Wzbogacalniki strumieniowe zwojowe służą do wzbogacania drobno uziarnionych kopalin surowych. Separator zwojowy stanowi żelazne koryto o kołowym, parabolicznym lub bardziej złożonym kształcie przekroju poprzecznego, zwinięte śrubowo wokół pionowej osi. Obecnie stosowanych jest wiele profili koryta roboczego wzbogacalnika.

Zasada działania separatorów zwojowych

Wzbogacanie kopalin w separatorach zwojowych odbywa się w strumieniu płynącym po wewnętrznej stronie rynny zwiniętej spiralnie dookoła pionowej osi wzbogacalnika.



Pod wpływem działania sił: odśrodkowej Q, ciężkości P, tarcia T oraz dynamicznych sił strumienia F na ziarna znajdujące się w strumieniu nadawy następuje szybkie rozdzielenie minerałów według ich gęstości. Ziarna ciężkie poruszają się z małą prędkością i osadzając się w strefie przydennej, przesuwają się w kierunku wewnętrznej krawędzi rynny. Lekkie ziarna poruszają się z większą prędkością i unoszone w górnej części strumienia ulegają przesunięciu ku zewnętrznej krawędzi koryta. Frakcje ciężkie odprowadza się przez otwory umieszczone w każdym zwoju. Materiał odprowadzony z 2 do 3 zwojów traktuje się jako jeden z produktów końcowych wzbogacania, produkty wydzielone z pozostałych zwojów uważane są za produkty pośrednie i kierowane do powtórnego wzbogacania. Frakcje lekkie wypływają u dołu ostatniego zwoju wzbogacalnika. Dla dokładniejszego rozdziału materiału podaje się na separator wodę dodatkową.

Separatory zwojowe służą do wzbogacania zarówno na sucho jak i na mokro. Rozpatrzmy zatem w pierwszej kolejności zagadnienia ruchu ziarna po powierzchni wzbogacalnika pracującego bez dodatkowego ośrodka wzbogacającego.

Rozpatrując ruch ziarna w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku jego przemieszczania znajdziemy punkt równowagi w momencie gdy wartości siły ciężkości Pt i siły bezwładności Qt będą sobie równe. Mamy więc:

Qt=Pt

Wiadomo zatem, iż aby ziarno uzyskało stałą odległość od osi wzbogacalnika musi poruszać się ze stałą prędkością.

Przy stałym ruchu ziarna po powierzchni śrubowej współczynnik tarcia będzie równy tangensowi kąta nachylenia trajektorii ruchu. Wywnioskować można więc, że ziarna charakteryzujące się różnymi współczynnikami tarcia powinny poruszać się po różnych trajektoriach, nachylonych do poziomu pod odpowiednimi kątami. Takiemu założeniu odpowiadają linie śrubowe, różniące się odległością R od pionowej osi wzbogacalnika. To zaś umożliwia rozdział ziaren materiału surowego przy ich ruchu po powierzchni śrubowej.

Godny rozpatrzenia wydaje się dodatkowo fakt, iż ruch ziarna po trajektorii nachylonej do poziomu pod kątem , będzie jednostajny dla określonej wartości promienia R, przy czym siła tarcia powinna równoważyć siłę wywołującą ruch ziarna.

Prędkość ruchu ziarna jest wprost proporcjonalna do odległości od osi wzbogacalnika i kąta nachylenia linii śrubowej oraz odwrotnie proporcjonalna do współczynnika tarcia i tangensa kąta nachylenia profili poprzecznego przekroju koryta.

Omawiając siły działające na ziarno w separatorach zwojowych uwzględnić należy także oddziaływanie strumienia wody podawanej na separator, który odznacza się złożonym charakterem ruchu.

Śrubowy strumień wody spływający w korycie, w przekroju poprzecznym, charakteryzuje się różnymi prędkościami przepływu i wysokościami warstwy. Tak wysokość jak i prędkość strumienia wzrasta wraz ze wzrostem odległości od osi wzbogacalnika.

W obszarze zbliżonym do wewnętrznej średnicy koryta przepływ ma charakter laminarny,

a wraz z przesuwaniem się ku średnicy zewnętrznej przepływ staje się turbulentny.

Kształt i wymiary strumienia są zależne od ilości wody wprowadzanej do koryta. W strefie wewnętrznej nie ma to większego znaczenia, jednak w miejscach oddalonych od osi znacznej zmianie ulega głębokość i zasięg strumienia wody

Przepływając w śrubowym korycie wzbogacalnika, strumień wody wykonuje dwa rodzaje ruchu – dookoła pionowej osi wzbogacalnika, a także ruch wewnętrzny, górą w kierunku od wewnętrznego obwodu do zewnątrz i wracając przy dnie do obwodu wewnętrznego. Tego rodzaju ruch wewnętrzny strug wody ma zasadniczy wpływ na przebieg procesu separacji.

Na przepływ wody, a więc i na przebieg procesu wzbogacania, zasadniczy wpływ mają

parametry konstrukcyjne wzbogacalnika, a mianowicie:

1. Profil poprzecznego przekroju koryta – najkorzystniejszy kształt przekroju to ten zbliżony do wycinka elipsy lub paraboli; taki kształt przekroju, ze względu na duży promień zaokrąglenia, umożliwia uzyskanie ostrzejszego rozdziału ziaren wzbogacanego materiału

2. Liczba zwojów koryta – wpływa na technologiczny wynik procesu wzbogacania

3. Kąt nachylenia linii śrubowej koryta – na przebieg procesu wzbogacania ma wpływ wzajemny stosunek prędkości końcowej ziaren biorących udział w procesie; im większy ten stosunek, tym lepsze uzyskujemy wyniki rozdziału ziaren według ich gęstości. Za duży kąt nachylenia linii śrubowej powoduje zmniejszenie tego stosunku poprzez przekroczenie optymalnej prędkości strugi wody roboczej. Przy doborze kąta nachylenia linii śrubowej należy także zwrócić uwagę na wartość współczynnika tarcia materiału o powierzchnię roboczą koryta. Na podstawie badań ustalono, że najkorzystniejszy kąt nachylenia to 16o do 20o.

4. Liczba odbieralników ziaren produktów ciężkich i sposób ich rozmieszczenia w dnie koryta – w zależności od charakterystyki technologicznej wzbogacanej kopaliny należy odpowiednio dobrać ilość odbieralników, początkowo stosując minimum cztery.

Na podstawie badań ustalono, że na prędkość elementarnej strugi wody w strefie ruchu ziaren wzbogacanej kopaliny surowej, główny wpływ mają promień linii śrubowej, kąt nachylenia profilu poprzecznego przekroju  oraz kąt nachylenia linii śrubowej .





W strumieniu laminarnym ciśnienie hydrodynamiczne w istotny sposób zależy od współczynnika lepkości, natomiast w strefie przepływu turbulentnego większy wpływ ma prędkość strumienia.

Prędkość ruchu elementarnych strug wody zależy od ich głębokości i zmienia się według prawa paraboli; ciśnienie hydrodynamiczne strug wody na ziarno będzie zależne od jego położenia w przekroju poprzecznym nad dnem koryta oraz prędkości jego przemieszczania się. Największe odchylenie wykazuje struga wody najbliższa powierzchni, a kierunek ruchu strugi zależy od jej głębokości w strumieniu wody. Wobec tego kierunek działania ciśnienia hydrodynamicznego jest zależny od położenia ziarna w strudze wody, dlatego na ziarna

o dużej gęstości będzie działało nieznaczne ciśnienie, a na ziarna lekkie, znajdujące się

w wyższych strugach wody działa duże ciśnienie hydrodynamiczne i wywołuje ruch tych ziaren w kierunku zewnętrznego obwodu kryta

odpowiedniej dla siebie trajektorii.

Analizując ruch dowolnego ziarna należy wyodrębnić dwa okresy:

- okres I, w którym ziarno dąży do zajęcia w strumieniu wody takiej pozycji, w której nastąpi równowaga sił działających na to ziarno

- okres II, gdy ziarno osiągnąwszy pozycje równowagi porusza się ze stałą prędkością i po odpowiedniej sobie, niezmiennej trajektorii śrubowej.

Na ziarna o mniejszej gęstości, znajdujące się w wyższych warstwach strumienia,

w pierwszym etapie ruchu działają przede wszystkim siły naporu dynamicznego oraz składowe styczne masy ziarna, a w mniejszym stopniu siły tarcia. Tak więc ziarna te

w pierwszej fazie ruchu przemieszczają się z prędkością większą od tej w ruchu ustalonym. Pod działaniem siły bezwładności ziarna lżejsze oddalają się od pionowej osi wzbogacalnika

i przemieszcza w kierunku zewnętrznej krawędzi koryta, gdzie stopniowo zmniejsza się kąt nachylenia linii śrubowej do poziomu, co powoduje wzrost oddziaływania siły tarcia

i zmniejszenie składowej stycznej masy ziarna. Wreszcie następuje równowaga wszystkich sił ( w tym stycznych Py, Fy, Qy i Ty) i ziarno uzyskuje stała prędkość ruchu oraz trajektorię po linii śrubowej.

Ziarna o większej gęstości, znajdujące się w niższych warstwach strumienia, w pierwszym okresie poruszają się wolniej ze względu na duży wpływ siły tarcia. W tym wypadku ziarno przemieszcza się, pod wpływem składowej stycznej siły ciężkości, w kierunku największego kąta nachylenia linii śrubowej, przez co stopniowo przybliża się do pionowej osi wzbogacalnika. Po uzyskaniu równowagi zaczyna poruszać się ze stała prędkością i po stałej

Poszczególne rozwiązania konstrukcyjne wzbogacalników zwojowych różnią się takimi parametrami jak:

- liczba zwojów

- średnica zwoju

- skok (odległość między zwojami)

- rozwiązanie doprowadzenia nadawy i wody dodatkowej

- kształt rynny roboczej

- materiał, z którego wykonana jest rynna.