Обогащение и первичная обработка 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.
При виде товарных ценных минералов справедливо возникает вопрос о том, каким образом из первичной руды или ископаемого может получиться столь привлекательное ювелирное изделие. Особенно с учетом того, что переработка породы как таковая представляет собой если не один из финальных, то как минимум предшествующий заключительному этапу процесс облагораживания. Ответом же на вопрос будет обогащение полезных ископаемых, в ходе которого происходит базовая обработка породы, предусматривающая отделение ценного минерала от пустых сред.
Общая технология обогащения
Переработка ценных ископаемых осуществляется на специальных предприятиях по обогащению. Процесс предусматривает выполнение нескольких операций, среди которых подготовка, непосредственное расщепление и разделение породы с примесями. В ходе обогащения получают разные минералы, в том числе графит, асбест, вольфрам, рудные материалы и т. д. Не обязательно это должны быть ценные породы – есть немало фабрик, выполняющих переработку сырья, которое в дальнейшем используется в строительстве. Так или иначе, основы обогащения полезных ископаемых базируются на анализе свойств минералов, которые обуславливают и принципы разделения. К слову, необходимость отсечения разных структур возникает не только с целью получения одного чистого минерала. Распространена практика, когда из одной структуры выводится несколько ценных пород.
Дробление породы
На этом этапе производится измельчение материала на отдельные частицы. В процессе дробления задействуются механические силы, с помощью которых преодолеваются внутренние механизмы сцепления.
В результате порода делится на мелкие твердые частицы, носящие однородный характер структуры. При этом стоит различать непосредственное дробление и технику измельчения. В первом случае минеральное сырье подвергается менее глубокому разделению структуры, в ходе которого формируются частицы фракцией более 5 мм. В свою очередь измельчение обеспечивает образование элементов диаметром менее 5 мм, хотя и этот показатель зависит от того, с какой породой приходится иметь дело. В обоих случаях ставится задача максимального расщепления зерен полезного вещества так, чтобы освобождался чистый компонент без микста, то есть пустой породы, примесей и т. д.
Процесс грохочения
После завершения процесса дробления заготовленное сырье подвергается другому технологическому воздействию, которое может представлять собой и просеивание, и выветривание. Грохочение в сущности является способом классификации полученных зерен по характеристике крупности. Традиционный способ реализации данного этапа предусматривает использование решета и сита, обеспеченных возможностью калибрования ячеек. В процессе грохочения отделяются надрешетчатые и подрешетчатые частицы. В некотором роде обогащение полезных ископаемых начинается уже на этой стадии, поскольку часть примесей и миксты отделяются. Мелкая фракция размером менее 1 мм отсеивается и с помощью воздушной среды – выветриванием. Масса, напоминающая мелкофракционный песок, поднимается искусственными воздушными потоками, после чего оседает.
В дальнейшем частицы, которые оседают медленнее, отделяются от совсем маленьких пылевых элементов, задерживающихся в воздухе. Для дальнейшего сбора производных такого грохочения используют воду.
Обогатительные процессы
Процесс обогащения ставит целью выделение из исходного сырья частиц полезного ископаемого. В ходе выполнения таких процедур выделяется несколько групп элементов – полезный концентрат, отвальные хвосты и другие продукты. Принцип разделения этих частиц основывается на различиях между свойствами полезных минералов и пустой породы. Такими свойствами могут выступать следующие: плотность, смачиваемость, магнитная восприимчивость, типоразмер, электропроводность, форма и т. д. Так, процессы обогащения, использующие разницу в плотности, задействуют гравитационные методы разделения. Такой подход используется при обработке угля, рудного и нерудного сырья. Весьма распространено и обогащение на основе характеристик смачиваемости компонентов. В данном случае применяется флотационный метод, особенностью которого является возможность разделения тонких зерен.
Также используется магнитное обогащение полезных ископаемых, которое позволяет выделять железистые примеси из тальковых и графитовых сред, а также очищать вольфрамовые, титановые, железные и другие руды. Базируется эта техника на разнице в воздействии магнитного поля на частицы ископаемых. В качестве оборудования задействуются специальные сепараторы, которые также используют для восстановления магнетитовых суспензий.
Заключительные этапы обогащения
К основным процессам этого этапа стоит отнести обезвоживание, сгущение пульпы и сушку полученных частиц. Подбор оборудования для обезвоживания осуществляется на основе химико-физических характеристик минерала. Как правило, данная процедура выполняется в несколько сеансов. При этом необходимость в ее выполнении возникает не всегда. Например, если в процессе обогащения использовалась электрическая сепарация, то обезвоживание не требуется. Помимо технологических процессов подготовки продукта обогащения к дальнейшим процессам переработки, должна быть предусмотрена и соответствующая инфраструктура для обращения с частицами минерала. В частности, на фабрике организуется соответствующее производственное обслуживание. Вводятся внутрицеховые транспортные средства, организуется снабжение водой, теплом и электроэнергией.
Оборудование для обогащения
На этапах измельчения и дробления задействуются специальные установки. Это механические агрегаты, которые с помощью различных приводных сил оказывают разрушающее воздействие на породу. Далее в процессе грохочения используют решето и сито, в которых предусматривается возможность калибрования отверстий. Также для просеивания применяют более сложные машины, которые называются грохотами. Непосредственно обогащение выполняют электрические, гравитационные и магнитные сепараторы, которые используются в соответствии с конкретным принципом разделения структуры. После этого для обезвоживания используют технологии дренирования, в реализации которых могут применяться те же грохоты, элеваторы, центрифуги и аппараты для фильтрации. Заключительный этап, как правило, предполагает использование средств термической обработки и сушки.
Отходы процесса обогащения
В результате процесса обогащения образуется несколько категорий продуктов, которые можно разделить на два вида – полезный концентрат и отходы. Причем ценное вещество вовсе не обязательно должно представлять одну и ту же породу. Также нельзя сказать, что отходы представляют собой ненужный материал. В таких продуктах может содержаться ценный концентрат, но в минимальных объемах. При этом дальнейшее обогащение полезных ископаемых, которые находятся в структуре отходов, зачастую не оправдывает себя технологически и финансово, поэтому вторичные процессы такой переработки редко выполняются.
Оптимальное обогащение
В зависимости от условий проведения обогащения, характеристик исходного материала и самого метода может различаться качество конечного продукта. Чем выше содержание в нем ценного компонента и меньше примесей, тем лучше. Идеальное обогащение руды, к примеру, предусматривает полное отсутствие отходов в продукте. Это значит, что в процессе обогащения смеси, полученной дроблением и грохочением, из общей массы полностью были исключены частицы сора от пустых пород. Однако достичь такого эффекта удается далеко не всегда.
Частичное обогащение полезных ископаемых
Под частичным обогащением понимается разделение класса крупности ископаемого или же отсечение легко выделяемой части примесей из продукта. То есть данная процедура не ставит целью полное очищение продукта от примесей и отходов, а лишь повышает ценность исходного материала путем увеличения концентрации полезных частиц. Такая обработка минерального сырья может использоваться, к примеру, в целях понижения зольности угля. В процессе обогащения выделяется крупный класс элементов при дальнейшем смешивании концентрата необогащенного отсева с мелкой фракцией.
Проблема потерь ценной породы при обогащении
Как ненужные примеси остаются в массе полезного концентрата, так и ценная порода может выводиться вместе с отходами. Для учета таких потерь используются специальные средства, позволяющие рассчитать допустимый уровень оных для каждого из технологических процессов. То есть для всех методов отделения разрабатываются индивидуальные нормы допустимых потерь. Допустимый процент учитывается в балансе обрабатываемых продуктов с целью покрытия расхождений в расчете коэффициента влаги и механических потерь. Особенно такой учет важен, если планируется обогащение руды, в процессе которого используется глубокое дробление. Соответственно, повышается и риск потерь ценного концентрата. И все же в большинстве случаев утрата полезной породы происходит из-за нарушений в технологическом процессе.
Заключение
За последнее время технологии обогащения ценных пород сделали заметный шаг в своем развитии. Совершенствуются и отдельные процессы переработки, и общие схемы реализации отделения. Одним из перспективных направлений дальнейшего продвижения является использование комбинированных схем обработки, которые повышают качественные характеристики концентратов. В частности, комбинированию подвергаются магнитные сепараторы, в результате чего оптимизируется процесс обогащения. К новым методикам этого типа можно отнести магнитогидродинамическую и магнитогидростатическую сепарацию. При этом отмечается и общая тенденция ухудшения рудных пород, что не может не сказываться на качестве получаемого продукта. Бороться с повышением уровня примесей можно активным применением частичного обогащения, но в общем итоге увеличение сеансов переработки делает технологию неэффективной.