Процессы разделения, концентрации и переработки минералов

Физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов - это наука о методах и средствах концентрации полезных компонентов минерального сырья путем разделения минералов на основе различия их физических свойств в силовых полях.
Данная наука рассматривает комплекс разделительных процессов, осуществляемых без изменения агрегатно-фазового состояния, химического состава, кристаллохимической структуры компонентов полезного ископаемого, а также охватывает процессы получения концентратов металлов, углей, минеральных солей, кристаллов, строительных материалов, поделочных камней, других продуктов при переработке минерального сырья природного и техногенного происхождения.
Предметом науки является изучение закономерностей разделительного массопереноса и распределения в продуктах обогащения минеральных компонентов в поле действия гравитационных, магнитных, электрических сил, а также сил поверхностного натяжения и комбинированных. Эти закономерности обеспечивают эффективность процессов обогащения.
Масштабы промышленного использования и научных исследований в области обогащения полезных ископаемых непрерывно возрастают. В настоящее время практически все полезные ископаемые подвергаются обогащению и первичной переработке. А поскольку потери ценных компонентов на этой стадии составляют 50-80 % общих потерь в горнометаллургическом производстве, комплекс процессов обогащения становится ключевым в решении важнейших горнотехнических проблем: рационального использования минеральных ресурсов, создания малоотходных и безотходных производств, разработки энергосберегающих технологий и т.д.
Обогащение полезных ископаемых находится на стыке горно-геологических и химико-металлургических наук, а также на стыке многих научных направлений - физической химии, механики, физики гравитационных, электрических и магнитных полей, радиационных процессов, горного машиностроения и др. Разработано несколько десятков различных методов и процессов обогащения полезных ископаемых, основанных на различии физических, физикохимических, химических и других свойств разделяемых компонентов. Однако отсутствие единой научной и теоретической базы явилось причиной неравномерности развития техники и технологии обогащения. Ряд процессов был изобретен одновременно в нескольких странах, а некоторые из них изобретались заново по нескольку раз.
Гравитационные методы обогащения относятся к самым древним методам обогащения полезных ископаемых, основанным на различии плотностей разделяемых компонентов. Еще во времена Геродота (V в. до н.э.) использовали ендовки, шлюзы, бутары малых размеров для промывки и обогащения золотосодержащих руд. В настоящее время промывку как метод обогащения широко применяют при переработке марганцевых и окисленных железных руд, редких металлов, фосфоритов, оловянных руд, строительных горных пород и др.
Позднее появилось обогащение в струе жидкости, текущей по наклонной плоскости стола. При этом частицы разделялись по плотности под действием силы потока воды и силы тяжести: вода, стекающая по наклонной плоскости, уносила с собой легкие мелкие частицы, в то время как более тяжелые осаждались на поверхности стола и удалялись в виде ценного продукта.
Для уменьшения потерь ценных компонентов были предложены механические подвижные устройства, которые назывались ваннерами, или концентрационными столами. В конце XIX в. А.Р. Вильфлей изобрел сотрясательный концентрационный стол, который позволил проводить операцию обогащения непрерывно. Так возник один из распространенных гравитационных методов обогащения - концентрация на столах.
Впоследствии было замечено, что обогащение зернистого материала можно осуществлять путем расслоения его на сите, периодически погружаемом в воду. Возвратно-поступательное движение сита в воде осуществлялось ручным, а впоследствии механическим способом. Такое устройство было названо отсадочной машиной, а метод - отсадкой. В 1891 г. Ф. Баум изобрел беспоршневую отсадочную машину. Метод отсадки, получил самое широкое распространение и в настоящее время является одним из основных при обогащении углей, окисленных железных, марганцевых и других руд.
Постепенное истощение запасов и ухудшение качества полезных ископаемых, вовлечение в переработку труднообогатимых руд и углей, требующих все более тонкого измельчения для раскрытия и выделения ценных компонентов, ограничивали применение традиционных методов гравитационного обогащения, что требовало от ученых и исследователей создания новых эффективных способов разделения минеральных частиц крупностью менее 10 мм. Эту задачу успешно решали на основе сочетания современных достижений гидромеханики, гидродинамики, физики, физической химии и обогатительной науки. Так, для интенсификации процессов разделения мелких частиц по плотности стали использовать замкнутые каналы и комбинированные силовые поля (гравитационные, центробежные, магнитные).
В 60-х годах был разработан метод противоточной сепарации, при которой разделение частиц по плотности осуществляется в основном под действием гравитационных сил в наклонных закрытых каналах прямоугольного сечения. Для противоточной сепарации используется целый ряд крутонаклонных сепараторов. Противоточная сепарация и трехпродуктовое обогащения мелких углей в тяжелосредних циклонах, разработанные в России, не имеют аналогов в зарубежной практике.
Гравитационные процессы обогащения по широте диапазона исходных характеристик обогащаемого сырья, разнообразию условий применения их в технологических схемах обогатительных фабрик, простоте производственного комплекса, высокой производительности обогатительных аппаратов в сравнимых условиях превосходят многие другие процессы обогащения и обеспечивают эффективное разделение минеральных смесей при относительно низких материальных, трудовых и энергетических затратах.
Гравитационные методы обогащения угля позволяют перерабатывать крупнозернистый материал с верхним пределом крупности до 300 мм. Последнее обстоятельство особенно важно, если учесть, что некоторые крупнозернистые продукты обогащения имеют значительно больший спрос потребителей и большую стоимость, чем мелкозернистые.
В угольной промышленности России действует 71 обогатительная фабрика общей годовой мощностью по переработке угля 162,4 млн т; при этом свыше 42 % угля перерабатывается в минеральных суспензиях, 32,6 % - отсадкой.
Гравитационные методы обогащения являются преобладающими при переработке хромовых руд, так как обеспечивают разделение зерен хромовых минералов крупностью до 300 мм. Окисленные железные руды крупностью от 300 до 0,5 мм обогащают в суспензиях, отсадкой, на концентрационных столах и другими способами.
В комбинированных схемах переработки полезных ископаемых гравитационные методы способствуют повышению экономичности обогатительного передела. Так, например, при применении гравитационных методов в начале процесса обогащения полиметаллических руд удаляют до 30 % отвальной породы в виде товарного продукта для строительных целей, сокращая тем самым фронт последующих переделов - измельчения и флотации, что способствует повышению экономичности работы предприятия.
Наиболее широко гравитационные процессы используют в различных сочетаниях с другими процессами обогащения: флотацией, промывкой, магнитной сепарацией, электрической сепарацией и др. В этих случаях обработку полезного ископаемого производят по сложным технологическим схемам, к которым относятся практически все схемы переработки коксующихся углей, окисленных железных руд, полиметаллических, вольфрамо-молибденовых и др.
Гравитационные обогатительные фабрики России - это высокомеханизированные и автоматизированные предприятия, оснащенные эффективным основным и вспомогательным оборудованием и использующие технологии, соответствующие мировому современному уровню развития обогащения.
Флотационные методы обогащения. Для обогащения моно- и поликомпонентного рудного минерального сырья применяют флотацию - разделение частиц, осуществляемое в перемешиваемой водной минеральной суспензии (флотационной пульпе), в которую тем или иным способом вводят пузырьки воздуха. Частицы минералов, плохо смачиваемые водой (гидрофобные), при соприкосновении с воздушными пузырьками прилипают к ним и всплывают на поверхность флотационной пульпы. Здесь образуется слой минерализованной (флотационной) пены, которая самотеком или принудительно (обычно с помощью специальных гребков) выделяется в отдельный флотационный пенный продукт. Другие минералы, хорошо смачиваемые водой (гидрофильные) или не обладающие достаточной для прилипания гидрофобностью, остаются в объеме флотационной пульпы, образуя камерный продукт. Регулирование смачиваемости минералов водой осуществляют введением флотационных реагентов (химических неорганических и органических веществ).
Официальной датой возникновения флотации как метода обогащения полезных ископаемых считают 1860 г., когда в Англии В. Хайнсу был выдан патент на «метод концентрации металлов из руд и пород». Это была масляная флотация, основанная на принципе разделения путем избирательного смачивания маслом сульфидных минералов, которые вместе с маслом образовывали гранулы, всплывающие на поверхность воды. Частицы минералов пустой породы, хорошо смачиваемые водой и практически не смачиваемые маслом, оставались при этом в объеме воды. Этот способ в различных вариантах применялся некоторое время в США для обогащения медно-золотой руды при извлечении в концентрат порядка 80 % ценных минералов.
В 1904 г. в России в г. Мариуполе была пущена одна из первых в мире флотационных фабрик, работающих по принципу масляной флотации. Фабрика перерабатывала графитовую руду Старо-Крымского месторождения.
Другим направлением развития флотационного процесса явилась пленочная флотация. Суть пленочной флотации состояла в том, что мелко измельченную сухим способом руду насыпали тонким слоем с небольшой высоты на поверхность воды. При этом сульфиды (или другие плохо смачиваемые водой минералы) удерживались силами поверхностного натяжения на поверхности воды, образуя хрупкую пленку, а гидрофильные минералы пустой породы смачивались водой и опускались на дно аппарата. Этим методом в начале XX в. в США было получено свыше 300 тыс. т цинкового концентрата. Причинами отказа от широкого применения пленочной флотации явились низкая производительность аппаратуры и неустойчивость самого процесса.
Многочисленные исследования по усовершенствованию процесса флотации с целью повышения производительности и сокращения расхода масла до практически приемлемых величин доказали эффективность введения газовой фазы в масляную флотацию. Образующиеся различными способами пузырьки газа поднимали на поверхность пульпы омасленные частицы, образуя слой минерализованной пены.
К концу XIX - началу XX в. почти повсеместно истощились запасы богатых руд цветных металлов, отличавшиеся высоким содержанием металлов и крупной вкрапленностью полезных компонентов во вмещающие породы. В эксплуатацию вовлекались все в больших количествах бедные руды с тонкой вкрапленностью и сравнительно низким содержанием металлов. Масляная флотация из-за малой производительности, неэкономичности (высокий расход масел) и невозможности эффективной переработки тонкоизмельченного материала была совершенно не пригодна для обогащения тонковкрапленных бедных руд. Полученные при обогащении таких руд тонкозернистые концентраты нельзя было плавить по прежней технологии в шахтных печах без предварительной агломерации. Кроме того, масляная флотация при обогащении сульфидных руд позволяла получать лишь коллективные (полиметаллические) концентраты, тогда как для экономики и технологии цветной металлургии нужны были монометаллические концентраты.
Указанные недостатки были устранены после создания в металлургии принципиально нового технологического процесса отражательной плавки и аппаратуры для агломерации пылевидных концентратов. В обогащении полезных ископаемых появился новый метод - пенная селективная флотация, формирование которого охватывает первую четверть XX столетия.
Можно выделить три элемента, совокупность которых составляет основу современного флотационного процесса:
1) использование воздуха для флотации в виде воздушных пузырьков, вводимых тем или иным способом из атмосферы, и создание соответствующей аппаратуры, обеспечивающей экономичную и технически совершенную в количественном и качественном отношениях генерацию воздушных пузырьков в условиях минеральной суспензии;
2) создание ассортиментного минимума флотационных реагентов (собирателей и пенообразователей) определенного химического состава, растворимых в воде, позволяющих регулировать процесс флотации;
3) разработка методов, обеспечивающих проведение селективной флотации.
Список флотируемых минералов включает в себя практически все минералы, извлекаемые в промышленности при переработке минерального сырья. При этом число их непрерывно возрастает. Так, методом флотации извлекают свинец, цинк, медь, олово, кобальт, золото и алмазы, серу, мышьяк, сурьму и барит, литий и бериллий, вольфрам, молибден и германий, железо, хром и титан, уголь, графит, фосфориты и апатиты, растворимые соли, слюду, полевые шпаты, флюорит, минералы урана, тантала, ниобия, циркония и многие другие. Наша страна в настоящее время располагает десятками обогатительных фабрик, осуществляющих современными методами флотацию руд цветных, редких металлов, угля, растворимых солей, апатитов, фосфоритов и других видов минерального сырья. Целый ряд обогатительных фабрик (Норильская медно-никелевая, Кировская апатитонефелиновая и др.) по своей технологии, оснащению технически совершенным оборудованием, гигантской производительности являются уникальными и не имеют аналогов.
Магнитные методы обогащения получили развитие в первую очередь как эффективные и экономичные методы переработки железосодержащих руд.
Промышленное производство магнитных сепараторов в бывшем СССР началось в 30-е годы. Многолетний опыт совершенствования магнитных методов обогащения в промышленных условиях и в научно-исследовательских лабораториях привел к созданию большой совокупности процессов магнитного обогащения. Для каждого из этих процессов создают, как правило, несколько типов магнитных сепараторов с различными технологическими возможностями разделения минералов (конструктивные решения процесса), производительностью и другими технико-экономическими показателями.
Магнитное обогащение является основным методом обогащения в железорудной промышленности, важнейшим процессом в обогащении руд марганца, хрома, титана, вольфрама, внедряется в технологию обогащения руд других цветных и редких металлов, в обессеривание угля и очистку различных типов сырья от магнитных примесей. Магнитные методы тесно переплетаются с гравитационными в процессах магнитогидродинамической (МГД) и магнитогидростатической (МГС) сепарации, в процессах флотации с использованием магнитного поля, а также при обогащении в тяжелых средах с магнитной регенерацией.
В области магнитного обогащения и сепараторостроения Россия занимает ведущее место в мире. Отечественные сепараторы экспортируют и в зарубежные страны.
С использованием магнитных методов решают многие технологические задачи в различных отраслях народного хозяйства. В обогащении полезных ископаемых магнитные методы являются основой получения концентратов черных металлов, редких металлов, широко применяются при переработке руд цветных и благородных металлов, угля, алмазов и многих других ископаемых. При этом решаются задачи не только извлечения ценных минералов, но и очистки их от магнитных примесей, регенерации магнитных суспензий при гравитационном обогащении, удаления металлолома и т.д. Кроме того, удаление железных и других слабомагнитных примесей магнитными методами осуществляется в стекольной, абразивной, керамической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, а также при переработке твердых бытовых отходов, скраповых металлов, строительных материалов, теплоносителей и многих других.
В настоящее время из магнетитовых концентратов выплавляют более половины всего получаемого металла, причем себестоимость его ниже, чем при прямой выплавке из богатых руд. Темпы увеличения доли обогащаемых руд постоянно растут. В настоящее время продолжают эксплуатацию, а также ведут дальнейшее совершенствование и строительство магнито-обогатительных фабрик для переработки магнетитовых руд KMА, Сибири, Северного Урала, Заполярья и других регионов, для которых уже созданы мощные магнитные сепараторы производительностью до 500 т/ч для кусковых и до 250 т/ч для тонкоизмельченных руд.
За последнее время получили развитие такие процессы, как сухая и мокрая магнитная сепарация тонкозернистых слабомагнитных руд. Впервые в мировой практике созданы крупные фабрики для обогащения мелких фракций редкометалльных и марганцевых руд в высокоинтенсивных, фокусированных магнитных полях на специально разработанных отечественных высокопроизводительных валковых сепараторах.
Основные трудности магнитного обогащения связаны с переработкой весьма тонковкрапленных руд, поскольку для частиц крупностью менее 20 мкм магнитная восприимчивость и, соответственно, магнитная сила обычно в 2-3 раза ниже, чем для крупных частиц. В то же время постоянный рост производительности оборудования ведет к резкому увеличению скоростей движения пульп и возрастанию диссипативных сил в рабочем пространстве магнитных сепараторов. При этом становится необходимым также резко увеличивать магнитные силы, что повышает себестоимость сепарации и в конечном счете определяет экономический предел ее применения, за которым предпочтение может быть отдано более дорогим физико-химическим методам обогащения, а именно селективной адгезионной флокуляции, флотации, магнетизирующему обжигу, требующим расхода реагентов и топлива.
В настоящее время отечественные наука, машиностроение и промышленность успешно осваивают новый метод обогащения тонкоизмельченных слабомагнитных руд и шламов - высокоинтенсивную полиградиентную (высокоградиентную) сепарацию. В области магнитного обогащения наша страна занимает ведущее место в мире и располагает целым рядом мощных современных обогатительных фабрик: Лебединская, Стойленская, Железногорская, Оленегорская, Костомукшская и др. Магнитные методы обогащения широко развиты во многих зарубежных странах: Германии, Чехии, Венгрии, США, Великобритании, Франции, Швеции и др.
Электрические методы обогащения. Возможность разделения в электрическом поле смеси компонентов, различающихся своими электрическими свойствами, известна давно. Еще во второй половине прошлого столетия исследователи использовали ее для изучения распределения электричества на поверхности непроводников.
Электросепараторы начали изготавливать в бывшем СССР с 1940 г. При этом выпускали в основном коронные электросепараторы различных типов.
В послевоенные годы работы по изучению и развитию электрических методов сепарации значительно расширились. Большие работы по изучению процессов сепарации руд, углей и других полезных ископаемых по их вещественному составу и крупности в электрических и магнитных полях, а также по разработке теории этих процессов, созданию новых типов сепараторов и промышленному внедрению последних велись в ИГД им. А.А.Скочинского.
Химические методы переработки. В технологии обогащения полезных ископаемых все шире используют комбинированные схемы, в которых наряду с общепринятыми операциями физического разделения минеральных зерен применяют химические методы, обеспечивающие обработку сложных руд и упорных промежуточных продуктов. Внедрение таких методов обусловлено трудностями обогащения типов руд, характеризующихся комплексностью состава, тонким взаимопрорастанием минеральных компонентов, способностью к шламованию, невысоким содержанием разделяемых минералов или сходством их физико-химических свойств.
Химические методы, применяемые в сочетании с методами и операциями механического обогащения или взамен их для достижения более высоких показателей при обработке труднообогатимых руд, составляют специфическую область технологии минерального сырья - химическое обогащение, включающее в себя две группы различных по своему назначению процессов, которые органически связаны с общей технологической схемой.
К первой группе относятся процессы избирательного растворения или химического превращения части входящих в состав руды минералов для отделения компонентов пустой породы, вредных примесей, а иногда и некоторых ценных элементов от ценных компонентов, остающихся в неизменной минеральной форме. Такие процессы применяют с теми же целями, что и методы механического обогащения, поэтому по аналогии с последними названы процессами химической селекции минералов.
Ко второй группе относятся процессы переработки упорных промежуточных продуктов обогащения и низкосортных концентратов, которые не могут быть эффективно доработаны механическими методами или непосредственно использованы заводами, перерабатывающими соответствующие кондиционные концентраты. Многие предприятия испытывают необходимость в таких процессах переработки многолетних спецотвалов или запасов бедных забалансовых руд.
Химическая селекция минералов с регенерацией реагентов начинает успешно применяться для переработки некоторых труднообогатимых черных, цветных, редких металлов и неметаллических полезных ископаемых (например, руд железа, вольфрама, ниобия, золота, марганца, фосфора и др.). Она эффективна в тех случаях, когда механическое обогащение не обеспечивает получения кондиционных концентратов или достаточно высокой степени извлечения полезного компонента. Перспективно применение химической селекции совместно с операциями механического обогащения руд. Высвобождение зерен ценных минералов при избирательном растворении или термическом разложении пустой породы часто способствует более полному их извлечению и облегчает получение богатых концентратов при последующем механическом обогащении.
Сырье и продукция при химической переработке упорных промпродуктов, низкосортных, некондиционных и нестандартных концентратов отличаются по своим характеристикам от получаемых при переработке кондиционных концентратов. Так, при химической переработке товарным продуктом может быть химический концентрат, подлежащий дальнейшей переработке (подобно кондиционным концентратам механического обогащения), или чистое химическое соединение. К настоящему времени создан целый ряд эффективных технологий извлечения полезных компонентов из минерального сырья и продуктов его переработки с применением химических методов.
Биохимические (бактериальные, микробиологические) методы успешно применяют в технологии обогащения и гидрометаллургической переработки руд и концентратов, содержащих медь, цинк, молибден, уран, марганец, железо и другие металлы. Бактериальное выщелачивание широко используют для кучного выщелачивания меди из бедных руд (Канада, США, Япония, Югославия). Разработано несколько вариантов кучного выщелачивания золота, в частности, с разделением стадии микробиологического синтеза золотосодержащих соединений и последующего выщелачивания. В России и США ведутся работы по использованию гетеротрофных микроорганизмов для выщелачивания меди, титана, урана при высоких значениях pH.
В 1970 г. П. Брукс, К. Дин и Ж. Розенбаум предложили способы извлечения ценных компонентов из силикатных и карбонатных морских конкреций, представляющих значительный источник марганца, никеля, кобальта, меди и других металлов. Конкреции широко распространены на глубине от 100 до 7 тыс. м на дне Атлантического и Тихого океанов, а также некоторых озер.
Химические методы извлечения полезных компонентов по схеме выщелачивания - осаждение благодаря простоте аппаратурного оформления и обслуживания, а также стабильности получаемых результатов успешно применяют на многих предприятиях алюминиевой, золотодобывающей и урановой промышленности, на обогатительных предприятиях при переработке труднодоводимых промпродуктов.
Современные проблемы обогащения полезных ископаемых. Развитие техники и технологии обогащения полезных ископаемых за последние 50 лет предопределило значительные достижения отечественной фундаментальной науки в области познания основных явлений и закономерностей при разделении минеральных комплексов, что позволило создать высокоэффективные процессы и технологии для первичной переработки углей и руд сложного вещественного состава и обеспечить промышленность необходимой номенклатурой и качеством концентратов.
В современных условиях при необходимости комплексного извлечения из недр различных полезных компонентов, введения в эксплуатацию месторождений с менее ценными по содержанию полезных компонентов углями, рудами и другими видами минерального сырья, а также при необходимости использования в народном хозяйстве отходов переработки резко возрастает число актуальных научных проблем в этом направлении, к которым можно отнести разработки:
- программно-аппаратного комплекса проведением экспрессной минералоготехнологической оценки природных и техногенных месторождений на основе имидж-анализа и выдачей прогнозной технологии комплексной переработки руд и углей;
- системы управления качеством добываемых углей и руд, обеспечивающей устойчивость процессов и экологическую безопасность их обогащения;
- системы физико-технических и химических методов разделения минералов при комплексной и экологически чистой переработке твердых полезных ископаемых;
- новых методов и технических средств эффективного обогащения забалансовых, в том числе окисленных руд черных и цветных металлов, высокозольных углей и др.;
- научных основ каталитических методов воздействия на процессы комплексной переработки горючих сланцев;
- теории процессов обогащения химическими, ядерно-физическими, нейтронно-активационными, люминесцентными, фотометрическими, магнитогидродинамическими и другими методами;
- новых экологически безопасных реагентов и методов обработки пульп для оптимизации флотационных и гидрометаллургических процессов;
- новых обогатительно-металлургических методов обработки и переработки труднообогатимых руд и сырья из техногенных образований (в первую очередь упорных золотосодержащих, оловосодержащих и полиметаллических руд) на основе комбинирования эффективных методов обогащения с пиро- и гидрометаллургическими процессами;
- технологии и техники переработки мышьякосодержащих соединений, платиносодержащих, медесодержащих, свинцово-цинковых и других экологически опасных сложных руд и вторичного сырья;
- методов и технических средств переработки отходов обогащения углей и руд с превращением их в товарный продукт для использования в народном хозяйстве,
- физико-технических основ и технологических схем комплексного безотходного использования и переработки бокситов, нефелинов и другого отечественного алюминиевого сырья для производства глинозема, карбонатных марганцевых руд (Иркутская обл., Мордовия, Урал) для частичной компенсации дефицита марганца в России;
- методов и технических средств удаления серосодержащих и фосфоросодержащих минералов и использования нетоксичных добавок и вяжущих для упрочнения пород, применяемых в строительстве;
- новых эффективных методов и технологии глубокого обогащения углей и тонко дисперсных минеральных систем;
- новых физико-технических и химических процессов измельчения руд и разделения минералов с целью создания оборудования большой производительности;
- новых процессов и аппаратов для избирательного изменения технологических свойств минералов на основе энергетических воздействий с целью значительного (1,3-1,8 раз) снижения энергозатрат на измельчение и вовлечения в переработку руд сложного вещественного состава.

---