Zwaartekrachtsscheiding en erzobeneficiëring: van oude goudwas tot moderne mijnbouw

Zwaartekrachtsscheiding: oudste en natuurlijke beneficiëringstechniek

Zwaartekrachtsscheiding is de oudst bekende techniek voor erzobeneficiëring en wordt in de natuur uitgeoefend. Het vroegste door mensen vastgelegde gebruik was de winning van goud door wassen (panning) in de bovenloop van de Nijl door oude Egyptenaren, ca. 1900 v. Chr.

Het is een fysiek proces dat verschillende mineraltypen in het erz scheidt op basis van verschillen in hun specifiek gewicht, gebruikmakend van de zwaartekracht, die kan worden beïnvloed door andere krachten zoals centrifugaalkracht, weerstand door een vloeistof (bijv. lucht, water). Daardoor beïnvloeden ook factoren als deeltjesgrootte en -vorm de relatieve beweging en scheiding. Figuur 1 toont het effect van centrifugaalkracht op de zwaartekracht: bij toenemende zwaartekracht neemt de zettingsnelheid van kleinere deeltjes toe.

Belangrijke parameters

Scheiding door zwaartekracht hangt af van twee factoren:

1. Zettingsnelheid van de deeltjes (volgens de wet van Stokes: v = k·d²·g·(Ds−Df), met k constante, d deeltjesdiameter, g zwaartekracht, Ds specifiek gewicht vast stof, Df specifiek gewicht vloeistofmedium).
2. Verschil in specifiek gewicht ten opzichte van het medium → differentiële zettingsnelheid, uitgedrukt in de concentratiecriterium (CC): CC = (Dh−Df)/(Dg−Df) (Dh zwaardere component, Dg lichtere component).

Algemeen geldt: CC > 2,5 → scheiding relatief eenvoudig; CC < 1,25 → zwaartekrachtsscheiding niet haalbaar. Met dalende CC neemt de scheidingsefficiëntie af.

Hoofdmethoden van zwaartekrachtsscheiding

• Jig (zwaartekrachtsscheider met pulserende waterkolom)
• Pinched sluices (vernauwde glijbanen)
• Spiralen
• Schudde tafels (shaking tables)
• Fijn deeltjesscheiders (bijv. Multi Gravity Separator – MGS)
• Zwaartekracht/afmetingsscheiders (hydrosizers, hydrocyclonen)

De jigging-methode wordt elders beschreven (zie link in originele tekst).

Pinched sluices (vernauwde glijbanen)

Populair tot de invoering van nieuwe generatie spiralen. Een pinched sluice is een hellende helling waarover een slurry met deeltjes van verschillend specifiek gewicht stroomt. Door zwaartekracht, wrijving en vernauwing van het dek (pinching) scheiden zich fijnere zwaardere deeltjes (bodem van de film) en grovere lichtere deeltjes (bovenin). Een sleuf (concentraatafname) verwijdert de zware deeltjes. Twee typen: (i) bakken (trays), (ii) Reichert-kegel.

Bakken (trays)

Voordelen: open voor visuele inspectie/afstelling/reiniging; hoge voerdichtheid (63% vast) → laag volume pompen.
Nadelen: onhandig (grote ruimte), lage opgraderingsratio (typisch 3:1), gecontroleerd specifiek gewicht voer nodig, lage terugwinning fijne deeltjes, voer moet gescreend worden, lage tolerantie voor slib, meerdere voerpunten en scheidingsoppervlakken, waswater nodig voor dichtheidscontrole in zuiveringsstappen.

Reichert-kogels

Verbeterde versie van bakken: kegelvormig, centraal enkel voerpunt, meerdere trapjes verticaal gestapeld. Gangbare configuraties: 4DS (vier dubbel/enkel trappen) als ruwscheiders, 2DSS.DS als zuiveraars. Procesvariabelen: voersnelheid (boven optimum vermindert prestatie), voerdichtheid (60–63% vast), instellingen insert (1–9, grotere opening → meer terugwinning, lagere graad).
Voordelen: hoge capaciteit per vloeroppervlak, hoge voerdichtheid.
Nadelen: lage opgraderingsratio, gecontroleerd specifiek gewicht voer, lage terugwinning fijne deeltjes, voer moet gescreend, lage slibtolerantie, bodem scheidingsoppervlakken niet zichtbaar/toegankelijk, waswater nodig.

Spiralen

Spiralconcentratoren verwerken ertsen met mineralen van verschillend specifiek gewicht. Een hellende goot met complexe dwarsdoorsnede, om een centrale kolom gewikkeld. Combinatie van zwaarte- en centrifugaalkracht zorgt voor segregatie: fijn zwaar deeltjes naar binnen, grof licht deeltjes naar buiten (Fig. 3). Krachten groter dan in kegel, lagere slurry-dichtheid → hogere opgraderingsratio (typisch 5:1) en betere fijn-deeltjes-terugwinning.

Een spiralunit bestaat uit een geprofileerde kanaal helicoidaal om een centrale post. Gebruikelijke spiralen: 3–7 windingen, diameter 0,4–1 m. Continue gravitatiemotie laminar stroom op hellende oppervlak. Voer: gemalen erts + water (slurry), bovenaan toegevoerd. Dichtere deeltjes zakken sneller, worden door onderlaag van secundaire stroom naar binnen getransporteerd; lichtere deeltjes blijven bovenaan en gaan naar buiten. Scheiding vindt voornamelijk in eerste drie windingen plaats. Stroomsnelheid: 0,1–0,3 m/s radiaal, sneller aan uiterste rand. Waswater nodig op diverse punten om grove lichte deeltjes weg te transporteren. Voergrootte: 0,3–1 mm. Slurry-dichtheid: 25–30% vast.

Schudde tafels (shaking tables)

Al lang in gebruik; weinig veranderd in ontwerp, maar multi-dek tafels (tot 3 niveaus) verhogen capaciteit per vloeroppervlak. Meestal alleen in zuiveringsstappen (lage capaciteit).

Principe: deeltjes bewegen in slurry over een hellende tafel die terug en voor schuwt (haaks op helling), in combinatie met ribbels (riffles) die deeltjes dicht bij het dek vasthouden. Fijn zwaar deeltjes migreren naar het dek, worden door ribbels meegevoerd en lossen bovenaan; grof licht deeltjes blijven dichter bij slurry-oppervlak, rijden over ribbels en lossen aan laagste kant.

Natte tafels – variabelen

• Helling dek (stekeler → minder gewicht in concentraat)
• Hubslengte (langere hub → meer zijwaartse beweging → meer gewicht in concentraat, tot maximum)
• Hubfrequentie (hogere frequentie → meer zijwaartse beweging, tot maximum)
• Splitterposities (bepalen gewichtname in concentraat)
• Voersnelheid en -dichtheid (max ~2 ton/uur per volgrootte tafel, typisch 40% vast)
• Waswater (bovenaan toegevoegd: vastestroom, lage vastdichtheid, voorkomen droge plekken, slib naar afval)
• Ribbelhoogte (lage ribbel beter voor fijn voer, hoge voor grof)

Luchttafels (air tables)

Droog proces: voer en scheiding droog, deeltjesbed gevloeistofd door laagdruklucht door doekdek. Samen met helling, afwezigheid van ribbels en schuivende beweging: fijn lichte deeltjes naar boven, grof zware deeltjes naar dek → lossen aan laagste kant. Ontwikkeld uit graanindustrie, gebruikt waar droge scheiding gewenst is (bijv. zuiveringsstappen droge molen). Variabelen: als natte tafels + vloeistofdende luchtdruk (verhoogde stroom houdt bed mobiel tot maximum). Voordeel: elimineert extra thermische droging als voor-/naproces droog is.

Voordelen schudde tafels

• Zeer selectief, hoge opgraderingsratio bij correct gebruik.
• Mogelijkheid scheiding te observeren en af te stellen.

Nadelen

• Lage capaciteit.
• Groot vloeroppervlak nodig.
• Vereist frequente operatoraandacht, controle, afstelling.
• Voer vereist dimensionering.

Fijn deeltjesscheiders

Wens om zwaartekrachtcircuits meer te benutten en fijnere deeltjes te winnen leidde tot specifieke apparaten. Voorbeelden: Falcon-concentrator en Mozley Multi Gravity Separator (MGS) (Fig. 5).

Falcon-concentrator

Combinatie van glijbaan en continu werkende centrifuge. Hoge draaisnelheid → verhoogde zwaartekracht scheidt fijn deeltjes. Vorm van draaiende kom: voer slurry beweegt opwaarts, zwaardere deeltjes reageren sterker op krachten → migreren naar komoppervlak, lichtere deeltjes naar top met water. Scheiding door verwijdering van lagere (zwaardere) fractie via verzamellip/slot met gecontroleerde orificies.
Variabelen: draaisnelheid (hogere → hogere zwaartekracht), pulsfrequentie orificies (hogere → meer gewichtsname), voersnelheid/dichtheid (boven maximum belemmert scheiding).
Voordelen: deeltjes 15–20 µm, eenvoudige robuuste constructie, hoge capaciteit, lage operatoraandacht.
Nadelen: lage opgraderingsratio (2:1), geen zicht op scheidingsoppervlakken, voer moet gescreend (< opening orificies) om verblinding te voorkomen.

Mozley Multi Gravity Separator (MGS)

Geschikt voor fijn deeltjes (max ~0,5 mm). Principe: horizontaal schudde-tafelvlak in een trommel gerold, draaiend om horizontale as → versterkte zwaartekracht (veelvouden van normaal) op minerale deeltjes over het oppervlak. Verbeterde behandeling fijn deeltjes vs. conventionele scheiders.
MGS combineert centrifugaalbeweging van een gekantelde roterende trommel met schuivende beweging van schudde tafel → versterkte zwaartekrachtsscheiding, bijzondere geschiktheid voor fijn deeltjes. Hogere specifieke gewicht deeltjes migreren met schrapers en waswater opwaarts de trommel en lossen bovenste lip; lichtere deeltjes stromen tegenovergesteld en lossen onderste lip.
Variabelen: trommeldraaisnelheid (hogere → meer centrifugaalkracht → moeilijker opwaarts bewegen → minder gewichtsname, schoner concentraat), trommelhublengte/frequentie (meer → meer kracht opwaarts → meer gewichtsname, lagere graad), trommelwaswater (schoonere concentraat), trommelkantelhoek (groter → schoner concentraat).
Voordelen: zeer selectief voor fijn deeltjes (typisch −75 µm tot +10 µm), hoge opgraderingsratio (typisch 20:1).
Nadelen: lage capaciteit per oppervlakte/ruimte (wel grotere beschikbaar), mechanisch complex/duur, doorgaans gesloten (geen zicht scheidingsoppervlakken), redelijke operatoraandacht, niet geschikt voor grof materiaal (voer moet gescreend).

Zwaartekracht/afmetingsscheiders

Twee voorbeelden: hydrosizer en hydrocycloon (Fig. 6). Principes combineren deeltjesgrootte en specifiek gewicht.

Hydrosizer

Ontwikkeling van teeterkolomclassificators. Stijgende waterstroom in tank (injectie via manifold ~2/3 hoogte) scheidt fijn/licht (overflow) van grof/zwaar (onderstroom). Deeltje met voldoende gewicht (specifiek gewicht + grootte) zak sneller. Bij bepaalde opwaartse snelheid overstijgt deze de zettingsnelheid van lichte/kleine deeltjes, niet van zware/grote → scheiding.
Variabelen: injectiewaterstroom (meer → zwaardere deeltjes in overflow), kolomdichtheid (hoger specifiek gewicht slurry → meer gewicht in overflow), onderstroomafvoer (meer → lagere vaste stofdichtheid kolom → minder opwaartse stroom → lichter/kleinere overflow), voermassastroom (boven optimum → minder scherpe scheiding).
Voordelen: nauwkeurige automatische controle via specifiek gewicht meting kolomkop in regellus met onderstroomklep, beide producten observeerbaar/makkelijk afstelbaar, geen bewegende delen, nat of droog voer mogelijk.
Nadelen: toegewijde injectiewaterpomp nodig (schoon, constant, instelbaar), hoog waterverbruik, groot volume voor capaciteit, constante voersnelheid nodig.

Hydrocycloon

Scheiding grof/zwaar vs. fijn/licht op basis van geometrie en centrifugaalbeweging van stroom binnenin. Slurry onder druk tangenciaal in cycloon → centrifugaalkracht duwt zwaardere deeltjes naar buiten. Buitenste deeltjes bewegen naar beneden kegel, gedwongen uit onderstroomspuit; lichtere deeltjes (en water) in binnenste vortex stijgen op naar vortexvinder en lossen als overflow.
Variabelen: voerdruk (drijvende kracht, hogere druk → fijner scheiding), vortexvinderdiameter (groter → grotere overflow, lagere druk → grovere scheiding), spuitdiameter (groter → grotere stroom → fijner/natte onderstroom), sifonering (als overflow lager dan onderstroom → sifoneffect → meer vaststoffen/stroom naar overflow, opgelost door vacuümbreuk), voerdichtheid (te hoog >35% vast → scheiding beïnvloed), hoek/lengte kegelsectie (langer/minder steil → kleiner snijpunt), vatdiameter (groter → meer capaciteit, lagere druk, grovere snede).
Voordelen: hoge capaciteit per volume/vloeroppervlak, geen bewegende delen, beperkte operatoraandacht.
Nadelen: niet gemakkelijk instelbaar voor wisselende voer/producteisen, moet onder druk en constant gevoed worden.