Principles of Spiral Concentration

8/12/2019 Principles of Spiral Concentration

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International Journal of Mineral Processing 15 (1985) 173--181 173Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam -- Printed in The Netherlands

P R I N C I P L E S O F S P I R A L C O N C E N T R A T I O N

R. SIVAMO HAN and E. FORSS BERGDivision of Mineral Processing Technical University of Lule~ Lule~t S-95187 Sweden(Received and accepted September 28, 1984)

ABSTRACTSivamohan, R. and Forssberg, E., 1985. Principles of spiral concentration. Int. J. Miner.Process. 15: 173--181.

The different stages of the mechanism of concentration in spiral concentrators are dis-cussed. The significance of many design and operational variables and their interrelation-ships are examined. The various areas where the spiral concentrators are applicable arepresented.

MECHANISMS OF CONCEN TRATIO N IN A SPIRAL CONCENT RATO RT h e s p ir al c o n c e n t r a t o r e s s e n ti a ll y c o n s i st s o f an o b l i q u e h e li c al c o n d u i t

o f a n u m b e r o f t u rn s .A s i n a n y f l o w i n g f i l m c o n c e n t r a t i o n p r o c e s s , v e r t ic a l s t r a t if i c a t io n o f t h e

f l o w i n g f il m d o w n t h e s p ir al c o n d u i t c a n b e re l a te d t o t h e f o l l o w i n g d e f i n e ds o r t i n g p r o c e s s e s - - t h e h i n d e r e d s e t t li n g , t h e i n t e r s t it i a l tr i c k l in g , t h e a t t a i n -m e n t o f m i n i m u m p o t e n t i a l e n e r g y a n d t h e B a g n o l d f o r ce s . T h e h in d e r e ds e t t li n g c o n d i t i o n s i n t e n s i f y t h e s p e c i f i c g r a v i t y e f f e c t i n s e t tl i n g . W h i l e t h ed i l a t i o n o f t h e b e d d u e t o t h e f o r w a r d a n d s i d e w a r d t ra v e ls o f t h e b e d o fp a r ti c le s f a v o u r s t h e s y s t e m s s t r u g g le to a t t a i n a m i n i m a l p o t e n t i a l e n e r g yb y f o r c i n g t h e h e a v ie s d o w n w a r d , p r o v i d e d t h e p a r ti c l e s iz e d i s t r i b u t i o n a n da l s o t h e s h a p e o f t h e h e a v y m i n e r a l p a r t i c l e s a r e f a v o u r a b l e , s m a l l p a r t i c le s i nt h e s y s t e m t e n d t o t r i c k l e t h r o u g h t h e a v a il a b le i n te r s ti c e s. T h e B a g n o l dd i s p e r s i v e f o r c e p r e f e r e n t i a l l y l i f t s t h e c o a r s e , l i g h t p a r t i c l e s i n t o t h e h i g h -v e l o c i t y l a y e r s o f t h e f l o w i n g p u l p w h i c h i n c r e a s e s f r o m z e r o a t s o l i d - - l i q u i ds u r f a c e t o m a x i m u m j u s t a t t h e f re e su r fa c e , p r o v i d e d a p p r e c i a b l e tu r b u l e n c eis n o t c r e a t e d i n t h e p u l p w h i c h i s a c h i e v e d b y k e e p i n g t h e p u l p t o t h e s p ir alc o n c e n t r a t o r d e n s e a n d s t e a d y .

T h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e l if ti n g p o w e r o f t h e B a g n o l d d i s p e rs i v e f o r c em a y b e o b t a in e d f r o m a f a c t o r N , p r o p o s e d b y B a g n o ld ( 1 9 5 4 ) :

~ I / 2 0 D 2 uN - - - f o r ~ < 1 4d y

030 1-7 516 /85 / 03 .30 1985 Elsevier Science Publishers B.V.


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174w h e r e :

is t h e v i s c o s i t y o f t h e l i q u idd u / d y i s t h e r a t e o f s h e a ra is t h e p a r t i c l e d e n s i t yD is t h e p a r t ic l e d i a m e t e ris t h e l in e a r c o n c e n t r a t i o n (= 1 / [ ( C m a x / C ) 1j3 - 1] )C is t h e v o l u m e c o n c e n t r a t i o n o f s o li d sD e p e n d i n g o n w h e t h e r N > 4 5 0 o r N < 4 0 g r a i n - in e r t ia l o r v i s c o u s

c o n d i t i o n s , a s d e f i n e d b y B a g n o l d , e x i s t.I n t h e g r a i n - i n e r t i a l r e g i o n t h e B a g n o l d d i s p e r s i v e p r e s s u r e P o n a p a r t i c l eis:P = 0 . 0 4 o ( ~ D ) 2 ( d u / d y ) 2

T h e e f f e c t o f t h i s d is p e r si v e p re s s u r e P i s t o c o u n t e r a c t t h e a p p a r e n tw e i g h t P a o f t h e p a r ti c le :7 t D a ( o - - o f ) / 6 2P a - = - - D o - o f )~ D 2 / 4 3

T h e r e f o r e :k D ( d u / d y ) 2P / P a - ( k i s a c o n s t a n t )1 - - ( O f / O )

I f tW O p a r t i c l e s o f d i a m e t e r s d l a n d d 2 (d 2 > d l ) a r e c o n s i d e r e d :( P / P a ) d , ( ( P / P a ) d 2T h e r e f o r e , d 2 w i l l s t a y u p i n t h e f a s t - f l o w i n g l a y e r s o f t h e f i l m . S im i l a r l y , ift w o p a r t i c l e s o f d e n s i t y O h a n d O l (O h > O l) a r e c o n s i d e r e d :( P / P a ) a h < ( P / P a ) a 1T h e r e f o r e , o 1 w i ll s t a y u p i n t h e f a s t- f lo w i n g l a y e r s o f t h e f il m . U n d e r t h e

v i s c o u s c o n d i t i o n s t h e d i s p e r s i v e p r e s s u r e P o n a p a r t i c l e is g i v e n as :d uP = 2 . 9 3 X3/2 r / d y

F o l l o w i n g t h e s a m e l in e o f a r g u m e n t f o u n d a b o v e , it ca n b e s ee n t h a t o n l ys m a l l , l ig h t p a r t i c l e s w i l l s t a y u p i n t h e f a s t - f l o w i n g l a y e r s o f t h e f i l m i n c o n -t r a s t t o t h e B a g n o l d d i s p e r s i v e f o r c e ' s p r e f e r e n t i a l l i f t o f t h e c o a r s e , l ig h tp a r t i c l e s i n t h e g r a i n - i n e r t i a l r e g i o n .

B u t c h ( 1 9 5 6 ) h o w e v e r , a r g u e d t h a t i t is u n l i k e l y t h a t g r a in - in e rt ia l c o n d i -t io n s w o u l d e x i st d u e t o t h e s h e a r p r o d u c e d b y t h e f l o w i n g f il m o n l y w h e nt r e a t i n g r e l a t i v e l y f i n e p a r t i c l e s , i n t r o u g h s w i t h r a t h e r f l a t p r o f i l e s . As u b s t a n t i a l p r e s s u r e w i ll b e p r o d u c e d i f a n o r b i t a l o r a r o t a t i o n a l m o t i o n isg i ve n . B u r c h ' s s h a k e n h e l i c o i d e m p l o y e d a n o s c i l l a t o r y m o t i o n ( B u t c h ,1 9 5 7 ) . R e c e n t l y , t h e C h i n e s e d e v e l o p e d a r e v o lv i n g s p ir al c o n c e n t r a t o r( R o b i n s o n , 1 9 8 3 ) .


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175I n a d d i t i o n t 6 t h e a b o v e - m e n t i o n e d d e f i n e d s o r t in g p r o c e s s e s e f f e c t s in

v e r t i c a l s t r a t if i c a t i o n , t h e r e e x i s t s t h e i n f l u e n c e o f r is in g a n d f a ll in g c u r r e n t sn e a r t h e i n n e r r a d i u s a n d t h e o u t e r r a d i u s r e s p e c t i v e l y ( e x p l a i n e d b e l o w ) ,u n i q u e t o t h e s p i ra l c o n c e n t r a t o r , w h i c h w i ll m o v e t h e s m a ll e r p a r t ic l e sp r e f e r e n t i a l l y i n c o n t r a s t t o t h e B a g n o l d f o r c e s p r e f e r e n t i a l l if t o f t h e c o a r s e rp a r t i c l e s .T h e c o m b i n e d a c t io n o f t h e a b o v e - m e n t i o n e d s o r ti n g p r o c e s se s w i ll c a u set h e h e a v y p a r t ic l e s t o s e t t l e a t t h e b o t t o m w i t h t h e l i gh t s a b o v e a n d t h u s t h ep a r t i c l e s a r e c a u g h t i n t h e d i f f e r e n t v e l o c i t y la y e r s t r av e l l in g i n a c u r v e dp a t h . T h e y w i ll b e a c t e d u p o n b y c e n t ri f ig u a l f o r c e s o f d i f f e r e n t m a g n i t u d ew h i c h w i ll te n d t o s h i ft t h e p a r ti c le s t o w a r d s t h e o u t e r e d g e o f t h e c o n d u i t .H o w e v e r , p a rt i c le s i n t h e l o w e r l a y e r s w i ll n o t b e a b l e t o m i g r a te t o t h e o u t e re d g e d u e t o l o w c e n t r i fu g a l f o r c e s a n d t h e r a d ia l v e l o c i t y o f t h e l o w e r p a r to f t h e s t r ea m , w h i c h a r e a s s o c i a te d w i t h t h e i n w a r d s l o p e o f t h e c o n d u i t .T h e r e s u lt is t h a t t h e b o t t o m l a y e rs w i ll f o r c e t h e p a r ti c le s ( h e a v y ) t o w a r d st h e i n n e r s id e o f t h e s p ir al c o n c e n t r a t o r w h e r e o p e n i n g s m a y ( o r m a y n o t ) b el o c a t e d , d e p e n d i n g o n t h e d e s i g n .

T r a d i t i o n a l s p ir al s a r e m e a n t t o r e m o v e t h e c o n c e n t r a t e a t t h e f i rs t o r se c-o n d t u r n a n d t o t r e a t t h e m i d d l in g s s u b s e q u e n t l y in t h e t u r n s b e l o w , w i t hc o n c e n t r a t e p o r t s a t 1 8 0 i n te r va ls . S o m e o f t h e p o r t s a r e n o r m a l l y c l o s ed ,t o o b t a i n a h i g h ra t io o f c o n c e n t r a t i o n .

P o s i ti o n s o f t h e c o n c e n t r a t e p o r t s v a ry a cc o r d in g t o t h e r e q u i re m e n t s .C l o s e l y lo c a t e d p o r t s c a n b e m o r e s e le c ti v e i n o b t a i n i n g a c o n c e n t r a t e w h e nt r e a t i n g p a r t i c l e s o f n e a r s p e c i f i c g r a v i t y o r p a r t i c l e s c o n t a i n i n g a h i g hp r o p o r t i o n o f h i g h s p e c i fi c g r a v i t y m i n e r al s . T h e m o d e r n s p ir al c o n c e n t r a t o rd e v e l o p e d f o r f e e d s w h i c h c o n t a i n o n l y a f e w p e r c e n t o f h e a v y m i n e ra ls h a sn o s u c h c o n c e n t r a t e p o r t s . W a s h w a t e r a d d i t i o n is a ls o n o t p r e f e r r e d w h e nt r e a ti n g f in e p a r t ic l e s , p a r ti c u l a rl y , t o p r e v e n t a n y d e t r i m e n t a l d e v e l o p m e n t so f t u r b u l e n c e ( W e ll s a n d E l l io t , 1 9 8 2 ) . T h e a d d i t i o n o f w a s h w a t e r a t t h ei n n e r e d g e o f t h e s t re a m t e n d s t o f o r c e t h e f in e p a r t ic l e s b a c k i n t o t h em i d d l e p o r t i o n o f t h e c o n d u i t w h e r e i t is s u b j e c t t o f u r t h e r c y c l e s o f c o n c e n -t r a t io n . I f a d d e d , c a r e s h o u l d b e t a k e n t o e n s u r e t h a t t h e w a s h w a t e r f l o w ss t e a d i l y a n d is f r e e o f f o r e i g n m a t t e r .A s d e s c r i b e d a b o v e , w h i l e th e p a r ti c le s i n t h e l o w e r l a y e r s o f t h e s t r e ama r e c a rr i e d i n w a r d s d u e t o r a d i a l i n w a r d v e l o c i t y , t h e r e c a n o c c u r a n a zi -m u t h a l s e p a r a t i o n o f t h e p a r t ic l e s b a s e d o n t h e s iz es . S i n c e t h e c o a r s e h e a v yp a r t ic l e s i n t h e i n w a r d l y m o v i n g l a y e r s a r e a c t e d u p o n b y l a rg e f o r w a r dv e l o c i t i e s t h e y w i l l g o a g r e a t e r a z i m u t h a l a n g l e t h a n t h e f i n e h e a v y p a r t i c l e s .

T h e i nw a r d f lo w o f th e b o t t o m l ay e rs an d t h e o u t w a r d f lo w o f t h e u p p e rl a y e rs a r e c o n n e c t e d b y r is in g c u r r e n t s o n t h e i n n e r r a d i u s a n d f al li n g c u r r e n t so n t h e o u t e r r a d iu s a n d t h e r e su l ti n g h e li ca l b o u n d a r y b e t w e e n t h e u p w a r da n d d o w n w a r d m o v i n g l a ye r s w i ll b e d e t e r m i n e d b y t h e c o n c e n t r a t o r d e s ig n .T h e r is in g c u r r e n t s a r e s ig n i fi c an t i n t h a t t h e y p r o v i d e a u n i q u e p h e n o m -e n o n b y l if ti n g t h e s m a l l p a r t ic l e s u p w a r d s w h i c h , i f p r o p o r t i o n a t e d w i t h t h eB a g n o l d e f f e c t , m e a n s p a r ti c le s o f d i f f e r e n t s iz es w i ll b e l i ft e d t o a p p r o x i -


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mately the same extent which would alleviate any undesirable size separa-tion.Butch 1961--1962} proposed mathematical relationships to quantif y theseveral flows involved in the sorting and the separating of particles in a pulpthat flows down the conduit of a spiral concentrator. However, they maynot be rigorously applicable, because they were based on quite a number ofassumptions.His relationships to obtain an approximation of the secondary circulationare as follows:radial inward velocity u at fractional height y H :

V aH H 2 y 7 y s - 42y 4 + 70y 3 - 72y + 32)2 = r7 cos ~ 210

primary velocity V at y H :y 2 - y ) H : P gV = 4~rr 7

inflow rate per tu rn at radius r, within which it must rise:1.376 p2H:g2

1680 .Tar 2rising velocity at r:

d1.376 p2g2 -dr HT/r~)3360 ~2 7a r

height of the slope of the free surface Z:3g p 2A1217 r217

1472height of the pulp layer H:= A 3 7 r 4 7

Here P is the pit ch, 13 is the angle of inward of the deck, 7 is th e kine tic viscosi-ty , H is the height o f pulp at radius r and A is a con stant having the dimen-sions of length.

Additional basic work, along with computer simulations, on the footstepsof Burch should provide more valuable qualitative as well as quantitative in-formation. This is an area which gives ample scope for a major breakthroughin spiral concent ration .D E S IGN A N D O P E R A T IO N A L V A R IA B L E S A N D T H E IR IN T E R R E L A T IO N S H I P S

The pitch, profile and radius are the three design variables of a spiral con-cent rator and there is av~iilable a variety of models wit h varying dimens ionsenabling a correct choice from a wide spectrum for particular applications.


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T h e v e l o c i t y o f t h e p u l p , f e d t o t h e t o p o f a sp i ra l c o n c e n t r a t o r is d e t e r -m i n e d b y t h e p i t c h o f t h e h e li x . D e e p a n g l es p r o v i d e h ig h c a p a c i t ie s a n d h i g hg r ad e s, b u t l o w r e c o v e ry . T h e y m u s t p e r f o r m w e ll w i t h t h e o r e s o f v e r yl o w g r a d e s . S h a l l o w a n g l es a r e s u i t a b l e f o r o p e r a t i o n s i n v o l v i n g s m a l l s p e c i f i cg r a v i ty d i f f e r e n c e s a n d f i n e p a rt i cl e s iz es . W i t h t h e a d v e n t o f m o u l d e d ( i no n e p i e c e ) , s t r e t c h a b l e f i b r e - g l a s s - r e in f o r c e d s p i ra l c o n c e n t r a t o r s t e s t s b e -c a m e p o s s i b l e a t d i f f e r e n t p i t c h e s . T h i s l e d t o p r e s e n t t i m e ' s s e v e r a l p i t c h -d i m e n s i o n s a n d a ls o s p ir al s w i t h a v a r y in g p i tc h d o w n t h e a x is ( A n o n y m o u s ,1 9 7 9 ; B a l d e r s o n , 1 9 8 2 ) .A n o t h e r a d v a n t a g e o f t h e s t e e p p i t c h i s t h a t i t e n a b l e s , w i t h a r e d u c e dh e ig h t o f o u t e r w a l l, a d o u b l e - w o u n d o r a t r i p l e -w o u n d u n i t o n th e s a m ec e n tr a l c o l u m n t o b e p o s s i b le w h i c h s av es sp a c e a n d c u t s d o w n o n t h e l a u n d e rr e q u i r e m e n t s . A s p ir al h a v i ng a c o n t i n u o u s l y c u r v e d p ro f i l e w i t h a v a r ia b l er a d iu s o f c u r v a t u r e b u t w i t h o u t c o n c e n t r a t e p o r t s c a n a l so g iv e a d o u b l e -w o u n d a r ra n g e m e n t o f t ro u g h s .A p r o p e r l y d e s i g n e d t r o u g h p r o f i l e p r e v e n t s t h e p u l p j u s t ru n n i n g o n .P r o f il e p a t t e r n s a r e m a n y . A c o n t i n u o u s l y c u r v e d p r o f il e a s u s e d in t h e c o n -v e n t i o n a l s p i ra l c o n c e n t r a t o r s is s u i t a b l e f o r g e n e r a l a p p l i c a t i o n s a s e n -c o u n t e r e d i n m i n e ra l s a n d s t r e a t m e n t . W i th t h e i n t e n t i o n o f al le v ia ti n g t h ep r o b l e m s o f a d j u s t in g t h e c o n c e n t r a t e s p l i tt e r s f o r a v a r i a b le fe e d , a s p ir alc o n c e n t r a t o r w i t h a fe w c h a n n e l s m o u l d e d s id e b y s id e w i t h f i x e d s p l it te r s ,t o d i r e c t t h e c o n c e n t r a t e f r o m t h e o u t e r c h a n n e l t o in n e r c h a n n e l s s u c ce s -s iv e ly , w a s d e v e l o p e d ( A n o n y m o u s , 1 9 6 5} . H o w e v e r , it w a s f o u n d t o s u ff e rf r o m t h e p r o b l e m o f i n n e r c h a n n e ls b e c o m i n g o v e r l o a d e d . A m o d i f i e d f o r mo f t h is is t h e c o m p o u n d s p ir al c o n c e n t r a t o r w i t h t h e i n n e r s e c t i o n h a v in g l es sa c u t e s l o p e th a n t h e o u t e r s e c t i o n w i t h t h e p o i n t o f i n te r s e ct i o n m o v i n gr ad ia l l y o u t w a r d s f r o m t h e c e n t r e c o lu m n , f r o m t o p t o b o t t o m o f t h e t r o u g ha n d t h is is s u i t a b le f o r f e e d s c o n t a i n i n g a v e r y l o w p e r c e n t o f h e a v y m i n e r a lss i n c e t h e d e s i g n e n a b l e s t a i li n gs a n d m i d d l i n g s t o b e t r e a t e d o n s e p a r a t et r o u g h s l op e s . A f i a t - b o t t o m e d s p ir al c o n c e n t r a t o r w i t h a r e d u c e d p i t c hs h o u l d b e a b l e t o p e r f o r m w e l l w i t h v e r y fi n e p a r t ic l e s b e c a u s e o f t h e l o wv e l o c i ti e s t h a t w o u l d p r e v ai l t h e r e . A c o n t i n u o u s l y c u r v e d p r o f i l e w i t h av e r y l o n g b u t v a r ia b l e r a d i u s o f c u r v a t u r e is s u i t a b le f o r r e d u c i n g a s h c o n -t e n t s in t h e w a s h i n g o f c o a l ( B a l d e r s o n , 1 9 8 2 ) .D e s p i t e t h e w o r k o f S u k h o n o v a e t a l. (1 9 7 2 ) t h e r a d i u s o f t h e s pi ra l s ee m sq u i t e a r b i t r a r y e x c e p t f o r t h e f a c t t h a t t h e l ar ge r t h e d i a m e t e r is t h e f i n er t h em a t e r i a l i t w il l t r e a t d e p e n d i n g o n t h e f e e d r a te , tr o u g h p r o f i le a n d p it c h .A s pi ra l w i t h a n i n cr e as i ng r a d i u s d o w n w a r d s s h o u l d b e a b l e t o t r e a t p a r ti c le sw i t h a v e r y w i d e s iz e r a ng e (2 m m - - 5 0 m ) .T h e n a t u r e o f t h e m o d e o f o p e r a t i o n , w h e t h e r i t is r o u g h i n g , c l e an i n g o rs c av e n g in g , g o v e r n s t h e r e q u i r e d n u m b e r o f t u r n s ( u s u a l l y 3 - - 1 0 ) f o r w h i c h as p ir al is e m p l o y e d . T h e m o r e d i f fi c u l t a n o p e r a t i o n i s , t h e m o r e t h e t u r n s r e-q u i r e d . B u t c h ( 1 9 6 1 - - 1 9 6 2 ) o b t a i n e d t h e f o l lo w i n g r e la t io n s h i p to c a lc u l at et h e n u m b e r o f t u r n s e s s e n ti a l f o r p a r t ic l e s in t h e l o w e s t l ay e r s t o g e t f r o mt h e e d g e t o t h e c o n c e n t r a t e r e g io n , f o r h is s h a k e n h e l i c o id :


6/9

1 7 89P ( r2 - r l ) d r0 - 4~rlr2 dZ

w h e r e 0 is t h e a z i m u t h a l a n g l e , dZ dr is t h e d e c k s u r f a c e i n w a r d s l o p e (c o n -s i d e r e d c o n s t a n t ) , P is t h e p i t c h a n d r 2 a n d r l a r e t h e o u t e r a n d i n n e r ra d i i o ft h e t r o u g h u n d e r c o n s i d e ra t io n .

V a r i a t i o n s i n p u l p c h a r a c t e r i s t i c s - - t h e f e e d g r a d e , p e r c e n t s o l id s , f l o wr a t e a n d p a r t i c l e s iz e d i s t r i b u t i o n - - a f f e c t t h e e f f e c t i v e n e s s , a s i n a n y c o n -c e n t r a t i o n p r o c e s s , o f a s p ir al c o n c e n t r a t o r , l e a d in g t o l o ss e s. H o w e v e r , w h i l ea n y l i m i t e d l o n g - t e r m v a r i at i o n s in t h e f e e d c h a r a c t e r is t i cs m a y b e c o n -t r o l l e d b y a d j u s ti n g t h e c o n c e n t r a t e s p l it t er s a n d a m o u n t a n d d i r e c t i o n o fw a s h w a t e r , i n t h e c a s e o f c o n v e n t i o n a l s p ir al c o n c e n t r a t o r s , a n y s h o r t t e r mv a r i a t i o n s ( w i t h i n l i m i t s ) a r e n o t t o o s i g n i f i c a n t s i n c e a s p i r a l c i r c u i t i s a l w a y so p e r a t e d in m u l t i -s t a g es w i t h m i d d l i n g r e c i r c u l a ti o n ( A l e x i s , 1 9 7 8 ) . A ni n t e r e s ti n g s t u d y b y D a l li re e t a l. ( 1 9 7 8 ) t h r o w s c o n s i d e r a b l e l ig h t o n a c o n -v e n t i o n a l s p ir al c o n c e n t r a t o r s ( w i t h p o r t s a n d w a s h w a t e r ) t o l e r a n c e t o f e e dv a r i a t i o n s .

W i t h in t h e r an g e o f t h e t e s ts m a x i m u m r e c o v e r y w a s o b t a i n e d a t l o w f lo wr a t e s a n d h i g h p e r c e n t s o l i d s . W i t h in c r e a s i n g p u l p f e e d r a te s , r e c o v e r y w a sf o u n d t o d r o p w h i l e t h e g r a d e i m p r o v e d ( F ig . 1 ). H i g h c e n t r i fu g a l f o r c e sa s s o c i a te d w i t h t h e h i gh p u l p f e e d r a t e s h o u l d h a v e k e p t t h e m i d d l i n g s a n df in e p a r ti c le s a w a y f r o m t h e p o r t s . H i g h p e r c e n t s o l id s i n t h e f l o w im p r o v e dt h e g r a d e b y i n t e n s i f y i n g t h e h i n d e r e d s e tt l in g c o n d i t i o n s ( F ig . 1 ) .

A n i n t e r m e d i a t e b u t c o m p a r a t i v e l y w i d e s iz e r a n g e ( < 2 0 m e s h ) w a sf o u n d t o g iv e g o o d r e c o v e r y ( Fi g . 2 ) , b e c a u s e c o a rs e h e a v y p a rt i cl e s p r e v e n t -R e c o v e r y %

9 2

3 7 8 s Ip m _raz _i r= ~ 6 7a pm8 8

7 5 7 0 , p r o ,

o 1 0 % s o l i d s \ \ \' ~ l ' '86

o* ,~ 1 5 % s o h d s ~ ~ ' \ 9 0 .8 4 I p m

84 ~ -~ 20 % so l i ds ~X~ ~ \D o \D 2 5 Fo s o l i d s ~ \= = 3 0 % s o l i d s ~ ' ~ ~\

8 2 r r ~ , I ~ J ~ 1 ~ r r v I r ~ w I ~ 1 ~ I J I J ~ ~ I ~ ~54 55 56 57 58 59 60 61 62C o nc g r a d e : % F e

F i g. 1 . P e r f o r m a n c e a t d i f f e r e n t s o l i d s a n d f e e d r a t e s. A f t e r D a l l i r e e t a l ., 1 9 7 8 . )


7/9

7 9

e d t h e f i n e h e a v y p a r t i c le s b e i n g c ar r ie d u p w a r d b y t h e r is in g c u r r e n t s a t t h ei n n e r r e g io n o f t h e s p ir al c o n c e n t r a t o r . V e r y f i n e p a r ti c le s w h i c h s h o u l d f i n dit d i f f ic u l t t o s e t tl e t h r o u g h t h e f a s t f l o w i n g p u l p w o u l d l e a d t o v e r y l o w r e -c o v e r y . G r a d e w a s f o u n d t o i m p r o v e , a s w o u l d b e e x p e c t e d , w i t h n a r r o w i n gs i z e r a n g e F i g . 2 ) .C o n c . g r u d eF e R e c o v e r y

62 95

^

5 8 -

56 ~ l ~

54 ~ i i i i i w i 8010 2 3 L 5 6 7 8 9 102M a x f e e d s iz e : m e s h

F i g . 2 . G r a d e a n d r e c o v e r y v s p a r t i c l e s i z e a t 7 5 . 7 l p m . A f t e r D a l l ir e e t a l . , 1 9 7 8 . )C o n c g r a d eFe Recovery

65 95

6 0 -

55 so i l

5 0 1 I I I ~ i I I I I I i t , I I I I I I I I25 30 35 40 5 50F e ed g r a d e : F e

F i g . 3 . G r a d e a n d r e c o v e r y v s f e e d g r a d e a t 7 5 . 7 lp m . A f t e r D a l li re e t a ] . , 1 9 7 8 . )

g o

.85

i i 8 055


8/9

1 8

F e e d g r a d e w a s f o u n d t o b e a n i m p o r t a n t f a c t o r w h i c h a t t ra c t s a t te n t i o n .H e a v y l o a d in g r e q u i r e d a c a r e fu l c o n t r o l o f f e e d g r a d e , f o r s u r p lu s h e a v ym i n e r a l c o u l d n o t f i n d i t s w a y t o p o r t s w h i c h d e c r e a s e d r e c o v e r y ( F ig . 3 ).T o o s m a l l a c o n c e n t r a t e a d m i t s m i d d l i n g s i n t o p o r t s , h e n c e a d e c r e a s e in t h ec o n c e n t r a t e g r a d e r e s u l t s ( F i g . 3 ) .

PPLIC TION

oalS p ir a l c o n c e n t r a t o r s h a ve b e e n e x t e n s iv e l y t e s t e d f o r t h e r e d u c t i o n o f a sh

a n d s u l p h u r f r o m t h e f in e c o a ls . T h e b e s t s iz e r a n ge t o o b t a i n m a x i m u m a s hr e d u c t i o n w i t h m i n i m u m l os s o f c o a l , p r o v e d b y a s e ri es o f t e s t s o n c o a l sw i t h d i f f e r e n t w a s h a b i l i t y c h a r a c te r i s ti c s ( G e e r e t a l. , 1 9 5 0 ) , w o u l d b e ac la s si fi ed f e e d i n w h i c h t h e c l e a n c o a l is a b o u t m i n u s 8 - m e s h a n d t h e a c c o m -p a n y i n g i m p u r i t y is a b o u t 2 8 - - 1 0 0 m e s h s iz e. O t h e r w i s e , t h e c o a rs e h e a v yp a r ti c le s s e t t l e d f a r t h e r i n t h e s t r e a m w o u l d n o t r e a c h t h e r e fu s e p o r t s .H e a v y b u t v e r y f i n e p a r t i c l e s w o u l d a l s o r e p o r t t o t h e c l e a n c o a l s i d e . T h ec o a l p a r ti c l e s c o a r s e r t h a n a b o u t 8 - m e s h i n s iz e c a n b e e as i ly t r e a t e d b yH M S a n d j ig g in g . T h e m o s t s e n s i b l e w a y o f tr e a t in g s u c h f in e c o a ls w o u l d b et o p a s s t h e d e s l i m e d c o a l o v e r a s p ir al t o o b t a i n a c o n c e n t r a t e a n d t h e n t oc l as s if y a n d r e t r e a t t h e c o m b i n e d r e f u s e -m i d d l i n g p r o d u c t o n a n o t h e r s p ir al .

A n o t h e r w a y o f fi n e c o a l t r e a t m e n t is r e m o v i n g t h e ( a b o u t ) p l u s 6 -m e s ha n d m i n u s 2 0 0 - m e s h p a r t ic l e s b e f o r e t r e a ti n g i t o n a s p ir al c o n c e n t r a t o r a n dt h e n c o m b i n i n g t h e p l u s 6 - m e s h p r o d u c t w i t h t h e s p i ra l c o n c e n t r a t e . I t isp o s s i b l e w h e n t h e a s h a n d s u l p h u r a r e c o n c e n t r a t e d i n t h e f i n e r s iz es a n da ls o t h e p l u s 6 - m e s h s iz e c o n t a i n s a n a p p r e c i a b l e q u a n t i t y o f c l e a n c o al . Ins u c h a n a t t e m p t o n a w a s h e r w a s t e 9 4 o f t h e c o a l w a s r e c o v e r e d w i t h a na sh r e d u c t i o n to 5 f r o m 24 ( B r o w n i n g , 1 9 7 7 ) . T h e r e c e n t l y d e v e l o p e dp o r t l e s s , w a s h w a t e r l e s s M a r k IX a n d M a r k X sp i ra l c o n c e n t r a t o r s a r e c l a im e dt o p e r f o r m w e l l w i t h c o a l s o f 6 2 0 0 - m e s h s iz es a t h i gh c a p a c it i e s ( B a ld e r-s o n , 1 9 8 2 ; M i n e r a l d e p o s i t s , 1 9 8 3 ) .

T h e s p ir al c o n c e n t r a t o r s a r e c o n s i d e r e d f o r r e c l a m a t i o n o f p y r i t i c s u l p h u ra ls o , t o e l i m i n a t e s t r e am p o l l u t i o n b y a c id w a t e r d ra i n a g e a n d o t h e r e n v ir o n -m e n t a l h a z a r d s ( B r o w n i n g , 1 9 8 2 ) .Heavy minerals and sands

S p i ra l c o n c e n t r a t o r s h a v e b e e n e x t e n s iv e l y u s ed i n t h e b e a c h d e p o s i t s s u c ha s t h o s e c o n t a i n i n g i l m e n i t e , f u ti l e , z i r c o n an d m o n a z i t e w h e r e t h e y h a v e t h er o l e o f p r o d u c i n g a p r e c o n c e n t r a t e a s w e l l a s a f in a l s a l ea b l e p r o d u c t . T h el o w f l o o r ar ea r e q u i r e m e n t o f t h e s p ir al c o n c e n t r a t o r s m a k e t h e m a v e r yg o o d p r e c o n c e n t r a t o r i n o f f s h o r e t r e a t m e n t . O t h e r a r e as o f a p p l i c a t i o n a reb a r y t e s , c h r o m i t e o r e s , i r o n o r e f in e s , k y a n i t e , P b / Z n o x i d e an d s u l p h i d eo r e s, t a n t a l u m / n i o b i u m o r es , t in o r e s , t u n g s t e n o r e a nd g o l d. A p p l i c a t io n s o f


9/9

1 8 1

t h e s p i r a l c o n c e n t r a t o r s i n c l u d i n g t h e m o d e r n s p i r a l c o n c e n t r a t o r s t o h e a v ym i n e r a l s a n d s a n d s a r e s u f f i c i e n t l y d o c u m e n t e d i n t h e l i t e r a t u r e ( H u m p h r e y sa n d H u b a r d , 1 9 4 5 ; C a r p e n t e r , 1 9 5 3 ; R o b i n s o n , 1 9 7 3 ; A n o n y m o u s , 1 9 8 1 ;B a l d e r s o n , 1 9 8 2 ; W e l l s a n d E l l i o t , 1 9 8 2 ; R o b i n s o n a n d F e r r e e , 1 9 8 3 ; S p i l l e r ,1 9 8 3 ) .R E F E R E N C E SA l e x i s, J . , 1 9 7 8 . S p i r a l C o n c e n t r a t i o n . G r a v i t y S e p a r a t i o n T e c h n o l o g y , S h o r t C o u r s e ,U n i v e r s i t y o f N e v a d a , N e v a d a , P r e p r i n t .A n o n y m o u s , 1 9 6 5 . F i b r e g l a s s s p i r a l ... c o n e c o n c e n t r a t o r s g a in in h e a v y m i n e r a l s fi e l d .E n g . M i n . J . , A p r i l , R e p r i n t .A n o n y m o u s , 1 9 7 9 . I m p r o v e d s p ir a l c o n c e n t r a t o r s d e v e l o p e d in A u s t r i a . M i n . J ., M a r c h2 n d .A n o n y m o u s , 1 9 8 1 . M i n e r a l p r o c e s s i n g p r o g r e s s i n A u s t r a l i a , 1 9 8 0 . A u s t . M i n. , 7 4 : 3 5 - -8 7 .B a g n o l d , R . A . , 1 9 5 4 . E x p e r i m e n t s o n a g r a v i ty - f r e e d i s p e r s i o n o f la r g e s p h e r e s in a N e w -t o n i a n f l u i d u n d e r s h e a r . P r o c . R . S o c . , L o n d o n , S e t . A , 2 2 5 : 4 9 - - 5 3 .B a l d e r s o n , G . F . , 1 9 8 2 . R e c e n t d e v e l o p m e n t s a n d a p p l i c a t i o n s o f s p ir a l c o n c e n t r a t o r s .T h e A u s t r a l i a n I M M N o r t h - W e s t Q u e e n s l a n d B r a n c h M i l l O p e r a t o r s C o n f e r e n c e , P r e-p r i n t .B r o w n i n g , J . S . , 1 9 7 7 . R e c o v e r i n g f i n e - si z e c o a l f r o m A l a b a m a s u r f a c e m i n e w a s h e r u s i n gH u m p h r e y s s p i ra l . M R I , U n i v e r s i ty o f A l a b a m a , T e c h n i c a l R e p o r t .B r o w n i n g , J . S ., 1 9 8 2 . R e m o v i n g s u l p h u r f r o m c o a l b y a c o m b i n a t i o n o f g ra v i t y a n df l o t a t i o n m e t h o d s . M i n . E n g ., 3 4 : 1 2 2 2 - - 1 2 2 4 .B u r c h , C . R . , 1 9 5 6 . S o m e e x p e r i m e n t s in g ra v i ty c o n c e n t r a t i o n . T h e T h i r d A n n u a l

G e n e r a l M e e t i ng , C a m b o r n e S c h o o l o f M i n es , U . K .B u r c h , C . R . , 1 9 5 7 . G r a d i n g o f s e p a r a t i o n o f s o l i d m a t e r i a l s i n l i q u i d s u s p e n s i o n s . L o n d o nP a t e n t 7 7 4 , 1 8 0 .B u r c h , C . R ., 1 9 6 1 - 1 9 6 2 . I n : H e l i co i d p e r f o r m a n c e a n d f in e c a s s it e r it e - - j o i n t d is c u s si o n .T r a n s . I M M , 7 1 : 4 0 6 - - 4 1 5 .C a r p e n t e r , J . H . , 1 9 5 3 . M i n i ng a n d c o n c e n t r a t i o n o f i lm e n i t e a nd a s s o c i a t e d m i n e r a l s a tT r i a l R i d g e , F l a . M i n . E n g ., A u g u s t , R e p r i n t .D a l l ir e , R . , L a p l a n t e , A . a n d E l b r o n d , J . , 1 9 7 8 . H u m p h r e y s s p i r al t o l e r a n c e t o f e e dv a r i a t i o n s . C I M B u l l e t i n , 7 1 : 1 2 8 - - 1 3 4 .G e e r , M . R ., Y a n c e y , H . F . , A l l y n , C .L . a n d E c k h o u s e , R . H . , 1 95 0 . L a b o r a t o r y p e r f o r m a n c et e s t s o f t h e H u m p h r e y s p i r a l a s a c le a n e r o f f i n e c o a l. M i n . E n g ., 1 8 7 : 1 0 5 7 - - 1 0 6 7 .G l e e s o n , G . W . , 1 9 4 5 . W h y t h e H u m p h r e y s p i r a l w o r k s . E n g . M i n . J . , 1 4 6 : 8 5 - - 8 6 .H u m p h r e y s , I . B . a n d H u b a r d , J .S . , 1 9 4 5 . W h e r e s p i ra l s r e p l a c e d t a b l e s , f l o t a t i o n c e l ls .E n g . M i n . J . , 1 4 6 : 8 2 - - 8 3 .M i n e r a l d e p o s i t s , 1 9 8 3 . B u l l e t i n o n R e i c h e r t M a r k X c o a l s p ir a l . A u s t r a l i a .R o b i n s o n , C . N ., 1 9 7 3 . R e j e c t i o n o f k y a n i t e a n d q u a r t z f r o m n o n m a g n e t i c c o n d u c t o r s b yw e t g r a v i ty t e c h n i q u e s. M i n e ra l D e p o s i t s L i m i t e d , A u s t r a l i a , R e s e a r c h R e p o r t .R o b i n s o n , C . N ., 1 9 8 3 . R e c o v e r y o f m e t a l li c m i n e r a ls f r o m p l a c e r a n d h a r d r o c k d e p o s i t sb y g r a v i ty c o n c e n t r a t i o n . S y m p o s i u m o n E x t r a c t i o n o f S t e e l A l l o y i n g M e t a ls , T e c h .U n i v . o f L u l e h , S w e d e n , P r e p r i n t .R o b i n s o n , C . N . a n d F e r r e e , T . J ., 1 9 8 3 . T h e M a r k -7 s p i r a l c o n c e n t r a t o r . 5 t h A n n u a lC o n f e r e n c e o n A l a s k a n P l a c e r M i n in g , U n i v e r s i t y o f A l a s k a , A l a sk a , P r e p r i n t.S p i l l e r, D . E . , 1 9 8 3 . G r a v i t y s e p a r a t i o n o f g o l d - - t h e n a n d n o w . C o l o r a d o S c h o o l o f M i ne sR e s e a r c h I n s t i t u t e , C o l o r a d o , R e s e a r c h R e p o r t .S u k h a n o v , V . G . , A n i k i n , M . F . a n d P e v z n er , M . L . , 1 9 7 2 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r e -c o v e r y o f v a l u a b l e m i n e r a l s a n d t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s o f s p i ra l l a u n d e r s. S o y.J . N o n - F e r r o u s M e t a ls , U D C 6 2 2 - 7 5 6 .W e l ls , D . T . a n d E l l i o t, A . J . , 1 9 8 2 . M i l l m o d i f i c a t i o n s a t S o u t h C r o f t y L i m i t e d - - I m p r o v eT h r o u g h p u t a n d R e c o v e r y . I n : X I V I n t . M i n e r. P r o ce s s. C o n g r ., T o r o n t o , O n t a r i o ,P r e p r i n t , p a p e r V I - 4 ( s e e a l so t h e d i s c u s s i o n , p . 3 3 o f t h e p r o c e e d i n g s ) .

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Principles of Spiral Concentration