ОСНОВЫ ОБОГАЩЕНИЯ (ПЕРВИЧНОЙ ОЕРЕРАБОТКИ) ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Обогащением полезных ископаемых называют совокупность процессов пер­вичной обработки минерального сырья, добытого из недр, в результате которых происходит отделение полезных минералов (а при необходимости и их взаимное разделение) от пустой породы. В результате обогащения получают один или не­сколько продуктов, называемых концентратами. Так как большая часть ценного компонента переходит в один продукт (концентрат), другой продукт, получаемый в процессе обогащения и называемый отходами, обедняется. В отходах обогаще­ния содержатся главным образом минералы пустой породы и незначительная доля ценных компонентов. Промежуточным продуктом (промпродуктом) называется продукт переработки, содержание полезного компонента в котором больше, чем в отходах, но меньше, чем в концентрате.

Полезным, или ценным, компонентом называют тот элемент или природный минерал, с целью получения которого добывается данное полезное ископаемое.

Вредными примесями называют элементы или природные соединения, при­сутствие которых в полезном ископаемом ухудшает его качество (например, при­сутствие серы и фосфора в железных рудах и коксующихся углях резко снижает их качество).

Из всего разнообразия твердых полезных ископаемых можно выделить сле­дующие основные группы:

металлические руды, служащие сырьем для получения черных, цветных, редких, драгоценных и других металлов;

неметаллические, сырье для получения неметаллических элементов и сое­динений, строительных, абразивных и других материалов;

горючие полезные ископаемые (уголь, сланцы, торф), используемые как то­пливо или как химиче-ское сырье.

Технологияобогащенияполезного ископаемого состоитиз рядапоследователь- ных операций, осуществляемых на обогатительной фабрике. Обогатительными фабриками называют промышленные предприятия, на которых перерабатывают полезные ископаемые и выделяют из них один или несколько товарных продук­тов с повышенным содержанием ценных компонентов и пониженным содержа­нием вредных примесей. Фабрики по территориальному расположению подраз­деляются на:

индивидуальные обогатительные фабрики (ОФ), предназначенные для обогащения полезного ископаемого, добытого на одном предприятии, и располо­женные на ее территории;

групповые фабрики (ГОФ), предназначенные для обогащения полезного ис­копаемого группы предприя-тий и расположенные на территории одной из шахт;

— центральные обогатительные фабрики (ЦОФ), предназначенные для обо­гащения полезного ископаемого группы предприятий и территориально не свя­занные ни с одним из них.

Процессы переработки полезных ископаемых по назначению в технологи­ческом цикле фабрики разделяются на подготовительные, собственно обогати­тельные и вспомогательные.

К подготовительным операциям относят дробление, измельчение, грохочение и классификацию, а также операции усреднения полезных ископаемых, которые могут проводиться на рудниках, карьерах, в шахтах и на обогатительных фабри­ках.

К основным обогатительным процессам относят те физические и физико- химические процессы разделения минералов, при которых полезные минералы выделяются в концентраты, а пустая порода в отходы.

К вспомогательным процессам относят процессы удаления влаги из продук­тов обогащения. Такие процессы называются обезвоживанием, которое прово­дится с целью доведения влажности продуктов до установленных норм. К вспо­могательным процессам также относят очистку сточных производственных вод (для повторного их использования или сброса в водоемы) и процессы пылеулав­ливания.

При обогащении полезных ископаемых используют различия их физических и физико-химических свойств, из которых существенное значение имеют цвет, блеск, твердость, плотность, спайность, излом, магнитные, электрические и неко­торые другие свойства.

Технологические результаты обогащения того или иного полезного ископа­емого нельзя оценить при помощи одного какого-либо показателя. Необходимо учитывать несколько основных показателей, характеризующих процесс обога­щения в целом. К основным показателям относят: содержание компонента в ис­ходном сырье и продуктах обогащения; выход продуктов обогащения; извлечение компонентов в продукты обогащения.

Содержанием компонента называется отношение массы компонента к мас­се продукта, в котором он находится. Содержание компонентов обычно опре­деляется химическими анализами и выражается в процентах, долях единицы или для драгоценных металлов в граммах на тонну (г/т). Содержание компонен­тов принято обозначать греческими буквами: а — содержание в исходной руде; Р — содержание в концентрате, пром-продукте или отходах ((5К, (Зпп, (3отх соответ­ственно).

Выходом продукта обогащения называется отношение массы полученного продукта к массе переработанного исходного сырья. Выход выражается в процен­тах или долях единицы и обозначается греческой буквой, у.

Извлечением компонента в продукт обогащения называется отношение массы компонента в продукте к массе того же компонента в исходном полезном ископае­мом. Извлечение выражается обычно в процентах или долях единицы и обознача­ется греческой буквой е. Извлечение полезного компонента в концентрат характе­ризует полноту его перехода в этот продукт в процессе обогащения.

Если обозначим массу исходного сырья Оисх, массу полученных продуктов обогащения концентрата Ок и отходов 0отх, то выход концентрата ук (%) и отходов Yotx (%) можно определить по формулам: ук = 100 Ок/ Оисх; уотх = = 100 Оотх/ Оисх.

Так как сумма выходов конечных продуктов обогащения равна выходу исхо­дного сырья, принимаемому обычно за 100 %, можно составить баланс переработан­ного материала (для концентрата и отходов): Оисх = QK+ + Оотх, или уисх = ук + уотх.

Зная, что уисх = 100 %, можно записать равенство ук+ уотх = 100.

Суммарная часть ценного компонента в продуктах обогащения должна соот­ветствовать массе его в исходном сырье. Это условие принято называть балансом ценного компонента:

100а = yK(3k + уотхРотхг для угля 100AdHCX = yKAdK + уOTXAdOTX; где извлечение полезно компонента в концентрат определяется по формуле £к = YAM АДя угля еК = ук(100 -AdK) / (100 - AdHCX).

Процесс разделения исходного материала на два или несколько классов имеет общее название классификация по крупности. Такое разделение может осущест­вляться двумя способами: грохочением и классификацией в водной или воздуш­ной среде.

Грохочением называется процесс разделения кусковых и зернистых материа­лов на продукты различной крупности, называемые классами, с помощью просе­ивающих поверхностей с калиброванными отверстиями (колосниковыми решет­ками, листовыми и проволочными решетками и др.).

В зависимости от крупности наибольших кусков в исходном питании грохо­тов и размеров отверстий просеивающих поверхностей различают крупное (мак­симальный кусок до 1200 мм, размер отверстий от 300 до 100 мм), среднее (макси­мальный кусок до 350 мм, размер отверстий от 60 до 25 мм), мелкое (максимальный кусок до 75 мм, размер отверстий от 25 до 6 мм) и особо тонкое (размер отверстий до 0,045 мм) грохочение.

Эффективность грохочения Е определяется отношением массы фактиче­ски полученного подрешетного продукта к массе его в исходном материале. Выражается она в долях единицы или в процентах. Согласно определению, эф­фективность грохочения вычисляют по формуле

Е= 104 С/ (Оа),

где С — масса подрешетного продукта, т; О — масса исходного материала; а — со­держание нижнего класса в исходном материале, %.

Так как в производственных условиях непосред-ственное определение массы полученного подрешетного продукта затруднено, на практике пользуются другой формулой для расчета эффективности (или КПД) грохочения:

Л = Ю4 (а - Ь) /[а (100 - Ь) ],

где Г) — КПД грохочения, %; а и Ь — содержание нижнего класса соответственно в исходном и надрешетном продукте, %.

Дробление и измельчение — процессы разрушения полезных ископаемых под действием внешних сил до заданной крупности, требуемого гранулометрическо­го состава или необходимой степени вскрытия минералов. При дроблении и из­мельчении не следует допускать переизмельчения материала, т. к. это ухудшает результаты обогащения (тонкие частицы крупностью менее 10 мкм обогащаются неудовлетворительно) и удорожает процесс. Необходимо соблюдать принцип «не дробить ничего лишнего».

Процессы дробления и измельчения могут быть подготовительными операци­ями (например, на обогатительных фабриках перед обогащением полезного ис­копаемого) или иметь самостоятельное значение (дробильно-сортировочные фа­брики, дробление и измельчение угля перед коксованием, перед пылевидным его сжиганием и т. д.).

Процессы дробления и измельчения принципиально не различаются между собой. Условно принято считать дроблением такой процесс разрушения, в резуль­тате которого получаются продукты крупностью более 5 мм, измельчением — ме­нее 5 мм. Первый вид разрушения осуществляется в дробилках, второй — в мель­ницах.

Степень дробления (или измельчения) показывает степень сокращения круп­ности в процессе разрушения кускового материала. Она характеризуется отноше­нием размеров максимальных кусков в дробимом и дробленом материале или, что более точно, отношением средних диаметров до и после дробления, подсчитанных с учетом характеристик крупности материала:

I = Апах/^тах. или * = Dcp /<2ср.

где i — степень дробления; Dmax и Dcp — соответственно максимальный и средний размеры дробимого материала; dmax и dcp — соответственно максимальный и сред­ний размеры дробленого материала.

Различают следующие стадии дробления в зависимости от исходной и конеч­ной крупности дробимого материала: крупное (100 — 200 мм), среднее (25 — 80 мм), мелкое (до 3 — 25 мм).

Степень дробления, достигаемая в каждой отдель-ной стадии, называется частной. Общая степень дробления получается как произведение частных степе­ней гобщ = iu г2,in.

На обогатительных фабриках для дробления различных полезных ископае­мых применяют почти исключительно механические дробилки раздавливающего и раскалывающего (щековые, конусные, валковые) и ударного (молотковые, ро­торные, дезинтегральные) действия (рис. 12.1, см. вкл.).

В щековых дробилках материал раздавливается между двумя плитами (щека­ми), одна из которых неподвижная, а другая подвижная (качающаяся). Щековые дробилки бывают с простым (ЩДП) и сложным (ЩДС) движением подвижной щеки (рис. 12.2, см. вкл.).

В дробилках ударного действия разрушение материала происходит за счет ки­нетической энергии движущихся тел. К ним относятся три типа дробилок: молот­ковые (рис. 12.3, см. вкл.), роторные и стержневые.

Дробилки ударного действия применяют для среднего и мелкого дробления мягких и средней крупности неабразивных материалов (углей, известняков, гип­са, мела и т.д.). Основными преимуществами этих дробилок являются простота конструкции, большая производительность, низкая металлоемкость, высокая сте­пень дробления и удобство обслуживания.

Гравитационными процессами обогащения называются процессы, в которых разделение минеральных частиц, отличающихся плотностью, размером или фор­мой, обусловлено различием в характере и скорости их движения в среде под дей­ствием силы тяжести и сил сопротивления.

В качестве среды, в которой осуществляется гравитационное обогащение, ис­пользуются при мокром обогащении вода, тяжелые суспензии или растворы, при пневматическом воздух.

К гравитационным процессам относятся отсадка, обогащение в тяжелых сре­дах (главным образом в минеральных суспензиях), концентрация на столах, обога­щение в шлюзах, желобах, струйных концентраторах, конусных, винтовых и про- тивоточных сепараторах, пневматическое обогащение.

К гравитационным процессам также можно отнести и промывку полезных ископаемых. Гравитационные процессы обогащения отличаются, как правило, высокой производительностью обогатительных аппаратов, простотой производ­ственного комплекса, относительной дешевизной и высокой эффективностью разделения минеральных смесей.

Отсадкой называют процесс разделения смеси минеральных зерен по плот­ности в водной или воздушной среде, колеблющейся (пульсирующей) относитель­но разделяемой смеси в вертикальном направлении. Исходный материал вместе с водой непрерывно подается на отсадочное решето, через отверстия которого по­переменно проходят восходящие и нисходящие вертикальные потоки воды.

Отсадка является одним из наиболее распространенных методов гравитаци­онного обогащения полезных ископаемых. Область применения отсадки охваты­вает полезные ископаемые по плотности извлекаемых компонентов от 1200 до 15 600 кг/м3 и по крупности обогащаемого материала от 0,2 до 50 мм для руд и от 0,5 до 120 (иногда и до 250) мм для углей.

Каждый тип отсадочных машин (рис. 12.4, см. вкл.) предназначен для обогаще­ния определенных полезных ископаемых. Поршневые отсадочные машины при­меняют для обогащения марганцевых, оловянных и вольфрамовых руд. В послед­нее время они заменяются диафрагмовыми машинами и машинами с подвижным решетом. Диафрагмовые машины наиболее широко применяются при обогаще­нии руд (железных, марганцевых, оловянных, вольфрамовых), золотосодержа­щих россыпей. Беспоршневые отсадочные машины с подвижным решетом при­меняются для обогащения марганцевых и реже железных и вольфрамовых руд.

Колесный сепаратор с вертикальным элеваторным колесом состоит из ван­ны и устройств для разгрузки продуктов. Ванна сепаратора заполняется магнети- товой суспензией. Исходный материал по загрузочному желобу поступает в ван­ну сепаратора. Разгрузка всплывшего (легкого) продукта в желоб осуществляется гребковым устройством, а потонувший (тяжелый) продукт оседает в ковшах с пер­форированным дном элеваторного колеса и при вращении последнего поднимает­ся вверх и разгружается в специальный желоб. Общий вид такого сепаратора по­казан на рис. 12.5 (см. вкл.).

Флотацией называется процесс разделения тонкоизмельченных полез­ных ископаемых, осуществляемый в водной среде и основанный на различии их способно-сти, естественной или искусственно создаваемой, смачиваться водой, что определяет избирательное прилипание частиц минералов к поверхности раз­дела двух фаз.

Флотационный процесс осуществляется чаще всего в трехфазной системе, включающей твердую (Т), жидкую (Ж) и газообразную (Г) фазы.

Для увеличения естественного различия в смачиваемости поверхности ми­нералов или для искусственного создания такого различия минеральную поверх­ность обрабатывают особыми веществами, называемыми флотационными реа­гентами. С помощью подбора флотационных реагентов можно достигнуть усло­вий, при которых одни минералы будут флотироваться, а другие нет, т. е. создать условия для их селективного разделения.

В настоящее время флотация широко применяется для обогащения большин­ства руд цветных и редких металлов, апатитовых, фосфоритовых, баритовых, гра­фитовых, флюоритовых и других руд, полевошпатового сырья и угольных шла- мов. Метод флотационного обогащения находит применение при обогащении же­лезных и марганцевых руд. Широкая распространенность флотации объясняется универсальностью процесса, связанной с возможностью разделения практически любых минералов и возможностью обогащения бедных руд.

Сущность процесса пенной флотации сводится к следующему. Исходная пуль­па после обработки ее флотореагентами поступает во флотационную машину, где насыщается воздухом в виде мелких воздушных пузырьков. Несмачиваемые (ги­дрофобные) частицы при столкновении с пузырьками прилипают к последним создавая агрегаты, состоящие из воздушных пузырьков с закрепившимися на них твердыми частицами. Агрегаты, имеющие плотность меньшую, чем плотность пульпы, всплывают на ее поверхности, образуя слой минерализованной пены, уда­ляемой с поверхности. Смачиваемые (гидрофильные) частицы к воздушным пу­зырькам не прилипают, остаются в объеме пульпы и образуют камерный продукт.

Обычно в пенный продукт флотации извлекают полезный минерал, а в камер­ный — минерал пустой породы. Такой процесс носит название прямой флотации. В отдельных случаях целесообразнее бывает извлекать в пенный продукт минера­лы пустой породы, а полезные минералы концентрировать в камерном продукте. Такой процесс называется обратной флотацией. Если в процессе флотации по­лучают концентрат, содержащий два или более ценных компонента, такую фло­тацию называют коллективной. Если в процессе флотации последовательно полу­чают несколько концентратов при содержании в каждом отдельном концентра­те только одного ценного компонента (например, меди, цинка, свинца и др.), та­кую флотацию называют селективной. Если в процессе флотации вначале полу­чают коллективный концентрат, а затем из него выделяют последовательно цен­ные компоненты в самостоятельные концентраты, такую флотацию называют коллективно-селективной.

Флотационные машины (рис. 12.6— 12.8, см. вкл.) используются для флотаци­онного обогащения полезных ископаемых, в их камерах исходный материал раз­деляется в аэрированной пульпе на пенный и камерный продукты. Эти машины должны обеспечивать:

непрерывную равномерную подачу исходной пульпы и разгрузку пенного и камерного продуктов;

достаточно интенсивное перемешивание пульпы для поддержания мине­ральных частиц во взвешенном состоянии и их контактирования с воздушными пузырьками;

оптимальную аэрированность с пульпы и диспергирование воздуха на мел­кие пузырьки с равномерным их распределением по всему объему камеры;

создание спокойной зоны пенообразования на поверхности пульпы.

Магнитные методы нашли широкое применение для обогащения руд цветных

металлов, при доводке концентратов редких и цветных металлов, для регенерации сильномагнитных утяжелителей при тяжелосредном обогащении, для удаления же­лезных примесей из фосфоритовых руд, кварцевых песков и других материалов.

Промышленностью выпускаются сепараторы со слабым и сильным магнит­ными полями для сухого и мокрого обогащения. Сухая магнитная сепарация обыч­но применяется для материала крупностью более 6 мм, мокрая для материала ме­нее 6 мм.

При магнитном обогащении используются только неоднородные магнитные поля. Такие поля создаются соответствующей формой и расположением полюсов магнитной системы, которая может быть открытой или замкнутой.