Обогащение руд цветных металлов

Полях О.А. ОБОГАЩЕНИЕ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Новокузнецк 2015 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» О.А. Полях ОБОГАЩЕНИЕ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Конспект лекций Новокузнецк 2015 УДК 669.2/.8 (075) ББК 34.33я7 П 548 Рецензенты: заведующий коксовой лабораторией Кузнецкого центра Всероссийского углехимического института, кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.М. Страхов; профессор кафедры металлургии черных металлов Юргинского технологического института (филиала) ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», доктор технических наук Р.А. Гизатулин П 548 Обогащение руд цветных металлов : конспект лекций / О.А. Полях ; Сиб. гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2015. – 74 с. : ил. Дана характеристика сырьевой базы цветной металлургии, рассмотрены особенности вещественного состава руд цветных металлов, описаны технологические схемы и режимы, раскрыты вопросы подготовки руд к обогащению. Конспект лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.00.00 Технологии материалов, 18.00.00 Химические технологии при изучении дисциплин «Обогащение руд цветных металлов», «Подготовка руд цветных металлов», «Минералогия и обогащение руд». УДК 669.2/.8 (075) ББК 34.33я7 © Сибирский государственный индустриальный университет, 2015 © Полях О.А., 2015 2 Содержание Введение ...................................................................................................... 5 Лекция 1. Минерально-сырьевая база России. Цель и задачи обогащения.................................................................................................. 7 1. Минерально-сырьевая база России................................................... 7 2. Обогащение, его цели и задачи. Объем, динамика добычи и обогащения руд цветных металлов .................................................... 11 Контрольные вопросы ......................................................................... 13 Лекция 2. Типы руд и месторождений цветных металлов. Технологическая характеристика и классификация ............................ 14 1. Типы руд и месторождения цветных металлов ............................. 14 2. Характеристика качества руд .......................................................... 16 Контрольные вопросы ......................................................................... 21 Лекции 3, 4 Подготовка к обогащению руд цветных металлов ......... 23 1. Характерные особенности руд цветных металлов........................ 23 2. Схемы измельчения руд ................................................................... 25 Контрольные вопросы ......................................................................... 37 Лекция 5. Предварительное обогащение руд цветных металлов ...... 38 1. Возможности предварительного обогащения ............................... 38 2. Методы предварительной концентрации ....................................... 39 Контрольные вопросы ......................................................................... 43 Лекция 6. Технологические схемы предварительного обогащения основных типов минерального сырья .................................................... 44 1. Схемы обогащения в тяжелых суспензиях .................................... 44 2. Комбинированные схемы предварительного обогащения .......... 48 Контрольные вопросы ......................................................................... 51 Лекция 7. Схемы обезвоживания продуктов при обогащении основных типов минерального сырья .................................................... 52 1 Схемы обезвоживания крупных продуктов обогащения .............. 52 2 Схемы обезвоживания мелких продуктов обогащения ................ 54 Контрольные вопросы ......................................................................... 57 Лекция 8. Перспективы развития техники и технологии обогащения и комплексного использования минерального сырья .......................... 58 3 1. Перспективы устойчивого развития горноперерабатывающей индустрии России ................................................................................. 58 2. Направления совершенствования и развития процессов обогащения полезных ископаемых..................................................... 61 Контрольные вопросы ......................................................................... 71 Список использованных источников ..................................................... 73 4 Введение Развитие мировой экономики постоянно сопровождается ростом потребления топливно-энергетических и других видов минеральных ресурсов. Потребление цветных и легирующих металлов увеличилось за последние 100 лет в 3–5 раз. В ХХI в. будет продолжаться интенсивный рост потребления практически всех видов минерального сырья. Прогнозируется, что в ближайшие 50 лет объем горно-добычных работ увеличится более чем в 5 раз. В то же время качество перерабатываемых руд и содержание в них металлов непрерывно снижается. За последние 20 лет содержание цветных металлов в рудах уменьшилось в 1,3–1,5 раза, доля труднообогатимых руд возросла до 40 % от общей массы сырья, поступающего на обогащение. В переработку вовлекаются руды, характеризующиеся низким содержанием ценных компонентов, тонкой вкрапленностью и близкими технологическими свойствами минералов. Поэтому в отличие от прошлых лет, когда некоторые руды с высоким содержанием свинца, меди или олова направлялись непосредственно на металлургическую плавку, руды цветных и редких металлов, добываемые в последние годы, непригодны для непосредственного получения из них металла, и переработка их экономически невыгодна без предварительного обогащения. В настоящее время имеются новые теории и технологии извлечения ценных компонентов из руд, разработаны и апробированы на производстве более совершенные аппараты и оборудование. 5 В конспекте лекций дана характеристика сырьевой базы цветной металлургии, рассмотрены особенности вещественного состава руд цветных металлов, описаны технологические схемы и режимы, раскрыты вопросы подготовки руд к обогащению. В конце каждой лекции приведены контрольные вопросы, позволяющие преподавателю оценить степень освоения студентами материала. Предложен список рекомендуемой литературы, которая позволит более глубоко изучить материал данной дисциплины. Конспект лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.00.00 Технологии материалов, 18.00.00 Химические науки при изучении дисциплин «Обогащение руд цветных металлов», «Подготовка руд цветных металлов», «Минералогия и обогащение руд». Конспект лекций дисциплины «Обогащение руд цветных металлов» разработан с использованием материалов [1 – 10]. 6 Лекция 1 Минерально-сырьевая база России. Цель и задачи обогащения План лекции 1 Минерально-сырьевая база России [1, 2, 8 – 10]. 2 Обогащение, его цель и задачи. Объем, динамика добычи и обогащения руд цветных металлов [1, 5]. 1 Минерально-сырьевая база России Рост народонаселения и потребностей человека приводят к необходимости увеличивать использование природных ресурсов, что, естественно, сказывается на масштабах антропогенного вмешательства в природную среду. Следовательно, базовым, фундаментальным критерием устойчивого развития является сопряжение экономики и экологии как сфер практической деятельности. Здесь окружающая среда рассматривается не просто как лимитирующий фактор, но и как важнейшее условие экономического развития. Россия, как известно, страна, богатая природными ресурсами. На 2,6 % населения Земли приходится 12,5 % суши континентов, 30 % шельфовых акваторий – главных источников энергетических ресурсов будущего, 22 % лесных ресурсов, 20 % пресных вод и 16 % всех минерально-сырьевых ресурсов. По ценам мирового рынка 1999–2000 гг. доля различных видов сырья в общей ценности недр России составляет, %: Топливно-энергетические ресурсы 72,2 Нерудное сырье (включая агроруды) 13,3 Сырье черной металлургии 6,6 7 Сырье цветной металлургии 6,1 Благородные металлы и алмазы 1,1 Редкие и рассеянные металлы 0,7. На балансе России находится более 20 тыс. месторождений полезных ископаемых (помимо подземных вод и стройматериалов), половина из которых эксплуатируется. С позиции глобального распределения полезных ископаемых доля России оценивается следующим образом: 1) энергетические ресурсы (32 % – газ, 12–13 % – нефть, 12 % – уголь от мировых разведанных запасов); 2) благородные металлы (платина – 40 %, палладий – 90 %); 3) редкие и редкоземельные элементы (ниобий ~35 %, тантал ~80 %, иттрий – 50 %, литий – 28 %, бериллий – 15 %, цирконий – 12 %); 4) металлы металлургического производства (никель ~36 %, железо ~27 %, олово ~27 %, кобальт ~20 %, цинк ~16 %, свинец ~12 %); 5) агрохимические руды (калийные соли – 31 %, первое место в мире, фосфаты – второе место). По разведанным запасам алмазов Россия на первом месте, по золоту – на третьем месте в мире. Состояние России по отдельным полезным ископаемым представлено в таблице 1. Таблица 1 - Обеспеченность России полезными ископаемыми Полезное ископаемое Железные руды Удельный вес России, % Обеспеченность в мировых в мировом запасами запасах производстве разведанные / подготовленные, лет 24,2 12,4 208/104 8 Степень промышленного освоения 50,0 Полезное ископаемое Удельный вес России, % Обеспеченность в мировых в мировом запасами запасах производстве разведанные / подготовленные, лет Марганцевые 2,7 руды Хромовые 0,3 1,2 18/11 руды Бокситы 2,7 5,0 195/95 Свинец 12,2 1,5 160/33 Цинк 14,5 2,9 130/30 Медь 11,1 7,0 82/40 Никель 28,6 26,5 66/63 Вольфрам 22,4 23,9 59/41 Молибден 12,9 5,9 138/44 Ртуть 12,6 0,3 -/3,5 Сурьма 5,4 18,5 34/19 Титан 25,0 0,2 -/89 Ниобий 34,8 14,6 998/78 Тантал 73,1 16,1 577/65 Плавиковый 15,1 7,6 53/21 шпат Степень промышленного освоения 0,0 60,0 48,8 16,0 20,7 49,1 94,3 69,6 31,8 2,4 84,5 0,5 7,8 11,3 39,6 Одной из характерных черт сырьевой базы России, благоприятной для будущего, является значительный процент уникальных месторождений – суперкрупных и крупных по запасам. Общее число таких месторождений, определяющих современный природно-ресурсный облик страны, составляет примерно 100–120 нефтегазовых и такое же число по основным видам твердых полезных ископаемых. В то же время анализ состояния и развития минеральносырьевой базы страны за последние 10 лет свидетельствует о глубоком кризисе в отрасли, последствия которого таковы: 9 1) значительное уменьшение доли России в добыче полезных ископаемых в период перехода к рыночной экономике, что особенно показательно на фоне существенного роста мировой добычи; 2) резкое падение внутреннего потребления сырья и рост экспорта; 3) сокращение на 30–70 % активных запасов по большинству видов минерально-сырьевых ресурсов; 4) приватизация всех ранее открытых и привлекательных по параметрам месторождений, рудников и ГОКов (при этом большая часть из них передана недропользователям бесплатно); 5) критическая ситуация с воспроизводством запасов полезных ископаемых, что снизило обеспеченность сырьем многих действующих предприятий до критического уровня (5–10 лет). При этом необходимо учитывать, что обширные территории нашей страны, крупные месторождения многообразных видов полезных ископаемых создают иллюзию доступности, неисчерпаемости и безопасности последствий их использования. Хотя известно, что запасы недр не беспредельны, качество и доступность их уменьшаются по мере нерационального потребления и, следовательно, снижается экономическая эффективность, а доля неиспользованной части добытого из недр сырья постоянно растет. Потенциал недр по стоимости оцененных извлекаемых запасов распределен крайне неравномерно. Максимум стоимости приходится на Уральский федеральный округ в его новых очертаниях ~53 %, далее следует Сибирский ~18 %, Дальневосточный ~7 %, СевероЗападный ~7 %, Приволжский ~6 %, Центральный ~6 %, СевероКавказский ~3 %. При этом наиболее перспективные по валовой потенциальной ценности (от 3 000 до 8 000 млрд дол.) из разведанных запасов основных видов полезных ископаемых нашей страны 10 находятся на заболоченных территориях с суровыми климатическими условиями. 2 Обогащение, его цели и задачи. Объем, динамика добычи и обогащения руд цветных металлов Добыча руд и производство цветных и редких металлов с каждым годом возрастают. В то же время качество перерабатываемых руд и содержание в них металлов непрерывно снижаются. Поэтому в отличие от прошлых лет, когда некоторые руды с высоким содержанием свинца, меди или олова направлялись непосредственно на металлургическую плавку, руды цветных и редких металлов, добываемые в настоящее время, непригодны для непосредственного получения из них металла, и переработка их экономически невыгодна без предварительного обогащения. Объектом для процессов обогащения являются, как правило, твердые полезные ископаемые, добываемые из недр или с поверхности земли. В результате обогащения происходит: 1) концентрация ценного компонента в десятки, сотни раз; 2) удаление вредных примесей из концентратов, что облегчает металлургический или другой последующий передел; 3) сокращение затрат на перевозки потребителю (за счет уменьшения общей массы продукта); 4) увеличенние производительности последующего передела, уменьшение расхода топлива и электроэнергии, снижение потерь ценного компонента с отходами производства, повышение извлечения. Целесообразность обогащения перед металлургическим переделом показана в таблице 2. 11 Таблица 2 - Показатели выплавки свинца в зависимости от содержания свинца в сырье Содержание свинца в концентрате 50 30 10 Относительная производительность завода, % 100 53 17 Расход кокса Потери на 1 т свинца, свинца, % т Извлечение свинца, % 1,0 2,6 11,4 96,0 91,2 69,0 4,0 8,8 31,0 То же самое происходит и при выплавке медного, цинкового, оловянного концентратов. Кроме того, руды, как правило, полиметаллические и для осуществления плавки необходимо разделить концентраты на стадии обогащения, так как если в свинцовом концентрате содержится много цинка, то извлечь его обычным металлургическим методом нельзя. По данным Министерства природных ресурсов РФ, природные ресурсы России дают до 60 % бюджетных доходов и до 70 % экспорта. Минерально-сырьевая база представлена тысячами месторождений суммарной ценностью около 25–30 трл дол. Совокупность полезных ископаемых, заключенных в недра, составляет понятие «минеральные ресурсы», которые являются основой для развития таких важнейших отраслей промышленности, как энергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, производство строительных материалов. Ежегодно в мире добывается до 20 т горной массы на человека. За последние 20 лет из недр Земли извлечено минерального сырья столько же, сколько за всю предыдущую историю человечества. Развитие мировой экономики постоянно сопровождается ростом потребления топливноэнергетических и других видов минерального сырья. Потребление цветных и легирующих металлов увеличилось за последние 100 лет в 3–5 раз. В ХХI в. будет продолжаться интенсивный рост потребления 12 практически всех видов минерального сырья. Только в предстоящие 50 лет потребление нефти увеличится в 2,0–2,2 раза, природного газа – в 3,0–3,2, железной руды – в 1,4–1,6, первичного алюминия – в 1,5– 2,0, меди – в 1,5–1,7, никеля – в 2,6–2,8, цинка – в 1,2–1,4, других видов минерального сырья –в 2,2–3,5 раза. В связи с этим в ближайшие 50 лет объем горно-добычных работ возрастет более чем в 5 раз. Контрольные вопросы 1. Какова доля различных видов сырья в общей ценности недр России? 2. Какова доля России в распределении полезных ископаемых от мировых разведанных запасов? 3. Назовите факторы, свидетельствующие о глубоком кризисе в минерально-сырьевой отрасли. 4. Перечислите факторы, указывающие на целесообразность обогащения полезных ископаемых. 5. Сформулируйте понятие «минеральные ресурсы». 13 Лекция 2 Типы руд и месторождений цветных металлов. Технологическая характеристика и классификация План лекции 1. Типы руд и месторождения цветных металлов [1, 8–10]. 2. Характеристика качества руд [2,3]. 1 Типы руд и месторождений цветных металлов Руды цветных металлов являются комплексным сырьем, в котором находятся основные металлы – медь, свинец, цинк, никель, кобальт, молибден,вольфрам, висмут. Присутствуют также золото, серебро, кадмий, индий, селен, теллур, рений, таллий, галлий, редкие земли, сера, барит, флюорит, кварц и другие минералы и элементы. Основная масса (80–85 %) цветных металлов в рудах представлена сульфидными минералами. Благородные металлы и примеси присутствуют в рудах главным образом в виде изоморфных примесей и тонкодисперсных включений в минералы основных и сопутствующих полезных компонентов, таких, как пирит, халькопирит, галенит, барит, молибден. Несульфидные минералы представлены окислами, силикатами, карбонатами, фосфатами и другими минералами в различном соотношении. Руды весьма разнообразны и изменчивы по химическому и минеральному составу, характеру вкрапленности и текстурно-структурным особенностям, степени окисленности, обогатимости. По классификации баланса запасов к важнейшим промышленным типам медных руд относятся: медистые песчаники; 14 медно-порфировые; медно-колчеданные, кварцево-сульфидные (жильные), ванадиево-железомедные (магматические); медновольфрамовые, медно-никелевые; медно-висмутовые; меднооловорудные; медно-золоторудные. В свою очередь, руды свинца и цинка подразделяют на полиметаллические (медно-свинцовоцинковые); барито-полиметаллические; свинцово- цинковые; баритосвинцово-цинковые; свинцовые; барито-свинцовые, колчеданные медно-цинковые. Промышленные типы руд выделяются главным образом по содержанию в них основных и сопутствующих компонентов, а также по форме рудных тел и генезису. Дальнейшее дифференцирование руд как объектов обогащения производится путем выделения подтипов и разновидностей их по степени окисленности, крупности и характеру вкрапленности рудных минералов, крепости, текстурно-структурным особенностям и другим признакам. Так, в зависимости от соотношения сульфидных и окисленных минеральных форм основных металлов руды подразделяют на сульфидные, смешанные и окисленные. Если основные металлы в медных и медно-молибденовых рудах более чем на 90 %, а в полиметаллических – более чем на 80 % представлены сульфидными минералами, то руды считаются сульфидными. Если содержание сульфидных фракций основных металлов меньше 50 %, то – окисленными. При промежуточных содержаниях сульфидных форм основных металлов руды считаются смешанными. Основная масса (80–85 %) цветных металлов сосредоточена в сульфидных соединениях, и сульфидные руды являются основным источником их производства. По содержанию сульфидов в руде различают вкрапленные (менее 25 % сульфидов) и массивные (более 50 % сульфидов). Сульфидные медные руды при этом разделяются на первичные и вторичные в зависимости от соотношения первичных и вторичных 15 сульфидов меди. По крупности вкрапленности различают руды: крупновкрапленные – размер включений извлекаемых минералов более 0,4 мм, средней вкрапленности – размер включений составляет 0,15–0,4 мм, тонковкрапленные – размер вкрапленности менее 0,15 мм. По характеру вкрапленности различают равномерно вкрапленные, неравномерно вкрапленные и руды с агрегативной вкрапленностью минералов. По крепости руды классифицируют таким образом: мягкие, если коэффициент их крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова не превышает 10; средние – при значении коэффициента 10–14; твердые – 14–18; весьма твердые > 18. По содержанию минералов руды делятся на богатые, бедные и забалансовые (не промышленные), границы между которыми определяются состоянием техники и технологии обогащения, экономическими интересами и потребностями государства в производстве металлов. Приведенная выше классификация промышленных типов руд не полностью раскрывает их обогатимость, зависящую от сочетания многих природных факторов. Различные сочетания свойств руд создают большое многообразие их типов и разновидностей, отличающихся между собой важными технологическими свойствами по отношению к процессам дробления, измельчения, обогащения. 2 Характеристика качества руд Качество рудного сырья является определяющим фактором большинства технологических и 16 экономических показателей обогатительных фабрик и металлургических заводов. Снижение качества руд отрицательно влияет как на уровень техникоэкономических показателей переработки, так и на качество конечной продукции. Качество рудного сырья в зависимости от направлений его дальнейшего использования характеризуют по следующим признакам: химическому составу (содержанию полезных основных и вредных компонентов), минералогическому составу, структурнотекстурным особенностям рудных минералов, физико-химическим свойствам, гранулометрическому составу, влажности, прочим свойствам. Одним из важнейших параметров качества является содержание в рудах основных металлов (полезных компонентов). При ухудшении этого показателя уменьшается выход концентрата, содержание в нем металла, извлечение, увеличиваются затраты на переработку руд, растет себестоимость товарной продукции. Особое значение имеет содержание металлов в рудах, поступающих непосредственно в металлургическую переработку. К таким рудам относятся, например, окисленные никелевые руды, перерабатываемые пирометаллургическим или гидрометаллургическим способами. Снижение содержания никеля в них на 0,1 % (при общем содержании металла около 1 %) равнозначно увеличению объекта переработки материала на 10 % с соответствующим ростом затрат на передел. Результаты флотации сульфидных (а также окисленных) руд находятся в определенной зависимости от того, каким минералом представлен металл или его соединение. В частности, для медных руд различные показатели извлечения металлов получаются при флотации первичных и вторичных сульфидов. Для обогащения руд вольфрамовых месторождений важное значение имеет соотношение в них металлов вольфрамита и шеелита, для молибденовых – молибденита и повеллита. Некоторые из сульфидных и большинство 17 окисленных природных соединений цветных металлов обогащаются с очень низким извлечением в концентраты. Поэтому для отдельных руд содержание труднофлотируемых сульфидных и окисленных форм в товарной продукции ограничивается определенными пределами. Наличие окисленных минералов сверх допустимого количества вызывает большие потери металлов, особенно при обогащении медных (таблица 3), медно-молибденовых и молибденовых руд, перерабатываемых на обогатительных фабриках в больших масштабах. Таблица 3 - Влияние степени окисленности медной руды Удоканского месторождения на показатели флотации (по данным Иргиредмета) Тип руды Показатель халькозинбаритовая халькопиритовая смешанная окисленная Степень 5 окисленности, % 5 21 82 Извлечение меди, % 90,0 94,5 92,5 85,5 Содержание меди в концентрате, % 24,2 47,5 35,2 34,0 Из труднофлотируемых сульфидных медных минералов можно назвать валлерит (CuFe)2S2·1,526[(Mg, Al, Fe)(ON)2], содержащийся в медно-никелевых рудах и извлекаемый в весьма низкой степени при флотации. Наблюдается и обратная картина, когда нежелательно 18 присутствие сульфидных минералов. Например, основным минералом оловосодержащих руд является касситерит – оксид олова. Технология обогащения оловянных руд, как правило, гравитационная. Присутствие в рудах минерала станнина (сульфид олова) требует для его извлечения уже комбинированной флотационно-гравитационной схемы переработки. Большое влияние на результат обогащения оказывают и структурно-текстурные особенности рудных минералов. Примером служит переработка медно-цинковых руд Николаевского месторождения в Восточном Казахстане. Месторождение содержит как кристаллические, так и метаколлоидные руды. Если первые имеют относительно крупный размер зерен сульфидов меди и цинка и легко обогащаются селективной флотацией, то вторые обладают эмульсионной взаимной вкрапленностью медных и цинковых минералов и практически не поддаются селекции. Вследствие этого из метаколлоидных руд пока получают только коллективные концентраты. Технико-экономические показатели переработки руд, особенно извлечение металлов, могут ухудшаться из-за присутствия в рудах некоторых породообразующих минералов. Так, примешивание к рудам Тырнаузского месторождения сверх определенного предела скарнированных мраморов (кальцита) резко снижает степень извлечения вольфрама в концентраты. В силу этого при разработке участков месторождения с повышенным содержанием кальцитов необходимо выделять последние из руд методом концентрации в тяжелых средах. К отрицательным физическим свойствам руд относится их слеживаемость, которая вызывает значительные затруднения при выпуске руд из бункеров, их транспортировании и грохочении и может приводить к остановке оборудования, возникновению перерывов в технологическом процессе и снижению показателей 19 обогащения. Радикальных мер борьбы с этим свойством руд еще не разработано. Наличие в рудах тонкой, обычно глинистой фракции обуславливает повышенное шламообразование в процессе рудоподготовки и увеличенные потери металлов при флотации. Пока также не найдено удовлетворительных флотационных способов извлечения полезных компонентов из шламовой фракции руды. Из приведенных примеров следует, что руды обладают большим количеством разнообразных свойств, влияющих на техникоэкономические показатели их переработки. Для более полного и комплексного использования минеральных ресурсов необходимо соблюдать жесткие требования к оценке качества руд, направляемых на обогатительные фабрики и металлургические заводы. Качество добываемых руд в конечном счете нужно оценивать не по отдельным показателям, а по сочетанию свойств, отражающих пригодность руд к соответствующей технологии переработки с получением устойчивых и экономически приемлемых показателей. Другими словами, нужно использовать комплексный принцип технологической оценки качества руд. Например, к числу комплексных технологических показателей качества руд, направляемых на обогатительные фабрики, можно отнести обогатимость флотационными или гравитационными методами; руд, подлежащих гидрометаллургической переработке, – растворимость полезного компонента в промышленных растворителях; руд, перерабатываемых пирометаллургическим способом, – плавкость в определенных условиях и т.п. Практически комплексная технологическая оценка качества рудного сырья должна осуществляться главным образом по выдаче горным предприятием технологических типов и сортов руд, их соотношению в товарной продукции и по однородности вещественного состава руд в потоке и 20 в отдельных партиях. Технологические типы и сорта руд выделяют и классифицируют отдельно по каждому конкретному месторождению в зависимости от природных свойств руд и горно-геологических условий залегания рудного тела на стадии подготовки месторождений к промышленному освоению. При этом должны особо учитываться специфические свойства руд и их изменчивость в пределах месторождения. При определении экономической целесообразности выделения технологических типов и сортов руд следует руководствоваться не только сокращением затрат на добычу и переработку рудного сырья, но и необходимостью максимального использования минеральных ресурсов. Таким образом, на горных предприятиях наряду с оценкой качества руд по содержанию в них основного полезного компонента (что имеет, безусловно, очень важное значение) необходимо оценивать продукцию по степени ее обогатимости (растворимости, плавкости) в сопоставлении с данными, установленными при подготовке запасов к выемке. Для этого на всех рудниках должны работать аналитические лаборатории или группы для определения вещественного состава и экспрессной технологической оценки качества руд. Контрольные вопросы 1. Назовите руды, относящиеся к рудам цветных металлов. 2. Что означает термин «комплексное сырье»? 3. В чем заключается комплексный принцип технологической оценки качества руд? 4. Перечислите важнейшие промышленные типы медных руд. 21 5. Приведите классификацию руд свинца и цинка в зависимости от содержания в них основных и сопутствующих ценных компонентов. 6. Как дифференцируют руды по степени окисленности? 7. Как классифицируют руды по характеру и крупности вкрапленности? 8. Как руды подразделяют по твердости? 9. Чем определяется граница деления руд на богатые, бедные и забалансовые? 10. Какие факторы влияют на качество рудного сырья? 22 Лекции 3, 4 Подготовка к обогащению руд цветных металлов План лекции 1. Характерные особенности руд цветных металлов [1, 3]. 2. Схемы измельчения руд [2, 4-6]. 1 Характерные особенности руд цветных металлов Руды цветных металлов обладают рядом характерных особенностей, которые определяют не только выбор технологии их переработки и обогащения, но и технологию разработки месторождений. К основным из них относятся следующие. 1. Комплексность сырья. В рудах цветных металлов, наряду с основными металлами (медью, свинцом, цинком, никелем, кобальтом, молибденом, вольфрамом, висмутом), присутствуют золото, серебро, кадмий, индий, селен, теллур, рений, таллий, галлий, редкие земли, сера, барит, флюорит, кварц и другие элементы и минералы. Основная масса (80–85 %) цветных металлов в рудах представлена сульфидными минералами. Благородные металлы и примеси присутствуют в рудах главным образом в виде изоморфных примесей и тонкодисперсных включений в минералы основных и сопутствующих полезных компонентов, таких, как, например, молибденит, барит, пирит и др. Несульфидные минералы представлены оксидами, силикатами, карбонатами, фосфатами и другими породными минералами в различном их соотношении. Существующий уровень технологии переработки и обогащения руд цветных металлов позволяет наладить практически безотходное производство, однако возможность организации его на практике зависит также и от экономических, географических, ведомственных и других факторов, действующих в регионе. 2. Низкое содержание цветных металлов в рудах. Среднее содержание меди в медно-порфировых рудах за рубежом в настоящее время составляет около 0,9 %, в медистых песчаниках – 2 %, в медноколчеданных рудах – 1,4 %. В этих же пределах изменяются средние содержания свинца, никеля и цинка. Содержания сопутствующих 23 металлов при этом оцениваются обычно сотыми и тысячными долями процента. По содержанию металлов руды условно делят на богатые, бедные и забалансовые (непромышленные), границы между которыми определяются состоянием техники и технологии обогащения, экономическими интересами и потребностями государства в производстве металлов. Постоянный рост производства и потребления основных цветных металлов (меди, свинца, цинка, никеля) сопровождается непрерывным снижением их содержания в перерабатываемых рудах. Например, среднее содержание меди в медных рудах США за последние 90 лет уменьшилось в 10 раз и составляет в настоящее время около 0,3 %. 3. Сложность и изменчивость вещественного состава руд. Руды цветных металлов весьма разнообразны и изменчивы по химическому и минеральному составу, характеру вкрапленности и текстурно-структурным особенностям, степени окисленности, крепости, дробимости, измельчаемости, обогатимости. С увеличением степени окисления руд ухудшается их обогатимость. Причины: возрастающая сложность минерального состава руд; окисление поверхности; активация и взаимоактивация имеющихся сульфидов; многообразие и худшая флотируемость (по сравнению с сульфидами) окисленных минералов; тесная связь окисленных минералов цветных металлов с минералами пустой породы и между собой; резкое возрастание в рудах содержания охристо-глинистых шламов, растворимых солей и непостоянство вещественного состава руд. Различные сочетания свойств руд создают большое многообразие их типов и разновидностей, отличающихся между собой важными технологическими свойствами по отношению к процессам дробления, измельчения, обогащения и др. Поэтому технологические типы и сорта руд на каждой обогатительной фабрике определяют по результатам специально проведенных технологических испытаний. 4. Сложные горно-геологические условия залегания в недрах рудных месторождений. Месторождения цветных металлов обычно отличаются сравнительно небольшими запасами, особой сложностью морфологии и разобщенностью рудных тел, весьма крепкими рудами и вмещающими породами, предопределяющими большую трудоемкость при их разработке. Разнообразие наблюдаемых при этом структур и текстур сопровождается резкими изменениями 24 физико-механических свойств руды. Разработка месторождений осложняется необходимостью выдачи руд по технологическим сортам. Промышленные типы руд выделяются по содержанию в них основных и сопутствующих компонентов, а также по форме рудных тел и генезису. 5. Тонкая дисперсная связь ценных компонентов с вмещающими горными породами и между собой. Различный характер минерализации перерабатываемых руд требует разработки более совершенной технологии рудоподготовки, применения более сложных стадиальных схем обогащения. Оптимальную конечную и промежуточную (по стадиям) крупность измельчения выбирают на основании зависимости показателей обогащения от крупности измельчения руды. Условно различают крупное (45–55 %, т.е. – 0,074 мм), среднее (55–85 %) и тонкое (более 85 %) измельчение. 2 Схемы измельчения руд Схемы измельчения в барабанных мельницах с использованием в качестве измельчающей среды стальных стержней и шаров находят наибольшее применение на действующих фабриках и продолжают быть основными при проектировании и строительстве новых фабрик. Для моно- и полиметаллических руд, не склонных к переизмельчению и ошламованию, с крупной и равномерной вкрапленностью полезных минералов (или с их агрегатным срастанием), для которых достаточно крупного измельчения, принимают при любой производительности фабрики одностадиальную схему измельчения в шаровых мельницах (рисунок 1, а). Она получила широкое распространение при строительстве крупных медных и медномолибденовых фабрик («Сиерита», «Бугенвиль», «Колон» и др.), на которых используются мельницы с центральной разгрузкой объемом более 100 м3. Одностадиальное измельчение наиболее устойчиво, легко автоматизируется, проще и надежнее в эксплуатации. Мелкодробленая (до 10–15 мм) руда практически исключает отрицательное влияние сегрегации в складах и бункерах, дает наилучшее естественное усреднение по измельчаемости и качеству, проходя через весь тракт, предшествующий измельчению. 25 Рисунок 1 - Одностадиальные схемы измельчения Одностадиальную схему измельчения целесообразно принимать и при необходимости измельчения тонковкрапленной монометаллической руды, но в условиях небольшой производительности. При этом в схему желательно вводить контрольную классификацию. Между первым и вторым приемом классификации может быть включена операция флотации (рисунок 1, б). Схему с предварительной классификацией (рисунок 1, в) применяют при измельчении мелкозернистого продукта (например, мелочи от промывки исходной руды) или при доизмельчении коллективных концентратов и промпродуктов. Для руд, не допускающих из-за высокой влажности и глинистости мелкого дробления (до 10–13 мм), требуемого для шаровых мельниц, а также склонных к переизмельчению («Маммут» «Камбалда» и др.), необходима независимо от требуемой крупности измельчения (крупного или среднего) двухстадиальная схема измельчения в стержневых и шаровых мельницах с одним (рисунок 2, а) или двумя (рисунок 2, б, в) приемами классификации. Контрольная классификация способствует стабилизации крупности и плотности питания флотации и используется на некоторых фабриках («Руттен», «Тара» и др.) при грубом конечном измельчении руды и применении пневмомеханических машин. 26 Рисунок 2 - Двухстадиальные схемы измельчения Технологическое преимущество двух- и трехстадиальных схем – меньшее ошламование полезных минералов, склонных к переизмельчению, и возможность включения межцикловых операций обогащения. По этой причине они получили подавляющее распространение при рудоподготовке свинцово-цинковых и полиметаллических руд, хотя схемы характеризуются большой универсальностью и могут применяться для многих типов руд. Двухи трехстадиальные схемы могут быть с полностью открытым (рисунок 2, а, б), частично замкнутым (рисунок 2, в) и полностью замкнутым (рисунок 3) циклом в I стадии измельчения. Широкое применение в открытом цикле I стадии измельчения (рисунок 2, а, б) стержневых мельниц обусловлено не только тем, что в данной операции они снижают, по сравнению с шаровыми, ошламование ценных компонентов, но и тем, что при тонком конечном измельчении руды производительность шаровых мельниц на мелком питании повышается. 27 Рисунок 3 - Принципиальные трехстадиальные схемы измельчения и флотации 28 Схемы с частично замкнутым циклом в I стадии измельчения (рисунок 2, в) применяют при неблагоприятном соотношении объемов мельниц II и I стадий и необходимости улучшения использования объема мельниц I стадии измельчения («Медет» и др.). Схемы с замкнутым циклом в I стадии измельчения (рисунок 3) применяют при необходимости получения более тонкозмельченного продукта или использования межцикловой флотации (Алмалыкская свинцовая, Среднеуральская и другие фабрики). Сложность двух- и трехстадиальных схем измельчения и обогащения при этом возрастает с усложнением характера вкрапленности и повышением склонности извлекаемых минералов к переизмельчению. По схеме (рисунок 3, а), предусматривающей выделение после относительно грубого измельчения в I стадии отвальных хвостов и бедного (часто коллективного) концентрата, подвергаемого доизмельчению и селективной флотации во II или III стадии, обогащают некоторые медно-пиритные, полиметаллические, медномолибденовые и другие руды, в которых извлекаемые минералы тесно связаны между собой, но их агрегаты могут быть легко отделены от минералов вмещающих пород уже при грубом измельчении. Это позволяет резко снизить стоимость измельчения, поскольку измельчению до конечной крупности и перефлотации подвергается только концентрат. По схеме (рисунок 3, б) с выделением после относительно грубого измельчения в I стадии готового или достаточно богатого концентрата и богатых хвостов с последующим доизмельчением и флотацией их во II или во II и III стадиях можно обогащать часть медно-никелевых, полиметаллических, медных и других руд, в которых наряду с крупной вкрапленностью имеются тонкие включения извлекаемых минералов во всей массе вмещающей породы. Такие схемы реализуют принцип «не дробить ничего лишнего» и позволяют существенно уменьшить переизмельчение полезных минералов, улучшить селективность их разделения и тем самым повысить технико-экономические показатели обогащения. По схеме, показанной на рисунке 3, в, предусматривается выделение после предварительного измельчения в I стадии готового концентрата, бедных хвостов и промпродукта с высоким содержанием сростков, который доизмельчают и подвергают флотации во II стадии. Такие схемы обычно применяют в более сложном исполнении, когда доизмельчают и другие продукты 29 флотации. Эти схемы позволяют, во-первых, ликвидировать большие циркулирующие потоки, стабилизировать ход процесса и улучшить условия флотации исходного материала; во-вторых, создать оптимальные условия обработки и флотации промежуточных продуктов, существенно отличающихся от оптимального режима флотационного обогащения исходной руды; в-третьих, избежать переизмельчения, снизить стоимость обогащения и повысить качество концентратов. При флотационном обогащении руд по сложным схемам для поддержания оптимальной плотности пульпы в каждой операции приходится иногда применять специальные меры по разбавлению (например, перед их перечисткой) или сгущению продуктов (например, промпродуктов или коллективных концентратов) перед их доизмельчением или дальнейшей флотационной переработкой. При этом сгущение пульпы перед флотацией позволяет также удалить растворимые соли и шламы, оказывающие вредное влияние на флотацию; несколько усреднить и стабилизировать питание флотации за счет повышения плотности флотируемого материала, уменьшить расход реагентов, сократить фронт флотации и удельный расход электроэнергии. Сгущение продукта флотации перед его доизмельчением и загрузка его в мельницу (фабрики «Холден», Гайская и др.) позволяют, в свою очередь, освежить грани всех зерен, а не только зерен песковой части пульпы, как это происходит в обычных условиях. Сгущение между циклами флотации обеспечивает возможность осуществления поциклового водооборота и за счет этого сокращения не только расхода реагентов, но и попадания нежелательных реагентов в последующий цикл флотационного обогащения. Для этой цели устанавливают сгустители (фабрики «Чайно» и Балхашская). При высокой стоимости шаров и возможности выделения из руды в необходимых количествах рудной гали более целесообразны при переработке руд с тонкой вкрапленностью минералов схемы с рудно-галечным измельчением (рисунок 4). Такие схемы нашли применение на золотых («Онтарио», «Ренаби» и др.), медноникелевых («Камбалда» и др.), урановых («Коукр», «Нордак»), полиметаллических («Бьютт», «Пюхасалми», «Керетти», «Каталахти» и др.) и других фабриках («Ренд», «Мирайсприит», «Нептун»). 30 Рисунок 4 - Двухстадиальные схемы с рудно-галечным измельчением 31 Наибольшее распространение получили двухстадиальные схемы с первичным и вторичным рудно-галечным измельчением (рисунок 4, а), а также двухстадиальные схемы со стержневым или шаровым измельчением в I стадии и рудногалечным измельчением во II стадии (рисунок 4, б). Несмотря на снижение производительности мельниц на 30–50 % при переходе во II стадии с шарового на рудно-галечное измельчение, установка дополнительных мельниц (например, на фабриках Финляндии) окупается обычно за 2 года. Схемы с само- и полусамоизмельчением находят все большее применение при переработке медных и медно-молибденовых руд, особенно на фабриках большой производительности. Они позволяют исключить из схемы рудоподготовки операции среднего и мелкого дробления, а также первую или обе стадии измельчения – в стержневых и шаровых (или рудно-галечных) мельницах. Кроме того, исключается конвейерный транспорт и система обеспыливания, связанные с промежуточными стадиями дробления, а также бункерование (складирование) мелкодробленой руды. Фабрика «Мангула» – одна из немногих фабрик в мире, перерабатывающих руды с применением сухого измельчения в мельницах типа «Аэрофол» (рисунок 5). 1 – вибрационный колосниковый грохот «Тризли»; 2 – ленточный конвейер; 3 – бункер; 4 – конвейерные весы; 5 – вентилятор; 6 – мельница «Аэрофол»; 7 – горизонтальный воздушный классификатор; 8 – трубка Вентури; 9 – гидросепаратор; 10 – гидроциклоны Риcунок 5 - Схема цепи аппаратов рудоподготовительного отделения фабрики «Мангула» 32 Одностадиальные схемы с мокрым рудным само- или полусамоизмельчением (рисунок 6, а) также применяют сравнительно редко («Кобар», «Камото», «Гендерсон» и др.) из-за невыполнения обязательных для этого условий: достаточного и относительно постоянного содержания в руде крупнокускового (+100 мм) твердого материала, служащего измельчающей средой, и отсутствия в руде более крепких, чем основная масса, разностей, вызывающих образование и аккумулирование в мельнице рудного самоизмельчения гальки «критических» размеров, отрицательно влияющей на эффективность измельчения. Применение стальных шаров для предотвращения данного явления не всегда приносит желаемые результаты, так как шары интенсивно разрушают не только гальку и обломки промежуточных классов, но и крупнокусковую руду, увеличивая при этом содержание гальки «критических» размеров. Большой гибкостью и универсальностью обладают схемы с дроблением кусков «критического» размера в разгрузке мельниц само- или полусамоизмельчения в короткоконусных дробилках (рисунок 6, б, в). Рисунок 6 - Одностадиальные схемы полного рудного само- и полусамоизмельчения (а) и с операцией дробления кусков «критической крупности» в разгрузке мельницы (б, в) 33 Они особенно предпочтительны при переработке крепких и вязких руд («Семилкамин», «Эртсберг») (рисунок 7). Возможность выделения рудной гали при этом позволяет организовать рудногалечное доизмельчение, например, концентратов или промпродуктов. 1 – предохранительная решетка; 2 – бункер; 3, 10 – питатели пластинчатые; 4 –грохот колосниковый; 5 – дробилка щековая; 6 – конвейер ленточный; 7 – бункера крупнодробленой руды для погрузки в вагонетки канатной дороги; 8 – канатная до рога; 9 – скреперный склад; 11 – конвейеры цикла рудного самоизмельчения; 12 –мельница самоизмельчения; 13 – грохот двудечный вибрационный; 14 – питатель; 15 – дробилка конусная; 16 – насос песковый; 17 – гидроциклон Рисунок 7 - Схема цепи аппаратов рудоподготовительного комплекса фабрики «Эртсберг» Наибольшее распространение в мировой практике получили двухстадиальные схемы с самоизмельчением (рисунок 8, рисунок 9). Исходную руду по этим схемам часто классифицируют на классы +100 (75) и –100 (75) мм для стабилизации питания мельниц самоили полусамоизмельчения в I стадии. Во II стадии используют шаровые или рудногалечные мельницы. Схемы с шаровым измельчением во II стадии (рисунок 8) нашли применение на крупных обогатительных фабриках («Айленд 34 Коппер», «Лорнекс», «Пима» и др.). По схеме, показанной на рисунке 8, а, разгрузка мельницы рудного полусамоизмельчения подвергается грохочению на двудечном вибрационном грохоте, верхний класс которого возвращается в мельницу ленточными конвейерами. Грохочение разгрузки мельницы рудного полусамоизмельчения по схеме, представленной на рисунке 8, б, осуществляют в бутаре закрытого типа, нижний продукт которой насосом подают на однодечный вибрационный грохот, установленный выше мельницы. Это исключает необходимость в ленточных конвейерах и в отдельных насосах для нижнего продукта вибрационного грохота. Схема с включением между стадиями дробилки мелкого дробления (рисунок 8, в) – наиболее надежная в эксплуатации при переработке руд с неустойчивыми физическими свойствами. Рисунок 8 - Двухстадиальные схемы с самоизмельчением в I стадии и шаровым измельчением во II стадии Схемы с рудногалечным измельчением во II стадии (рисунок 9) применяют при измельчении медных («Айтик») и некоторых полиметаллических («Вассбо», «Байя Маре») руд. Схема, показанная на рисунке 9, а, предпочтительна, когда фракция «критической» крупности представлена мелкими классами, додрабливание которых 35 в дробилке нецелесообразно. Схемы полного рудного самоизмельчения, осуществление которых возможно при наличии рудной гали, получаемой извне (рисунок 9, б) или выделяемой из разгрузки мельницы рудного самоизмельчения (рисунок 9, а), применимы для руд, не образующих в мельнице рудного самоизмельчения фракции «критической» крупности. Схемы, показанные на рисунке 9, а и б, целесообразно использовать для руд, при самоизмельчении которых зерна «критической» крупности образуются в ограниченном количестве и полностью используются в качестве рудной гали во II (и III) стадии измельчения. Рисунок 9 - Двухстадиальные схемы с самоизмельчением в I стадии и рудно-галечным измельчением во II стадии Основная тенденция, характеризующая положение с сырьевой базой цветной металлургии в России и за рубежом, – обеднение руд, уменьшение крупности и усложнение характера вкрапленности ценных компонентов, увеличение степени окисления и ухудшение обогатимости руд. 36 Контрольные вопросы 1. Перечислите характерные особенности руд цветных металлов. 2. Как влияет тонкая дисперсная связь ценных компонентов вмещающих пород на технологическую переработку руд? 3. Как отражается сложность и изменчивость вещественного состава руд цветных металлов на схемах их обогащения? 4. Какие схемы измельчения находят наибольшее применение на действующих фабриках? 5. Для каких руд целесообразно применять одностадиальные схемы измельчения в шаровых мельницах? Приведите примеры фабрик. 6. Какие схемы измельчения обычно используются для свинцовоцинковых и полиметаллических руд? 7. Назовите разновидности двух- и трехстадиальных схем. 8. В каком случае применяются схемы с частично замкнутым циклом в I стадии измельчения? 9. Когда используются схемы с замкнутым циклом в I стадии измельчения? Приведите примеры фабрик. 10. Какие схемы измельчения применяют для медно-пиритных, полиметаллических, медно-молибденовых руд с агрегативной вкрапленностью ценных компонентов? 11. Когда целесообразно применять схемы с рудно-галечным измельчением? Приведите примеры фабрик. 12. Назовите необходимое условие для применения схем мокрого самоизмельчения. 13. Назовите мероприятия по борьбе с кусками руды «критической» крупности. 14. В чем заключаются преимущества применения мельниц полусамоизмельчения? 37 Лекция 5 Предварительное обогащение руд цветных металлов План лекции 1. Возможности предварительного обогащения [1, 2, 5, 7]. 2. Методы предварительной концентрации [1-7]. 1 Возможности предварительного обогащения Предварительное обогащение позволяет резко сократить капитальные и эксплуатационные расходы, что важно при постоянном снижении качества руды и росте потребностей народного хозяйства в металлах. Использование предварительной концентрации дает возможность: 1) отделить до 25–80 % породы из крупнодробленой руды и за счет этого сократить удельные затраты на измельчение, флотацию, расширить сырьевую базу, вовлекая в переработку забалансовые руды, и резко снизить стоимость добычи руды применением более производительных систем отработки, связанных со значительным разубоживанием руд; 2) выделить (иногда) уже на предварительной стадии обогащения и вывести из процесса часть материала в виде готовой продукции. Легкая фракция на Зыряновской фабрике пригодна для изготовления бетона, асфальтобетона, в качестве железнодорожного балласта, для закладки горных выработок; 3) разделить руды по сортам, усреднить. Раздельная перереработка руд всегда эффективна. Разделение руд Талнаха на сплошные и вкрапленные позволило повысить извлечение платины на 45 %. Особенно целесообразно применение предварительной концентрации руд в следующих случаях: 1) при очень малой стоимости забалансовых руд; использовании систем массового обрушения, сопровождающегося значительным разубоживанием; 2) высокой стоимости обогащения; увеличении производительности рудника и ограниченной мощности обогатительных фабрик; 3) эксплуатации месторождений, сложенных маломощными рудными телами сложной конфигурации, перемежающихся прослойками пустой породы. 38 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Экономические последствия предварительной концентрации заключаются в следующем: увеличение производительности фабрики по сырой руде (в операциях рудоподготовки) с сохранением производительности цехов измельчения итрадиционного обогащения за счет сброса крупнокусковых хвостов, что приводит к увеличению объемов производимых фабрикой концентратов и стоимости реализуемой продукции; повышение качества концентратов, что увеличивает стоимость готовой продукции; снижение общих эксплуатационных расходов за счет уменьшения расходов электроэнергии, материалов, реагентов при последующем обогащении; сокращение капитальных затрат на измельчение из-за более длительного срока службы оборудования, уменьшения числа мельниц; снижение транспортных расходов на перевозку руды; возможность реализации новой товарной продукции – щебня; уменьшение затрат на хвостохранилища, поскольку складирование кусковых хвостов дешевле хранения измельченных хвостов глубокого обогащения. 2 Методы предварительной концентрации К методам предварительной концентрации относятся обогащение в тяжелых суспензиях, отсадочных машинах, промывка и радиометрическая сепарация. Сущность процесса обогащения в тяжелых суспензиях заключается в разделении рудного сырья по плотности в гравитационном или центробежном поле в суспензии, имеющей промежуточную плотность между тяжелой и легкой фракциями. В качестве утяжелителей используют пирит, барит, пирротин, галенит, магнетит, ферросилиций, галенит. Наиболее распространен ферросилиций. Однако крупность гранулированного ферросилиция обычно не позволяет получить кинетически устойчивую суспензию без стабилизирующих добавок. Хорошими стабилизаторами, регулирующими добавками являются магнетитовый и пирротиновый концентраты. Их применение (до 60 %) в смеси с гранулированным ферросилицием дает возможность получить устойчивую суспензию с 39 хорошими реологическими свойствами и снизить на 35–40 % расходы на утяжелитель. Применение в качестве утяжелителя свинцового концентрата при обогащении полиметаллических руд снижает общее извлечение свинца на 2–3 %, так как галенит быстро истирается до микрометров и теряется в хвостах флотации. Улучшить качество суспензии, а, следовательно, и повысить технологические показатели дальнейшего обогащения можно наложением поля низкочастотных колебаний и добавками реагентов-пептизаторов. Плотность суспензии обычно контролируется и регулируется автоматически (точность регулировки – 0,02–0,025 г/см3). Способ регенерации утяжелителя зависит от его природы. Ферросилиций, магнетит, пирротин регенерируются магнитной сепарацией. Общие потери утяжелителей составляют 100– 750 г/т, в том числе с продуктами обогащения – 30–600 г/т, с хвостами регенерации – 40–80 г/т и механические – 30–70 г/т. Обогащение в тяжелых средах состоит из следующих операций: подготовки руды, ее разделения в суспензии на фракции различной плотности, дренажа рабочей суспензии и отмывки продуктов разделения, регенерации. В процессе подготовки руду дробят до крупности, при которой происходит освобождение основной массы пустой породы (обычно 100–25 мм). Дробленую руду подвергают грохочению и промывке для удаления шламов и мелких фракций (классов), так как обогащение мелких классов этим способом менее эффективно, чем обогащение крупных. Нижний предел крупности чаще всего принимают равным 4–6 мм. Разделение руды проводят в конусных, колесных и барабанных сепараторах. Для обогащения мелких классов используют тяжелосредные гидроциклоны и центрифуги. Основные преимущества предконцентрации руд в тяжелых суспензиях обусловлены: 1) возможностью эффективно перерабатывать большие объемы минерального сырья (до 600–1 000 т/ч) широкого диапазона крупности (от 300 до 2 мм) с разделением его на продукты при незначительной разности в плотности разделяемых минералов (с точностью ±3 кг/м3); 2) невысокими капитальными затратами и эксплуатационными расходами, обусловленными незначительным расходом электроэнергии, воды, утяжелителя и небольшим штатом обслуживающего персонала; 40 3) легкостью автоматизации технологического процесса. Отличительная особенность обогащения руд в тяжелых суспензиях – высокая точность разделения в сепараторах, сравнительно простых по конструктивному оформлению и технологическому обслуживанию. Конкурирующим и параллельно развивающимся методом предварительной концентрации руд является отсадка, поскольку она лишена таких недостатков, свойственных процессу обогащения в тяжелых суспензиях, как капитальные затраты на строительство цехов, отмывка материала от глинистых частиц и невозможность увеличения плотности суспензий выше 3 200 кг/м с хорошими реологическими свойствами. Однако точность разделения и выход легкой фракции при использовании отсадки меньше. Поэтому эффективность ее применения для предварительной концентрации руд уменьшается с повышением стоимости последующего их обогащения. Предварительная классификация с использованием отсадки чаще осуществляется на золотоперерабатывающих предприятиях. В Канаде на фабрике «Афтон» предусмотрено удаление методом отсадки самородной меди, на фабрике «Атика», перерабатывающей неметаллические руды, отсадочные машины применяют для улавливания самородного серебра и сульфидов. В нашей стране усилия направлены на создание технологий обогащения с помощью предварительной отсадки крупнокусковых руд цветных металлов. Этот процесс предназначен для расширения сырьевой базы путем вовлечения в переработку бедных и забалансовых руд. Отсадка используется как коллективная операция. Применение разработанных режимов отсадки позволило обеспечить разделение полиметаллической крупнокусковой ширококлассифицированной руды в диапазоне от 70 (50) до 5 (2) мм, выделить отвальные хвосты от 20 до 60 % руды с массовой долей металлов ниже, чем в хвостах флотации, получить кондиционные крупнокусковые концентраты, например, баритовый, применяемый в нефте- и газодобывающей промышленности. Крупнокусковая отсадка осуществляется на отсадочных машинах параметрического ряда МО. Предварительная промывка руд предназначена для удаления шламов в отвал либо их выделения для переработки по специальной технологии. Наиболее широкое распространение промывка нашла на обогатительных фабриках Японии, перерабатывающих руды с 30– 41 40 %-м содержанием первичных шламов. Она применяется на канадских фабриках: медно-цинковой – «Британия», медноникелевой – «Селеви-Пиква». Ее осуществляют на грохотах, скрубберах, бутарах. В СНГ промывка внедрена на Белоусовской и Золототушинской обогатительных фабриках. Для выделения глин используют мокрое грохочение и последующую классификацию в гидроциклонах. Комбинированные схемы обогащения руд в тяжелых суспензиях с использованием отсадки для предварительной концентрации мелких классов применяют в Великобритании и Франции. Для автоматической сортировки созданы высокопроизводительные сепараторы (фирм «Радос», Россия, «Гансонс Сортекс», Великобритания, «Ор Сортер», США и др.), использующие различие в цвете, блеске, электропроводности, естественной и наведенной радиоактивности разделяемых минералов, способности ослаблять радиоактивное излучение и отражать электромагнитные волны различной длины. Так, сепараторы фирмы «Ор Сортер», использующие различие в электропроводности минералов и позволяющие обрабатывать материал крупностью 20–250 мм с производительностью 20–350 т/ч, применяют для выделения с амородной м еди ( в К анаде и А встралии) и обогащения медно-никелевых руд крупностью 90–200 мм при извлечении 97,9 % Ni и 97,5 % Cu (в Канаде). В Австралии на радиометрической установке «Ор Сортер» (модель 10) осуществляют предконцентрацию сульфидных полиметаллических руд крупностью –76+19 мм, обеспечивая извлечение в концентрат, %: 94,2–97,2 Pb; 92,8–97,9 Zn; 86,8–88,4 Cu; 95,3–97,6 Ag и 95,2 Au при выходе концентрата 36,5–50,5 %. Аналогичную установку используют в Австралии для предконцентрации медно-серебряных руд крупностью –203+9 мм с извлечением 98,9 % Cu, 98 % Ag. Для отделения малахита от известняка при предконцентрации окисленных медных руд крупностью –12,7+6,4 мм используют сепаратор «Сортекс 621 М», обеспечивающий извлечение 82,8 % Cu. Появление рентгенорадиометрической сепарации, относящейся к экологически чистым и низкозатратным технологиям, способствует более широкому применению метода автоматической рудосортировки при обогащении различных типов руд. 42 Контрольные вопросы 1. Что достигается операциями предварительного обогащения? 2. В каких случаях целесообразно применение предварительной концентрации? 3. В чем заключаются экономические последствия предварительной концентрации? 4. Назовите методы, используемые для предварительного обогащения. 5. Сформулируйте сущность процесса обогащения в тяжелых средах. 6. Что используется в качестве утяжелителей? 7. Что используется в качестве стабилизаторов? 8. Что достигается применением стабилизаторов? 9. Какова крупность руды, обогащаемой в тяжелых суспензиях? 10. Назовите нижний предел крупности обогащения в тяжелых суспензиях. 11. Назовите аппараты, в которых проводится обогащение в тяжелых суспензиях. 12. Перечислите преимущества и недостатки обогащения в тяжелых суспензиях. 13. Назовите преимущества применения отсадки для предконцентрации в сравнении с обогащением в тяжелых суспензиях. 14. На чем основана автоматическая рудосортировка? 15. Для каких руд и с какой целью проводят крупнокусковую сортировку? 16. Объясните понятие «крупнопорционная сортировка». Для каких руд она используется? 17. По какому принципу строятся комбинированные схемы предварительной концентрации? 43 Лекция 6 Технологические схемы предварительного обогащения основных типов минерального сырья План лекции 1. Схемы обогащения в тяжелых суспезиях [1, 3, 6, 10]. 2. Комбинированные схемы предварительного обогащения [1, 3, 6, 10]. 1 Схемы обогащения в тяжелых суспезиях Особенностью технологии предварительного обогащения в тяжелых суспензиях является наличие операции грохочения с отмывкой, предшествующей разделению. Эта операция предназначена для удаления шламов и трудноразделимых мелких частиц. Технологические схемы тяжелосредных отделений различных фабрик весьма схожи. Обогащению в тяжелых суспензиях под воздействием обычных сил гравитации в барабанных, конусных и других типах сепараторов подвергают материал крупнее 5–10 мм. Более мелкий материал обогащают в центробежном поле – в гидроциклонах и центрифугах. Типовые схемы цепи аппаратов с использованием конусного или барабанного сепаратора и тяжелосредных гидроциклонов показаны на рисунке 10, рисунке 11. В обоих случаях в качестве утяжелителя используют ферросилиций или его смесь с магнетитом при общем расходе около 200 г/т. Для регенерации утяжелителя из разбавленных суспензий применяют магнитную сепарацию. Плотность тяжелой суспензии регулируется, как правило, автоматически с точностью от 20 до 2,5 кг/м3. Рудную пульпу и тяжелую суспензию («Хосокура», «Рунберг» и др.) подают в гидроциклоны либо насосом (рисунок 11, а), либо самотеком (рисунок 11, б). Схема с подачей питания насосом требует меньших капитальных затрат, чем схема с подачей питания самотеком, и позволяет регулировать давление питания. Однако гидроциклоны с подачей питания самотеком работают более устойчиво, а капитальные затраты можно снизить, если после грохочения руду ленточным конвейером поднять на необходимую высоту и получить таким образом нужный напор (рисунок 11, б). 44 Качество обогащения в гидроциклоне (по данным Механобра) для большинства руд выше, чем на отсадочных машинах, и лишь незначительно уступает качеству разделения в тяжелых жидкостях. Процесс разделения мелких классов руды в тяжелосредных гидроциклонах пока не получил широкого распространения в практике обогащения в основном по техническим причинам (трудности подготовки руды, дренажа и регенерации суспензии, износ гидроциклонов, большие потери утяжелителя, отсутствие эффективных грохотов и износоустойчивых насосов). 1 – грохот; 2 – разбрызгиватели циклонного типа; 3 – барабанный или конусный сепаратор; 4 – вибрационный грохот; 5 – конус; 6 – насос; 7 – сгуститель; 8 – магнитный сепаратор; 9 – спиральный классификатор; 10 – демагнитизатор; 11 – ленточный конвейер легкой фракции; 12 – ленточный конвейер тяжелой фракции; 13 – тяжелая суспензия Рисунок 10 - Типовая схема цепи аппаратов процесса разделения крупнозернистого рудного материала в тяжелых суспензиях 45 1 – дезинтегратор; 2 – грохочение и отмывка шламов; 3 – питающий насос гидроциклона; 4 – делитель; 5 – датчик контроля плотности; 6 – гидроциклон; 7 – грохот для тяжелой фракции; 8 – сгуститель; 9 – тяжелая суспензия необходимой плотности; 10 – подача воды; 11 – грохот для легкой фракции; 12 – магнитный сепаратор; 13 – емкость для разбавленной тяжелой суспензии; 14 – ленточный конвейер; 15 – бункер для тяжелой фракции; 16 – бункер для легкой фракции Рисунок 11 - Схема цепи аппаратов установки для разделения в тяжелой суспензии с подачей питания в гидроциклон насосом (а) и самотеком (б) Производительность установок для предконцентрации руд в тяжелых суспезиях составляет 10–750 т/ч. Полиметаллические руды разделяются тяжелосредной сепарацией с весьма высокой эффективностью (таблица 4). Хвосты предварительного обогащения подчас не уступают по массовым долям компонентов хвостам флотации. 46 Таблица 4 - Технологические показатели разделения полиметаллической руды в условиях Лениногорской обогатительной фабрики Массовая доля, % Выход, % свинец цинк медь Тяжелый 64,7 1,4 7,56 0,55 продукт Легкий 35,3 0,088 0,48 0,066 продукт Питание 100,0 0,94 5,06 0,38 (класс – 100+12 мм) Продукт Извлечение, % свинец цинк медь 96,7 96,6 93,9 3,3 3,4 6,1 100,0 100,0 100,0 С введением операции предварительного обогащения руд в тяжелых суспензиях производительность фабрики «Сулливан» увеличилась с 8,5 до 11 тыс. т/сут, «Мехерник» – с 5 д о 6 т ыс. т /сут, « Бункер-Хилл» – с 1,5 до 2,7 тыс. т/сут, «Эренфриденсдорф» – в 2,5 раза. Капитальные затраты на строительство установок для обогащения в тяжелых суспензиях значительно ниже затрат на эквивалентное расширение фабрики, и окупаемость их обычно не превышает 1,0–1,5 года. Эксплуатационные затраты на обогащение в тяжелых суспензиях в 3–5 раз меньше затрат на измельчение до флотационной крупности и во столько же раз меньше затрат на флотацию руды. Расход электроэнергии на обогащение руды в тяжелых суспензиях составляет 0,64–3,7 кВт·ч/т руды или 2,5–4,0 % общего ее расхода на фабриках («Ремсбек», «Мегген» и др.), воды – 0,4–1,4 м3/т или около 10 % общего ее расхода, число рабочих – 2–8 % их списочного состава на фабрике. В целом себестоимость переработки руд с предварительной концентрацией их в тяжелых суспензиях примерно на 25–30 % меньше, чем при непосредственном обогащении всей руды. Экономическая эффективность применения предварительной концентрации руд резко возрастает при использовании легкой фракции в качестве товарного продукта. 47 2 Комбинированные схемы предварительного обогащения Отсадкой в предварительном цикле обогащают золотосодержащие, баритовые, оловянные, висмутовые, ртутносурьмяно-флюоритовые руды с весьма высокой эффективностью. Отсадка ведется с предварительной дешламацией на грохоте и с замкнутым водооборотом. Возможная плотность разделения – 4 г/см3 и более, что является большим преимуществом по отношению к тяжелосредной сепарации. Крупнокусковую сортировку проводят с выделением нескольких продуктов. Горную массу без дополнительного дробления с минимумом перегрузок в транспортных емкостях сортируют на радиометрических контрольных станциях (РКС). Как правило, этот метод применяют для очень бедных руд. Крупнопорционная сортировка в вагонетках еще эффективнее, чем сортировка в самосвалах, поскольку порции значительно меньше по массе, их неоднородность выше и могут быть выделены как более бедные, так и более богатые продукты. Технологическая эффективность крупнопорционной сортировки определяется соотношением неоднородности содержания компонента в порциях и объемом порции, а также способом получения информации (поверхностное или глубинное зондирование). Эффективность процесса возрастает с уменьшением массовой доли ценных компонентов в рудах. Степень концентрации ценного компонента при выделении отвальных хвостов невелика, выход хвостов может быть весьма значительным. Особенностями использования процессов информационного кускового разделения (радиометрической сепарации) являются предварительноеудаление мелких классов, шламов, выделение сравнительно узких классов, параллельная обработка машинных классов (рисунок 12). В ряде случаев целесообразна промывка руды для удаления шламов с поверхности кусков. Шламы, мелкие классы часто объединяются с концентратами сепарации после додрабливания. Если флотируются классы –75+50, –50+25 мм, то при многостадиальном дроблении при подготовке руды к обогащению операции дробления целесообразно чередовать с операцией грохочения для выделения этих классов в каждой стадии. Этим может быть обеспечен максимальный суммарный выход 48 сортируемых классов. Той же цели соответствует применение при дроблении селективных методов раскрытия минералов без переизмельчения. Рисунок 12 - Принципиальная технологическая схема радиометрической сепарации Радиометрической сепарацией обогащаются урановые, танталониобиевые руды (авторадиометрический метод), железные (гаммаабсорбционный), алмазосодержащие, шеелитовые, флюоритовые (люминесцентный метод), бериллиевые (фотонейтронный метод), полиметаллические, медно-никелевые, медные и комплексные руды (рентгенорадиометрический метод), неметаллические полезные ископаемые (фотометрический, фотоабсорбционный методы) и т.д. Область возможного применения радиометрических методов для предварительной концентрации руд очень широка, что доказано многочисленными исследованиями их радиометрической обогатимости. Предложено много новых весьма перспективных 49 методов – рентгенорадиометрический, теплометрический, разновидности нейтронных, оптических и др. Их внедрение сдерживается отсутствием серийно выпускаемой аппаратуры для сепарации. Возможно комбинирование методов предварительной концентрации: гравитационных с радиометрическими (рисунок 13), радиометрических между собой (рисунок 14). Комбинированные схемы могут быть построены и по принципу предварительной концентрации различных машинных классов разными методами (например, крупнокусковые продукты обогащаются радиометрической сепарацией, а мелкие – гравитацией). Рисунок 13 - Комбинированная схема предварительного обогащения 50 Рисунок 14 - Комбинированная схема радиометрической сепарации комплексных оловянно-вольфрамово-флюоритовых руд (по В.А. Лилееву и Э.Г. Литвинце ву): РЛС – рентгенолюминесцентный сепаратор; РРМ – рентгенорадиометрический метод Контрольные вопросы 1. Какова крупность материала при обогащении в тяжелых суспензиях? 2. Каков расход утяжелителя? 3. Почему процесс разделения мелких классов в гидроциклонах не получил широкого распространения? 4. Когда используют центрифуги и гидроциклоны для обогащения? 5. Какие показатели возможно получить при обогащении на гидроциклоне? 6. Какую плотность можно создать в тяжелых суспензиях? 7. Расскажите о способах подачи питания в гидроциклон. 9. Какие руды обогащаются радиометрической сортировкой? 51 Лекция 7 Схемы обезвоживания продуктов при обогащении основных типов минерального сырья План лекции 1. Схемы обезвоживания крупных продуктов обогащения [1-3]. 2. Схемы обезвоживания мелких продуктов обогащения [1-3]. 1 Схемы обезвоживания крупных продуктов обогащения Выбор оборудования для обезвоживания зависит от крупности и влажности обезвоживаемого продукта. Обезвоживание крупных классов особых затруднений не вызывает, сложнее провести обезвоживание мелких классов, самым трудоемким является обезвоживание тонких классов (шламов). Крупными классами условно считаются для угля +10 мм и для руд +3 мм, мелкими классами – для угля 0,5–10,0 мм и для руд 0,1–3,0 мм, тонкими классами (шламами) – менее 0,1–0,5 мм. Крупные продукты обогащения – концентраты, промпродукты и хвосты – обезвоживаются обычно способом дренирования, чаще всего в два приема (рисунок 15). Первый прием обезвоживания производится на грохотах или в обезвоживающих элеваторах. При обезвоживании на грохотах обводненного продукта большая часть содержащейся в нем воды (примерно до 75 %) предварительно сбрасывается на неподвижном сите перед грохотом. Для обезвоживания могут применяться любые грохоты с достаточно энергичным встряхиванием продукта на сите. Элеваторы обычно являются составной частью обогатительной машины (отсадочной машины, сепаратора с тяжелой суспензией и др.), предназначенной для удаления из нее тяжелого продукта. Длину и скорость движения ковшовой ленты обезвоживающего элеватора необходимо подбирать с учетом обеспечения достаточно продолжительного для обезвоживания периода времени пребывания в ковшах обезвоживаемого продукта. Второй прием обезвоживания, если не достигается кондиционная влажность продукта после первого приема 52 обезвоживания, производится в бункерах (при обезвоживании угля) или на дренажных складах (при обезвоживании руд). а б Рисунок 15 Схемы обезвоживания крупных продуктов обогащения: а – обезвоживание концентрата; б – обезвоживание промпродукта и породы 53 2 Схемы обезвоживания мелких продуктов обогащения Мелкие продукты обогащения – концентраты, промпродукты и хвосты обезвоживаются в два–три приема дренированием, центрифугированием и сушкой (в случае необходимости) (рисунок 16, рисунок 17). При обезвоживании мелких руд и продуктов обогащения для первого приема обезвоживания применяют механические классификаторы (спиральные, реечные и чашевые). Продукты обогащения руд обезвоживаются во втором приеме на дренажных складах или на вакуум-фильтрах – ленточных, планфильтрах. Возможен вариант обезвоживания рудных концентратов в один прием – в осадительных центрифугах. Рисунок 16 - Схема обезвоживания мелкозернистого концентрата 54 Рисунок 17 - Схема обезвоживания марганцевого концентрата Третий прием обезвоживания – сушка – самый дорогостоящий. Тонкоизмельченные продукты обогащения – флотационные и магнитные концентраты и хвосты, шламы – обезвоживаются чаще всего в два и в три приема (рисунок 18, рисунок 19). Рисунок 18 - Схема обезвоживания флотационного концентрата 55 Рисунок 19 - Схема обезвоживания молибденового концентрата Первый приём обезвоживания производится в цилиндрических сгустителях, реже в пирамидальных отстойниках и сгустительных воронках. При сгущении продуктов, содержащих значительное количество песковых фракций, осуществляется предварительная классификация продукта в гидроциклонах. В сгущение направляется слив гидроциклона, а пески поступают на второй прием обезвоживания – непосредственно в фильтрование. Второй прием обезвоживания производится на вакуум-фильтрах и значительно реже в фильтр-прессах. Выбор типа вакуум-фильтра определяется гранулометрическим составом твердых частиц пульпы и ее плотностью. При фильтровании пульп, содержащих быстроосаждающиеся зернистые рудные концентраты, в которых более 60–70 % класса –0,074 мм, применяют барабанные вакуумфильтры с внутренней фильтрующей поверхностью. Для фильтрования пульп, содержащих тонкоизмельченные продукты обогащения, предпочтение отдают дисковым или барабанным вакуум-фильтрам с внешней фильтрующей поверхностью. Последние применяют реже, так как они громоздки, дороги и неудобны в эксплуатации (требуют много времени для смены фильтровальной ткани). Для некоторых тонкоизмельченных продуктов обогащения первый и второй приемы обезвоживания объединяются. Так, например, плотные пульпы молибденовых концентратов поступают 56 непосредственно на фильтрование. Сгущению подвергается перелив фильтров. Хвосты флотации обезвоживаются в один прием в осадительных и осадительно-фильтрующих центрифугах. Возможно также обезвоживание их в фильтр-прессах. Третий прием обезвоживания – сушка – применяется для флотационных концентратов (сульфидные, апатитовые, нефелиновые и др.). Содержание влаги в продуктах обогащения ограничено ГОСТом или временными нормами. Обезвоживание продуктов приводит к снижению затрат при транспортировании. Контрольные вопросы 1. Каким образом обезвоживаются крупные продукты обогащения? 2. На каких аппаратах производят первый прием обезвоживания? 3. Как происходит второй прием обезвоживания? 4. Сколько приемов обезвоживания используют для мелких продуктов обогащения? 57 Лекция 8 Перспективы развития техники и технологии обогащения и комплексного использования минерального сырья План лекции 1. Перспективы устойчивого развития горноперерабатывающей индустрии России [1-3, 8-10]. 2. Направления совершенствования и развития процессов обогащения полезных ископаемых [1-3, 8-10]. 1 Перспективы устойчивого развития горноперерабатывающей индустрии России Устойчивость развития минерально-перерабатывающей индустрии страны определяется объемом добычи рудной массы, количеством перерабатываемого сырья и извлекаемых ценных компонентов, их ассортиментом, эффективностью технологии извлечения минералов, экологичностью процесса, запасами минерального сырья и потребностью в нем общества. Одним из важнейших параметров, определяющих состояние минерально-сырьевого потенциала страны, является количество добываемых и извлекаемых минералов. Всего в мире насчитывается 166 горнодобывающих стран, но в лидирующую группу входят 10 стран, причем Россия по данному критерию занимает первое место в мире (извлекается 48 минералов). Не менее важным критерием является объем добычи и переработки полезных ископаемых. США, Китай и Россия занимают, соответственно, 1–3 места, доля этих стран составляет 41 %. В целом на долю первой десятки горнодобывающих стран приходится 63,7 % мирового объема добычи и переработки минерального сырья, в том числе 87,1 % – черных металлов (лидирует Бразилия с 28,9 % добычи), 61,1 % – цветных металлов 58 (лидирует Австралия с 31 % добычи) и 43,7 % – благородных металлов (также лидирует Австралия с 11 % добычи). Всего в России насчитывается более 100 горно-обогатительных и горно-металлургических предприятий, перерабатывающих руды черных, цветных и благородных металлов (всего около 1 млрд т рудной массы), в состав которых входят 60 крупных карьеров, 75 рудников и 90 обогатительных фабрик. Добыча угля в 2004 г. в России достигла 283 м лн т, в том числе подземным способом 101,7 млн т на 104 шахтах и 181,3 млн т открытым способом на 134 карьерах. Переработка 120 млн т угля осуществляется на 42 обогатительных фабриках. К 2015 г. предполагается 80 % добываемого угля направлять на обогащение. Анализ представленных данных показывает, что Россия является одной из крупнейших стран мира, обладающих мощной минерально-сырьевой базой. Однако качество руд полезных ископаемых в России (медно-цинковые, редкометаллические, оловянные, вольфрамовые, титановые, бокситовые и др.) существенно уступает зарубежным аналогам. За последние 20 лет содержание цветных металлов в рудах снизилось в 1,3–1,5 раза, железа и золота – в 1,25 раза, доля труднообогатимых руд и угля возросла с 15 до 40 % от общей массы сырья, поступающего на обогащение. В переработку вовлекаются руды, характеризующиеся низким содержанием ценных компонентов, тонкой вкрапленностью и близкими технологическими свойствами минералов. Предварительные расчеты показывают, что большинство рудных месторождений России, учтенных государственным балансом, по многим видам полезных ископаемых могут перейти в категорию забалансовых, так как учитывая мировые цены на конечную продукцию, их разработка с применением традиционных технологий нерентабельна. В сравнении с развитыми зарубежными государствами до сих пор наблюдается сильное отставание в уровне машиностроительной базы для производства обогатительного оборудования, его качества, 59 металлоемкости, энергоемкости и износостойкости. Вследствие недостаточной автоматизации и компьютеризации процессов обогащения полезных ископаемых производительность труда на отечественных обогатительных фабриках ниже по сравнению с мировым уровнем по соответствующим аналогам. Износ основного и вспомогательного оборудования на обогатительных фабриках достиг критической отметки и составляет от 60 до 90 %. Практически полностью разрушены и утеряны опытно-промышленные обогатительные предприятия, на которых отрабатывались новые технологии и оборудование, основные машиностроительные заводы по производству горно-обогатительного оборудования остались на Украине. Следовательно, в настоящий момент выявился рядсерьезных противоречий между изменением характера минерально-сырьевой базы, т.е. необходимостью вовлечения в переработку труднообогатимых руд и месторождений, экологически обостренной ситуацией в горнопромышленных регионах и состоянием техники, технологии и организации первичной переработки минерального сырья на горно-обогатительных предприятиях. В этих условиях повышение полноты и комплексности обогащения полезных ископаемых, создание высокоэффективных, экологически безопасных технологий приобретает первостепенное значение. Оно должно основываться на интенсификации действующих и создании новых способов извлечения компонентов из труднообогатимых руд и техногенных месторождений на базе новейших достижений фундаментальных наук, комбинировании обогатительных и химико-металлургических процессов с применением современных пиро- и гидрометаллургических технологий. 60 2 Направления совершенствования и развития процессов обогащения полезных ископаемых В последние годы основные исследования академических и отраслевых институтов и вузов были направлены: 1) на разработку высокоэффективных, энергосберегающих методов и оборудования для интергранулярного разрушения горных пород и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов; 2) создание новых экологически безопасных процессов комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенных образований на основе комбинирования современных методов обогащения, пиро- и гидрометаллургии; 3) разработку высокоэффективных нетрадиционных методов вскрытия упорных руд для переработки в процессах кучного и подземного выщелачивания; 4) разработку технологии глубокого обогащения угля с получением зольности концентрата не менее 2 % и содержания серы менее 1 % с целью использования в качестве топлива вместо мазута; 5) создание технологий глубокой переработки железосодержащих руд с получением высококачественных концентратов (более 70 %) при минимальном содержании серы и фосфора; 6) создание высокоэффективной технологии переработки фосфорсодержащих, карбонатных марганцевых руд (Иркутская область, Мордовия, Урал) для частичной компенсации марганца в России; 7) создание и внедрение новых процессов и аппаратов для повышения контрастности свойств минералов на основе энергетических воздействий; 8) разработку экономически безопасных методов водоподготовки, обеспечивающих эффективную переработку минерального сырья в условиях замкнутого водооборота. Реализация новых технологий на горно-обогатительных предприятиях России позволит увеличить извлечение металлов на 61 10–15 %, получить высококачественную готовую продукцию, конкурентоспособную на мировом рынке, снизить энергоемкость и повысить производительность в 2–3 раза, вовлечь в переработку забалансовые руды и техногенное сырье, восполнить дефицит по ряду металлов и резко улучшить экологическую обстановку в горнопромышленных регионах. К настоящему времени созданы новые эффективные технологии и высокопроизводительное обогатительное оборудование, дающие возможность обеспечить высокую степень комплексного использования сырья. Однако дальнейшее решение взаимосвязанных проблем более рационального использования природных ресурсов, экологии, энергетики и управления производством требуют качественно нового уровня техники и технологии переработки и обогащения минерального и других видов сырья. Это может быть достигнуто только за счет дальнейшего совершенствования и развития процессов обогащения полезных ископаемых на базе как уже имеющихся теоретических разработок, гипотез, теорий в области обогащения полезных ископаемых, так и путем использования последних достижений в области физики, химии, механики, теории управления и т.д. Теоретической базой резкого повышения эффективности раскрытия (разъединения) минералов из сростков при снижении энергоемкости, капитальных затрат и эксплуатационных расходов при этом является теория Орована – Гриффитса – Ребиндера – Ревнивцева. От степени реализации разработанных принципов избирательного раскрытия минералов из сростков будет зависеть эффективность разработанных принципиально новых конструкций электрогидравлических и электроимпульсных дробилок ударного и взрывного действия, струйных, вибрационных, планетарных и центробежных мельниц, ударных мельниц самоизмельчения и мельниц с измельчением токами высокой частоты, дезинтеграторов ультразвукового действия и с использованием низкотемпературной 62 плазменной технологии. Предлагаемые новые методы дезинтеграции обеспечивают, как правило, кроме интергранулярного раскола, большую равномерность гранулометрического состава, повышение КПД и производительности аппаратов по свежеобразованной поверхности. Однако эти аппараты имеют в настоящее время или более низкую производительность, или более высокую энергоемкость. Поэтому в будущем могут получить развитие двухступенчатые технологические схемы: с предварительным получением грубых коллективных концентратов извлекаемых минералов после дробления и измельчения в обычных аппаратах в первой ступени и разделением грубого концентрата после измельчения в новых аппаратах – во второй ступени. С позиций теории избирательного раскрытия сростков минералов повышение эффективности работы обычного дробильного оборудования может быть достигнуто увеличением числа качаний дробящего тела (конуса, щеки), совершенствованием профиля дробящей камеры, использованием инерционного привода и наложением вибрационного поля или иного поля малых импульсов энергетического воздействия на дробимый материал. Повышение эффективности удельной производительности шаровых и стержневых мельниц (на 30–70 %) достигается за счет снижения крупности их питания, повышения пропускной способности, выявления оптимальной частоты вращения мельниц, оптимальной рационированной загрузки их измельчающими телами определенной формы и целесообразности химических добавок – понизителей прочности материала. Сущностью методов интенсификации и повышения эффективности грохочения является максимальное увеличение вероятности прохождения зерен необходимой крупности через отверстия просеивающей поверхности. Она достигается применением «активных» поверхностей за счет использования эластомеров, волнообразной установки сита (принцип «Umbrex»), использованием сит с непосредственным возбуждением и сит, различные участки 63 которых или сита одного грохота имеют разные параметры колебаний или отличаются градиентом интенсивности колебаний. Гидравлические грохоты с эластичной синтетической сеткой обеспечивают эффективное грохочение плотных пульп (60–65 % твердого). Использование грохотов тонкого грохочения в качестве классифицирующих аппаратов позволит снизить ошламование извлекаемых минералов, повысить точность разделения материала по крупности, улучшить качественные и количественные показатели как измельчительных, так и обогатительных операций. Совершенствование и повышение эффективности основных классифицирующих аппаратов в цикле измельчения – гидроциклонов – осуществляется за счет спирального ввода питания, применения новых износостойких материалов (керамики, специальной резины, полиуретана и др.), использования насосов с регулируемой частотой вращения и систем автоматизации. Особое значение среди основных процессов имеют гравитационный, магнитный, электрический, радиометрический и флотационный. Теоретической основой гравитационных процессов обогащения являются закономерности движения частиц в стесненных условиях под действием силы тяжести или центробежных (и центростремительных) сил и противодействующих им сил сопротивления среды. В практических условиях это достигается изменением конструктивных и тем самым гидродинамических параметров гравитационных аппаратов (например, в центробежных аппаратах, спиральных, крутонаклонных сепараторах и др.); изменением свойств среды разделения применением определенных реагентов и материалов; регулированием интенсивности потоков и характера циклов в зоне разделения; наложением вибрационного поля или ультразвука. Применение вибрационного и ультразвукового воздействия повышает эффективность разделения при отсадке, концентрации на столах и разделении в тяжелых суспензиях. При 64 этом создан ряд новых аппаратов: вибросепаратор, виброшлюз, виброконцентратор. Изучение гидродинамики гравитационных процессов позволяет разработать более эффективные процессы и аппараты, в первую очередь для переработки и обогащения тонкозернистых материалов и шламов. Показана эффективность применения орбитальных колебаний в шлюзах и концентраторах, измененного шага спирали в винтовых и ребер в центробежных концентраторах и т.д. Селективность и эффективность разделения материалов при магнитной сепарации возрастают с увеличением различия между их удельными магнитными восприимчивостями, однородности поля сепаратора по величине магнитной силы и уменьшением диапазона крупности зерен в исходном материале. Поэтому практически разработка новых методов и машин для магнитной сепарации и повышение ее эффективности осуществляются за счет увеличения разделительных сил (магнитных и центробежных), повышения напряженности магнитного поля, нейтрализации поверхностных сил, вызывающих адгезионную флокуляцию. Для увеличения различия в удельной магнитной восприимчивости разделяемых минералов можно использовать предварительную магнитную обработку («подмагничивание») исходного материала или электрохимическую (катодную) обработку пульпы перед ее магнитной сепарацией, не говоря уже о магнитизирующем обжиге исходной руды или материала. Увеличение магнитной силы возможно как за счет разработки новых конструкций высокоградиентных сепараторов («магнитных фильтров»), так и за счет использования низкои высокотемпературных сверхпроводников, позволяющих увеличить напряженность поля на порядок, расширить номенклатуру обогащаемых руд и материалов, повысить точность и эффективность разделения. При магнитном обогащении сильномагнитных руд и материалов, кроме магнитной восприимчивости частиц, важную роль 65 играют также их коэрцитивная сила, остаточная индукция, размагничивающий фактор. От их значений зависит как образование флокул в поле сепаратора или намагничивающего аппарата, так и степень их сохранения после удаления из поля. Поэтому значительный интерес представляют собой предложенные новые конструкции струйного и электромагнитного сепараторов с демагнитизацией материала после каждой ступени, сепаратора с вращающимся двойным магнитным полем для сухого обогащения железной руды, электромагнитного гидроциклона с концентратором магнитного потока, позволяющего в 8–9 раз снизить напряженность магнитного поля при обогащении магнитных руд. Следует отметить, что наиболее успешные разработки характеризуются грамотным использованием гидродинамических закономерностей разделения частиц в магнитном поле. При электрической сепарации в настоящее время используются главным образом различия в электропроводности (в электростатических, коронно-электрических и коронноэлектростатических сепараторах), электризации (в трибоэлектрических и пневмоэлектрических сепараторах), диэлектрической проницаемости и при изменении температуры (в диэлектрических и пироэлектрических сепараторах). Сепарация на основе пьезоэлектрического и фотоэлектрического эффекта, униполярной проводимости и других электрических свойств является резервом практической реализации в будущем. Повышение эффективности электрической сепарации достигается изменением электрических свойств поверхности разделяемых минералов в результате термических, трибоадгезионных, механических и радиационных воздействий, обработкой материала неорганическими и органическими реагентами, разработкой принципиально новых конструкций сепараторов, основанных на более эффективном использовании векторной диаграммы сил, действующих на частицы в электрическом поле сепараторов. 66 Максимальная контрастность электрических свойств разделяемых минералов может быть достигнута при этом: селективной зарядкой выделяемых минералов при контактной электризации путем подбора соответствующих электризующих поверхностей; термической обработкой при 50–300 °С с учетом оптимальной температуры нагрева для каждой пары разделяемых минералов; обработкой реагентами, сопровождающейся при их закреплении на поверхности минералов резким изменением концентрации свободных носите лей электрического заряда и работы выхода электрона. Селективной физической сорбцией или хемосорбцией реагентов на одном из минералов можно добиться изменения не только величины, но и знака заряда, возникающего на нем при контактной электризации; радиационным воздействием, вызывающим активизацию примесных уровней и увеличение концентрации носителей зарядов в зоне проводимости минералов. Например, при облучении инфракрасными лучами (с длиной волны от 10-6 до 1,5·10-2 м и интенсивностью 0,7–0,9 В/см2) контактный заряд силикатных минералов увеличивается в несколько раз. Повышенный интерес к развитию методов автоматической радиометрической сортировки кусковых и сепарации дробленых руд за рубежом и в России обусловлен в последние годы возможностью использовать для разделения минералов их способность люминесцировать, вступать в ядерные реакции, изменять интенсивность и конфигурацию электромагнитного поля, экранировать различные излучения и др. Из многих возможных эмиссионно- и абсорбционнорадиометрических методов обогащения в настоящее время в промышленных условиях наиболее широко применяются авторадиометрический, фотонейтронный, рентгенорадиометрический, люминесцентный, фотометрический, гаммаабсорбционный и нейтронно-абсорбционный. 67 Совершенствование конструкций существующих сепараторов с учетом кристаллохимических особенностей и электронной структуры разделяемых минералов наряду с увеличением номенклатуры радиометрических сепараторов существенно расширит возможности комплексной переработки сырья и охраны окружающей среды, снизит себестоимость конечной продукции горно-обогатительного производства. С применением флотации в настоящее время перерабатывают более 90% руд цветных металлов, значительную часть редких и благородных металлов, горно-химического сырья и другого минерального сырья. Основными направлениями совершенствования и интенсификации процесса флотации являются оптимизация физико-химических и физико-механических условий флотации, автоматический контроль и регулирование физико-химического состояния пульпы и оборотных вод. Сущностью проблемы совершенствования реагентных режимов и оптимизации физико-химических условий в циклах коллективной и селективной флотации является получение определенного соотношения химически закрепившегося и физически сорбированного собирателя на поверхности флотируемых и депрессируемых минералов за счет регулирования электронных переходов, состава продуктов и скорости взаимодействия реагентов на минеральной поверхности и в объеме пульпы. За счет электрохимической, ультразвуковой, магнитной и радиационной обработки пульпы и реагентов, применения добавок аполярных масел, сочетания собирателей (например, ксантогенатов и аэрофлотов) с различнойдлиной углеводородных радикалов, регулирования окислительно-восстановительного потенциала пульпы загрузкой реагентов-окислителей или реагентов-восстановителей, использованием азота вместо воздуха во флотомашинах, наложением внешнего электрического поля, подогревом пульпы, изменением продолжительности предварительной аэрации и концентрации кислорода в пульпе, регулированием ионного состава пульпы 68 системами автоматизации и загрузкой ионнообменных смол достигаются граничные условия существования только одной из форм сорбции на поверхности депрессируемых минералов и оптимальное количественное соотношение физической и химической форм сорбции собирателя на поверхности флотируемого минерала. Моделирование технологической схемы флотации должно базироваться на кинетических закономерностях процесса, получаемых при оптимальном соотношении концентраций реагентов в пульпе (в соответствии с физико-химической моделью), поддерживаемом системой автоматического регулирования, поскольку физико-химические особенности флотационного оборудования являются практически постоянными. Теоретической базой для получения кинетических закономерностей процесса является уравнение кинетики флотации, где константа скорости флотации зависит от значения соотношения концентраций реагентов в пульпе. Перспективы создания принципиально новых и радикальное совершенствование существующих обогатительных процессов и аппаратов базируется на использовании комбинации силовых полей и излучений: магнитного, электрического, центробежного, вибрационного, ультразвукового, радиационного, а также термического и химического воздействий для изменения свойств разделяющий среды и поверхности разделяемых частиц. На основе комбинации, например, вибрационного и гравитационного полей создан ряд новых аппаратов: вибросепаратор, виброшлюз, виброконцентратор. Использование высокочастотных вибраций повышает также эффективность отсадки, концентрации на столах, в аэросуспензии, при промывке и дезинтеграции. Исследуется применение ультразвука в центробежном обогащении. В результате комбинирования магнитного, электрического и гравитационного силовых полей и воздействий созданы процессы и аппараты магнитогидродинамической (МГД) и магнитогидростатической (МГС) сепарации, позволяющие осуществить эффективное 69 разделение минеральных частиц в широком диапазоне плотностей среды. Установлена возможность создания новых процессов и аппаратов на основе комбинации электрического и гравитационного полей при разделении в тяжелых средах, гравитационного, магнитного или электрического и физико-химического полей при флотации, вибрационного и гравитационного полей при разделении в тяжелых суспензиях, магнитного и гравитационного – при сгущении и обогащении и др. Исследуется возможность использования пьезоэлектрических, диэлектрических и других свойств минералов для создания новых эффективных процессов и аппаратов для их разделения. Новые процессы разделения минералов разрабатываются как составная часть экологически чистой технологии переработки и обогащения полезных ископаемых. Развитие и совершенствование процессов обезвоживания продуктов обогащения осуществляется как за счет увеличения удельной производительности оборудования, так и интенсификации процессов. Интенсификация процесса сгущения достигается применением синтетических полимерных флокулянтов, магнитной и электрической обработкой пульпы, вызывающей коагуляцию минеральных суспензий, добавкой вспомогательных порошков, флокулирующих тонкие частицы за счет адгезии, магнитной флокуляцией на твердых магнитных частицах в переменном магнитном поле, аэрофлокуляцией и др. В особых случаях используются различные конструкции осадительных и фильтрующих центрифуг. Для фильтрования сгущенного продукта применяются в основном дисковые фильтры и пресс-фильтры различных конструкций. Интенсификация процесса фильтрования и снижение влажности осадка достигаются воздействием водяного пара, применением реагентов (обеспечивающих снижение вязкости жидкой фазы, гидрофобизацию поверхности частиц твердой фазы и т.д.), использованием физических воздействий на пульпу и осадок 70 (электроосмос и др.), новых конструкций секторов дисковых вакуумфильтров из легких антикоррозийных материалов (в том числе из синтетических), пресс-фильтров типа «Ларокс» (Финляндия) или КМП-22 (Россия), высоковакуумных насосов. Таким образом, совокупность существующих теоретических разработок, гипотез и теорий разделения минералов в силовых полях свидетельствует о наличии серьезной теоретической базы не только для дальнейшего совершенствования и интенсификации, но и создания принципиально новых процессов переработки и обогащения различных типов минерального сырья, которые позволят снизить энергоемкость и себестоимость получения товарной продукции, повысить комплексность использования сырья, решить насущные проблемы охраны окружающей среды горно-обогатительного производства, обеспечить народное хозяйство всеми необходимыми видами минерального сырья. Контрольные вопросы 1. Чем определяется состояние минерально-сырьевого потенциала страны? 2. Какое место занимает Россия по количеству добываемых и извлекаемых минералов? 3. Назовите лидеров в мире по объему добычи и переработки полезных ископаемых. 4. Какова доля труднообогатимых руд и угля от общей массы сырья, поступающего на обогащение в России? 5. Назовите причины отставания производительности труда на отечественных обогатительных фабриках в сравнении с развитыми зарубежными государствами. 6. Охарактеризуйте предлагаемые новые технологии, позволяющие повысить извлечение металла, получить высококачественную продукцию. 71 7. За счет чего достигается избирательное раскрытие сростков в дробильном оборудовании? 8. За счет чего повышается эффективность удельной производительности мельниц? 9. Каким образом может быть достигнуто увеличение степени раскрытия полезных минералов? 10. Каким образом можно повысить эффективность работы грохотов и других классифицирующих аппаратов? 11. Каковы новые направления рационализации основных процессов обогащения, на чем они базируются? 12. Чем может быть достигнута максимальная контрастность электрических свойств разделяемых минералов? 13. В чем заключается интенсификация процессов сгущения и фильтрации? 72 Список использованных источников 1. Технология обогащения руд цветных металлов [Электронный ресурс] : конспект лекций / Н. К. Алгебраистова, А. А. Кондратьева. – Электрон. дан. (5 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. 2. Абрамов А.А. Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых: учеб. для вузов : в 3 т. / А.А. Абрамов. – М.: МГТУ, 2004. 3. Абрамов А.А. Обогащение руд цветных металлов / А.А. Абрамов, С.Б. Леонов - М.: Недра, 1991. - 407 с. 4. Абрамов А.А. Флотационные методы обогащения: учеб. для вузов / А.А. Абрамов. – М.: Недра, 1993. – 412 с. 5. Переработка и обогащение полезных ископаемых россыпных месторождений / Г.С. Андреева [и др.]. – М.: Недра, 1992. – 415 с. 6. Фатьянов, А. В. Проектирование обогатительных фабрик : учеб. пособие / А. В. Фатьянов. – Чита : ЧитГТУ, 2003. 7. Верхотуров, М. В. Гравитационные процессы обогащения : учеб. Для вузов / М. В. Верхотуров. – М. : МАКС-Пресс, 2006. 8. Козловский, Е. А. Минерально-сырьевой комплекс как элемент национальной безопасности [Электронный ресурс] / Е. А. Козловский // Промышленные ведомости. – 2000. – № 6. – Режим доступа: http://www.promved.ru/ avgust_2000.shtml. 9. Козловский, Е. А. Минерально-сырьевые ресурсы России и Украины [Электронный ресурс] / Е. А. Козловский, С. В. Гошовский // Каталог минералов. – 2006. – Режим доступа: http://www.catalogmineralov.ru/news8311html. 10. Рундквист, Д. В. Минерально-сырьевая база как основа устойчивого развития России [Электронный ресурс] / Д. В. Рундквист, Г. В. Калабин, С. В. Черканов // Executive Intelligence Review. – 2002. – Режим доступа :http://www.larouchepub.com/russian/events/ 2002/noosphere/rundqvist.html. 73 Учебное издание Полях Ольга Анатольевна ОБОГАЩЕНИЕ РУД ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Конспект лекций Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом Подписано в печать 19.10.2015 Формат бумаги 60×84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 4,44. Уч.-изд. л. 4,71. Тираж 25 экз. Заказ 540 Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ. 74