Основы методологии обогащения полезных ископаемых

Обогащение полезных ископаемых - комплекс наук (технологическая минералогия; дезинтеграция и подготовка минерального сырья к обогащению; физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов; физические и химические процессы, извлечение полезных компонентов из природных и техногенных вод) об извлечении ценных компонентов из минерального сырья, предметом которых является изучение основных закономерностей физических, физико-химических и химических процессов разделения и концентрации минералов природного и техногенного происхождения, взаимосвязи структурного, вещественного и фазового составов минерального сырья с его технологическими свойствами. Выявленные закономерности являются основой технологий и технических средств для извлечения ценных компонентов из минерального сырья и превращения их в продукты; пригодные для последующего использования в различных отраслях промышленности.
Основные разделительные процессы осуществляются без изменения агре-гатно-фазового состояния, химического состава, кристаллохимической структуры компонентов полезного ископаемого. Отдельные химические методы (термические, пиро- и гидрометаллургические) могут быть включены в технологию разделения минералов с целью повышения контрастности свойств разделяемых компонентов или доведения до нужных кондиций качества готовых продуктов. Методы обогатительного разделения, в свою очередь, могут быть включены в металлургическую технологию.
Несмотря на то что различные методы разделения минералов имеют ряд общих положений и в последнее время тяготеют к взаимопроникновению, их теоретические основы базируются на научных законах, относящихся к разным областям знаний: гравитационные методы разделения - на законах гидро- и аэродинамики, флотационное разделение - на законах физической химии, магнитные и электрические методы - на законах физики, радиометрические - на законах ядерной физики и радиохимии. Неотъемлемой частью теории флотационного разделения минералов является учение о флотационных реагентах, в основе которого законы неорганической, органической и координационной химии.
Общими для всех обогатительных процессов являются законы массопереноса, теория разделения, а также закономерности физико-химической механики.
В бывшем СССР обогащение полезных ископаемых стало развиваться как специализированная отрасль производства в первые годы советской власти, а особенно бурно в послевоенный период. Практически все руды цветной и большая часть руд черной металлургии, горно-химическое сырье, уголь, руды редких и благородных металлов подвергаются обогащению. Обогатительный передел в значительной степени определяет эффективность работы горноперерабатывающей отрасли. За последние десятилетия были достигнуты значительные успехи в создании новой техники и технологии обогащения руд различного вещественного состава. Судя по материалам международных конгрессов, посвященных обогащению полезных ископаемых, уровень научно-технических разработок в бывшем СССР не уступал мировому, а в области создания дробильно-измельчительного оборудования предложенные MHTK «Механобр» конструкции конусно-инерционных дробилок не имеют аналогов. Из 186 видов основного дробильно-размольного и технологического оборудования 5 % имеют показатели выше мирового уровня, 75 % соответствуют ему и 20 % нуждаются в модернизации. Однако физический износ эксплуатируемого оборудования из-за недостаточных его поставок достигает 50-70 %.
В области рудоподготовки разработаны научные основы и отработаны (практически для всех видов минерального сырья) технологические режимы радиометрической сортировки и сепарации, позволяющие уже на первой стадии, до измельчения, вывести из процесса 30-40 % горной массы, используемой в качестве строительного материала. В этом направлении наша страна имеет приоритет, и основная задача заключается в создании и серийном выпуске высокопроизводительных радиометрических сепараторов.
Гравитационные методы обогащения получили широкое развитие после проведения ряда фундаментальных работ, рассматривающих с позиций классической механики процессы отсадки, концентрации на столах и винтовых сепараторах. В последние годы эффективное использование гравитационных методов для тонких частиц (менее 0,2 мм) стало возможным благодаря применению в аппаратах комбинированных воздействий - наложения центробежных, магнитных и электрических полей на минеральные суспензии. Можно ожидать, что в перспективе эти аппараты вытеснят традиционное гравитационное оборудование для обогащения материала крупностью (20±0,1) мм, так как позволяют более чем на порядок увеличить производительность на единицу площади и имеют близкую к идеальной эффективность разделения.
В 50-60-е годы были разработаны научные основы электрических методов обогащения, что позволило создать высокопроизводительные лабораторные и промышленные аппараты на основе коронного, трибоадгезионного и электростатического разделения.
Основное достижение в области магнитного обогащения - создание высокопроизводительных аппаратов с высокой напряженностью поля, предназначенных для сухого и мокрого обогащения слабомагнитных тонкоизмельченных материалов и обеспечивающих комплексное использование железных руд и редкометалльного сырья. Налажен выпуск отечественных сепараторов, не уступающих лучшим зарубежным образцам.
Первые значительные исследования формирования процесса флотации были проведены в 50-е годы. Полученные к этому времени достижения физики и химии позволили сформулировать наиболее важные закономерности флотации. Наибольшие заслуги в этой области принадлежат советскому ученому И.Н. Плаксину, автору трудов по гидрометаллургии и флотации, основателю целой школы данного научного направления. В трудах И.Н. Плаксина разработаны теоретические основы взаимодействия флотационных реагентов с поверхностью минералов с точки зрения физико-химических процессов поверхностных явлений, физики твердого тела и теории проводимости. Это позволило обосновать стадиальность и селективность действия кислорода на поверхность минералов и роль окислительно-восстановительных явлений в процессе флотации, а в дальнейшем разработать научные основы и методы промышленного использования электрохимических и радиационных воздействий для управления процессами флотации и гидрометаллургии. Ведущая роль советских ученых в разработке теории флотации неоднократно подчеркивалась на ряде международных конгрессов. В практическом плане необходимо отметить создание высокопроизводительных флотационных машин для разделения крупных частиц и шламов (> 40 мкм), разработку высокоэффективных реагентов направленного действия, технологических режимов разделения минералов со сходными флотационными свойствами. Однако следует подчеркнуть, что номенклатура используемых реагентов в три раза меньше применяемых в зарубежной практике.
В последние 10-15 лет наиболее крупные успехи достигнуты в области комбинирования процессов обогащения полезных ископаемых с пиро- и гидрометаллургическими процессами, обеспечивающими вовлечение в переработку бедных, труднообогатимых руд сложного вещественного состава. Во всех случаях применения комбинированных процессов возрастают объемы извлечения ценных компонентов на 5-10 %, наблюдается комплексное использование минерального сырья и сокращаются отходы производства.
Анализ развития техники и технологии обогащения полезных ископаемых за последние 50 лет указывает на значительные достижения отечественной фундаментальной науки в области познания основных явлений и закономерностей разделения минеральных комплексов, что позволило создать высокоэффективные методы и технологии первичной переработки руд сложного вещественного состава и обеспечить металлургическую промышленность концентратами необходимой номенклатуры и требуемого качества.
В то же время по сравнению с развитыми зарубежными государствами до сих пор наблюдается отставание в развитии отечественной машиностроительной базы для производства основного и вспомогательного обогатительного оборудования, что негативно сказывается на его технико-экономических показателях (невысокое качество, повышенные теплоемкость, энергоемкость и износостойкость). Аналогичное отставание наблюдается и в техническом оснащении научных исследований. Отсутствие специализированного производства флотационных реагентов, сорбентов экстрагентов привело не только к дефициту последних на обогатительных фабриках и вынужденным закупкам их по импорту, но и к повышению загрязненности технологических вод органикой из-за замены реагентов направленного назначения отходами нефтехимической промышленности. Вследствие недостаточной автоматизации и компьютеризации процессов обогащения полезных ископаемых производительность труда на отечественных обогатительных фабриках в 3-5 раз ниже мирового уровня, а удельные показатели (расход материальных ресурсов на 1 т перерабатываемой руды) существенно превышают аналогичные мировые показатели: расход электроэнергии - на 30 %, флотационных реагентов - в 2-3 раза, металла, изнашивающегося в футеровках, измельчающих телах и транспортных узлах - в 2,5 раза.
Кроме того, из-за ведомственной принадлежности горно-обогатительных предприятий комплексное сырье перерабатывалось только с учетом необходимой потребности отрасли в конкретном металле, что приводило к нерациональному использованию природных ресурсов и увеличению затрат на складирование отходов. В настоящее время накоплено более 12 млрд т отходов, содержание ценных компонентов в которых в ряде случаев превышает их содержание в природных месторождениях.
Помимо вышеперечисленных негативных тенденций, начиная с 90-х годов резко обострилась экологическая обстановка на горно-обогатительных предприятиях (в ряде регионов возникла угроза существованию не только биологической среде, но и человеку), наметилось прогрессирующее снижение добычи угля, руд цветных и черных металлов, горно-химического сырья, ухудшение качества перерабатываемых руд и, как следствие, вовлечение в переработку высокозольных и сернистых углей и труднообогатимых руд сложного вещественного состава, характеризующихся низким содержанием ценных компонентов, тонкой вкрапленностью и близкими технологическими свойствами минералов.
За последние 20 лет содержание цветных металлов в рудах снизилось в 1,3-1,5 раза, железа в 1,25 раза, золота в 1,2 раза, а доля труднообогатимых руд и угля возросла с 15 до 40 % общей массы сырья, поступающего на обогащение. Вещественный состав таких руд характеризуется тонкозернистой структурой, сложной текстурой, а иногда и субмикроскопическими формами взаимосвязи слагающих минералов, что не позволяет достаточно эффективно раскрыть их с помощью механических методов дробления и измельчения из состояния срастания; сходством технологических свойств минералов.
После распада СССР Россия утратила промышленные месторождения марганца, хрома, каолина и некоторых других элементов. Часть разведанных запасов данных типов руд относится также к категории труднообогатимых, требующих детальной разведки и разработки принципиально новых технологий. Кроме того, в связи с вступлением России в мировой рынок резко повышаются требования к качеству концентратов как по технологическим, так и экологическим нормативам. Следовательно, в настоящий момент возник ряд неразрешенных противоречий между изменением характера минерально-сырьевой базы (т.е. необходимостью вовлечения в переработку труднообогатимых руд и техногенных месторождений), экологически обостренной ситуацией в горнопромышленных регионах и состоянием техники, технологии и организации первичной переработки минерального сырья.
В этих условиях задачи повышения полноты и комплексности обогащения полезных ископаемых, создания высокоэффективных, экологически безопасных технологий приобретают первостепенное значение, а решение их должно основываться на интенсификации действующих и создании новых процессов 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.

---