Магнитные методы обогащения

Лекции 3,4 – Магнитные методы обогащения Магнитный метод обогащения применяется в основном для получения железного концентрата, являющегося сырьём для производства чугуна и стали. Железо – самый используемый металл, что обусловлено его высоким содержанием в земной коре по сравнению с другими металлами (по разным оценкам 4,2-5 %, четвёртое место после O, Si и Al). Объёмы добычи и обогащения железных руд значительно превышают объёмы добычи других полезных ископаемых. Россия занимает ведущее место в мире по добыче железных руд (5-е место) и по производству стали. Кроме обогащения железных руд магнитный метод нашёл широкое применение при обогащении марганцевых руд, титансодержащих руд и россыпей, 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. Магнитный метод нашёл широкое применение и в других отраслях промышленности – от переработки вторичного сырья до очистки пищевого сырья. Первым патентом считают английский патент от 1792 г., выданный Фуллеру, на сепарацию железной руды при помощи магнита. Начало промышленного применения магнитного метода относится к концу XIX в., когда в США и в Швеции были разработаны первые барабанные сепараторы с чередующейся полярностью для сухого обогащения магнетитовых руд. Первый барабанный сепаратор для мокрой сепарации был разработан в Швеции в 1906 г. Создание этого сепаратора, являющегося прототипом современных барабанных сепараторов, позволило успешно и экономично обогащать мелкие классы крупности магнетитовых руд. В конце XIX в. для магнитного обогащения слабомагнитных руд был разработан ленточный сепаратор с замкнутой электромагнитной системой и заостренными полюсами. Во второй половине ХХ века ленточные сепараторы были заменены на более надёжные и производительные барабанные сепараторы. Промышленное применение магнитной сепарации слабомагнитных зернистых и кусковых руд было освоено в 40-х годах ХХ века на базе барабанноручейковых сепараторов фирмы «Крупп» (Германия). В дальнейшем для обогащения слабомагнитных мелкозернистых руд и шламов были разработаны высокоградиентные сепараторы. В России первый барабанный магнитный сепаратор был разработан в 1911 г. инженером В. А. Петровым на Урале и применен для сухой сепарации магнетитовой руды. Первые промышленные сепараторы были разработаны в институте «Механобр» в 20-х годах ХХ века. Серийное изготовление отечественных магнитных сепараторов было начато в 30-х годах ХХ века. Изготавливали их на заводах им. Котлякова в Ленинграде и им. Пархоменко в Ворошиловграде. Первые промышленные магнитные сепараторы работали на обогатительных фабриках Урала (горы Благодать и Высокая) и Алтая (Темир-Тау и Мундыбаш). До 1941 г. промышленностью был освоен выпуск сепараторов только для обогащения железных сильномагнитных руд. После 1945 г. были разработаны конструкции сепараторов с сильным магнитным полем для обогащения слабомагнитных руд, например ручейково-роликовый сепаратор. В настоящее время в России выпускаются все типы магнитных сепараторов (для сухого и мокрого обогащения, с сильным и слабым полем), железоотделителей и другого специального оборудования, применяемого при магнитном обогащении. Разработаны конструкции сепараторов с использованием редкоземельных постоянных магнитов. Электрический метод обогащения применяется не так широко, как магнитный. Его применяют, если другие методы обогащения менее эффективны или необходима сухая технология. Первым аппаратом, положившим начало развитию электрических методов обогащения, стал электростатический сепаратор для очистки зёрен хлопка, изобретённый в 1870 году. Первый патент на способ электрической сепарации золота от кварца зарегистрирован в 1881 году. В 1901 г. изобрели электростатический сепаратор для разделения проводниковых и непроводниковых частиц. Этот сепаратор в 1905 г. был усовершенствован и в начале ХХ века нашёл промышленное применение на ряде фабрик цветной металлургии для доводки гравитационных концентратов и промпродуктов. Терминология магнитных методов обогащения Магнитный метод обогащения – метод разделения минералов в магнитном поле, основанный на различии в магнитных свойствах разделяемых частиц. Магнитное поле – поле, действующее на движущиеся электрические заряды, а также на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. При разделении минералов магнитное поле действует на частицы, обладающие магнитным моментом (кроме феррогидростатической и электродинамической сепарации). Величину силового поля характеризует магнитная сила. Магнитная сила – сила, обусловленная взаимодействием магнитного поля и магнитным моментом частицы. Магнитный момент – величина, характеризующая магнитные свойства частицы, находящейся в магнитном поле. Магнитный момент прямо пропорционален магнитным свойствам частицы, её объёму и напряженности внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость (объёмная и удельная) – величина, характеризующая магнитные свойства минералов и частиц и являющаяся основным признаком разделения при магнитной сепарации. Магнитная сепарация – процесс разделения смеси частиц с разными магнитными свойствами в магнитном сепараторе. Магнитный сепаратор – аппарат, в котором частицы с повышенными магнитными свойствами попадают в один приёмник, а частицы с пониженными магнитными свойствами – в другой приёмник. Количество продуктов разделения в одном сепараторе может быть больше двух. Продукты разделения смеси частиц при магнитной сепарации называют: - магнитный – продукт с повышенными магнитными свойствами; - промпродукт – продукт с промежуточными магнитными свойствами; - немагнитный – продукт с пониженными магнитными свойствами. Продукты разделения при магнитной сепарации обозначаются буквами: «м» – магнитный; «пп» – промпродукт; «н» – немагнитный. Магнитные методы обогащения применяют при переработке различных металлических и неметаллических полезных ископаемых и других видов сырья. При этом если в руде содержатся минералы, имеющие магнитные свойства, то на стадии разработки схемы обогащения обязательно рассматривают возможность применения магнитного метода. Основные области применения магнитных методов: 1. Обогащение руд черных и других металлов с выделением в концентрат магнитных рудных минералов (железные, марганцевые и хромитовые руды, ильменитсодержащие и вольфрамсодержащие руды и россыпи). Основной областью применения является обогащение железных руд. 2. Обогащение неметаллических и металлических полезных ископаемых с удалением в хвосты рудных и породных минералов, обладающих магнитными свойствами. Магнитная сепарация применяется, например, при обогащении угля (обессеривание), талька, кварца, алмазов, благородных и редких (тантал, ниобий) металлов. 3. Обезжелезивание концентратов неметаллических полезных ископаемых и другого сырья (удаление железистых примесей из стекольного, керамического, каолинового, формовочного, абразивного, пищевого и другого сырья). В хвосты удаляется железо в основном в виде окислов. В качестве примера можно привести обезжелезивание конечных концентратов кварца и полевого шпата, формовочных песков. 4. Удаление случайных железных предметов из различных продуктов обогатительных фабрик. Для этой цели применяют магнитные аппараты, называемые железоотделителями. Случайные железные предметы способны повредить оборудование (например, дробилки) или снизить качество готовых концентратов (например, тальк, асбест). 5. Регенерация суспензий. Магнитная сепарация широко применяется на гравитационных фабриках с тяжелосредной сепарацией для извлечения магнетита и ферросилиция из отработанной суспензии с целью её восстановления. В магнитный продукт выделяют утяжелитель (сильномагнитные магнетит и ферросилиций), а в немагнитный продукт – шламистые частицы. 6. Переработка техногенного сырья (шламы и хвосты обогатительных фабрик; шлаки металлургического производства; кабельный, радиоэлектронный и другой лом цветных и черных металлов; твердые бытовые отходы). В линиях по переработке техногенного сырья магнитные методы нашли широкое применение. Технологические задачи магнитных методов обогащения в основном обусловлены областью их применения. На стадии дробления сильномагнитных железных руд магнитный метод относится к методам предварительного обогащения. При этом решаются следующие технологические задачи: - вывод из процесса максимального количества дроблёной немагнитной (породной) части руды. При этом немагнитный продукт в большинстве случаев не является отвальным – он используется для производства строительных материалов. Использование сухой магнитной сепарации для предварительного обогащения железной руды с получением промпродукта и хвостов повышает технико-экономические показатели работы предприятия: снижаются затраты на измельчение и на мокрое обогащение; увеличивается массовая доля железа в руде (в промпродукте), что снижает количество мокрых хвостов, перекачиваемых в хвостохранилище; улучшается однородность (измельчаемость, вещественный состав) поступающей на измельчение и обогащение руды благодаря уменьшению диапазона колебаний измельчаемости и вещественного состава минеральных разновидностей руды. - вовлечение в переработку бедных и забалансовых руд и руд с повышенным содержанием разубоживающих пород. Для решения этой технологической задачи целесообразно применять сухую магнитную сепарацию непосредственно в карьере (на борту карьера) или в шахте. При сухой магнитной сепарации получают кондиционную руду и отвальные хвосты. Экономическая эффективность в этом случае заключается в повышении полноты использования недр и вовлечении в переработку руд со сложными горно-технологическими условиями добычи (повышеное содержание в руде разубоживающих пород). - получение концентрата из крупнокусковой руды. В ряде случаев с помощью сухой магнитной сепарации получают готовые крупнокусковые железные концентраты – агломерационную руду (аглоруду, 0-10 мм) и доменную руду (0-100 мм). Аглоруда после додрабливания добавляется в шихту для производства агломерата (массовая доля в шихте около 10 %). Добавление аглоруды в агломерационную шихту повышает технико-экономические показатели процесса агломерации железных концентратов. Поэтому аглоруда является востребованным продуктом. Доменная руда без окускования направляется в домну для производства чугуна. В настоящее время доменную руду практически не получают в связи со снижением массовой доли железа в добываемых рудах. - разделение руды на природные (технологические) типы. На стадии рудоподготовки гематит-магнетитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд с помощью сухой магнитной сепарации возможно разделение добытой руды на два технологических типа, обогащаемых в дальнейшем по разным схемам. Например, при обогащении гематит-магнетитовых кварцитов возможно получение магнетитового и гематитового типов руды, а при обогащении ильмениттитаномагнетитовых руд возможно получение титаномагнетитового и ильменитового типов руды. На стадии глубокого обогащения руд магнитный метод относится к основным методам обогащения. При этом решаются следующие технологические задачи: - получение конечных концентратов. В этом случае с помощью магнитного обогащения получают готовый концентрат и отвальные хвосты. Технология магнитного обогащения должна обеспечить требуемое качество концентрата при максимальном извлечении полезного компонента в концентрат. - получение черновых концентратов. При обогащении ряда руд, например гематитовых и ильменитовых, с помощью магнитной сепарации получают черновые концентраты, которые затем дообогащают другими методами. С помощью магнитного обогащения выводят в хвосты часть породных минералов. - обогащение коллективного концентрата с получением моноконцентрата. При обогащении титан-циркониевых россыпей из коллективного гравитационного концентрата с помощью магнитной сепарации получают ильменитовый концентрат и немагнитный продукт, содержащий другие полезные минералы; - доводка концентратов, полученных другими методами обогащения. В этом случае с помощью магнитного обогащения из концентрата удаляются вредные примеси, что позволяет повысить качество концентрата. Магнитная доводка конечного концентрата применяется, например, при обогащении кварца и полевого шпата для удаления слабомагнитных примесей. Классификация магнитных методов обогащения Магнитные методы обогащения используются при осуществлении трёх технологических процессов – подготовительных, основных и вспомогательных. К подготовительным процессам можно отнести: - удаление случайных железных предметов перед операциями дробления; - удаление металлического скрапа (обломки шаров) из слива мельниц; - магнетизирующий обжиг слабомагнитных железных руд перед обогащением; - размагничивание, намагничивание и селективную магнитную флокуляцию сильномагнитных продуктов. К вспомогательным процессам можно отнести: - магнитное обесшламливание магнетитсодержащих пульп; - магнитное сгущение магнетитовых концентратов; - магнитную очистку воды. К основным процессам относится магнитная сепарация руд и других продуктов. Способы магнитной сепарации можно разделить на две группы. 1. Прямая магнитная сепарация. При прямой сепарации осуществляется разделение компонентов по магнитным свойствам в магнитном поле. Магнитное обогащение осуществляется в магнитных сепараторах, особенностью которых является наличие в их рабочей зоне разделения магнитного поля. При движении разделяемого продукта через магнитное поле сепаратора под воздействием магнитной силы частицы с различными магнитными свойствами движутся по отличным друг от друга траекториям, что позволяет магнитные и немагнитные частицы выделять в свои продукты. Прямая сепарация получила наибольшее распространение и используется при обогащении сильномагнитных и слабомагнитных руд. 2. Непрямая сепарация. При непрямой сепарации разделение частиц осуществляется в магнитном поле, но не по магнитным свойствам. При магнитногидростатической (феррогидростатической) и магнитогидродинамической сепарации разделение осуществляется по плотности, при электродинамической сепарации разделение осуществляется по электрической проводимости и плотности. Кроме этого, известны способы разделения с использованием комбинированных методов, например в магнитно-гравитационных сепараторах, в гравитационно-магнитных аппаратах (шлюзы, столы, концентраторы и др.), в коронно-магнитном сепараторе и др. Среди многообразия процессов магнитной сепарации можно выделить шесть основных способов магнитного разделения. Способы магнитной сепарации: 1. Сепарация путем удерживания магнитных частиц на транспортирующей поверхности (барабане, валке и др.). Данный способ реализуется в сепараторах (барабанных, валковых, роликовых и др.) с верхней подачей исходного материала. Широкое распространение получила предварительная сухая магнитная сепарация крупнокусковых железных руд с целью удаления пустой породы (барабанные сепараторы). Валковые сепараторы применяются реже (для обогащения слабомагнитных руд). Способ осуществляется следующим образом (рисунок 1а). Исходные частицы попадают на барабан 1 и транспортируются им в зону разделения, ограниченную областью действия (сектором) магнитной системы. Немагнитные частицы под действием механических сил отрываются от барабана раньше, чем магнитные, и попадают в свой приемник. Магнитные частицы притягиваются к магнитной системе и транспортируются барабаном до края магнитной системы, после чего они отрываются и попадают в свой приемник. Рисунок 1. Способы магнитного обогащения: а – сепарация путем удерживания магнитных частиц: 1 – вращающийся барабан; 2 – неподвижная магнитная система; б – сепарация путем извлечения магнитных частиц: 1 – вращающийся барабан; 2 – неподвижная магнитная система; в – сепарация путем осаждения магнитных частиц на поверхности носителей: 1 – полюса магнитной системы; 2 – рабочая матрица; 3 – ферромагнитные тела; г – магнитометрическая сортировка: 1 – конвейер; 2 – датчик; 3 – блок обработки информации и принятия решения; 4 – исполнительный механизм; д – магнитогидростатическая сепарация: 1 – полюса магнитной системы; 2 – кювета, заполненная ферромагнитной жидкостью; е – электродинамическая сепарация: 1 – устройство для транспортировки материала в зону разделения; 2 - индуктор переменного магнитного поля; и – исходный; м – магнитный; н – немагнитный; л – легкий; т – тяжелый; п – проводники; нп – непроводники 2. Сепарация путем извлечения или отклонения магнитных частиц из движущегося потока материала. Способ реализуется в сепараторах (барабанных, валковых, роликовых и др.) с нижней (реже боковой) подачей исходного материала. Наибольшее распространение получила мокрая магнитная сепарация измельченных сильномагнитных железных руд (барабанные сепараторы). Валковые сепараторы применяются реже для обогащения слабомагнитных руд. Способ осуществляется следующим образом (рисунок 1, б). Исходные частицы транспортируются в зону разделения, ограниченную областью действия (сектором) магнитной системы 2. Немагнитные частицы движутся под барабаном 1, не изменяя траекторию под действием магнитной силы, и попадают в свой приемник. Магнитные частицы извлекаются из исходного потока материала, притягиваются к магнитной системе и транспортируются барабаном до края магнитной системы, после чего они отрываются и попадают в свой приемник. 3. Сепарация путем магнитного осаждения частиц на поверхность носителей (ферромагнитных тел). Способ реализуется в высокоградиентных (полиградиентных) сепараторах. Наибольшее распространение получила мокрая высокоградиентная магнитная сепарация тонкоизмельченных слабомагнитных материалов. Способ осуществляется следующим образом (рисунок 1в). При нахождении рабочей матрицы сепаратора 2 между полюсами магнитной системы 1 в нее подается исходный продукт. Пульпа исходного материала проходит сквозь слой намагниченных под действием внешнего магнитного поля ферромагнитных тел 3. Слабомагнитные частицы притягиваются к ферромагнитным телам, например шарикам, а остальные частицы (немагнитные) удаляются потоком воды. После удаления немагнитных частиц рабочая матрица сепаратора выводится из зоны действия внешнего магнитного поля и осуществляется удаление слабомагнитных частиц потоком воды. 4. Магнитометрическая сортировка зернистых материалов. Способ реализуется в радиометрических (магнитометрических) сепараторах, чаще в режиме покусковой сортировки для предварительного обогащения. Магнитометрическая сортировка не получила широкого распространения. Способ осуществляется следующим образом (рисунок 1г). Частицы исходного продукта транспортируются конвейером 1 и проходят под электромагнитным индукционным датчиком 2, срабатывающим от собственного или наведенного магнитного поля частиц. Сигнал от датчика поступает в блок обработки информации и принятия решения 3, который определяет «качество» частицы и дает команду исполнительному механизму 4 на направление этой частицы в соответствующий приемник. 5. Магнитогидростатическая сепарация. Способ реализуется в феррогидростатических сепараторах для разделения немагнитных минералов и металлов. Магнитогидростатическую сепарацию (МГС) часто называют феррогидростатической (ФГС) или магнитожидкостной (МЖ) сепарацией. Признаком разделения при магнитогидростатическом обогащении, как и при тяжелосредном обогащении, является плотность. Особенностью магнитогидростатического разделения является то, что требуемая эффективная плотность ферромагнитной жидкости (до 20000 кг/м3 ) достигается под воздействием внешнего магнитного поля, что накладывает определённые ограничения на процесс, в частности, на рабочий объем зоны разделения, который обусловливает производительность сепаратора. Кроме магнитогидростатического метода известен магнитогидродинамический метод обогащения по плотности. Разделение осуществляется в потоке электролита. В конструкции МГД-сепаратора обеспечивается перекрестное действие магнитного и электрического полей, в результате чего кажущаяся плотность электролита возрастает. Тяжелые частицы опускаются на дно, легкие – всплывают на поверхность. МГД-сепараторы в настоящее время не получили промышленного применения. Магнитогидростатический метод осуществляется следующим образом (рис. 1 д). Частицы разделяемого продукта подаются в рабочую кювету 2 сепаратора, заполненную ферромагнитной жидкостью (ФМЖ) и находящуюся между полюсами магнитной системы 1. Обычно физическая плотность приготовляемых ФМЖ не превышает 1300 кг/м3 . Под действием магнитного поля плотность ФМЖ «возрастает» до 12000 кг/м3 и более. Кажущуюся плотность ФМЖ в магнитном поле называют эффективной плотностью. Частицы разделяемого материала, имеющие плотность выше эффективной плотности магнитной жидкости, опускаются на дно ванны сепаратора, а частицы, имеющие более низкую плотность, остаются на поверхности жидкости. 6. Электродинамическая сепарация. Способ реализуется в электродинамических сепараторах для разделения немагнитных металлов по электропроводности (Cu-Pb, Al-Pb) или металлов от неметаллов. Электродинамический метод обогащения основан на взаимодействии магнитного поля и вихревых токов, возникающих в электропроводном веществе под воздействием электродвижущей силы, индуцируемой переменным магнитным полем. Разделение происходит в переменном магнитном поле, причем это магнитное поле сначала создает в проводнике вихревой ток (электромагнитная индукция), а затем с ним взаимодействует – выталкивает с определенной силой. Переменное магнитное поле создается в сепараторах тремя способами: 1 – применением электромагнитных систем, питаемых переменным током; 2 – при движении частиц относительно магнитной системы из постоянных магнитов с чередующейся полярностью полюсов; 3 – при вращении магнитной системы из постоянных магнитов с чередующейся полярностью полюсов. Электродинамический метод осуществляется следующим образом (рис. 1 е). Частицы разделяемого продукта подаются на наклонную криволинейную поверхность 1. Под действием вибраций или тангенциальной составляющей силы тяжести материал поступает в зону разделения, находящуюся над вращающимся индуктором бегущего магнитного поля (барабан, ролик) 2. Электропроводные частицы, взаимодействуя с магнитным полем, приобретают определенное ускорение, отклоняются от общего потока материала и попадают в свой приемник. Неэлектропроводные частицы свободно движутся по транспортирующей поверхности и попадают в свой приемник. Кроме рассмотренных шести основных способов магнитного разделения существуют и другие способы, либо малораспространённые либо имеющие особенности разделения и перемещения частиц (например, магнитная сепарация в переменном магнитном поле). МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ Магнитная восприимчивость и классификация минералов по магнитным свойствам Магнитные свойства минералов в основном оцениваются по величине их магнитной восприимчивости. Магнитная восприимчивость минерала – это величина, определяющая степень его взаимодействия с магнитным полем и являющаяся основным признаком разделения при магнитной сепарации. Принято различать объёмную магнитную восприимчивость (часто слово «объёмная» опускают) и удельную магнитную восприимчивость. Для сильномагнитных минералов различают магнитную восприимчивость тела и вещества, так как на магнитную восприимчивость ферромагнитного тела влияет его форма. Для этих минералов магнитные восприимчивости тела и вещества не равны. Для слабомагнитных (парамагнитных и диамагнитных) минералов магнитные восприимчивости тела и вещества равны. Объёмная магнитная восприимчивость тела – магнитный момент единицы объёма тела, возникающий при его намагничивании во внешнем магнитном поле с напряжённостью 1 А/м. Согласно определению, объёмная магнитная восприимчивость тела: æ=М/(V⋅H), где М – магнитный момент, А⋅м2 . Намагниченность – магнитный момент единицы объема тела: J=M/V, где J – намагниченность тела, А/м Удельная магнитная восприимчивость тела – магнитный момент единицы массы вещества при его намагничивании во внешнем магнитном поле с напряженностью 1 А/м. Согласно определению, удельная магнитная восприимчивость: χ=М/(m⋅H). Удельная магнитная восприимчивость равна отношению объёмной восприимчивости на плотность: χ=æ/ρ. удельная магнитная восприимчивость измеряется в м3/кг. Сильномагнитные минералы. К этой группе относятся минералы с χ>10-5 м3/кг. Минералы и вещества представлены ферромагнетиками и ферримагнетиками. К сильномагнитным минералам относятся: магнетит – Fe3O4, титаномагнетит (разновидность магнетита) – Fe(Fe3+,Тi)2O4, маггемит – γ-Fe2O3, моноклинный пирротин – Fe7S8, ферросилиций (искусственное вещество). Основными рудными минералами железа являются магнетит и титаномагнетит. Сильномагнитные минералы обогащаются в сепараторах со слабым магнитным полем с индукцией до 0,2-0,3 Тл. Слабомагнитные минералы. К этой группе относятся минералы с χ= 10-7 ÷ 10-5 м3/кг. Минералы и вещества представлены парамагнетиками с χ>10-7 м3/кг и антиферромагнетиками. К слабомагнитным минералам относятся оксиды, гидроксиды и карбонаты железа и марганца, ильменит, вольфрамит, гранат, биотит и др. Граница между сильномагнитными и слабомагнитными минералами достаточно условна. В вышеприведённой классификации она соответствует максимальному значению удельной магнитной восприимчивости среди слабомагнитных минералов, которое имеет минерал ильменит (до χ=0,95⋅10-5 м3/кг). Нижний предел величины удельной магнитной восприимчивости слабомагнитных минералов, которые можно обогащать магнитным методом, снижается с разработкой сепараторов с более сильным магнитным полем. Удельная магнитная восприимчивость слабомагнитных минералов во много раз меньше, чем у сильномагнитных, поэтому их обогащают в сепараторах с сильным полем с индукцией магнитного поля от 0,3 до 2 Тл. Немагнитные минералы. К этой группе относятся минералы с χ меньше 10-7 м3/кг. Минералы и вещества представлены парамагнетиками с χ<10-7 м3/кг и диамагнетиками (χ<0). К немагнитным минералам относятся минералы неметаллических полезных ископаемых (кварц, полевой шпат и др.) и минералы, не содержащие Fe, Mn, Ni, Co, за редким исключением (например, пирит FeS2). Промышленностью выпускаются сепараторы со слабым и сильным магнитными полями для сухого и мокрого обогащения. Сухая магнитная сепарация обычно применяется для материала крупностью более 6 (3) мм, мокрая — для материала менее 6 (3) мм. При магнитном обогащении используются только неоднородные магнитные поля. Такие поля создаются соответствующей формой и расположением полюсов магнитной системы сепаратора. Магнитные системы разделяются па открытые и замкнутые. В сепараторах с сильным магнитным полем, применяемых для обогащения слабомагнитных руд, обычно используют замкнутые магнитные системы, а в сепараторах со слабым магнитным полем, применяемых для обогащения сильномагнитных руд, — открытые многополюсные магнитные системы. Системы могут состоять или из электромагнитов и тогда сепараторы называются электромагнитными (рис. 2) или из постоянных магнитов — сепараторы называются магнитными. Р Рисунок 2 -Принцип разделения в магнитном поле: 1 — исходный; 2 — немагнитная фракция; 3 — электромагнит; 4 — магнитная фракция В замкнутых магнитных системах магнитное поле создастся в зоне между двумя расположенными друг против друга разноименными полюсами. Форма полюсов может быть плоской, округлой (вогнутой или выпуклой), зубчатой и так далее. Процесс магнитной сепарации тонкоизмельченных сильномагнитных минералов сопровождается образованием флокул (агрегатов), состоящих из магнитных и механически захваченных немагнитных частиц и сростков. Явление магнитной флокуляции влияет на эффективность обогащения, снижая качество магнитного концентрата. Для получения более чистого магнитного продукта при вращении барабана вокруг магнитной системы с чередующейся полярностью зерна магнитного материала переориентируются при переходе от одного полюса к другому, в результате чего происходит перемешивание магнитных частиц с разрушением флокул и выпадением из них немагнитных частиц. Но частота смены полярности бегущего поля зависит от скорости вращения барабана и не всегда бывает достаточной для эффективного разрыва флокул. Поэтому для создания бегущего поля большой частоты используют электромагнитные системы трехфазного тока, качающиеся системы и другие. У сепараторов с такими системами более высокая удельная производительность и эффективность обогащения. Аппараты, в которых производится магнитное обогащение полезных ископаемых, называются магнитными сепараторами. В зависимости от магнитных систем различают сепараторы электромагнитные и с постоянными магнитами. Обозначают эти сепараторы соответственно буквами Э или П. Сепараторы для сухого и мокрого обогащения обозначают соответственно буквами С или М. По конструкции рабочего органа сепараторы подразделяют на барабанные (Б), валковые (В), дисковые (Д), роликовые (Р) и другие. В зависимости от направления движения исходного питания и рабочего органа сепаратора различают прямоточные, направление движения материала в которых совпадает с направлением движения рабочего органа; противоточные (П) — направление движения их противоположно; полупротивоточные (ПП) — направление движения комбинированное. Маркировка магнитных сепараторов производится из рассмотренных обозначений, в которые еще включают цифры, стоящие перед буквами. Они обозначают число барабанов, валков или дисков. Цифры, стоящие после букв, обозначают диаметр и длину рабочего органа сепаратора. Сепараторы для мокрого обогащения сильномагнитных руд. В настоящее время преимущественное распространение получили барабанные сепараторы со слабым магнитным полем с нижним питанием и с прямоточной, противоточной и полупротивоточной ваннами. Прямоточные сепараторы применяют для обогащения сильномагнитных руд крупностью менее 3 (6) мм, противоточные — для руд крупностью менее 0,2 мм. Для обогащения тонкоизмельченных магнетитовых руд наиболее широко применяют сепараторы типа ПМБ (с постоянными магнитами), для регенерации сильномагнитных тяжелосуспензионных утяжелителей — ЭБМ (с электромагнитами). Сепараторы для обогащения слабомагнитных руд. Для обогащения слабомагнитных руд применяют электромагнитные валковые, роликовые и дисковые сепараторы с большой напряженностью магнитного поля. Валковые и роликовые сепараторы применяют как для сухого, так и для мокрого обогащения, дисковые — только для сухого. Высокоградиентные (полиградиентные) электромагнитные сепараторы применяют для обогащения тонкоизмельченных слабомагнитных руд. Тонкоизмельченные частицы, по сравнению с более крупными, обладают худшими магнитными свойствами, а сила сопротивления среды для них возрастает. Поэтому для эффективного разделения таких частиц необходимо повысить магнитную силу в рабочем пространстве сепаратора с одновременным уменьшением относительной скорости движения извлекаемых частиц. Все это учтено в высокоградиентных сепараторах, которые бывают роторными, валковыми и барабанными. ПРАКТИКА МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ Подготовка руды перед магнитным обогащением К подготовительным операциям перед магнитным обогащением относятся операции грохочения, обеспыливания, обесшламливания, намагничивания, размагничивания, сушки и обжига. Необходимость применения подготовительных операций определяется свойствами обогащаемой руды и условиями процесса сепарации. Грохочение. Операция грохочения применяется для разделения исходного продукта на два класса крупности перед сухой магнитной сепарацией. Магнитная сила резко снижается при удалении от полюсов магнитной системы. Это приводит к различному воздействию магнитной силы на более крупные и более мелкие куски руды при обогащении неклассифицированного материала. Операция предварительного грохочения руды позволяет сблизить верхний и нижний пределы крупности частиц в обогащаемом продукте, что повышает эффективность последующей магнитной сепарации. Как правило, исходную руду перед магнитной сепарацией делят с помощью грохочения на два класса крупности, которые обогащают отдельно либо обогащают сухим способом только крупный класс. При обогащении сильномагнитной руды (магнетитовой или титаномагнетитовой) крупностью –25+0 мм получают классы –25+10 мм и –10+0 мм, а при обогащении слабомагнитной руды (марганцевой) крупностью –5+0 мм лучшие результаты следует ожидать при отдельном обогащении классов –5+2 мм и –2+0 мм. Выбор крупности обогащаемых классов (размер отверстия сетки грохота) определяет не только магнитная система конкретного сепаратора, но и особенности руды конкретного месторождения, такие как вид вкрапленности, способность к избирательному разрушению, закономерности распределения полезного минерала в частицах дроблёной руды различной крупности, контрастность. Обеспыливание. Операция обеспыливания применяется для удаления мелких частиц из исходного продукта перед сухой магнитной сепарацией. Удаление тонких частиц существенно повышает результаты обогащения. Тонкие частицы обладают большой удельной поверхностью, в результате этого они под действием силы адгезии осаждаются на поверхность других частиц, на рабочие устройства сепараторов и попадают как в магнитный, так и в немагнитный продукты. Большая доля мелких частиц в исходном продукте снижает результаты обогащения, поэтому сухую сепарацию для обогащения мелкодроблёных продуктов применяют в исключительных случаях. Обесшламливание. Операция обесшламливания применяется в схемах мокрого обогащения сильномагнитных руд для вывода в хвосты бедных тонких шламистых частиц. Большое количество тонких частиц пустой породы в обогащаемых продуктах приводит к снижению качества концентратов, так как шламистые частицы неизбежно захватываются во флокулы и пряди, и попадают с последними в магнитный продукт. Для обесшламливания применяют магнитные дешламаторы. Операции обесшламливания наиболее распространены в схемах обогащения железистых кварцитов. Размагничивание. Операция размагничивания применяется для дефлокуляции пульп в схемах обогащения магнетитовых руд и в схемах регенерации тяжелосредных суспензий. В схемах обогащения магнетитовых руд размагничивание с целью разрушения флокул применяется перед операциями классификации, тонкого грохочения и фильтрования. В магнитном поле сепараторов частицы магнетита образуют флокулы и пряди (более крупные агрегаты). Если флокулы и пряди не разрушить, то они при классификации попадут в пески и далее – в мельницу, что приведёт к увеличению циркулирующей нагрузки и переизмельчению продукта. Наличие флокул в готовом концентрате, поступающем на фильтрование, приводит к увеличению влажности кека, так как вода, занимающая пространство между частицами, образующими флокулы, выводится в фильтрат не полностью. В схемах регенерации тяжелосредных суспензий размагничивание применяется после магнитной сепарации для разрушения флокул. Наличие флокул в магнетитовой суспензии снижает её качество (устойчивость). Намагничивание. Операция намагничивания применяется в схемах мокрого обогащения магнетитовых руд для флокуляции пульпы с целью её быстрого осаждения и возможности отмывки с поверхности флокул шламистых частиц. Намагничивание осуществляется либо в отдельных намагничивающих аппаратах, либо в дешламаторах. Сушка. Операция сушки применяется перед сухой магнитной сепарацией для снижения влажности исходного продукта. Повышенная влажность руды отрицательно сказывается на результатах сухого обогащения как сильномагнитных, так и слабомагнитных руд. При повышении влажности исходного продукта возрастает сила взаимного сцепления частиц и наблюдается прилипание материала к поверхности рабочих устройств сепаратора, что приводит к увеличению вероятности попадания немагнитных частиц в магнитный продукт, а магнитных частиц – в немагнитный продукт. Допустимая влажность исходного продукта для сухой магнитной сепарации зависит в основном от его крупности. Так, если при обогащении руды крупностью –20+0 мм влажность не должна превышать 3-4 %, то при обогащении руды крупностью –2+0 мм допустимая влажность снижается до 0,5-1 %. Магнетизирующий обжиг. Обжиг-магнитное обогащение состоит из магнетизирующего обжига руды и последующей магнитной сепарации в слабом магнитном поле. Обжиг является подготовительной операцией перед магнитным обогащением и позволяет перевести в соответствующей атмосфере слабомагнитные минералы и руды железа (гематит, мартит, лимонит, сидерит и др.) в сильномагнитные магнетит и маггемит (γ-Fe2O3). По вещественному составу железные руды можно разделить на железистые кварциты, скарновые магнетитовые руды, титаномагнетитовые руды, бурожелезняковые руды и сидеритовые руды. Доля добычи и переработки сидеритовых руд в России весьма незначительна. Их перерабатывают в Челябинской обл. Основным рудным минералом является сидерит (FeCO3). Бурожелезняковые руды, так же как и сидеритовые руды, в России практически не перерабатываются. Основными рудными минералами являются гё- тит и гидрогётит. Для получения концентратов с массовой долей железа более 60 % необходим магнетизирующий обжиг. Применение такой технологии значительно увеличивает затраты на обогащение, поэтому бурые железняки в настоящее время не востребованы. Основными промышленными типами железных руд в России являются три типа руд – железистые кварциты, скарновые магнетитовые руды, титаномагнетитовые руды Особенностью железистых кварцитов является повышенное содержание в них кремнезёма (SiO2 более 35 %). Кварц в этих рудах является основным породообразующим минералом. Критерием деления железистых кварцитов на типы служит отношение массовых долей железа магнетитового (Feмагн) и железа общего (Fe). При этом промышленную ценность руды определяет массовая доля в ней железа магнетитового. В настоящее время обогащают железистые кварциты с Feмагн более 18-20 % при отношении Feмагн/Fe не менее 0,5. По минеральному составу природные типы кварцитов подразделяют на разновидности. Магнетитовые кварциты подразделяют на следующие основные разновидности: магнетитовая, силикат-магнетитовая, силикат-гематитмагнетитовая и др. Гематитовые кварциты подразделяют на следующие основные разновидности: магнетит-гематитовая, силикат-магнетит-гематитовая и др. Первое слово в характеристике разновидности руды характеризует магнитные и слабомагнитные минералы, содержащиеся в руде в меньшем количестве. В связи с преобладанием тонкой и весьма тонкой вкрапленности магнетита в железистых кварцитах основных российских месторождений в схемах обогащения в основном используется трёхстадиальное измельчение до крупности 90-100% класса -0,071 мм. Магнетит и гематит, содержащиеся в железистых кварцитах, весьма «чистые», практически без примесей. Массовая доля железа в магнетите (более 72 %) и в гематите (более 69,8%) большинства месторождений практически соответствует стехиометрическому составу. Основным извлекаемым минералом в железный концентрат является магнетит. Природная «чистота» магнетита позволяет получать концентраты с высокой массовой долей железа. Гематит, представленный дисперсной и весьма тонкой вкрапленностью, в концентрат не извлекают, так как это не позволяет использовать высокопроизводительные гравитационные аппараты. Магнитное обогащение с использованием сепараторов с высоким магнитным полем также не позволяет получать гематитовый концентрат в связи с наличием магнитных свойств у ряда породных минералов (амфиболы, хлорит, биотит. В России только Оленегорский ГОК получает гематитовый концентрат из гематит-магнетитовой руды Оленегорского месторождения. При этом в концентрат извлекаются только наиболее крупные зёрна гематита. Гематит крупностью менее 0,2-0,3 мм в основном не извлекается и уходит в хвосты фабрики. В железистых кварцитах присутствуют минералы, содержащие вредные примеси S (пирротин, пирит, халькопирит) и Р (апатит). В основном эти минералы выводятся в хвосты обогащения (кроме сильномагнитного пирротина) и не снижают качества железного концентрата. В России железистые кварциты перерабатываются на следующих предприятиях: Лебединский, Стойленский, Михайловский, Оленегорский, Костомукшский ГОКи и комбинат «КМАруда». Скарновые магнетитовые руды Особенностью скарновых магнетитовых руд является пониженное содержание в них кремнезёма (SiO2 менее 30 %) и повышенное содержание основных окислов (CaО + MgО более 10 %). Скарновые магнетитовые руды, как правило, представлены одним природным типом руды – магнетитовой рудой. Поэтому их часто так и называют: «магнетитовые руды». Часто скарновые магнетитовые руды бывают комплексные, например бадделеит-апатит-магнетитовая руда Ковдорского месторождения, медномагнетитовая руда Высокогорского месторождения. Массовая доля SiO2 в основных нерудных минералах невысокая, что предопределяет низкую массовую долю в готовых концентратах (менее 4 %). Это повышает металлургическую ценность концентратов, полученных из скарновых магнетитовых руд. Магнетит, содержащийся в магнетитовых рудах, может быть весьма чистым, практически без примесей и соответствовать стехиометрическому составу (более 72 % Fe). Но на ряде месторождений магнетит может содержать изоморфные примеси, снижающие массовую долю железа в магнетите, что не позволяет получать концентраты с массовой долей железа более 65 %. В скарновых магнетитовых рудах присутствуют минералы, содержащие вредные примеси S (пирротин, пирит, халькопирит), Zn (сфалерит), Pb (галенит) и Р (апатит). Больший размер зёрен магнетита в скарновых рудах по сравнению с железистыми кварцитами, позволяет обогащать скарновые магнетитовые руды с использованием двух стадий измельчения до крупности 60-80 % класса -0,071 мм, что снижает затраты на обогащение руды. Использование трёх стадий измельчения до крупности 90 % и более класса -0,071 мм позволит повысить массовую долю железа в концентрате. В России скарновые магнетитовые руды перерабатываются на следующих предприятиях: Высокогорский, Ковдорский, Коршуновский ГОКи, ДОФ-5 «ММК», Богословское РУ, Краснокаменский, Таштагольский, Казский, Шерегешский, Гурьевский, Абаканский и Тейский рудники, Абагурская АОФ и Мундыбашская ОФ. Титаномагнетитовые руды Особенностью титаномагнетитовых руд является пониженное содержание в них кремнезёма (SiO2 менее 35 %) и повышенное содержание основных окислов (CaО + MgО более 25 %), повышенные содержания TiO2 (более 1 %) и V2O5 (более 0,1-0,12 %). Основным рудным минералом является титаномагнетит. По массовой доле железа (15-20 %) титаномагнетитовые руды относятся к бедным рудам. Титаномагнетитовые руды, как правило, представлены одним природным типом руды – титаномагнетитовая руда. Титаномагнетит также содержится в ильменитовых, титаномагнетитильменитовых и ильменит-титаномагнетитовых рудах. Ильменит в этих рудах имеет промышленное значение, поэтому эти руды относятся к титансодержащим, а не к железным. Титаномагнетитовые руды могут быть комплексными, например, медно-апатит-титаномагнетитовая руда Волковского месторождения. Для титаномагнетитовых руд различных месторождений выделяют разновидности в зависимости от особенностей минерального состава, размера вкрапленности магнетита. В основном руды подразделяют на малотитанистые и нормальнотитанистые. Малотитанистые руды имеют более высокую обогатимость. Размер зёрен титаномагнетита изменяется от 0,03 до 1 мм, с преобладанием зёрен 0,07-0,2 мм, что позволяет охарактеризовать основную вкрапленность как тонкую. Массовая доля SiO2 в основных нерудных минералах невысокая, что предопределяет низкую массовую долю в готовых концентратах (4-5 %). Это повышает металлургическую ценность концентратов, полученных из титаномагнетитовых руд. Титаномагнетит, содержащийся в титаномагнетитовых рудах, включает значительное количество изоморфных примесей (в основном Ti и V). Ванадий является полезной примесью, он извлекается при последующем металлургическом переделе. В составе титаномагнетитовых руд могут содержаться минералы, включающие вредные примеси (S и Р). В основном эти минералы выводятся в хвосты обогащения и не снижают качества железного концентрата. К вредной примеси, содержащейся в титаномагнетите, следует отнести титан. Титан является тугоплавким элементом и нарушает процесс вывода шлака из домны. В России титаномагнетитовые руды перерабатываются на Качканарском ГОКе и на Красноуральской ОФ Требования к железным концентратам и железорудному сырью Железорудное сырьё и железные концентраты применяют в металлургических процессах для производства чугуна и стали. В настоящее время основным источником получения стали являются железные концентраты. Железные концентраты получают путём глубокого обогащения железных руд по схемам с применением измельчения и мокрого магнитного обогащения. Крупность железных концентратов составляет менее 1 мм (до 100 % кл. -45 мкм). Для ГОКов, перерабатывающих железистые кварциты, массовая доля SiO2 в концентрате является вторым показателем (наряду с массовой долей железа), определяющим качество концентрата. Для ГОКов, перерабатывающих скарновые магнетитовые руды и титаномагнетитовые руды, массовая доля SiO2 в концентрате, как правило, не является показателем качества, так как в исходной руде диоксид кремния содержится в меньших количествах и удаляется в хвосты при обогащении. Схемы обогащения магнетитовых и титаномагнетитовых руд Схемы обогащения магнетитовых и титаномагнетитовых руд основных промышленных типов построены по принципу стадиального измельчения и магнитной сепарации с выделением хвостов после каждой операции изменения крупности продукта. Готовый концентрат получается после последней стадии измельчения и магнитной сепарации. Схемы обогащения достаточно экономичны и эффективны, так как в них реализован принцип «не измельчать ничего лишнего» – после каждой стадии измельчения выводятся отвальные хвосты. На многих фабриках применяется сухая магнитная сепарация мелкодроблёной руды. Назначением сухой магнитной сепарации является вывод части пустой породы в хвосты перед измельчением и глубоким обогащением. Иногда сухая магнитная сепарация позволяет получить конечный крупнокусковой концентрат (аглоруду). На некоторых ГОКах используется сухая магнитная сепарация крупнодроблёной руды крупностью 0-300 (350) мм, например, на обогатительной фабрике Кимкано-Сутарского ГОКа. На Костомукшском ГОКе сухая магнитная сепарация крупнодроблёной руды используется в карьере для предварительного обогащения бедных руд. Измельчение магнетитовых руд осуществляется, как правило, в три или в две стадии. В первой стадии измельчения применяют стержневые мельницы или шаровые мельницы, работающие в замкнутом цикле со спиральными классификаторами. Во второй и третьей стадиях используют шаровые мельницы, работающие в замкнутом цикле с гидроциклонами. На Лебединском ГОКе применяется технология самоизмельчения. Магнитная сепарация осуществляется в 2-5 стадий. Основными обогатительными аппаратами на ОФ являются сепараторы ПБМ с прямоточными, противоточными и полупротивоточными ваннами с индукцией магнитного поля В=0,16 Тл (до 0,3 Тл). На рис. 3 приведена схема обогащения титаномагнетитовой руды (Качканарский ГОК) с тремя стадиями измельчения (со стержневым измельчением в первой стадии) и с четырьмя стадиями ММС. В четвёртой стадии ММС использованы две последовательные операции (два приёма сепарации). Во II стадии измельчения в замкнутом цикле на многих ОФ применяется магнитная сепарация на сливе шаровых мельниц (рис.3), что позволяет не только снизить циркулирующую нагрузку, но и частично уменьшить переизмельчение вмещающих пород за счёт их вывода в немагнитный продукт перед операцией разделения по крупности в гидроциклонах. Причём при обогащении магнетитовых руд переизмельчение вмещающих пород более вредно, чем переизмельчение магнетита. Переизмельчение магнетита не приводит к значительному снижению его извлечения в магнитный продукт вследствие магнитной флокуляции, которая приводит к «укрупнению» частиц. При этом при обогащении железистых кварцитов в тонкоизмельчённых промпродуктах и концентратах магнетит концентрируется в классах 20-50 мкм. В более тонких классах увеличивается количество породных частиц, в более крупных классах увеличивается количество сростков, что приводит к снижению качества концентрата. Рис. 3. Схема обогащения титаномагнетитовой руды (Качканарский ГОК) На фабриках, перерабатывающих железистые кварциты, для удаления шламов используется операция обесшламливания, которой подвергаются сливы гидроциклонов и готовые концентраты. Обесшламливание осуществляется в магнитных дешламаторах МД-5; -9; -12 или в других аппаратах. На рис. 4 приведена принципиальная схема обогащения железистых кварцитов (Михайловский ГОК) с тремя стадиями измельчения (с шаровым измельчением в первой стадии), с тремя стадиями ММС и с тремя операциями обесшламливания. В третьей стадии ММС использованы две последовательные операции (два приёма сепарации). Дополнительная операция ММС-IV используется для сгущения концентрата (сгущающая ММС) Рис. 4. Схема обогащения железистых кварцитов (Михайловский ГОК) Явление магнитной флокуляции отрицательно сказывается на процесс разделения по крупности (классификация и тонкое грохочение) и на процесс фильтрования. Для дефлокуляции пульп на фабриках, в основном перерабатывающих скарновые магнетитовые и титаномагнетитовые руды, применяют размагничивающие аппараты (см. рис. 4). Размагничивание, применяемое между последовательными операциями ММС одной стадии, способствует более эффективному удалению в хвосты породных частиц. На многих обогатительных фабриках операция ММС в сепараторах ПБМПП используется для сгущения готового концентрата перед его фильтрованием. На фабриках, перерабатывающих железистые кварциты, для удаления шламов используется операция обесшламливания, которой подвергаются сливы гидроциклонов и готовые концентраты. Обесшламливание осуществляется в магнитных дешламаторах МД-5; -9; -12 или в других аппаратах. На рис. 5 приведена принципиальная схема обогащения железистых кварцитов (Михайловский ГОК) с тремя стадиями измельчения (с шаровым измельчением в первой стадии), с тремя стадиями ММС и с тремя операциями обесшламливания. В третьей стадии ММС использованы две последовательные операции (два приёма сепарации). Дополнительная операция ММС-IV используется для сгущения концентрата (сгущающая ММС). Рис. 5 Схема обогащения железистых кварцитов (Михайловский ГОК) Использование тонкого грохочения в схемах обогащения железных руд При измельчении и обогащении магнетитовых руд всех месторождений наблюдается концентрация железа в более мелких классах крупности, как в готовых концентратах, так и в промпродуктах. Причинами избирательного изменения размеров магнетита и вмещающих пород в процессах измельчения являются различия в их прочности. Обычно массовая доля железа в крупных классах крупности ниже, чем в мелких классах крупности. При этом данный вывод относится как к бедным промпродуктам, так и к конечному концентрату. Поэтому вторым свойством, которое можно, наряду с магнитной восприимчивостью, использовать при обогащении магнетитовых руд, является крупность, и её можно рассматривать как признак разделения по железу. Закономерности перераспределения железа по классам крупности при измельчении и обогащении предопределили использование тонкого гидравлического грохочения в схемах обогащения магнетитовых руд. С помощью тонкого грохочения решаются следующие технологические задачи: 1. Повышение эффективности работы замкнутого цикла измельчения путём улучшения как технологических показателей готового продукта цикла, так и путём улучшения экономических показателей (сокращение удельных затрат на измельчение и обогащение 1 т руды). 2. Повышение качества готового концентрата (увеличение массовой доли железа и снижение массовой доли кремнезёма и других вредных примесей). 3. Подготовка продукта для стадиального выделения концентрата или стадиальное выделение концентрата. Качество концентрата при прочих равных условиях повышается при решении всех технологических задач. На рис. 6 а,б приведены замкнутые циклы измельчения магнетитовых руд с использованием тонкого грохочения для разделения измельчённого продукта по крупности. Как правило, эти циклы реализуются во второй и третьей стадиях измельчения, питание которых не превышает 1 мм. В замкнутом цикле обязательно должна быть использована операция ММС на сливе мельницы для вывода в хвосты вскрытых частиц пустой породы и шламов. На рис. 6 в приведен элемент схемы с использованием тонкого грохочения для повышения качества готового концентрата. Подрешётный продукт является более качественным концентратом с большей массовой долей железа и меньшей массовой долей вредных примесей. Надрешётный продукт перерабатывается либо в отдельной стадии, либо направляется в последнюю стадию на измельчение и обогащение, являясь циркулирующей нагрузкой. Эффективность использования тонкого грохочения заключается в повышении качества готового концентрата. На рис. 6 г приведены элементы схемы обогащения магнетитовых руд с использованием тонкого грохочения в качестве подготовительной для осуществления стадиального получения концентрата. При этом если подрешётный продукт без магнитного обогащения является готовым концентратом, то тонкое грохочение можно отнести к самостоятельной операции. Технология стадиального выделения концентрата с применением тонкого грохочения, как правило, используется перед последней стадией измельчения, но она может быть осуществима уже после первой стадии измельчения (при использовании шаровой мельницы). Рис. 6. Варианты применения тонкого грохочения в схемах обогащения магнетитовых руд: а – в замкнутом цикле измельчения с поверочным грохочением; б – в замкнутом цикле измельчения с предварительным грохочением (классификацией) и с поверочным грохочением; в – для повышения качества готового концентрата; г – для стадиального выделения концентрата Повышение качества железных концентратов Типовые схемы обогащения железных руд, позволяют получать рядовые и высококачественные концентраты с массовой долей железа до 60-68 %, в зависимости от промышленного типа и вещественного состава руды. Для повышения качества концентратов разработаны специальные технологии, включающие как магнитные методы обогащения, так и другие обогатительные методы. Основными технологиями, позволяющими повысить качество железных концентратов являются: – доизмельчение до полного раскрытия магнетита с последующим магнитным обогащением; – флотационная доводка концентрата; – разделение рядового концентрата по крупности (тонкое гидравлическое грохочение и классификация в гидроциклонах); – магнитная сепарация в переменном магнитном поле. Принципиальная схема фабрики доводки железного концентрата приведена на рис. 7. Исходным питанием фабрики доводки является высококачественный концентрат с массовой долей железа 68-68,7%. В результате дообогащения высококачественного концентрата по традиционной технологии с шаровым измельчением и магнитной сепарации получается «суперконцентрат» с массовой долей железа не менее 69,5 % и массовой долей кремнезёма не более 3,5 %. Прирост массовой доли железа составляет 1,5-2 %. Рис.7- Принципиальная схема получения «суперконцентрата» на доводочной фабрике Лебединского ГОКа Флотационная доводка магнетитового концентрата Флотационный метод повышения качества магнетитовых концентратов применяется при обогащении железистых кварцитов. В большинстве случаев используется обратная катионная флотация, при которой в пенный продукт извлекаются кварц и силикаты. В качестве собирателя кварца в основном используются амины, в качестве депрессора магнетита – крахмал. Флотационное обогащение позволяет значительно повысить качество магнетитовых концентратов – массовая доля железа увеличивается на 3-4 %; массовая доля кремнезёма снижается на 3-5 %. Поэтому флотацию можно рассматривать как один из основных методов повышения качества концентратов. Использование флотационной доводки концентрата приводит к снижению извлечения железа в концентрат. Однако это характерно не только для флотационной доводки, но и для других методов и схем доводки концентрата. Тем не менее ГОКи внедряют флотационную технологию, так как прирост цены высококачественного концентрата превышает затраты, связанные с усложнением схемы обогащения и со снижением извлечения железа в концентрат. Высокачественный флотационный концентрат применяется для внедоменного процесса получения чугуна и стали. Рис.8- Принципиальная флотационная схема получения «суперконцентрата» на Михайловском ГОКе: к.пр. – камерный продукт; п.пр. – пенный продукт Разделение рядового концентрата по крупности Закономерности распределения железа в концентратах, связанные с более высокой массовой долей железа в мелких классах крупности, позволяют рассматривать возможность использования метода разделения по крупности для повышения качества магнетитовых концентратов. Технология дообогащения включает разделение концентрата по крупности на грохотах для тонкого грохочения и (или) в гидроциклонах, сепарацию мелкого продукта с получением высококачественного концентрата и доизмельчение и сепарацию крупного продукта. При этом концентрат, полученный из доизмельчённого и обогащённого крупного продукта, имеет массовую долю железа, примерно равную массовой доле железа в исходном концентрате, но ниже, чем у концентрата из мелкого продукта. Применение тонкого грохочения для повышения качества магнетитового концентрата позволяет получить более высокие технологические показатели обогащения за счёт исключения попадания крупных лёгких бедных частиц в тонкую фракцию, что происходит при использовании гидроциклонов. Рис. 9- Принципиальная схема повышения качества концентрата с помощью разделения по крупности на Костомукшском ГОКе Рис.10 - Принципиальная схема повышения качества концентрата с помощью тонкого грохочения на Ковдорском ГОКе Магнитная сепарация в переменном магнитном поле Одной из причин, не позволяющей на стандартных сепараторах ПБМ получать высококачественный концентрат, является флокуляция частиц магнетита. Будучи полезной при выделении бедных отвальных хвостов, магнитная флокуляция не позволяет значимо увеличивать массовую долю железа в готовом концентрате при использовании сепараторов ПБМ. Применение вместо стационарного магнитного поля переменных полей позволяет разрушать магнитные флокулы и пряди и высвобождать из них немагнитные частицы. Это приводит к повышению качества концентрата. В качестве индуктора переменного магнитного поля в основном применяются вращающиеся системы из постоянных магнитов. Обогащение слабомагнитных руд К слабомагнитным рудам, обогащаемым магнитными методами, относятся железные руды (мартитовые, гематитовые, бурожелезняковые, сидеритовые), марганцевые руды, титансодержащие руды и россыпи. Кроме того, магнитные методы применяют в схемах доводки вольфрамовых концентратов и иногда в схемах обогащения других руд. Для обогащения слабомагнитных руд применяют сепараторы с сильным магнитным полем – валковые и высокоградиентные с электромагнитной системой и сепараторы с системами из редкоземельных магнитов. Схемы обогащения слабомагнитных железных руд можно разделить на три вида: 1) магнитные схемы с использованием сепараторов с сильным магнитным полем; 2) комбинированные схемы с использованием кроме магнитного метода других методов обогащения (гравитационных, флотационных, электрических); 3) обжигмагнитные схемы с использованием сепараторов со слабым магнитным полем. Схемы обогащения с использованием сепараторов с сильным магнитным полем имеют особенности, связанные в основном с конструкцией сепараторов и с низкими магнитными свойствами обогащаемых минералов. Для обогащения слабомагнитных руд применяют валковые и высокоградиентные сепараторы с замкнутой магнитной системой, ограничивающей крупность исходного продукта. Поэтому некоторые схемы, особенно с применением высокоградиентных сепараторов, имеют дополнительные операции предварительного мокрого грохочения перед обогащением для предотвращения попадания в сепаратор крупных немагнитных частиц (древесина, резина и др.), которые могут перекрыть рабочую зону сепаратора. Наличие сильномагнитного магнетита и аппаратного железа в исходном продукте также может привести к забиванию (зарастанию) рабочей зоны сепаратора, особенно матриц высокоградиентного сепаратора. Очистка рабочей зоны сепаратора для слабомагнитных руд от магнетита вызывает определённые трудности, поэтому в схемах перед сепарацией в сильном магнитном поле желательно предусматривать операцию магнитной сепарации в слабом поле для выделения магнетита и других сильномагнитных частиц. Особенностью схем обогащения слабомагнитных руд является широкое применение контрольных операций для немагнитного продукта, которые реализуются либо в отдельных аппаратах, либо в одном аппарате с несколькими рабочими органами. Ряд схем имеют и перечистные операции для магнитного продукта. Обогащение гематитсодержащих руд Гематит относится к слабомагнитным минералам. Плотность гематита составляет 4900-5100 кг/м3 . Поэтому в схемах обогащения гематитовых руд применяют высокоградиентную магнитную сепарацию и аппараты для гравитационного обогащения, а также флотационный метод обогащения. Магнитные схемы обогащения Если в исходной руде низкое содержание слабомагнитных породных минералов, то с помощью магнитной сепарации получают готовый концентрат. К таким рудам можно отнести богатые итабиритовые руды Бразилии (массовая доля железа 35-60 %) и магнетит-гематитовые разновидности гематитовых кварцитов России. Если в исходной руде высокое содержание слабомагнитных породных минералов, то с помощью магнитной сепарации получают черновой гематитовый концентрат, который дообогащают с помощью других методов (гравитационных, флотационных, электрических). К таким рудам относятся железистые кварциты, преимущественно силикат-гематит-магнетитовой разновидности. Магнитно-гравитационные схемы обогащения Гематитовый концентрат с использованием гравитационных методов обогащения (отсадки) в России получают на Оленегорском ГОКе, при этом только из гематит-магнетитовой руды Оленегорского месторождения (из железистых кварцитов). По размеру зёрен гематита (0,07 – 0,9 мм) руда Оленегорского месторождения относится к мелковкрапленной гематитсодержащей руде. Это позволяет использовать высокопроизводительные отсадочные машины для получения гематитового концентрата. Схема включает циклы получения магнетитового и гематитового концентратов (рис. 11). Магнетитовый цикл осуществляется по традиционной схеме обогащения магнетитовых руд с применением барабанных сепараторов ПБМ со слабым магнитным полем. Немагнитные продукты сепараторов ПБМ после сгущения и обесшламливания в гидроциклонах поступают в диафрагмовые отсадочные машины. Отсадка осуществляется в две операции – основной и контрольной. Лёгкие продукты отсадки направляются в хвосты. Применение отсадочных машин позволяет получить гематитовый концентрат с массовой долей железа 60 % и крупностью более 0,071 мм. Более мелкий гематит не извлекается и уходит в хвосты фабрики со сливами гидроциклонов и лёгкими продуктами отсадочных машин. Для извлечений гематита крупностью менее 0,071 мм из железистых кварцитов разработаны магнитно-гравитационные схемы. Рис.11- Принципиальная схема обогащения гематит-магнетитовой руды Оленегорского месторождения: т – тяжёлый продукт; л – лёгкий продукт; пп – промежуточный продукт Магнитно-флотационные схемы обогащения Флотационный метод извлечения гематита крупностью менее 0,071 мм из немагнитных продуктов мокрой магнитной сепарации в слабом магнитном поле применяется при обогащении железистых кварцитов. По этой технологии из гематит-магнетитовых кварцитов с помощью магнитных сепараторов ПБМ получают магнетитовый концентрат, а из немагнитных продуктов обогащения в слабом магнитном поле с помощью флотации получают гематитовый концентрат. Магнетитовый и гематитовый концентраты смешиваются. В большинстве случаев используется обратная катионная флотация, при которой в пенный продукт извлекаются кварц и силикаты, а камерный продукт представлен гематитом. Рис.12 - Принципиальная схема получения гематитового концентрата из железистых кварцитов с помощью флотации Обжиг-магнитное обогащение Обжиг – процесс термической обработки руд без их расплавления с целью изменения физических свойств и химического состава обжигаемого материала. Применительно к железным рудам обжиг является подготовительной операцией, позволяющей перевести слабомагнитные минералы и соединения железа (гематит, мартит, лимонит, сидерит и др.) в сильномагнитные соединения (искусственные магнетит или маггемит). При этом изменяется химический состав соединений железа и повышается их магнитная восприимчивость до уровня сильномагнитных минералов. Такой обжиг называют магнетизирующим. Это позволяет после магнетизирующего обжига для получения железного концентрата использовать магнитную сепарацию в слабом магнитном поле вместо магнитной сепарации в сильном поле и приводит к получению концентрата более высокого качества. Магнетизирующий обжиг железных руд бывает восстановительным, восстановительно-окислительным и окислительным. При восстановительном обжиге происходит восстановление слабомагнитных окислов железа (Fe2O3) до сильномагнитных окислов. В качестве восстановителей применяют бурый уголь, антрацит, коксик, доменный, генераторный и природный газы, мазут. При использовании бурого угля, антрацита и коксика обжиг проводится при температуре 800-950 оС по уравнению: 3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO. Восстановление газами происходит при температуре 600-850 оС по уравнениям: 3Fe2O3+Н2=2Fe3O4+Н2O; 3Fe2O3+CО=2Fe3O4+CO2. Восстановительно-окислительный обжиг заключается в восстановлении слабомагнитных окислов железа до магнетита с последующим окислением магнетита до сильномагнитного маггемита (γ-Fe2O3) по уравнению: 2Fe3O4+0,5О2=3Fe2O3. Окисление магнетита до маггемита можно производить только после охлаждения восстановленной руды до температуры, при которой устойчив маггемит (300-400 оС). Окислительный магнетизирующий обжиг применяется для перевода слабомагнитных карбонатов железа (сидеритовые руды) в сильномагнитный магнетит по уравнению: 3FeCO3=Fe3O4+CO+2CO2. Обжиг-магнитные схемы состоят из операции магнетизирующего обжига дроблёной руды и последующего измельчения и мокрого обогащения в сепараторах со слабым полем типа ПБМ. Принципиально схемы магнитного обогащения обожжённой руды не отличаются от схем обогащения сильномагнитных магнетитовых руд, так как полученный после обжига искусственный магнетит или маггемит имеет магнитную схем является использование размагничивания пульп, вследствие большей магнитной жесткости искусственного магнетита и маггемита по сравнению с природными минералами. Себестоимость железного концентрата, полученного по обжиг-магнитной схеме выше себестоимости концентрата, получаемого из сильномагнитных руд вследствие затрат на обжиг. Обжиг-магнитные схемы использованы для обогащения окисленных железистых кварцитов на ЦГОКе (Украина), бурожелезняковых руд на Лисаковском ГОКе (Казахстан), сидеритовых руд Бакальского месторождения (Челябинская обл.). Сидеритовые руды Бакальского месторождения (Южный Урал) после обжига перерабатывают по схеме с сухой магнитной сепарацией. Для магнетизирующего обжига применяются трубчатые вращающиеся печи, шахтные печи и печи кипящего слоя. Обогащение ильменитсодержащих руд и россыпей. Ильменит относится к слабомагнитным минералам. Плотность ильменита составляет 4500-4800 кг/м3. Поэтому в схемах обогащения ильменитовых руд применяется магнитная сепарация и аппараты для гравитационного обогащения. При обогащении ильменитсодержащих руд также используется флотация. Обогащение ильменитсодержащих руд Ильменитсодержащие руды по мере увеличения в них массовой доли ильменита делятся на титаномагнетитовые, ильменит-титаномагнетитовые, титаномагнетит-ильменитовые и собственно ильменитовые. В основном руды классифицируются по массовой доле в них TiO2. Титаномагнетитовые руды характеризуются низкой массовой долей TiO2 (1-3 %) по сравнению с массовой долей железа (15-30 %). Ильменит из титаномагнетитовых руд не извлекают, так как массовая доля ильменита в рудах весьма низкая (непромышленная). При обогащении этих руд получают только титаномагнетитовый концентрат. К этому типу руд относятся Гусевогорское и Собственно Качканарское месторождения (Свердловская обл.). Ильменит-титаномагнетитовые руды характеризуются промышленным значением TiO2 (5-7 %). Из этих руд получают два концентрата – титаномагнетитовый и ильменитовый. При этом выход титаномагнетитового концентрата значительно превышает выход ильменитового концентрата. К этому типу руд относится Копанское месторождение (Челябинская обл.). Титаномагнетит-ильменитовые руды характеризуются повышенной массовой долей TiO2 (7-15 %). Из этих руд получают также два концентрата – титаномагнетитовый и ильменитовый. При этом выход ильменитового концентрата сопоставим с выходом титаномагнетитового концентрата. К этому типу руд относятся месторождения: Медведевское (Челябинская обл.), Большой Сейим и Куранахское (Амурская обл.). Собственно ильменитовые руды характеризуются существенным превышением массовой доли ильменита над массовой долей титаномагнетита в руде. Поэтому выход титаномагнетитового концентрата значительно ниже выхода ильменитового концентрата. В основном собственно ильменитовые руды представлены не отдельными месторождениями, а отдельными участками месторождений титаномагнетит-ильменитовых руд, например на Медведевском месторождении. Массовая доля диоксида титана в ильменитовом концентрате должна быть не ниже 42 %. Высококачественным считается концентрат с массовой долей ТiО2 более 48 %. Массовые доли вредных примесей: SiO2 < 4 %; Р < 0,1 %; S < 0,5 %. Принципиальная схема обогащения ильменитсодержащих руд приведена на рис. 13. Схема включает цикл получения титаномагнетитового концентрата и цикл получения ильменитового концентрата. Титаномагнетитовый концентрат получают с помощью мокрой магнитной сепарации в слабом поле в барабанных сепараторах после измельчения руды. Немагнитные продукты барабанных сепараторов поступают в цикл получения ильменитового концентрата с использованием комбинированных схем обогащения. Рис.13- Принципиальная схема обогащения ильменитсодержащих руд: п – проводники; нп – непроводники Обогащение ильменитсодержащих россыпей Россыпные месторождения образуются за счёт разрушения коренных месторождений и представлены в основном песком различной крупности. Особенностью песков россыпного месторождения является наличие большого количества свободных частиц минералов практически при отсутствии сростков. Поэтому россыпи перед обогащением не измельчают. Ильменитсодержащие россыпи называют титан-циркониевые, так в них кроме ильменита содержатся другие полезные минералы, в том числе циркон и другой титансодержащий минерал – рутил. Полезные минералы в россыпях имеют большую плотность, чем минералы породы, поэтому их предварительно обогащают гравитационными методами (на винтовых сепараторах) с получением коллективного концентрата. В дальнейшем осуществляется разделение коллективного чернового концентрата на отдельные продукты с помощью магнитных и электрических методов обогащения (иногда в сочетании с гравитационными и флотационными методами). Минералы, обогащаемые магнитными методами, которые могут содержаться в титан-циркониевых россыпях, по величине магнитной восприимчивости можно расположить в ряд: магнетит – ильменит – гранат - ставролит - монацит. Первый минерал ряда магнетит имеет самую большую магнитную восприимчивость, последний минерал монацит – самую низкую. Магнетит извлекают в слабом магнитном поле (В=0,16 Тл), ильменит и ставролит – в сильном магнитном поле (В=0,5-1,2 Тл), а для извлечения монацита применяют весьма сильное магнитное поле (В до 2 Тл). Немагнитные минералы, содержащиеся в титан-циркониевых россыпях, обогащаются электрическими методами (рутил является проводником, циркон – непроводником). Если в коллективном гравитационном концентрате содержится много магнитных минералов (магнетит, ильменит), то применяют схемы с магнитной сепарацией в начале процесса (рис. 14, а). Если в гравитационном концентрате содержится большое количество не проводящих электричество минералов (циркон, ставролит, монацит), то применяют схемы с электрической сепарацией в начале процесса (рис. 14, б). Во всех схемах обогащения гравитационного коллективного концентрата применяется магнитная сепарация с последовательным увеличением индукции магнитного поля сепараторов для выделения различных минералов. Рис. 14- Принципиальная схема обогащения титан-циркониевых россыпей: а – с магнитной сепарацией в начале схемы; б – с электрической сепарацией в начале схемы (операции сушки не показаны); В – индукция магнитного поля (В1 < В2 < В3)