Дезинтеграция и подготовка минерального сырья к обогащению

Селективная дезинтеграция - наука о методах и средствах направленного изменения характеристики качества минерального вещества и дезинтеграции его на фазы, контрастные по содержанию компонента.
Под рудоподготовкой следует понимать комплекс операций, охватывающих все технологические процессы после добычных горных работ и до раскрытия минералов при измельчении в обогатительном переделе, обеспечивающих получение из горной массы товарной руды для прямой химико-металлургической переработки или кондиционной руды для обогащения.
Переработка минерального сырья начинается с процессов дезинтеграции - дробления и измельчения. В идеале результатом этих процессов должно быть получение смеси отдельных зерен полезных минералов и минералов пустой породы при энергетических затратах только на разрыв межатомных связей по поверхностям их срастания. Однако при современном уровне технологии и техники дезинтеграции отсутствуют способы селективной подачи энергии в зоны межфазных контактов, поэтому эффективность массовых технологий разрушения чрезвычайно низка: полезное использование энергии в них не превышает 1 %. Таким образом, основная научная проблема - поиск научно обоснованных путей и принципиально новых способов селективного разрушения минеральных ассоциаций при наименьших затратах энергии.
Дальнейший прогресс механического разрушения горных пород с целью дезинтеграции целиком зависит от развития фундаментальных исследований в области физики разрушения, динамики машин, и развития смежных наук, таких как физика твердого тела, физическая химия, реология, теория удара, теория колебаний и волн, материаловедение, машиноведение и т.д. При этом определяющее значение имеют физика разрушения и динамика машин.
Главной проблемой теории дезинтеграции горных пород является выявление закономерностей, позволяющих количественно оценить энергоемкость дезинтеграции в зависимости от гранулометрического состава ее продуктов. Такая задача представляется весьма сложной вследствие большого числа параметров, определяющих процесс дезинтеграции, и из-за необходимости получения простых инженерных формул, позволяющих производить практические расчеты. При этом не подлежит сомнению, что теория дезинтеграции должна основываться на законах строения и разрушения твердых тел. За длительный период исследований получен ряд технологических формул, используемых при проектировании машин и позволяющих в той или иной степени правильно прогнозировать параметры их работы.
В тесной связи с проблемой определения расхода энергии на дезинтеграцию находится оценка гранулометрического состава продуктов дробления и измельчения. Важно также уметь правильно определять средний размер частиц дробимого и дробленого материалов.
Энергоемкость существующих методов дробления и измельчения определяли многие исследователи. Доказано, что наиболее энергоемкими являются щековые и конусные дробилки, бегуны, мельницы шаровые и самоизмельчения. Однако эти аппараты широко применяют благодаря их высокой надежности и возможности дезинтегрировать очень твердые материалы. В промежуточную группу попали молотковые дробилки и вибрационные мельницы. Наиболее экономичными оказались валковые дробилки, кольцевые (роликовые и шаровые) мельницы и пальцевые дезинтеграторы. Для измельчителей последней группы характерны разрушение свободного зерна в монослое и быстрое удаление материала из зоны разрушения. К сожалению, рабочие органы этих машин интенсивно изнашиваются.
Селективность раскрытия минералов в наименьшей степени осуществляется в конусных и щековых дробилках, поскольку их жесткая кинематическая схема не позволяет регулировать усилия дробления. Более селективно происходит высвобождение минеральных агрегатов в дробилках ударного действия, в частности молотковых. Эффективный агрегат для селективного раскрытия руд — мельница рудного самоизмельчения.
Селективность дезинтеграции руды можно существенно повысить путем соответствующей подготовки - разупрочнения материала по межзерновым границам. При этом разупрочнению должен подвергаться не только поверхностный слой, но и весь объем куска руды. Желательно также, чтобы при разупрочнении прочностные свойства зерен полезных минеральных компонентов существенно не снижались во избежание их переизмельчения. В зависимости от свойств минеральных компонентов могут быть использованы несколько способов реализации таких условий.
Для разупрочнения пород, сложенных минералами, существенно отличающимися по упругим свойствам, рекомендуются механические способы воздействия, например низкочастотные знакопеременные напряжения.
Термический способ применим для материалов, минералы которых различаются по термическим коэффициентам расширения. Нагрев может быть осуществлен как путем конвекционного теплообмена, так и инфракрасным, высокочастотным или низкочастотным потоком электромагнитной энергии.
Акустический способ заключается в воздействии на материал, находящийся в водной или воздушной среде, колебаний высокой частоты.
Электрохимический метод высокоэффективен для сульфидных руд. В процессе поляризации сульфидов на границе контакта минералов протекают электрохимические реакции с образованием новых фаз, что приводит к разупрочнению минеральных комплексов по границам срастания.
Магнитострикционный способ применим для руд, содержащих ферромагнитные минералы. Перспективны различного рода радиационные способы, вызывающие ионизацию и электронное возбуждение материала, что во многих случаях приводит к ослаблению и разрыву связей между минералами.
Необходимо отметить, что традиционная техника и технология дробления и измельчения руд не соответствует принципам селективной дезинтеграции. Между тем уже имеются перспективные разработки машин и отдельных элементов технологий, позволяющих осуществлять селективную дезинтеграцию, а именно дезинтеграцию энергией сжатой газообразной среды, взрывную дезинтеграцию, электроимпульсную (плазменную) и др.
Высокой степенью селективности раскрытия минеральных фаз характеризуется созданный новый класс дробильно-измельчительных машин - виброинерционных. Усилия дробления в них создаются центробежными силами инерции, а материал, разрушаемый в слое, подвергается интенсивному вибрационному воздействию. К таким машинам относятся: виброщековая инерционная дробилка ВЩД, разрушающая куски материала метрового диапазона крупности; конусная инерционная дробилка КИД, заменяющая в одной операции дробилки среднего и мелкого дробления, а иногда и первую стадию измельчения; цилиндрическая инерционная дробилка ЦИД для переработки волокнистых материалов; вибророликовая инерционная мельница BHM для сверхтонкого измельчения.
Несмотря на глубокое теоретическое обоснование виброинерционных методов дробления и измельчения, остается нерешенным ряд научных проблем в данном направлении. Это прежде всего проблемы износа и предотвращения саморазрушения аппаратов (от решения указанных проблем зависит область применения виброинерционных машин в промышленности). Кроме того, актуальной остается общая для всех методов дезинтеграции проблема снижения энергозатрат.
Процесс рудоподготовки помимо дезинтеграции включает в себя операции первичного разделения фаз. Концентрацию I стадии осуществляют при поиске и разведке месторождений путем выделения природных геохимических аномалий с повышенной концентрацией отдельных элементов или минералов, II стадии -в процессе горных работ, когда массу рудных тел с прослойками пустой породы отделяют от массы горных пород, не содержащих полезные компоненты.
Распознавание технологических типов руд и пустой породы проводят радиометрическими методами при транспортировании горной массы в емкостях или в потоке на конвейере. На основе этой информации при сортировке выделяют из потока пустопородную часть и разделяют оставшуюся часть на отдельные потоки по технологическим сортам путем изменения маршрутов транспортных средств или перегрузок при конвейерном транспорте. В последующих операциях рудоподготовки применяют крупнокусковую радиометрическую сепарацию. На нее обычно направляют материал после II стадии дробления.
Широкое использование операций предварительной концентрации руд невозможно без применения методов ядерной физики и радиометрии, так как только они на сегодняшний день обладают необходимой оперативностью и экспрессностью, для того чтобы обеспечить непрерывный технологический поток надлежащей информацией, на основе которой возможно построение автоматических систем управления.
Ядерно-физические методы основаны на взаимодействии ионизирующих излучений с веществом горных пород и руд на атомно-электронном и ядерном уровнях элементов, входящих в их состав.
На взаимодействии нерадиоактивных излучений с веществом базируются другие физические методы: люминесцентный (фотолюминесцентный, рентгенолюминесцентный), основанный на возбуждении люминесценции минералов под воздействием внешнего излучения; фотометрический, в котором используются эффекты взаимодействия видимого светового излучения с веществом; термоэлектрический, основанный на взаимодействии теплового излучения со смесью минералов, обладающих различной теплоемкостью; радиоволновый, например радиорезонансный, основанный на использовании различий в электромагнитных свойствах горных пород и руд.
В тесной связи с эффективностью методов обогащения, и в первую очередь ядерно-физических, находится контрастность руды - различие кусков или порций руды по содержанию в них полезных компонентов. Это наиболее важная характеристика руды, так как ни при каком, даже самом совершенном обогатительном процессе нельзя выделить из руды богатый концентрат или бедные хвосты, если она состоит из кусков или частиц, мало различающихся между собой по содержанию полезного компонента.
К числу рудоподготовительных операций следует отнести сепарацию в тяжелых средах. Этой эффективной операции подвергаются чаще всего продукты после среднего дробления при обязательном отделении рудной мелочи и шламов. Предварительное обогащение в тяжелых суспензиях обычно позволяет выделить до 30 % поступающего на обогащение материала с отвальным содержанием ценных компонентов. Тяжелые суспензии, в которых происходит разделение материала по плотности, представляют собой смесь тонкодисперсной твердой фазы с водой.
Месторождения полезных ископаемых неоднородны по своему составу. Они характеризуются различными по технологическим свойствам разновидностями сырья и природными типами, количественные соотношения между которыми изменяются по глубине и площади месторождения. Колебания характеристик качественного состава перерабатываемых руд затрудняют управление процессами обогащения, что влечет за собой значительные потери металлов, повышенный расход реагентов, снижение производительности оборудования. Компенсировать эти потери и тем самым повысить эффективность работы обогатительных фабрик позволяет усреднение (стабилизация) качества руд - один из основных технологических процессов рудоподготовки.
Из природных типов руд, применяя методы предварительного обогащения (селективную добычу, радиометрическую сортировку, разделение в тяжелых средах и др.), формируют технологические типы руд. Некоторые типы являются технологически совместными и могут перерабатываться в общей смеси. Технологически несовместимые типы требуют раздельной переработки. Из технологически совместимых типов формируют шихту - рудную смесь с определенным соотношением контролируемых компонентов качественного состава.
В технологическом процессе усреднения учитывают: требования к составу шихты; имеющиеся в недрах объемы различных типов сырья; схему обогащения; систему ведения горных работ и транспортирования сырья; допустимые параметры процессов рудоподготовки и усреднения. Характер изменения качественного состава усредняемого минерального сырья чаще всего случайным образом зависит от времени или пространственных координат. Таким образом, задачи, связанные с усреднением, многовариантны и многофункциональны. Для их решения используют математический аппарат теории случайных функций.
Перспективное усреднение производят путем планирования горных работ на соответствующие более или менее длительные периоды. Оперативное усреднение, осуществляемое в течение всех смен или за сутки с использованием специальных усреднительных дозировочно-смесительных устройств, в наибольшей степени соответствует требованию бесперебойного снабжения обогатительной фабрики сырьем стабильного состава.
До недавнего времени технологическую эффективность усреднения определяли по результатам промышленных экспериментов или исследованием математических моделей технологических процессов обогащения. В последние годы используют комбинированный метод имитационного моделирования, который позволяет с учетом особенностей математических моделей процессов обогащения и отчетных данных обогатительных фабрик моделировать эти процессы с помощью ЭВМ и направленно интерпретировать эти данные как результат активного эксперимента. Дальнейшее развитие этого метода с привлечением данных по всему рудоподготовительному комплексу является перспективной задачей, решение которой позволит значительно упростить и усовершенствовать выбор технологии рудоподготовки.
Таким образом, структура науки о дезинтеграции и подготовке минерального сырья к обогащению и ее основные направления включают в себя:
- распознавание технологических типов и вещественного состава минерального сырья на основе современных ядерно-физических методов опробования;
- закономерности раскрытия минералов в процессах дробления и измельчения поступающих на обогащение полезных ископаемых с целью высвобождения индивидуальных минералов для последующего разделения в процессах обогащения;
- предварительное концентрирование полезных компонентов с использованием прогрессивных методов сортировки минерального сырья;
- закономерности классификации минерального сырья по крупности с целью повышения эффективности процессов дезинтеграции;
- направленное изменение физических свойств минералов посредством энергетических воздействий для повышения эффективности процессов дезинтеграции;
- научное обоснование методов усреднения минерального сырья с целью стабилизации качественных характеристик сырья для повышения эффективности процессов обогащения.

---