Что такое глубокая переработка полезных ископаемых
Горнодобывающая промышленность никогда не обходится без такого метода обработки полезных ископаемых, как обогащение. Это процесс, при котором концентрация ценного сырья в добытой породе увеличивается, что повышает эффективность его использования. Например, железная руда представляет собой комплекс минералов, содержание железа в которых может колебаться от 10 до 60%.
Чтобы очистить сырье от примесей и прибегают к процессу обогащения, после которого эти цифры увеличиваются до 70-90%. Это первичная обработка твердых полезных ископаемых. Прежде чем приступить к нему, руду необходимо подготовить. В зависимости от вида сырья, его дробят, обжигают и промывают. Дальнейшее производство зависит от физико-химических свойств.
Основы обогащения полезных ископаемых
Исходя из минерального состава сырья, которое требует обогащения, существует большое количество способов его очищения. Принцип действия заключается в разделении ценной породы и пустой, благодаря чему концентрация полезного вещества в переработанном материале значительно повышается.
Есть несколько видов обогащения:
- электрическое,
- гравитационное,
- магнитное,
- радиологическое
- химическое.
Его выбор зависит от плотности материала, его магнитной или электрической восприимчивости, адсорбционной способности, химического состава, агрегатного состояния и кристалло-химической структуры. Также влияет и уровень взаимодействия пустой и ценной породы, насколько сильна их связь. Часто возникают случаи комбинирования этих методов, для повышения эффективности работы. Обогащение может проводиться в несколько этапов, когда в пустой породе остаются маленькие частички полезного ископаемого.
Первое промышленное применение обогащения сырья датируется 1700 годом, когда для добычи золота, оно размачивалось и фильтровалось. Но различные методы существовали в примитивном виде еще до нашей эры.
Гравитационное разделение
Основа обогащения полезных ископаемых этого типа лежит в распределении материалов по плотности, относительно среды, в которую помещается взвесь. Самым распространенным в горнодобывающей промышленности является применение гидравлического прибора. Пласт полезных ископаемых постепенно поддается воздействию турбулентного потока жидкости. В результате этого, минералы разрыхляются и разделяются в зависимости от плотности.
1 – бункер; 2 – питатель; 3 – грохот; 4 – конвейер; 5 – дробилка; 6 – конвейерные весы; 7 – отсадочные машины; 8, 9, 10 – спиральный, гидравлический, реечный классификаторы; 11 – гидроциклон; 12 – концентрационный стол; 13 – сгуститель; 14 – мельница; 15 – контактный чан; 16 – флотационная машина”> Pис. 1. Cхема обогащения оловянной руды c предварительной гидравлической классификацией: 1 – бункер; 2 – питатель; 3 – грохот; 4 – конвейер; 5 – дробилка; 6 – конвейерные весы; 7 – отсадочные машины; 8, 9, 10 – спиральный, гидравлический, реечный классификаторы; 11 – гидроциклон; 12 – концентрационный стол; 13 – сгуститель; 14 – мельница; 15 – контактный чан; 16 – флотационная машина.
Легкая фракция быстро поднимается на поверхность, а в дальнейшем собирается. Этот процесс не позволяет достигнуть высокой точности сепарации, поэтому сейчас частота его применения снизилась. Преимущество гравитационного обогащения в его себестоимости – она достаточно низкая. Но, из-за использования воды, он может стать причиной неблагоприятной экологической ситуации.
Гравитационное обогащение применяется почти для каждого вида переработки полезных ископаемых. Предварительно необходимо провести несколько подготовительных этапов. Например, дробление сырья в грохотах, благодаря чему можно отделить небольшое количество пустой породы. Применяется и вымачивание, опрыскивание, обжигание. Это значительно увеличивает его эффективность.
Тяжелые среды
Самым простым является обогащение в тяжелых средах, где нет потока жидкости, а разделение происходит под воздействием гравитации. Легкие частицы отделяются от тяжелых на несколько фракций. В качестве жидкостей может выступать раствор хлоридов кальция или цинка, органические смеси.
Концентрационные столы
Эталоном гравитационного разделения полезных ископаемых является обогащение на концентрационных столах. Первое упоминание об этом методе можно найти еще в трудах Геродота, который описывал древне-грецкие способы добычи золота. Установка представляет собой стол с выточенными горизонтальными желобами (рифлями), наклоненный под углом 1-10 градусов. Сверху подается напор суспензии, жидкости с дробленым полезным ископаемым. Под воздействием силы тяжести, частички оседают в желобах, а пустая порода остается в потоке. Недостаток этого способа в том, что для эффективного разделения сырья, руду необходимо раздробить до 0,1-13 мм. В противном случае большое количество пустой породы попадет в отсадку.
Сепарация на шлюзах
Для обогащения рассыпных руд (золота, вольфрама, олова и других редких металлов), используют сепарацию на шлюзах. Для разделения используется специальный материал с шероховатым покрытием – трафарет, в котором и задерживается ценное сырье. Жидкость может подаваться на ступенчатую и желобную ровную конструкцию, в зависимости от вида полезного ископаемого.
Интересно, что этот вид обогащения появился очень давно, и стал причиной появления легенды о золотом руно. В древности шкуры молодых овец смазывали жиром, и укладывали на дно желобов, куда подавалась суспензия золотоносного песка. Ценный металл задерживался в ворсинках, а жир не позволял ему двигаться вместе с потоком.
Винтовые сепараторы
Жидкость, в которую помещена взвесь полезного ископаемого, движется по вертикальной оси, по винтовому желобу. Здесь на породу воздействует две силы – гравитационная и центробежная. В результате этого процесса, тяжелые частицы перемещаются вдоль внутреннего борта желоба, а легкие по его внешней части. По завершению движения жидкости, они попадают в разные отсеки, и отправляются на дальнейшую переработку или утилизируются.
Центробежный концентратор
Этот способ является наиболее современным и эффективным на сегодня среди гравитационных. Его особенность в том, что он позволяет отделить минимальные частички полезного ископаемого от пустой породы. Благодаря воздействию центробежной силы, удается увеличить массу частиц, в результате чего и происходит сепарация. Для осуществления этого метода используется специальная установка – гидроциклон. В нем происходит вихревое вращение жидкости, благодаря чему образуется центробежная сила, заставляющая породу разделяться на фракции.
Воздушная сепарация (подвид гравитационной)
Это один из самых старых способов обогащения полезных ископаемых, но его не часто применяют в промышленных целях. Использование воздушной сепарации было разработано для районов, которые не обеспечены достаточным количеством водных ресурсов, из-за чего их использование не рентабельно. Одно из значительных преимуществ этого способа – минимальный вред окружающей среды.
Принцип действия воздушной сепарации в том, что струя воздуха, подающаяся под давлением, разрушает породу, высвобождая необходимое сырье. Это подходит для железных руд, где плотность пустого сырья значительно ниже, чем металла. Впервые его применили в Мексике, для обработки золотоносной руды, где воздушная сепарация показала хороший результат. Существенным недостатком этого метода является климатическая зависимость – влажность окружающей среды не должна превышать 5-6%.
Магнитное обогащение
Метод магнитного обогащения используется только для руд, которые имеют в составе магнитное сырье (железных, марганцевых, медно-никелевых руд и руд редких металлов). Его проводят в мокрой и сухой среде, в зависимости от плотности и гидрофильности пустой породы. Иногда в качестве первичной обработки сырья используется обжиг – он повышает его магнитные свойства.
Преимущество этого метода в низкой себестоимости. Устройства для сепарации долговечны, не требуют постоянного обслуживания и автоматизированы. К тому же он не оказывает негативного влияния на экологию местности. Учитывая постоянное развитие технологий, эффективность магнитной сепарации значительно увеличивается.
Руды, подлежащие магнитному обогащению:
1. Сильномагнитные:
1.1. магнетит,
1.2. франклит,
1.3. пиротин,
1.4. мартит
2. Магнитные:
2.1. ильменит,
2.2. гематит,
2.3. хромит
3. Слабомагнитные:
3.1. глауконит,
3.2. доломит,
3.3. пирит.
4. Не магнитные:
4.1. нерудные ископаемые.
Обогащение проводится в магнитном сепараторе, где разделяется смесь минералов и металлических включений. Он может быть роторным, барабанным и валковым, но принцип разделения остается одинаковым. При движении магнитной головки, восприимчивый материал движется по направлению к полю, а пустая порода не меняет своей траектории. Существуют приспособления, которые скомбинированы с грохотами, для вибрационного дробления материала.
Магнитная сепарация впервые была изобретена еще в 1792 году, но ее промышленное использование началось только в 19 веке.
Электрическое обогащение
Одним из самых новых и эффективных методов является электрическая сепарация сырья. Но он подходит только для полезных ископаемых, которые восприимчивые к воздействию тока.
Способы электрической сепарации материала:
- Электрическая.
- Электростатическая.
- Диэлектрическая.
- Трибоэлектрическая.
- Трибоадгезионная.
Основа этого метода – существенные различия в их электрической природе. Прежде, чем приступить к процессу обогащения, необходимо зарядить восприимчивый материал. Благодаря этому, его можно будет отделить от пустой породы. Изменения электрического поля можно достигнуть несколькими путями – индукция, касание, воздействие газовыми ионами.
Принцип разделения основывается на том, что поведение проводника и диэлектрика разное. При контакте одноименных зарядов, они отталкиваются, а непроводник остается неподвижным. Если заряды разные, то они притягиваются. Из-за этого, порода с большим количеством полезного сырья отделяется от пустой. Электрическая сепарация – один из самых эффективных процессов обогащения полезных ископаемых, без применения химических реагентов.
Флотационное обогащение
Чаще всего этот способ применяется в обогащении медной руды. В основе принципа действия этого метода лежит разделение жидкости на фракции, при котором гидрофобные частицы удерживаются на поверхности легкого слоя, и поднимаются на поверхность с пеной или реагентом.
Существует 2 типа флотационных методов обогащения:
- Жидкость-жидкость (масляная, пленочная).
- Жидкость-газ (пенная).
В промышленных масштабах чаще используется пенная флотация. Жидкость состоит из реагентов, которые увеличивают адгезивные свойства полезного ископаемого. При вспенивании суспензии, частицы металла, например, меди, прикрепляются к пузырькам воздуха, и всплывают на поверхность. Пустая порода оседает на дно, а пена собирается и отправляется в дальнейшее производство.
Пленочная и масляная сепарация появилась намного раньше. В качестве реагента, к которому прикреплялось полезное ископаемое, использовались перья смазанные жиром или смола. При всплывании на поверхность, они задерживали в себе частички гидрофобных материалов. Но, в сравнении с ним, пенная сепарация несколько эффективнее и дешевле.
Радиометрическая сепарация
Этот метод является одним из самых дорогих, используется для руд с низким содержанием полезного сырья. Например, он высокоэффективен в поиске драгоценных камней, концентрация которых в породе может достигать 0,1%. Основа обогащения полезных ископаемых этим методом – способность минералов к излучению или восприимчивость к облучению Он чувствителен для частичек 2-300 мм. Принцип действия построен на восприимчивости ископаемого к излучению. Во время облечения, камни начинают источать свечение. Специальный прибор регистрирует его и подает поток воздуха, в результате чего, частица выбрасывается в приемник.
Химическая сепарация
При обработке урановых, вольфрамовых, медных, медно-никелевых руд активно используется и метод химического обогащения. Также для обезжелезивания каолинов, кварца и полевого шпата. Ископаемое помещают в специальный реагент, который растворяет пустую породу, не меняя состав полезного сырья. Благодаря этому методу можно получить высокую эффективность обогащения, но его себестоимость достаточно высока. Поэтому его используют в случаях, когда концентрация материала в руде достаточно низкая, из-за чего другие методы сепарации будут не результативны.
Одним из самых новых является химико-биологическое обогащение. В основе лежит принцип выщелачивания, разрушения кристаллических решеток пустой породы бактериями, например, Thiobacillus ferroxidans, Ferrobacillus tiooxidans. Также продукты жизнедеятельности этих бактерий являются сильными окислителями, благодаря чему разрешение пустой породы происходит намного быстрее. В результате этого процесса можно перерабатывать руды с низким содержанием полезного ископаемого.
Обогатительные фабрики
Обогащение полезных ископаемых – это способ увеличения концентрации ценного сырья, и отделения его от пустой породы. Оно необходимо для получения чистых металлов, угля, драгоценных камней. Каждое горнодобывающее предприятие не может обойтись без обогатительной фабрики, где и происходит процесс сепарации. Они могут, как располагать на месте добычи полезных ископаемых, так и при заводах, которые перерабатывают уже готовое сырье.
Современные обогатительные фабрики являются полностью автоматизированными, а речное вмешательство сведено до минимума. На них в сутки может быть переработано до 100 тысяч тонн руды. Очень часто методы обогащения полезных ископаемых комбинируются, как, например, химический и флотацинный.
4. Основы обогащения и переработки полезных ископаемых
4.1. Общие сведения
Совокупность процессов переработки минерального сырья для получения ценных либо пригодных для дальнейшего передела продуктов называется обогащением полезных ископаемых.
Рис. 3.5. Схема открытого способа строительства тоннеля с цельносекционной обделкой: 1 – бульдозер; 2 – экскаватор; 3 – корпус щита; 4 – платформа; 5 – секция тоннеля; б –козловой кран; 7 – ножевая секция щита; 8 – бункер для обратной засыпки |
Объектами обогащения являются:
– твердые полезные ископаемые;
– жидкие полезные ископаемые (в частности, питьевая вода);
– газообразные полезные ископаемые.
Результатом обогащения полезных ископаемых являются полезные продукты и отходы. При обогащении твердых полезных ископаемых полезный продукт или несколько продуктов называют концентратами, отходы обогащения – хвостами.
Технология обогащения твердых полезных ископаемых включает комплекс процессов, осуществляемых на обогатительных фабриках. Расположение обогатительных фабрик увязывается с горнодобывающими предприятиями. Как правило, шахта, рудник, карьер, обогатительная фабрика объединяются в единый комплекс – горнообогатительный комбинат. Обогатительная фабрика в целях сокращения транспортных расходов размещается в непосредственной близости от горногопредприятия, в последние годы разрабатываются более экономичные и экологически совершенные решения, предусматривающие размещение обогатительных фабрик в подземных горных выработках шахт и рудников. Следует отметить, что структура обогатительной фабрики, определяемая видом исходного сырья и целями его обогащения, может быть простой (рис. 4.1) и весьма сложной, например, при обогащении медно-цинковых руд.
Графические изображения совокупности технологических операций обогащения называются принципиальной и технологической схемами обогащения (см. примеры на ряс. 4.2, 4.3).
Графическое изображение потоков обогащаемых полезных ископаемых и продуктов обогащения, увязанное с расположением обогатительного оборудования, называется схемой цепи аппаратов, пример приведен на рис. 4.4.
Рис. 4.1. Схема обогатительной фабрики по производству щебня: 1 – приемный бункер; 2 – питатели; 3 – колосниковые грохоты; 4, 7 – щековые дробилки; 5, 6, 9 ÷ 15 – конвейеры; 8,13 – вибрационные грохоты; 16 – резервный склад; 17 – погрузочные бункеры |
Технологические процессы, выполняемые на обогатительных фабриках, подразделяются на подготовительные, основные и вспомогательные.
К подготовительным процессам относятся:
усреднение полезных ископаемых;
дробление;
измельчение;
грохочение (процесс разделения кусковых и зернистых материалов размерами от 500 ÷ 300 мм до 3 ÷ 1 мм по форме и трению на просеивающих поверхностях с калиброванными отверстиями);
классификация (разделение по крупности частиц мельче 2 ÷ 1 мм гидравлическим и пневматическим методами).
Основные обогатительные процессы заключаются в физических и физико-химических воздействиях на подготовленные к обогащению продукты, В результате этих процессов полезные минералы выделяются в концентраты, а пустые (обедненные) породы направляются в специальные отвалы – хвостохранилища (см. рис. 1.3.2).
К вспомогательным процессам относятся:
обезвоживание продуктов обогащения – удаление влаги в сгустителях (рис. 4.5), центрифугах-отстойниках (рис. 4.6), вакуумных фильтрах;
очистка и обеззараживание стоков;
пылеулавливание (в камерах, циклонах, рис. 4.7, рукавных и электрических фильтрах);
мероприятия по предотвращению загрязнения воздушного бассейна.
Рис. 4.2. Принципиальная схема обогащения железных руд | |
Рис. 4.3. Технологическая схема обогащения окисленных марганцевых руд |
Рис. 4.4. Схема цепи аппаратов фабрики по обогащению угля |
Рис. 4.5. Сгуститель: 1 – чан; 2 – разгрузочное отверстие; 3 – кольцевой желоб; 4 – редуктор; 5 – привод; 6 – крестовина; 7 – гребок | Рис. 4.6. Центрифуга: 1 – конический барабан; 2 – шнек; 3 – загрузочная труба; 4 – редуктор; 5 – приводной шкив |
Рис. 4.7. Схемы аппаратов для пылеулавливания: а – пылеосадительная камера; б – циклон; в – батарейный циклон |
4.2. Способы обогащения твердых полезных ископаемых
При обогащении твердых полезных ископаемых используют различие физических и физико-химических свойств, существенное значение из которых имеют цвет, блеск, твердость, плотность, спайность, излом, смачиваемость, отношение к воздействию химических реагентов, магнитные и электрические свойства.
Способы обогащения твердых полезных ископаемых основаны на разделении компонентов по перечисленным свойствам.
Рис. 4.8. Схемы отсадочных машин: а – поршневая; б – беспоршневая; в – диафрагмовая; г – с подвижным решетом; 1 – корпус; 2 – решето; 3 – сливной порог; 4 – поршень; 5 – пульсатор; б – диафрагма; 7 – шток |
На практике наиболее часто применяются следующие способы обогащения:
– гравитационное обогащение (разделение по плотности), разновидностями которого являются:
отсадка (схемы отсадочных машин приведены на рис. 4.8); обогащение в тяжелых средах (принципиальная схема аппарата для обогащения в тяжелых средах изображена на рис. 4-9);
Рис. 4.9. Схема сепаратора для обогащения в тяжелой суспензии |
концентрация на столах;
обогащение в шлюзах, желобах, струйных концентраторах;
обогащение в сепараторах;
пневматическое обогащение;
– флотация (разделение тонкоизмельченных полезных ископаемых в водной среде по способности смачиваться, что определяет избирательное прилипание частиц минералов к поверхности раздела жидкой и газообразной фаз). Основная разновидность флотационного способа – пенная флотация. Схема флотационных машин приведена на рис. 4.10;
Рис. 4.10. Схема флотационных машин: а – механическая флотационная машина; 1 – камера; 2 – вал; 3 – импеллер; 4 – вертикальная Труба; 5 – гребок; б – пневматическая флотационная машина; 1 – вал; 2 – импеллер; 3 – камерный продукт |
– магнитное обогащение(разделение по магнитной восприимчивости минералов). Схема магнитного сепаратора изображена на рис. 4.11;
Рис. 4.11. Схема разделения полезного продукта и отходов в магнитном поле: 1 – исходный продукт; 2 – немагнитная фракция; 3 – электромагнит; 4 – магнитная фракция |
– электрическое обогащение(разделение заряженных минеральных частиц под воздействием сильного электрического поля). Схема аппарата для электрического разделения приведена на рис. 4.12.
Получаемые в результате обогащения мелкоизмельченные и тонкоизмельченные концентраты для дальнейшего передела и применения могут оказаться непригодными и нуждаются в окуксовании.
Окуксованию подвергаются торф, бурые угли, мелкие классы углей и антрацитов, коксовая мелочь.
В металлургии применяются три способа окуксования:
– агломерация (спекание);
– окомкование (формирование и обжиг окатышей,частности, окомкованию подлежат многие виды минеральных удобрений);
– брикетирование (формовка и прессование).
Рис. 4.12. Схема электростатического сепаратора: 1 – заземленный барабан; 2 – бункер с питателем; 5 – лоток; 4 – щетка для снятия частиц с барабана; 5 – поворотные делительные плоскости; 6 – приемные бункера; 7 – противоэлектрод |
4.3. Результативность обогащении твердых полезных ископаемых
Результативность обогащения твердых полезных ископаемых принято оценивать комплексом показателей, основными из которых являются:
Содержание полезного компонента в исходном сырье и продуктах обогащения (представляет отношение массы ценного компонента к массе сырья илипродукта, в которых содержится рассматриваемый компонент).
Выход продукта обогащения – отношение массы полученного продукта к массе переработанного сырья. Выходами продуктов обогащения являются как выход концентрата, так и выход отходов обогащения.
Извлечение ценного компонента в продукт обогащения – отношение массы этого компонента в продукте к массе компонента в исходном полезном ископаемом.
Все технологические показатели результативности взаимосвязаны: зная одни количественные показатели (например, содержание в исходном сырье и продуктах обогащения), расчетным путем можно найти другие показатели (выходы продуктов обогащения, извлечение в концентрат и т, д.).
Суммарная масса ценного компонента в продуктах обогащения должна соответствовать массе компонента в исходном сырье. Это условие называется балансом ценного компонента.
Показатели результативности обогащения твердых полезных ископаемых устанавливаются в ходе опробования и контроля.
Опробование представляет совокупность операций по отбору, обработке и исследованию проб исходного сырья для изучения его состава и определения качества.
Пробои называется часть исследуемого сырья, достаточная для выполнения необходимых испытаний и отобранная по определенным правилам.
Качественный контрользаключается в сопоставлении данных опробования с нормативами, устанавливаемыми потребительскими и другими стандартами.
Количественный контрольведется взвешиванием продукции на конвейерных и вагонных весах, а также замерами объемов складированных материалов.
4.4. Проблемы обогащения твердых полезных ископаемых
Наиболее острой проблемой обогащения твердых полезных ископаемых является чрезвычайно высокое энергопотребление, вызванное необходимостью дробления и измельчения огромных масс минерального сырья.
Производственная деятельность обогатительных фабрик сопровождается значительным ущербом, наносимым окружающей среде: сбросом ядовитых стоков, загрязнением воздушного бассейна, отчуждением значительных территорий под хвостохранилища. Поэтому разработка экономичных мероприятий, обеспечивающих защиту окружающей среды, является непременным условием продуктивной работы любой обогатительной фабрики.
Помимо указанных, необходимо решать «дежурные» проблемы всех обогатительных фабрик, заключающиеся в повышении качества обогащения, главным показателем которого является степень извлечения полезного компонента, и в снижении себестоимости товарной продукции предприятия.
4.5. Переработка полезных ископаемых
Переработка полезных ископаемых представляет совокупность процессов по получению ценных материалов, веществ и продуктов. Различают четыре вида переработки минерального сырья: металлургический, химический, термический и механический переделы.
Для большинства полезных ископаемых обогащение является промежуточной фазой между добычей минерального сырья и его переработкой. Исключение составляют неметаллические полезные ископаемые, концентраты которых представляют готовые товарные продукты (уголь, известняк, магнезит, графит, асбест и др.) и не требуют переработки. Отдельные виды минерального сырья (например, природный камень, песок, гравий и др.) могут поступать в переработку, минуя фазу обогащения, либо перерабатываться непосредственно на горнодобывающем предприятии после предварительной подготовки и сортировки.