtěžnost tuhé fáze do odvodněného produktu (%),

εt je výtěžnost tuhé fáze do odvodněného produktu (%), η0 je účinnost odvodnění. Uvedený vzorec umožňuje posoudit kvantitativní účinnost odvodňování na základě znalosti obsahu vody v odvodňovaném materiálu, odvodněném produktu a ve vodném produktu. Literatura [1] Andrejev,C.E., Perov,V.AA., Zverevič,V.V.: Droblenije, izmělčenije i grochočenije

poleznych iskopajemych. Moskva, Nedra, 1980 [2] Cagaš,Z.: Fyzikální způsoby úpravy II. Skriptum l. vyd. Ostrava, VŠB, 1982, 264 s. [3] Dinter,O.: Drcení a mletí nerostných surovin. Praha, SNTL, 1984, 241s. [4] Dinter,O.: Základy úpravy uhlí a rud. Praha, SNTL, 1966, 373s. [5] Hanykýř,V., Kutzendörfer.,J.: Technologie keramiky. Praha, Vega, 2000, 286 s. [6] Höffl, K.: Zerkleinerungs-und Klassiermaschinen. Leipzig, VEB Deutscher Verlag für

Grundstoffindustrie, 1985, 431 s. [7] Kmeť,S.: Flotácia. Bratislava, ALFA, 1992, 350 s. [8] Knoll, F.S., Allen,R., Richards, D.> Superconducting Magnetic Separators in Mineral

Processing (1997), SME Annual Meeting, Denver-CO, 2/97 [9] Kozák, J., Tichánek, F.: Přípravné úpravnické procesy. Skriptum 1. vyd. (1990), ES

VŠB, Ostrava, 98 s. [10] Nováček,J.: Pomocné procesy I. Skriptum, 1. vyd. Ostrava, VŠB-TU, 1997, 78 s. [11] Nováček,J.: Pomocné procesy II. Skriptum, l. vyd. Ostrava, VŠB-TU, 1998, 88 s. [12] Špaldon,F.: Úprava nerastných surovín. Bratislava, ALFA, 1986, 480 s.