Schwerkraftabscheidung & Erzaufbereitung: Vom antiken Goldwaschen zu modernen Minenlösungen

Schwerkraftabscheidung und Erzaufbereitung

Die Schwerkraftabscheidung ist die älteste bekannte Technik der Erzaufbereitung und wird in der Natur umfassend praktiziert. Die früheste dokumentierte menschliche Nutzung war die Goldgewinnung durch Waschen am Oberen Nil durch die alten Ägypter, datiert auf 1900 v. Chr.

Die Schwerkraftabscheidung ist ein physikalischer Prozess, der die Trennung verschiedener Mineralarten im Erz voneinander basiert auf Unterschieden in ihren spezifischen Gewichten unter Nutzung der Schwerkraft. Diese kann durch eine oder mehrere andere Kräfte beeinflusst werden, wie Zentrifugalkraft, Widerstand gegen Bewegung durch ein Fluid (z. B. Luft, Wasser) etc. Daher haben neben der Schwerkraft auch andere Faktoren wie Größe, Form etc. Einfluss auf die relative Bewegung und damit auf die Trennung. Die Auswirkung der Zentrifugalwirkung auf die Schwerkraft ist in Abb. 1 dargestellt. Man erkennt, dass mit zunehmender Schwerkraft die Absetzgeschwindigkeit kleinerer Partikel höher wird.

Abb. 1 Einfluss der Zentrifugalkraft auf die Schwerkraft

Die Trennung der Erzpartikel durch Schwerkraft hängt von zwei Faktoren ab: (i) Absetzgeschwindigkeit der Partikel und (ii) Differenz im spezifischen Gewicht im Vergleich zum Medium, in dem sie getrennt werden. Dies ergibt eine differentielle Absetzrate, die als "Konzentrationskriterium" bezeichnet wird. Die Absetzgeschwindigkeit eines Partikels wird durch das "Stokesche Gesetz" bestimmt und beträgt kd²g(Ds-Df), wobei k eine Konstante, d der Partikeldurchmesser, g die Schwerkraft, Ds das spezifische Gewicht des Feststoffs und Df das spezifische Gewicht des Fluidmediums ist.

Das "Konzentrationskriterium" (CC) gibt Aufschluss über die Trennbarkeit zweier Erzpartikel und kann als (Dh-Df)/(Dg-Df) ausgedrückt werden, wobei Dh das spezifische Gewicht der schwereren Erzkomponente, Df das spezifische Gewicht des Fluidmediums und Dg das spezifische Gewicht der leichteren Erzkomponente ist. Generell ist die Schwerkraftabscheidung relativ einfach, wenn der Quotient größer als 2,5 ist (ob positiv oder negativ). Mit abnehmendem Quotientenwert nimmt die Trennungseffizienz ab, und unter 1,25 ist eine Schwerkraftabscheidung nicht durchführbar.

Arten der Schwerkraftabscheidung

Es gibt mehrere Arten von Schwerkraftabscheidungsmethoden. Die wichtigsten sind: (i) Jig, (ii) eingezogene Rinnen (Pinched Sluices), (iii) Spiralen, (iv) Rütteltische, (v) Feinpartikelabscheider wie der Multi-Gravity-Separator (MGS) und (vi) Schwerkraft/Großenabscheidung wie Hydrosizer und Hydrozyklonen.

Die Abscheidungsmethode durch Jigging wurde in einem anderen Artikel unter diesem Link beschrieben.

Eingezogene Rinnen (Pinched Sluices)

Eingezogene Rinnen waren an einigen Orten beliebt, bis die neue Generation von Spiralen eingeführt wurde. Eine eingezogene Rinne ist im Grunde eine geneigte Ebene, über die eine Suspension mit Partikeln unterschiedlicher spezifischer Gewichte fließt. Durch das Zusammenwirken von Gravitations- und Reibungskräften sowie einer Verengung des Rinnenbodens (Einschnürung) tritt Segregation auf: feinere, schwerere Partikel wandern zum Boden des fließenden Films, gröbere, leichtere Partikel an die Oberfläche. Durch einen Schlitz (Konzentratabzug) nahe dem Ende der Rinne werden die feinen schweren Partikel vom leichten groben Partikelstrom entfernt, der über den Schlitz fließt und am Ende austritt. Es gibt zwei Arten: (i) Tabletts (Trays) und (ii) Reichert-Kegel. Die Funktionsprinzipien sind in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Trennprinzipien in Tabletts und Reichert-Kegel

Tabletts kamen zuerst zum Einsatz und haben mehrere Variationen. Sie bestehen normalerweise aus mehreren Einspeisepunkten pro Einheit mit mehreren Stufen (z. B. Rougher/Cleaner/Scavenger) in jeder Einheit. Vorteile: (i) offen für visuelle Inspektion, Einstellung und Reinigung, (ii) hohe Einspeisedichte (63 % Feststoffe), daher geringer Pumpenbedarf. Nachteile: (i) unhandlich wegen großem Platzbedarf, (ii) geringes Aufbereitungsverhältnis (typisch 3:1), (iii) kontrolliertes spezifisches Gewicht der Einspeisung nötig, (iv) geringe Feinpartikelrückgewinnung, (v) Einspeisung muss gesiebt werden, (vi) geringe Toleranz für Schlamm, (vii) mehrere Einspeisepunkte und Trennflächen, (viii) Spülwasser für Dichtekontrolle in Cleaner-Stufen nötig.

Reichert-Kegel sind im Wesentlichen eine verbesserte Version der Tabletts. Sie sind kegelförmig mit einem zentralen einzelnen Einspeisepunkt. Im Allgemeinen enthalten sie mehrere vertikal übereinander montierte Stufen. Gängige Konfigurationen sind (i) 4DS (vier Doppel-/Einzelstufen) und (ii) 2DSS.DS (zwei Doppel-/Einzel-/Einzelstufen plus eine Doppel-/Einzelstufe), wobei die erste als Rougher, die zweite als Cleaner dient. Prozessvariablen: (i) Einspeiserate (erhöhte Rate mindert Leistung über Optimum hinaus), (ii) Einspeisedichte (muss zwischen 60-63 % Feststoffe gehalten werden, sonst leiden Rückgewinnung oder Gehalt), (iii) Einstellwerte (Bereich 1-9, mit zunehmender Öffnung steigt Rückgewinnung, aber Gehalt sinkt). Vorteile: (i) hohe Kapazität pro Bodenfläche, (ii) hohe Einspeisedichte (63 % Feststoffe), geringer Pumpenbedarf. Nachteile: (i) geringes Aufbereitungsverhältnis (typisch 3:1), (ii) kontrolliertes spezifisches Gewicht der Einspeisung nötig, (iii) geringe Feinpartikelrückgewinnung, (iv) Einspeisung muss gesiebt werden, (v) geringe Toleranz für Schlamm, (vi) untere Trennflächen der Kegel nicht sichtbar oder leicht zugänglich, (vii) Spülwasser für Dichtekontrolle in Cleaner-Stufen nötig.

Spiralen

Spiralabscheider werden bei der Aufbereitung von Erzen eingesetzt, die aus Mineralien mit unterschiedlichen spezifischen Gewichten bestehen. Sie bestehen aus Geräten mit Fließfilmabscheidung. Im Grunde handelt es sich um einen geneigten Rinnenquerschnitt mit komplexem Profil, der um eine zentrale Säule gewickelt ist. Das Prinzip beruht darauf, dass eine Kombination aus Gravitations- und Zentrifugalkräften, die auf Partikel unterschiedlicher spezifischer Gewichte wirken, feine schwere Partikel und grobe leichte Partikel segregiert (Abb. 3). Diese Kräfte sind größer als im Kegel und erzeugen, gekoppelt mit der normalerweise geringeren Suspensionsdichte, ein höheres Aufbereitungsverhältnis als die eingezogene Rinne (typisch 5:1) und eine bessere Feinpartikelrückgewinnung. Spiralen werden mit unterschiedlich steilen Neigungen hergestellt; der Winkel beeinflusst das spezifische Gewicht der Trennung, hat aber wenig Einfluss auf Konzentratgehalte und Rückgewinnung.

Eine Spiraleinheit besteht aus einem profilierten Kanal, der helicoidal um einen zentralen Pfosten gewickelt ist und eine spiralförmige Rinne bildet. Üblicherweise verwendete Spiralen haben zwischen drei und sieben Windungen, mit Durchmessern von 0,4 m bis 1 m. Der allgemeine Betrieb ist ein kontinuierlicher gravitativer laminarer Fluss auf einer geneigten Fläche. Das Einspeisegemisch besteht aus gemahlenem Erz, mit Wasser vermischt zu einer Suspension, die oben in die Rinne gravitationsgespeist wird. Auf dem Weg nach unten zum Spiralende lagern sich dichtere Partikel generell nach innen ab, während weniger dichte Partikel normalerweise zum äußeren Teil der Rinne fließen. Der Trennmechanismus beinhaltet primäre und sekundäre Strömungsmuster. Die Primärströmung ist im Wesentlichen die Suspension, die unter Schwerkraft die Spirale hinabfließt. Das sekundäre Strömungsmuster ist radial über die Rinne (Abb. 3). Diese Strömungsbeschreibung ist zentral für die Spiraltrennungstheorie. Während der Suspensionsfilm die Rinne hinabfließt, setzen sich dichte Partikel schneller ab und werden von der unteren Schicht der Sekundärströmung nach innen getragen, während weniger dichte Partikel oben auf den dichten Materialien verbleiben und dann von der oberen Schicht der Sekundärströmung nach außen getragen werden. Dieser Mechanismus findet hauptsächlich in den ersten drei Windungen der Spirale statt. Nach dieser frühen Trennung befindet sich die meiste Wasser am äußeren Rand, und ein Band aus dichtem Material mit einem Feststoffgehalt von bis zu 70 % liegt nahe am Mittelpfosten, bereit zur Entnahme durch ein intermediäres Rückgewinnungsgerät oder einen Splitter am Ende der Rinne. Die Fließgeschwindigkeit ist rinsen- und betriebsabhängig, mit Werten von 0,1 bis 0,3 m/s radial über den größten Teil der Rinne, mit einem schnelleren Strom am äußersten Punkt.

Spiralen benötigen Wasserzugabe an verschiedenen Stellen entlang der Spirale, um das Waschen des Erzes zu unterstützen, d. h. das Wegtransportieren der groben leichten Partikel von den feinen schweren Erzpartikeln. Die Menge des Spülwassers und seine Verteilung entlang der Spiralrinne können an die Betriebsanforderungen angepasst werden. Punktuelle Steuerung minimiert den Gesamtwasserbedarf, indem Wasser effizient in den fließenden Suspensionsstrom unter dem effektivsten Winkel geleitet wird. Die einsetzbare Fütterungsgröße liegt im Bereich 0,3 mm bis 1 mm. Spiralen werden normalerweise bei einer Suspensionsdichte von 25-30 % Feststoffen betrieben.

Abb. 3 Trennprinzip in einer Spirale

Rütteltische

Der Rütteltisch ist ein Schwerkraftabscheidungsgerät, das seit vielen Jahren im Einsatz ist. Am Design hat sich wenig geändert, obwohl Mehrdecktische (bis zu drei Ebenen) zu Kapazitätssteigerungen pro Bodenfläche geführt haben. Rütteltische werden generell nur in Reinigungsstufen eingesetzt, da ihre Kapazitäten meist gering sind.

Das Trennprinzip basiert auf der Bewegung von Partikeln gemäß ihren spezifischen Gewichten und Größen in einer Suspension (bei Nasstischen) über einen geneigten Tisch, der im Wesentlichen rechtwinklig zur Neigung hin- und herschwingt, in Verbindung mit Riffeln, die die der Deckfläche nächsten Partikel zurückhalten. Diese Bewegung und Konfiguration bewirkt, dass feine Partikel mit hohem spezifischem Gewicht der Deckfläche am nächsten migrieren und von den Riffeln mitgeführt werden, um oben vom Tisch abzugehen, während Partikel mit niedrigem spezifischem Gewicht und groberer Körnung an der Oberfläche der Suspension verbleiben, über die Riffeln gleiten und über die unterste Kante des Tisches abfließen (Abb. 4).

Abb. 4 Trennprinzip bei Rütteltischen

Bei Nasstischen gibt es viele Typen für grobe oder feine Einspeisungen. Variablen: (i) Tischneigung (steilerer Winkel = weniger Gewicht im Konzentrat), (ii) Hubslänge (längerer Hub = mehr seitliche Bewegung = mehr Gewicht im Konzentrat bis zu einem Maximum), (iii) Hubfrequenz (ähnlich wie Hubslänge), (iv) Splitterpositionen (Position der Splitter im Konzentratlaufer bestimmt Gewichtsanteil im Konzentrat), (v) Einspeiserate und -dichte (über Maximum von typisch 2 t/h pro Volltisch und Dichte typisch 40 % Feststoffe, abhängig von Typ und Partikelgröße, nimmt Trennung ab), (vi) Spülwasser (wird entlang der Tischoberkante zugegeben, um Feststofffluss zu unterstützen, niedrige Feststoffdichte zu halten, "trockene Stellen" zu vermeiden und Schlamm in die Abgänge zu waschen), (vii) Riffelhöhe (niedrige Riffelhöhe besser für feine Einspeisungen und umgekehrt).

Bei Lufttischen sind Einspeisung und Trennung trocken, wobei das sich bewegende Partikelbett durch Niederdruckluft fluidisiert wird, die durch ein Leinendeck geblasen wird. Zusammen mit Tischneigung, Fehlen von Riffeln und oszillierender Tischbewegung bewirkt dies, dass feine leichte Partikel an die Bettoberfläche wandern und grobere schwere Partikel der Deckfläche am nächsten bleiben, letztere abfließen über den tiefsten Teil des Tisches.

Lufttische für die Mineralverarbeitung wurden aus der Getreideindustrie entwickelt und werden generell für spezifische Anwendungen adaptiert, wo trockene Schwerkraftabscheidung anderen Methoden vorzuziehen ist. Typischerweise in Reinigungsstufen einer trockenen Mühle. Variablen: (i) wie bei Nasstischen (Tischneigung, Hubslänge, Hubfrequenz, Splitter), (ii) Fluidisierungsluftstrom (erhöhter Strom hält Bettbeweglichkeit bis zu einem Maximum aufrecht). Vorteil: wo der Prozess davor oder danach trocken ist, entfällt zusätzliche thermische Trocknung.

Vorteile von Rütteltischen: (i) hochselektiv, mit hohem Aufbereitungsverhältnis bei korrekter Anwendung, (ii) Trennung beobachtbar und einstellbar. Nachteile: (i) geringe Kapazität, (ii) großer Platzbedarf, (iii) häufige Bedienereingriffe nötig, (iv) Einspeisung muss klassiert werden.

Feinpartikelabscheider

Der Wunsch nach stärkerer Nutzung von Schwerkraftkreisläufen und die Notwendigkeit, feinere Partikel zurückzugewinnen, führten zur Entwicklung spezieller Geräte zur Rückgewinnung von Partikeln, die generell zu fein sind, um effizient durch Spiralen etc. zurückgewonnen zu werden. Zwei Beispiele sind der Falcon-Konzentrator und der Mozley Multi-Gravity-Separator (MGS) (Abb. 5).

Abb. 5 Feinpartikelabscheider

Der Falcon-Konzentrator ist im Grunde eine Kombination aus Rinne und kontinuierlich arbeitender Zentrifuge. Er kann mit hoher Drehzahl betrieben werden, sodass die Schwerkraft feine Partikel unterschiedlicher spezifischer Gewichte trennt. Die Form des rotierenden Beckens bewirkt, dass sich schwerere Partikel im Suspensionsstrom stärker auf die einwirkenden Kräfte reagieren und zur dem Becken zugewandten Oberfläche migrieren, während leichtere Partikel mit dem Wasser nach oben tendieren. Die Trennung erfolgt durch Entnahme des unteren (höheres spezifisches Gewicht) Teils der Suspension durch eine Sammellippe/Slot, deren Durchfluss durch mehrere Öffnungen geregelt wird, die sich kontrolliert öffnen und schließen, wobei das Konzentrat aus dem Hauptstrom entfernt wird, der als Abgang austritt.

Variablen: (i) Drehgeschwindigkeit (erhöhte Drehzahl erhöht Schwerkraft und damit Trennkraft), (ii) Pulsfrequenz der Konzentratöffnungen (erhöhte Frequenz bis Maximum erhöht Gewichtsaufnahme), (iii) Einspeiserate und -dichte (erhöhte Rate und Dichte über bestimmtes Maximum behindern Trennung). Vorteile: (i) Partikelgrößenbereich 15-20 µm behandelbar, (ii) relativ einfache mechanische Konstruktion und robustes Design, (iii) relativ hohe Kapazität, (iv) geringer Bedienereinsatz. Nachteile: (i) normalerweise geringes Aufbereitungsverhältnis (typisch 2:1), (ii) Trennflächen nicht sichtbar, (iii) Einspeisung muss auf weniger als Öffnungsgröße der Konzentratöffnungen gesiebt werden, um Verblendung zu vermeiden.

Der MGS ist ein Gerät zur Trennung von Partikeln im Feinbereich. Er eignet sich für Feinteile mit maximaler Partikelgröße ca. 0,5 mm. Das Prinzip lässt sich vorstellen, indem man die horizontale Fläche eines konventionellen Rütteltisches in eine Trommel rollt und diese entlang der horizontalen Achse rotieren lässt. Dies bewirkt eine verstärkte Gravitationskraft, vielfach höher als die normale, auf dem Mineralpartikel, das über die Fläche fließt. Dies verbessert die Behandlung feiner Partikel im Vergleich zu konventionellen Abscheidern wie Rütteltischen.

Wie erwähnt, kombiniert der MGS die Zentrifugalbewegung einer schräg rotierenden Trommel mit der oszillierenden Bewegung eines Rütteltisches, um eine verstärkte Schwerkraftabscheidung bereitzustellen, besonders geeignet für feine Partikel. Das Trennprinzip basiert auf den genannten Kräften, die auf Partikel in einem Suspensionsstrom wirken, der eingespeist und auf die Innenseite der Trommeloberfläche verteilt wird. Mit Hilfe von Schabern und Spülwasser migrieren die höher spezifischen Partikel die Trommel hinauf und gehen über die obere Trommellippe ab, während die niedriger spezifischen Partikel in entgegengesetzter Richtung fließen und über die untere Trommellippe abfließen.

Variablen: (i) Trommeldrehzahl (erhöhte Drehzahl erhöht Zentrifugalkraft, erschwert Partikelbewegung nach oben, resultiert in kleinerer Gewichtsaufnahme und saubererem Konzentrat), (ii) Trommelhubslänge und -frequenz (erhöhte Länge und Frequenz innerhalb von Grenzen tendieren zu Erhöhung der nach oben bewegenden Kräfte, resultieren in größerer Gewichtsaufnahme und niedrigerem Konzentratgehalt), (iii) Trommelspülwasser erhöht Waschung der Suspensionspartikel beim Aufstieg, erzeugt saubereres Konzentrat, (iv) Trommelneigungswinkel (erhöhte Neigung erzeugt saubereres Konzentrat). Vorteile: (i) hochselektive Trennung bei feinen Partikeln (typisch -75 µm bis +10 µm), (ii) hohes Aufbereitungsverhältnis (typisch 20:1). Nachteile: (i) geringe Kapazität pro Fläche und Raum, obwohl größere Geräte verfügbar, (ii) mechanisch komplex und teuer, (iii) generell geschlossen, Trennflächen nicht sichtbar, (iv) erfordert nennenswerten Bedienereinsatz, (v) nicht für grobes Material geeignet (Einspeisung muss gesiebt werden).

Schwerkraft/Großenabscheider

Zwei Beispiele: (i) Hydrosizer und (ii) Hydrozyklon. Ihre Prinzipien sind in Abb. 6 dargestellt. Sie stellen eher Größenabscheider als Schwerkraftabscheider dar. Aufgrund ihrer Natur kombinieren sie jedoch Partikelspezifisches Gewicht mit Partikelgröße in ihrer Trennung.

Abb. 6 Prinzip eines Hydrosizers und eines Hydrozyklons

Der Hydrosizer ist eine Weiterentwicklung der Teetersäulenklassierer, die das Prinzip des Partikelabsetzens nutzen, um eine Trennung zwischen feinen/leichten und groben/schweren Partikeln in einer Umgebung aufsteigenden Wasserflusses in einem Tank zu erreichen, erzeugt durch Injektionswasser durch einen Verteiler etwa zwei Drittel der Tankhöhe. Dies erzeugt einen Überlauf der ersteren und einen Unterlauf der letzteren. Ein Partikel mit ausreichendem Gewicht aufgrund seines spezifischen Gewichts und seiner Größe setzt sich in einem Fluid schneller ab als ein Partikel mit niedrigerem spezifischem Gewicht und Größe. Bei aufsteigendem Gegenstrom übersteigt bei einem bestimmten Volumenstrom die Gegenstromgeschwindigkeit die Absetzgeschwindigkeit der leichteren/kleineren Partikel, nicht aber der schwereren/größeren, und eine Trennung findet statt.

Variablen: (i) Injektionswasserdurchfluss (erhöhter Durchfluss erhöht Gewicht der Partikel und spezifisches Gewicht/Größe der Partikel im Überlauf), (ii) Säulendichte (Erhöhung des spezifischen Gewichts der Suspension in der Säule zwischen Injektionsverteiler und Überlaufwehr erhöht Gewicht zum Überlauf), (iii) Unterlaufabfluss (erhöhter Unterlaufabflussvolumenstrom verringert Feststoffdichte der Säule und tendiert zur Verringerung des Aufwärtsstroms, reduziert spezifisches Gewicht/Größe der Überlauffeststoffe), (iv) Massendurchfluss der Einspeisung (erhöhte Einspeiserate über Optimum hinaus verringert Trennschärfe). Vorteile: (i) präzise automatische Steuerung der Trennung basierend auf spezifischem Gewichtsmessung der Säulenkopf in Regelkreis mit Unterlaufventil, (ii) beide Produkte beobachtbar und einfache Einstellungen am Steuermechanismus möglich, (iii) keine beweglichen Teile, (iv) nass oder trocken einspeisbar. Nachteile: (i) erfordert dedizierte Injektionswasserpumpe für saubere, konstante, aber einstellbare Zufuhr, (ii) hoher Wasserbedarf, (iii) hohes Volumen für gegebene Kapazität nötig, (iv) gleichmäßige Einspeiserate nötig.

Hydrozyklone erzeugen eine Trennung zwischen groben/hoch spezifischen und feinen/niedrig spezifischen Partikeln basierend auf ihrer Geometrie und der Zentrifugalbewegung des inneren Flusses, der entsprechend auf die Partikel wirkt. Wenn Suspension unter Druck tangential in den rohrförmigen Körper eines Zyklons eingespeist wird, tendiert die Zentrifugalkraft dazu, schwerere Partikel nach außen zu werfen, leichtere vorzuziehen. Die äußeren Partikel bewegen sich unter Druck den Kegel hinab und werden durch die Unterlaufdüse herausgedrückt, während die leichteren Partikel (und Wasser) im Inneren des Wirbels aufsteigen in den Wirbelfinder und als Überlauf abfließen.

Variablen: (i) Einspeisedruck (treibende Kraft der Trennung, höherer Druck = feinere Größentrennung), (ii) Wirbelfinderdurchmesser (größerer Durchmesser = größerer Überlauf, niedrigerer Druck = grobere Trennung), (iii) Düsendurchmesser (größerer Durchmesser = größerer Durchfluss, feuchterer/feinerer Unterlauf), variable Düsen einsetzbar, (iv) Siphonieren (falls Überlauf tiefer abfließt als Unterlauf tritt Siphoneffekt auf, erhöht Feststoffe und Durchfluss im Überlauf, behoben durch Vakuumbruch), (v) Einspeisedichte (zu hohe Dichte: typisch über 35 % Feststoffe beeinträchtigt Trennung), (vi) Winkel und Länge des Kegelabschnitts (vergrößerte Länge und flacherer Winkel reduzieren Trennkorngröße), (vii) Manteldurchmesser (größerer Durchmesser = größere Kapazität, niedrigerer Druck, grobere Trennkorngröße). Vorteile: (i) hohe Kapazität pro Volumen und Bodenfläche, (ii) keine beweglichen Teile, (iii) begrenzter Bedienereinsatz. Nachteile: (i) nicht leicht einstellbar für wechselnde Einspeisungs- und Produktanforderungen, (ii) müssen unter Druck und gleichmäßiger Rate eingespeist werden.