Обогащение полезных ископаемых

Обогащение полезных ископаемых – это совокупность технологических процессов предварительной обработки минерального сырья с целью придания ему качеств, удовлетворяющих требованиям потребителей.

При обогащении:

- повышается содержание полезного компонента в сырье,

- удаляются из сырья вредные примеси,

- достигается однородность сырья по крупности и составу.

В результате обогащения получают:

- концентрат – продукт обогащения, имеющий более высокое по сравнению с рудой содержание полезного компонента. По его содержанию, по содержанию примесей, влаги, концентраты должны удовлетворять требованиям ГОСТов, ОСТов, ТУ;

- отвальные хвосты – отходы обогащения, состоящие их пустой породы с незначительным содержанием полезных компонентов, извлечение которых технологически невозможно или экономически невыгодно.

Обогащение уменьшает расходы на транспортировку сырья, а также на его переработку, т.к. удаляется большой объем пустой породы.

В результате обогащения значительно повышается содержание полезных компонентов (%):

Компонент	Руда	Концентрат
Cu	0,5-1,5	20-40
Pb	1-3	20-75
Zn	1,5-4	40-60
Mo	0,1-0,5	45-60

Первые этапы обогащения – дробление и измельчение. Руда на обогащение поступает кусками до 1500мм, а выходит после дробления дисперсностью 10-15мм. При этом зерна минералов и пустой породы находятся в свободном виде и могут быть разделены.

Между дроблением и измельчением принципиальной разницы нет. Измельчение может доходить до размеров 0,074мм и менее.

Процессы дробления и измельчения очень энергоемки.

удельная, кВт*час/т энергия 103 102 10-1
d, мм

На рисунке показана зависимость удельного расхода энергии при дроблении и измельчении материала средней прочности от различной конечной крупности.

Степень дробления (измельчения) – это отношение диаметра наибольших кусков руды (D) к диаметру кусков продукта измельчения (d):

K = D/d

В зависимости от свойств руды применяется:

1 – раздавливание – разрушение в результате сжатия кусков между двумя давящими телами;

2 – раскалывание – разрушение в результате расклинивания между остриями дробящих тел;

3 – удар – разрушение под действием кратковременных динамических нагрузок;

4 – истирание – разрушение в результате воздействия смещающихся относительно друг друга поверхностей.

В зависимости от способа и механизма разрушения кусков руды различают:

- щековые дробилки (раздавливают и раскалывают куски между периодически сближающимися плитами – щеками) – аппараты периодического действия: дробление руды чередуется с разгрузочно-загрузочным циклом, что является основным недостатком этого типа дробилок, снижающим их производительность;

- конусные дробилки (раздавливают и истирают куски между движущимся и неподвижным конусами) – дробилки непрерывного действия;

- валковые дробилки (раздавливают и раскалывают куски между двумя гладкими иди зубчатыми валами, движущимися навстречу друг другу) – дробилки непрерывного действия;

- дробилки ударного действия используются для дробления мягких и вязких материалов.

Измельчение материала проводится в мельницах различного типа:

- барабанные мельницы используют для измельчения материала до крупности частиц 1-2 мм. Это стальной барабан, в который вместе с рудой загружают мелющие тела. В зависимости от вида дробящих тел различают мельницы шаровые, стержневые, галечные и самоизмельчения.

После каждой стадии дробления (измельчения) от полученного продукта с помощью грохочения (просеивания) отделяется мелкая фракция. Грохочение обычно применяют для разделения материалов с крупностью частиц выше 1-2 мм.

Методы гидравлической классификации используют для разделения материалов с размером частиц менее 100 мкм. Гидравлическая классификация – процесс разделения смеси минеральных зерен по крупности на основе различия в скоростях их осаждения в воде.

Затем идет собственно обогащение. Наиболее распространенные методы обогащения:

- флотационный,

- гравитационный,

- магнитный,

- электрический.

С помощью флотации обогащается более 90% всех руд черных и цветных металлов, а также неметаллические полезные ископаемые: сера, графит, фосфатные руды, уголь.

Флотационная система гетерогенна, включает в себя три фазы: твердую, жидкость, газ. Флотация основана на способности твердых частиц удерживаться на границе раздела жидкой и газовой фаз, т.е. на гидрофобности, несмачиваемости частиц. Наиболее распространена пенная флотация. Несмачиваемые водой минеральные зерна прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность. Изменяя условия флотации можно добиться, например, следующего: при флотации железных руд в пенный продукт будет выделяться магнетит (железорудный концентрат) – прямая флотация, а может выделяться кварц (пустая порода) – обратная флотация, т.е. флотационные процессы универсальны из-за разнообразных способов ведения и широких возможностей регулирования.

Для ведения процесса флотации необходимо использование различных химических соединений:

- - собиратели – резко повышают гидрофобность поверхности извлекаемых частиц. При флотации сульфидных материалов применяют

ксантогенаты R-O-C-S-Me и дитиофосфаты RO S

║ P

S RO S

(R – спиртовый или фенольный радикал; Me – Na или K);

- несульфидные минералы флотируют с Na-мылами жирных кислот (олеат Na – С17Н33СООNa) или аминами (RNH2);

- уголь, сера и другие природногидрофобные минералы флотируются при помощи керосина и других неполярных реагентов.

- - вспениватели – вещества, которые облегчают диспергирование воздуха, препятствуют слиянию пузырьков и повышают прочность пены (различные ПАВы, сосновое масло);

- - регуляторы среды – создают оптимальную рН среды (известь, сода, серная кислота).

Процесс флотации проводят во флотационных машинах. Пенный продукт подают на обезвоживание.

Гравитационные процессы основаны на различии характера и скорости движения минеральных частиц с разными плотностями в водной или воздушной среде:

- промывка – разделение путем разрыхления и удаления с помощью воды глинистых материалов, которыми скреплены зерна полезного ископаемого (железные и марганцевые руды, фосфориты, россыпи цветных, редких и благородных металлов, промывка золотого песка, высококачественного строительного материала);

Обогащение в тяжелых средах – разделение добытых ископаемых по плотностям. Образующиеся продукты (тяжелые и легкие фракции) имеют плотность больше или меньше плотности разделяющей среды и из-за этого или всплывают или тонут в ней. Такое обогащение – основное в угольной промышленности. В качестве тяжелых сред применяют органические жидкости, водные растворы солей и суспензии:

- органические жидкости: трихлорэтан С2Н3С13 (плотность 1460 кг/м3), хлороформ СС14 (1600), дибромэтан С2Н4Br2 (2170), ацетилентетрабромид С2Н1Br2 (2930);

- водные растворы неорганических солей: СаСд2 (1654), ZnС12 (2070);

- суспензии: в качестве утяжелителей используют измельченные менее чем до 0,1мм различные вещества – глину (1490), пирит (2500), галенит PbS (3300). При обогащении углей применяется суспензия магнетита (2500).

Магнитное обогащение применяют при переработке руд черных, редких и цветных металлов. Основано оно на использовании различий в магнитных свойствах минералов и пустой породы. При движении частиц через магнитное поле магнитный и немагнитный продукты движутся по разным траекториям. По удельной магнитной восприимчивости минералы делятся на:

- сильномагнитные – магнетит Fe₃O₄, пирротин Fe_1-nS_n - χ >380*10^-7 м3/кг,

- слабомагнитные – гидроксиды и карбонаты Fe и Mn - χ = (7,5-1,2)* 10-7 м3/кг,

- немагнитные кварц SiO2, апатит Ca5(F,Cl)(PO4)3, рутил TiO2, полевой шпат (Na,K,Ca)(AlSi3O8).

Электрическое обогащение основано на различной электропроводности пород и их свойствах электризоваться. Электрическая сепарация применяется для обогащения зернистых сыпучих тел крупностью 0,05-3 мм, компоненты которых не имеют значительных различий в других свойствах (плотности, магнитной восприимчивости, физико-химических свойствах поверхности).

В зависимости от удельной электропроводности минералы делят на:

- проводники – рутил, пирит,

- полупроводники – магнетит,

- непроводники – кварц, циркон (ZrSO4).

При соприкосновении частиц минерала-проводника с электродом они заряжаются одноименным зарядом. Частица диэлектрика при этом не заряжается. Затем частицы проходят через постоянное электрическое поле и меняют свои траектории в зависимости от заряда на их поверхности.

Обогатительные фабрики – источник значительных выбросов пыли и сточных вод.

Пылеобразование происходит в процессе переработки и хранения твердого минерального сырья. Сильное пылевыделение наблюдается при сухом дроблении, грохочении, при сухих методах обогащения, транспортировке и перегрузке продуктов обогащения.

При работе дробилок основное пылевыделение происходит в местах разгрузки продукта и достигает для валковых дробилок 4г/с, для конусных и щековых – 10 г/с, для молотковых – 120 г/с. При работе мельниц выделяется до 80 г/с пыли.

Сточные воды сбрасываются в хвостохранилища вместе с хвостами обогащения, откуда могут попадать в водоемы.

Основные загрязняющие вещества – грубодисперсные примеси (гравитационные хвосты обогащения), соли в растворенном виде, флотационные реагенты в виде эмульсий, продукты взаимодействия реагентов между собой и с минералами.

Сточные воды могут содержать:

- кислоты, применяемые в технологическом процессе,

- ионы Fe, Cu, Ni, Zn, Pb, Al, Co, Cd, Sb, Hg и другие, которые попадают в сточные воды из-за растворения их соединений кислотами,

- цианиды – основное загрязняющее вещество золотоизвлекающих фабрик и фабрик, применяющих в качестве флотационного реагента циан-плав,

- фториды, если флотореагентами являются NaF, NaSiF6,

- нефтепродукты, чаще всего – керосин, флотоагент в обогащении угля, серы, Cu-Mo, Mo-W рудБ

- фенолы, как флотоагенты, ксантогенаты и дитиофосфаты – флотоагенты с неприятным запахом.