Kitobni o'qish: «Занимательное обогащение»

Name: Занимательное обогащение
Author: Данил Александрович Полулях

Shrift:

Введение

Впервые описания процессов обогащения полезных ископаемых встречается в еще в труде Георгиуса Агриколы «12 книг о металлах», как малозначительная операция между добычей руды и её плавлением. С развитием технологий, в особенности из-за замены ручной добычи механической, обогащение превратилось в большое научное направление. Такой рост вызван «неразборчивостью добывающих машин, захватывающих полезные ископаемые вместе с пустой породой.

Также в мире наблюдается истощение легкодоступных и богатых месторождений, поэтому разрабатываются более бедные – что, в свою очередь, повышает сложность обработки и увеличивает долю породы в добытом материале.

Вышеописанные обстоятельства приводят к тому факту, что исходный материал после добычи представляет собой смесь полезного ископаемого с пустой породой в разных пропорциях и сочетаниях. Наиболее частые случаи – кусковые (уголь, щебень, марганец и т. д.), зернистые или россыпные (золото, титан, драгоценные камни и т. д.), вкрапленные (железо, серебро и т. д.) и когда химические элементы находятся в единой кристаллической структуре (металлы).

Следует обратить внимание, что целевое полезное ископаемое обычно находится в природе в окисленном состоянии (связано с кислородом), поэтому методы восстановления (плавка, химическое восстановление, электролиз и т. д.) невозможны без предварительного удаления пустой породы.

Обогащение полезных ископаемых осуществляется с помощью различия в природных свойствах минералов (плотность, крупность, магнитная способность, поверхностные свойства, форма, цвет и т. д.). Обычно для процессов выбирается наиболее яркое, контрастное отличие.

Процессы обогащения делятся на три основные группы: подготовительные, процессы непосредственно обогащения и вспомогательные.

Первая группа включают в себя операции дробления, измельчения, классификации, шихтования, брикетирования. При этом происходят изменения в величине частиц. Во второй – меняется содержание ценного компонента. Вспомогательные операции необходимы для того, чтобы обогащенное полезное ископаемое и его отходы было удобно перевозить и использовать.

Полезные ископаемые обычно имеют черный цвет (уголь, железная руда), а порода – серый или белый, поэтому частицы обозначены соответственно.

Глава 1. Подготовительные процессы

Подготовительные процессы в зависимости от особенностей полезного ископаемого могут осуществляться на разном оборудовании, но преследуют четыре главные цели:

– дробление и измельчение предназначены для «раскрытия» (разрушения) материала, когда он представляет собой «сросток» (единый камень) с другим минералом (породой), минерал разрушают до такого состояния, когда частицы породы и ценного компонента становятся отделены друг от друга;

– классификация нужна для облегчения дробления материала методом изъятия уже разрушенных частиц из процесса, а также разделения материала на крупные и мелкие продукты, обогащаемые впоследствии разными способами в случае «кускового» полезного ископаемого, т. е. размер частиц которого могут изменяться от нуля до метра;

– шихтование применяется на больших фабриках для повышения однородности исходного материала на фабрику, что дает повышение качества конечного продукта;

– обдирка является операцией для отделения налипших частиц одного минерала от частиц другого или удаления «корки» минерала, образованным его же окисленным (ржавым) поверхностным слоем.

1.1. Дробление

В зависимости от размеров частиц, полезные ископаемые условно делят на: кусковые (больше 3 мм), зернистые (от 0,2 мм до 3 мм), тонкие (от 0 до 0,2 мм). Кусковые и зернистые могут подразделяться на крупные, средние и мелкие. Для подразделения тонких минералов просто указывают размер частиц.

Процессы дробления и измельчения не имеют определенного разграничения. Условно считается, что дробление – для более крупного материала, а измельчение для более мелкого, или для второй стадии процесса.

Также обычно у операций дробления нет свободно двигающихся мелющих тел.

Отношение крупности материала до и после дробления или измельчения характеризует интенсивность разрушения, называется «степенью измельчения» и обозначается «і».

1.1.1. Конусная дробилка

Применяют для руд высокой прочности.

Рис. 1.1. Принцип работы конусной дробилки.

Принцип работы конусной дробилки похож на растирание специй или мака в ручной ступе.

Дробилка состоит (рис. 1.1) из дробящего конуса, совершающего сложное движение, наподобие полета Земли вокруг Солнца и неподвижного внешнего конуса. В месте, где дробящий конус приближается к неподвижному происходит сжатие материала и его последующее разрушение, на противоположной стороне – выгрузка уже дробленного продукта.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Различают конусные дробилки для крупного, среднего и мелкого дробления. Конструктивно отличаются только размерами. Крупность помола регулируется зазором между конусами.

1.1.2. Щёковая дробилка

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Принцип работы щековой дробилки аналогичен раздавливанию чеснока в ручной чесночнице.

Дробилка состоит (рис. 1.2) из неподвижной и качающейся (подвижной) стальных пластин (щёк). Когда подвижная щека приближается к неподвижной происходит сжатие материала и его последующее разрушение, а когда щёки раздвигаются – происходит разгрузка дробленного продукта.

Щековая дробилка работает с порционной загрузкой исходного и выгрузкой дробленного материала.

Различают щековые дробилки с одной или двумя подвижными щеками. Конструктивно отличаются способом движения щёк. Крупность помола регулируется зазором между щёками.

Щеки могут двигаться разным способом. Только щековая дробилка со сложными качания дробящих щек может применяться для разрушения строительных железобетонных конструкций (фонарный столб), так как железные арматурные конструкции проходят вдоль разрушающих бетон щек, не ломая дробилку.

Рис. 1.2. Принцип работы щековой дробилки.

1.1.3. Валковая дробилка

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Дробилка состоит (рис. 1.3) из неподвижного и подвижного валков, вращающихся навстречу друг другу. Когда частица попадает между валками происходит сжатие материала и его последующее разрушение, если попадается слишком прочная частица подвижный валок смещается на пружине для предотвращения застревания или поломки.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Различают валковые дробилки с одной или двумя подвижными валками. Конструктивно отличаются размерами и наличием зубьев. Крупность помола регулируется зазором между валками.

Рис. 1.3. Принцип работы валковой дробилки.

1.1.4. Дробилка самоизмельчения

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Принцип работы ротора дробилки самоизмельчения похож на садовую вращающуюся «поливалку».

Дробилка состоит (рис. 1.4) из ротора и неподвижного корпуса.

Исходный материал разделяется на два потока, один пускается по стенкам бочкообразного корпуса, а другой с помощью ротора с высокой скоростью «выстреливает» из центра к стенкам. В результате происходит удар материала о материал и его последующее разрушение.

Дробилка самоизмельчения работает в непрерывном режиме.

Конструктивно дробилки самоизмельчения отличаются геометрией и скоростями движения материала. Крупность помола регулируется скоростью вращения ротора.

Рис. 1.4. Принцип работы дробилки самоизмельчения.

1.1.5. Роторная и молотковая дробилки

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Дробилки состоит (рис. 1.5) из ротора и неподвижного корпуса. Ротор у роторной дробилки представляет собой неподвижно закрепленные на валу ряды стержней (пальцев). Конструкция молотковой дробилки аналогична, за исключением того, что стержни (молотки) подвижно крепятся с помощью нескольких звеньев цепи.

Когда частица попадает под удар пальца или молотка в дробилках происходит её разрушение.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Крупность помола регулируется скоростью вращения ротора.

Рис. 1.5. Принцип работы роторной и молотковой дробилок.

Технологически роторная и молотковая дробилки отличаются интенсивностью разрушения: в случае необходимости мелкого дробления материала малой прочности обычно применяют первую; если есть нежелание переизмельчить материал, применяют молотковую. Так как удар в роторной дробилке наносится весом пальца и инерцией вращения вала, а в молотковой – исключительно весом молотка.

1.1.6. Разрушение перепадом температур

Применяется для минералов высокой прочности.

Рис. 1.6. Принцип разрушения перепадом температур.

Суть метода заключается в нагреве вещества в печи или трением частиц минерала друг о друга, с последующим резким охлаждением водой с температурой, близкой к нулю. При нагреве происходит расширение кристаллической структуры минерала, а при резком охлаждении – кратное ослабление прочности, образование трещин и разрушение.

1.1.7. Вакуумное разрушение

Применяется для минералов с пустотами внутри частиц (губкообразные или трещиноватые) и не высокой прочности.

Рис. 1.7. Принцип вакуумного разрушения.

Процесс разрушения проходит в два этапа: сначала в прочный герметичный контейнер загружается минерал и накачивают воздух для повышения давления, кратно больше атмосферного. Для выравнивая давления внутри пор минерала и давлением внутри контейнера выдерживают несколько часов. На втором этапе – контейнер резко открывают, при этом происходит резкий перепад давления между внутренними порами минерала и атмосферным, в результате чего полезное ископаемое разрывает изнутри.

Данный метод дорог в применении и подходит только для малой доли полезных ископаемых.

1.2. Измельчение

Измельчение является ключевым процессом в целом ряде производств: строительство, пищевая промышленность, химическое производство. В горном деле применяется на конечных операциях разрушения материала.

1.2.1. Струйная мельница

Условная технологическая задача: измельчить «песок» в «муку».

Рис. 1.8. Принцип работы струйной мельницы.

Применяют для материалов средней и высокой прочности, так как для малопрочного материала характерна деформация при ударе без разрушения и слипание частиц.

Принцип работы струйной мельницы можно представить как если два фена (только воздух несет еще и частицы песка) направить навстречу друг другу.

Струйная мельница состоит (рис. 1.8) компрессора (двух), создающего мощный, транспортирующий материал, поток воздуха, воздуховодов и камеры измельчения. Струи и частицы сталкиваются «в лоб» и происходит процесс разрушения материала.

Струйная мельница работает в непрерывном режиме.

Конструктивно данные мельницы отличаются геометрией и скоростями движения материала. Могут конструктивно иметь два соударяющихся потока или одни поток, бьющийся об отбойную плиту.

Крупность помола регулируется скоростью движения воздуха.

1.2.2. Шаровая мельница

Применяют для любых материалов. Является основным измельчающим процессом.

Принцип работы шаровой мельницы можно представить в виде лежащей на боку бочке, если в нее положить камешки и железные шары (мелящие тела), а после столкнуть бочку с горы. Вращение от спуска передастся шарам, и они будут разрушать камешки.

Шаровая мельница состоит (рис. 1.9) привода, цилиндрического и лежащего на боку корпуса, устройства досыпки новых мелящих тел. Процесс разрушения может происходить в трех режимах: каскадном, когда мелящие тела перекатываются без полета по «днищу» корпуса, водопадном, в случае появления участка полета и смешанном.

При каскадном режиме разрушение происходит за счет истирания материала мелющими телами. При водопадном – добавляется к истиранию момент удара мелющими телами при падении.

В качестве мелящих тел могут использоваться металлические или керамические шары, полнотелые «бочонки», подобранные куски прочной породы.

Шаровая мельница обычно работает в периодическом режиме.

Рис. 1.9. Принцип работы шаровой мельницы.

Конструктивно данные мельницы отличаются размерами, геометрией и вариантами загрузки и выгрузки материала.

Принцип действия и конструкция шаровых мельниц отличается от стержневых только тем, что стержни в соответствующих мельницах жестко закреплены вдоль оси вращения корпуса.

Данные аппараты обычно используются в цикле (в паре) с классифицирующим устройством, обычно гидроциклоном или спиральным классификатором для контроля качества измельченного продукта. Материал больше требуемой крупности (обычно 20–30 %) направляется обратно в мельницу, таким образом, замыкая цикл.

Крупность помола регулируется скоростью вращения и подборкой мелющих тел.

1.2.3. Планетарная мельница

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Условная технологическая задача заключается в получении особо тонких порошков (до 1 мкм).

Принцип работы планетарной мельницы схож с дисковыми тормозами.

Планетарная мельница состоит (рис. 1.10,) из двух жерновов, вращающихся в противоположных направлениях. Процесс разрушения происходит за счет истирания материала данными жерновами.

Рис. 1.10. Принцип работы планетарной мельницы.

Данная мельница работает в периодическом режиме.

Конструктивно данные мельницы отличаются размерами, геометрией и вариантами загрузки и выгрузки материала.

1.2.4. Дезинтегратор

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Условная технологическая задача заключается в разрушении крупного, не очень прочного материала, часто используют для переработки пластмасс и другого вторичного сырья.

Дезинтегратор состоит (рис. 1.11) из минимум двух многосекторных роторов, каждая секция которых вращающихся в противоположных направлениях. Каждая вращающаяся секция снабжена ударными стержнями (бичами). Процесс разрушения происходит за счет ударов бичами по материалу.

Рис. 1.11. Принцип работы дезинтегратора.

Основной особенностью дезинтегратора является обеспечение многократного удара по материалу и тем обстоятельством, что частица проходит поэтапное разрушение с возрастающей интенсивностью.

Дезинтегратор работает в непрерывном режиме.

Конструктивно данные устройства отличаются размерами, количеством роторов и вариантами движения их секций.

1.2.5. Вибрационная мельница

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Конструктивно вибрационные мельницы подразделяются на виброистератели (рис. 1.12.) и, собственно, вибромельницы, (рис. 1.13), широко применяемые в лабораторных устройствах. В промышленности эти аппараты нашли ограниченное применение из-за малой производительности.

Рис. 1.12. Принцип работы виброистирателя.

Данные машины работают в периодическом режиме следующим образом: материал подается в измельчающие камеры, также туда помещаются истирающие (пестик для виброистирателя) или мелющие тела (шарики для вибромельницы)

Механика процессов разрушения, происходящих при вибрационном измельчении, аналогична шаровым мельницам.

Рис. 1.13. Принцип работы вибрационной мельницы.

1.3. Классификация

Классификация является процессом разделения материала по крупности.

Процессы классификации происходят либо на ситовой поверхности (грохочение), либо с помощью гравитационных или гидродинамических сил.

Основными аппаратами, использующими принцип классификации под действием гидродинамических сил, являются гидроциклоны и спиральные классификаторы.

1.3.1. Спиральный классификатор

Принцип работы спирального классификатора можно увидеть размешивая сахар ложкой в прозрачном стакане с чаем, когда наиболее мелкие сахаринки всплывают до поверхности, а крупные витают около дна.

Спиральный классификатор состоит (рис. 1.14) из вращающейся спирали (обычно двух, иногда трех), создающей восходящие потоки с интенсивностью, достаточной для всплытия мелких частиц, но слишком слабой для всплытия крупных частиц.

Мелкие частица разгружаются через порог (борт) с потоком воды, а крупные вычерпываются спиралью в сборник.

Спиральный классификатор работает в непрерывном режиме.

Крупность разделения регулируется скоростью вращения спиралей.

Рис. 1.14. Принцип работы спирального классификатора.

1.3.2. Классифицирующий гидроциклон

Принцип работы классифицирующего гидроциклона можно увидеть наливая воду в ведро из шланга, направив поток по касательной вдоль стенки.

Классифицирующий гидроциклон состоит (рис. 1.15) из цилиндрической и конических частей, питающего патрубка, сливной (мелкий продукт) и песковой (крупный продукт) насадок. Сливная насадка «утоплена» в цилиндрическую часть гидроциклона, и эту часть называют сливным стаканом.

Рис. 1.15. Принцип работы гидроциклона.

Диаметр отверстия в песковой насадке всегда меньше питающего диаметра, таким образом формируется восходящий поток, улавливаемый сливным стаканом. Данный восходящий поток выносит мелкие частицы в сливной продукт. Более крупные, а значит, тяжелые частицы тонут, и попадают в песковый продукт.

Конструкции гидроциклонов разнообразны. По форме различают цилиндрические (обычно «лежат на боку»), цилиндроконические (вертикальные), часто несколько гидроциклонов объединяют в один аппарат.

Из гидроциклонов малых диаметров формируют батареи, от 2–3 шт. до 40–50 шт.

Классифицирующий гидроциклон работает в непрерывном режиме.

Крупность разделения регулируется соотношением диаметров насадок и входящим давлением воды.

1.4. Грохочение

Грохочение является классификацией с помощью просеивающей поверхности.

Аппараты для классификации с решетом называются грохотами.

Рис. 1.16. Основные формы просеивающих поверхностей.

По геометрической форме отверстий они делятся: на прямоугольные от квадрата до щели, круглые, струнные, с подвижной ячейкой. Решето может быть подвижным (инерционные грохоты) или неподвижным, а также их может быть несколько.

Инерционные грохоты по сочетанию частоты колебаний решета и материала подразделяются на дорезонансные (частота колебаний решета больше чем материала), резонансные (равны) и зарезонансные или высокочастотные. Для последних характерно наличие двойного колебательного контура: обычный дорезонансный грохот трясет короб, в котором находится еще один дорезонансный грохот. Частоты колебаний этих двух грохотов подбираются таким образом, чтобы их суммарная частота была больше, чем у материала.

Просеивающая поверхность наиболее часто формируется способами, показанными на рис. 1.16. Колосниковое решето набирается из параллельных колосков, струнное напоминает арфу, шпальтовое собирается из колосниковых ячеек, перфорированное может иметь отверстия любой нужной формы и взаимного расположения, плетеное аналогично сетке-рабице, штампованное шпальтовое производится из резины или полиуретана под действием высокого давления, также решето может быть сварным, быть результатом наложения нескольких сит (просеивающее на несущее).

Грохоты могут быть подвижными и неподвижными.

Наиболее часто употребляемые материалы для создания просеивающих поверхностей: сталь, резина, полиуретан, карбиды, и их комбинации.

Частицы просеиваемого материала в зависимости от собственного диаметра могут быть «легкими», «трудными» и «затрудняющими», как показано на рис. 1.17.

«Легкие» зерна диаметром меньше примерно 75 % от диаметра ячейки решета, т. е. свободно просеиваются. «Трудные» зерна диаметром от 75 до 99 % от диаметра ячейки решета. «Затрудняющие» зерна примерно равны отверстию ячейки решета, склонны к застреванию и уменьшают рабочую площадь грохота.

Мелкие частицы условного размера меньше 1 мм называются «шлам», для антрацита – «штыб», разница возникла исторически из-за разного звучания одного и того же слова соответственно на английском и немецком языках, так как развитием угольной отрасли занимались английские специалисты, а антрацитовой – немецкие.

Как показано на рис. 1.17., мелкие частицы, содержащиеся в исходном (рядовом) угле называются первичным, а образованные при обработке на фабрике – вторичным шламом.

Рис. 1.17. Легкие, трудные и затрудняющие зерна.

При грохочении происходят следующие эффекты, показанные на рис. 1.18:

– снижение эффективности грохочения из-за влажности материала, вызванное слипанием мокрых частиц, а также комкованием илов и глин;

– шламообразование, процесс, вызванный разрушением частиц при соударении и ударах о решето;

– с ростом содержания влаги до состояния густой пульпы происходит повышение эффективности грохочения;

– кривая зависимости эффективности грохочения от влажности материала уменьшается до нуля и возрастает симметрично;

– значение эффективности в критических точках зависит от вида полезного ископаемого, данные на рис. 1.16 приведены для угля и антрацита.

Рис. 1.18. Зависимость эффективности грохочения от влажности материала.

1.4.1. Инерционный грохот

Наиболее распространенный грохот – инерционный, в котором вибрация решета происходит под действием одного или нескольких приводов. Для избегания ударов решето опирается на пружины или резиновые опоры.

Схема инерционного грохота показана на рис. 1.19. Материал падает на вибрирующую ситовую поверхность, частицы размерами меньше отверстий просеиваются в подрешетный продукт, а остальные попадают в надрешетный продукт.

Рис. 1.19. Принцип работы инерционного грохота.

По частоте колебания решета грохоты бывают: дорезонансные (рассев и обезвоживание крупных материалов), резонансные (вытеснены из употребления) и зарезонансные (высокочастотные, для рассева и обезвоживания мелких материалов).

Конструкции форм просеивающих поверхностей инерционных грохотов разнообразны. Основные наиболее часто встречающиеся формы приведена на рис 1.20.

Рис. 1.20. Основные формы грохотов.

1.4.2. Гидрогрохот

Принцип работы гидрогрохота основан на взаимодействии гидродинамических сил.

Прямолинейный гидрогрохот состоит (рис. 1.21) из разгонного устройства (гидроподготовки) и неподвижного решета, над которым закреплены под острым углом несколько рядов напорных сопел. Мощные струи воды в устройстве гидроподготовки разгоняют материал до скоростей от 4 до 9 м/с. На начальном этапе поток материала турбулентный и толстый, после он утончается и происходит явление сегрегации (отделения крупных кусков от мелких в слое материала под действием внешних сил). Таким образом подготовленный поток попадает на решето, где на него сверху действуют напорные струи из сопел, продавливая мелкие частицы в подрешетный продукт. Частицы, размером больше отверстий решета выносятся потоком в надрешетный продукт.

Существуют две основные конструкции гидрогрохотов: прямолинейные и конусные. Конусные отличаются формой решета, в виде усеченного конуса и «бубликообразным» кольцевым разгонным устройством.

Применяется для рассева крупных частиц.

Рис. 1.21. Принцип работы гидрогрохота.

1.4.3. Валковый грохот

Валковый грохот состоит (рис. 1.22) из параллельных вращающихся в одну сторону валков. Материал, попадая на валки перемещается вдоль них под воздействием их вращения. Частицы размером меньше зазора между валками проваливаются в подрешетный продукт. Остальные частицы перемещаются валками в надрешетный продукт.

Иногда на валки неподвижно закрепляют ряды стержней (пальцев) или звезд (похожих на шестерни) для разрыхления слипшегося материала (звездочный грохот).

Если на валки закрепить вместо пальцев ножи – получается конструкция для измельчения материалов низкой прочности, к примеру, целлюлозы.

Существуют конструкции валковых грохотов, в которых каждый вал для улучшения эффективности работы совершает вибрации.

Рис. 1.22. Принцип работы валкового грохота.

1.5. Шихтование

Подготовительный процесс, улучшающий качество конечных продуктов. Заключается в пропорциональном смешивании поступающих исходных материалов с разными характеристиками в целях получения однородного питания фабрики.

Рис. 1.23. Шихтование.

Для производств большой мощности характерно наличие системы бункеров (силосов) для хранения и шихтования материалов (рис. 1.23). Каждый бункер имеет питатель, способный отгружать материал с разной производительностью. Задавая нужные значения, получают однородный материал (шихту).

В случае отсутствия бункеров используют следующие приёмы:

– «Пирог» – когда полезные ископаемые по некоторой площади распределяют горизонтальными слоями, а после выбирают с одного края, получая, таким образом, однородный материал.

– «Шихтующий ковш» – бульдозер берет некоторое количество материала из одного штабеля (кучи) а потом пропорционально из другого штабеля, а при необходимости и из третьего. Например, нужно смешать материал в пропорции 1 к 2, тогда бульдозер берет 1 ковш из первого и 2 ковша из второго штабеля.

– «Шихтовка с вагона» – каждый вагон с материалом, прибывающий на фабрику, имеет паспорт, в котором содержатся характеристики сырья. Выстраивая очередность разгрузки вагонов, получают однородный материал.

1.6. Обдирка

Рассмотрим процесс отделения налипших частиц одного минерала от частиц другого. Обычно полезное ископаемое в таком случае представлено в виде россыпи, причем крупность может измеряться в миллиметрах, а может и в микронах.

В первом случае примером могут быть руды с глинистыми или известняковыми примесями. Во втором – графит, налипающий на частицы кварца.

Вариант обдирочной машины для вышеизложенных случаев на примере графита с игольчатыми частицами показана на рис 1.24. Исходный минерал поступает в емкость машины с потоком воды. Роторная мешалка создает турбулентный поток воды, смывающий налипшие частицы, а также под действием которого, частицы трутся друг о друга, очищая поверхности.

Более крупные, а значит тяжелые, отмываемые частицы разгружаются в один сборник, а мелкие отмытые выносятся потоком воды через порог (как на рис. 1.20 или через решето вниз) в другой сборник.

Рис 1.24. Обдирочная машина для игольчатого графита.

Рассмотрим процесс удаления «корки» или «шубы» минерала, образованным его же окисленным (ржавым) поверхностным слоем, рис 1.25.

Наиболее характерны для этого случая марганец или железные окисленные руды, являющиеся минералами с сильными магнитными свойствами. Данные полезные ископаемые отличаются крупными (кусковыми) частицами. Однако их поверхностный окисленный слой отличается слабыми магнитными свойствами и также прочностью, значительно меньшей, чем у целевых минералов. Поэтому «шуба» мешает дальнейшему обогащению, но так как в минерале нет значительного числа породных вкраплений, дробление не является решением.

Рис 1.25. Процесс удаления «шубы» минерала.

Частицы полезного ископаемого, попадающие в обдирочную машину (рис. 1.25) подвергаются интенсивной вибрации на решете в потоке воды. Отверстия в решете (деке) делаются меньше размеров частиц целевого минерала.

Вибрационное воздействие заставляет частицы тереться друг о друга, разрушая «шубы». Целевые отмытые частицы переходят по деке и разгружаются через порог. Частицы разрушенных «шуб» тонут и через решето собираются в сборник.

Глава 2 Процессы обогащения

В процессах обогащения полезных ископаемых происходит изменение качества продукта. Технологический параметр «качество» может выражаться процентом содержания полезного ископаемого («бета» β) или зольностью, т. е. процентом содержания породы («Ad» или просто «А», с англ. зольность остаточная после сжигания). Для оценки качества угля, антрацита, торфа и графита используют А, для всех остальных – β.

Все полезные ископаемые можно условно разделить на три группы, (рис. 2.1): вкрапленные, россыпные и кусковые. Вкрапленные, напоминают булочку с маком, где мак – это полезное ископаемое, а булка – вмещающая порода.

Обычно размер частиц целевого минерала измеряется в микронах. Россыпные ископаемые представляют собой смесь нескольких песков. Кусковые – смесь частиц, когда их размер меняется от нуля до метра.

Рис. 2.1. Условные типы полезных ископаемых.

Целевое изменение качества достигается методами, которые можно условно разделить на следующие группы:

– гравитационные, используют разницу в плотности минералов, что находит воплощение в разных скоростях движения;

– магнитные, когда полезное ископаемое обладает данным свойством, а порода – нет;

– флотация, по различию в способности частиц прилипать к поверхностям;

– специальные (все остальные) методы, использующие разницы в коэффициенте трения (трибогравитационные), в форме или цвете частиц, а также электрические, по способности удерживать электростатический заряд, к примеру целевой минерал – положительный, а порода – отрицательный, биологические и гидрометаллургию.

2.1. Гравитационные методы

Наиболее обширная и конструктивно разнообразная группа методов обогащения полезных ископаемых. Подразделяется на сухие (пневматические) и мокрые способы. Мокрые способы эффективнее сухих, последние применяются в условиях, когда нет возможности использовать воду.

2.1.1. Пневматические сепараторы

Сепараторы, разделяющие частицы в воздушных потоках можно разделить на две группы: циклоны и пневмоотсадочные машины. Циклоны (чтобы не путать с гидроциклонами, иногда называются аэроциклонами) по устройству и принципу действия аналогичны гидроциклонам, только в качестве различительной среды используется воздух, а не вода.

Аппараты по типу пневмоотсадочных машин представляют собой (рис. 2.2) два направленно двигающихся решета (в одну сторону вибрируют сильнее, чем в обратную). В зазор между решетами поступают частицы с потоком воздуха. Через нижнее решето вертикально вверх подаются струи воздуха, с силой достаточной для сдувания вверх легких частиц и недостаточной для тяжелых. В результате этого, тяжелые частицы нижнее решето «вытрясывает» в одну сторону, а прижимаемые струями воздуха к верхнему решету легкие частицы – верхнее решето «вытрясывает» в другую сторону.

Рис. 2.2. Принцип работы пневматического сепаратора.

Пневматические сепараторы применяют для кусковых и крупнозернистых минералов, а также они нашли широкое применение в переработке вторичного сырья, в особенности при переработке электротехнической и компьютерной техники.

2.1.2. Обогатительный желоб

Наиболее древний и примитивный способ обогащения. Бывает сухим или мокрым. Применяется для кусковых полезных ископаемых. Напоминает детскую горку: частицы разгоняются на наклонной поверхности и пролетают разное расстояние, попадая в различные сборники, как показано на рис 2.3.

В настоящее время используются как составная часть других аппаратов.

Рис. 2.3. Принцип работы обогатительного желоба.

2.1.3. Концентрационный стол

Рис. 2.4. Принцип работы концентрационного стола.

Применяют для крупнозернистых минералов, считается одним из самых эффективных обогатительных процессов, позволяет получить несколько продуктов разного качества. Однако для работы концентрационного стола необходима почти чистая вода и сам процесс отличается малой производительностью. Конструктивно бывает многодечным.

Концентрационный стол (рис. 2.4) работает следующим образом: исходный материал поступает из загрузки на деку с рифлями (напоминающую стиральную доску) с тонким слоем воды. Дека вибрирует с подобранной частотой и амплитудой так, чтобы легкие частицы (черные) перескакивали через рифли, а тяжелые (белые) скользили вдоль них, попадая в разные сборники.

2.1.4. Тяжелосредный сепаратор

Принцип работы тяжелосредного сепаратора (рис. 2.5) напоминает шутку о плавающем в ртути железном ломе, который при этом тонет в воде, и урановом, тонущем в ртути.

Применяют для крупнокусковых полезных ископаемых.

Сложность работы сепаратора заключается в создании среды (суспензии) с нужной плотностью. Обычно для этого применяют измельченный магнетит, так как он является от природы сильномагнитным минералом, и поэтому легко может быть отделен от суспензии впоследствии. Однако иногда в качестве утяжелителя используют глинистые частицы и океанскую сильносоленую воду.

Частицы разной плотности попадают в сепаратор, в который в воду добавляют утяжелитель (обычно магнетит) чтобы их суммарная плотность была между плотностями легких частиц (черные) и тяжелых (белые).

Сила Архимеда выталкивает легкие частицы (фракция) на поверхность, где они или самотеком, или черпалкой направляются концентрат.

Утонувшие тяжелые частицы (фракция) обычно вращающимся колесом вычерпываются в отходы.

Рис. 2.5. Принцип работы тяжелосредного сепаратора.

Бывают по способу разгрузки породы: колесными, корытными со скребками, спиральными (шнековыми).

2.1.5. Тяжелосредный гидроциклон

Предназначен для обогащения мелкокусковых и крупнозернистых полезных ископаемых. Также как и тяжелосредный сепаратор, процесс разделения происходит под действием силы Архимеда, но добавляется центробежная сила, рис. 2.6, применяемая в основном, для быстрого удаления уже разделенных частиц из аппарата.

Для тяжелосредного гидроциклона используют тот же утяжелитель, что и для тяжелосредного сепаратора, процесс подготовки и восстановления (регенерации) которого, обычно един.

Рис. 2.6. Принцип работы тяжелосредного гидроциклона.

Наклон тяжелосредного гидроциклона (примерно 40º) нужен для облегчения работы силе Архимеда и ускорения всего процесса. Угол наклона гидроциклона подбирается таким образом (рис. 2.7), чтобы обеспечить максимальную площадь линии разграничения плотностей (пунктирная линия на рис 2.6)

Возьмем наполовину наполненную бутылку (рис. 2.7), и поставим ее вертикально (рис. 2.7 слева), зеркало воды будет минимальным, а значит площадь действия силы Архимеда будет минимальной, но тяжелосредный гидроциклон может работать. Если наклоним бутылку слишком сильно (рис. 2.7 справа) то площадь действия силы Архимеда будет максимальной, но тяжелосредный гидроциклон работать не будет, так как это зеркало достигнет входного отверстия.

Рис. 2.7. Выбор угла наклона тяжелосредного гидроциклона.

Поэтому подбирается оптимальный угол наклона (рис. 2.7 центр), при котором не нарушается работа аппарата при максимально возможной площади действия силы Архимеда.

Тяжелосредные гидроциклоны и сепараторы в случае необходимости могут устанавливаться последовательной парой, когда слив первого аппарата направляется в загрузку второго. В данном случае сначала отделяется максимально чистая порода от смеси сростков и лёгких частиц (микст), а уже после микст разделяется на концентрат и промежуточный продукт (промпродукт).

2.1.6. Отсадочная машина

Отсадочная машина (рис. 2.10), по легенде, была придумана случайно при проведении рутинного лабораторного анализа, рис. 2.8.

Это был лабораторный анализ по рассеву угля на ручном решете мокрым способом. При котором небольшая проба насыпается в решето и оно опускается в воду таким образом, чтобы вода покрыла материал, но была ниже бортиков самого решета. Совершая круговые движения кисточкой или рукой, лаборант создает завихрения воды и разрыхление материала, при котором частички размером мельче отверстий решета «тонут» сквозь него. Ошибка легендарного лаборанта заключалась в насыпании слишком большого количества материала, при котором затрудняющие зерна (рис. 1.15) блокируют отверстия ячеек решета.

Рис. 2.8. Расслоение частиц на решете при троекратном погружении.

Однако, если порода и уголь в мокром виде отличаются по цвету, то можно увидеть расслоение по плотности в таких условиях трижды погрузив материал в воду, как на рис. 2.8. Таким образом и был придуман процесс отсадки (мойки) угля.

Для создания разделительной среды в первом поколении отсадочных машин (механических) использовались: восходящий поток воды (подаппаратная вода) и качающееся решето (дека). Во втором поколении дека стала неподвижной и создание разделительной среды достигалось за счет колебания воды по принципу сообщающихся сосудов как показано на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема создания пульсирующей среды гидравлической отсадочной машины.

В третьем поколении отсадочных машин создание пульсирующего водного потока происходит с помощью воздушных струй, что позволило в два раза уменьшить размеры.

Принцип работы следующий (рис. 2.10): частицы поступают в машину с транспортным потоком воды, где вступают во взаимодействие с водно-воздушно-вибрирующей средой, в которой и происходит разделение по плотности. Легкие частицы «всплывают» и переходят из отделения в отделение через «пороги» (подъёмные пластины) до попадания в сборник концентрата.

Рис. 2.10. Принцип работы гидравлической отсадочной машины.

Тяжелые частицы «тонут» и разгружаются через «постель» (слой самых тяжелых и крупных частиц, на рис. не показан) в случае отсадки с искусственной постелью (для создания искусственной постели применяют обычно полевой шпат) и с помощью вращающегося разгрузчика (напоминает шнек от мясорубки).

2.1.7. Винтовой сепаратор

Предназначен для крупнозернистых минералов (размером от 1 до 3 мм, неофициально называемых «крупнячёк»), работает аналогично обогатительному желобу, но с добавлением центробежной силы, рис. 2.11.

Рис. 2.11. Принцип работы винтового сепаратора.

Под действием которой легкие частицы выносятся к внешнему краю спирали, а более тяжелые остаются у внутреннего.

Разделенный по плотности поток материала на конце спирали рассекается пластиной делителя (может быть и двумя делителями). Тяжелые и легкие частицы попадают в соответствующие сборники.

Профиль сечения спирали у винтового сепаратора сложноизогнутый, а если профиль прямоугольного сечения – такой аппарат называется винтовым шлюзом. Шлюз широко применяется при обогащении антрацитов.

Конструктивно винтовые сепараторы и шлюзы обычно трехспиральные и объединены в батареи с общим питанием и сбором обогащенных продуктов.

Эффективность работы не высокая, однако, работают на оборотной воде любого качества, аппарат дешев, прост и надежен в эксплуатации.

2.1.8. Конусный сепаратор

Рис. 2.12. Принцип работы конусного сепаратора.

Предназначен для зернистых минералов работает аналогично обогатительному суживающемуся желобу. Внешне напоминает перевернутую вьетнамскую шляпку.

Конусный сепаратор (тарельчатый), показанный на рис. 2.12, работает следующим образом: материал подается по всему краю конуса (вьетнамской шляпки) тонким слоем (толщиной в диаметр одной – двух частиц), далее происходит сужение потока, при котором тяжелые частицы остаются на дне конуса, при этом выталкивая более лёгкие на верхний слой.

На перевернутой вершине конуса имеются две собирающие трубы, вложенные одна в другую. Тяжелые частицы падают с потоком воды во внешнюю трубу-сборник, а легкие выносятся потоком во внутреннюю.

Конусные сепараторы широко используются при обогащении россыпных месторождений металлов. Работают на оборотной воде любого качества, аппарат дешев, прост и надежен в эксплуатации, используется в батареях.

2.1.9. Гидросайзер

Предназначен для крупнозернистых минералов (размером от 0,5 до 3 мм), принцип работы показан на рис. 2.13. Если взять работающую душевую насадку и подвести ее под зеркало воды, таким образом, чтобы на водной поверхности образовались «холмики», то можно увидеть разделяющую гидроповерхность гидросайзера.

Гидросайзер работает также, как если бы на вышеописанную гидроповерхность сверху поступает сверху зернистый материал.

Тяжелые частицы пробивают восходящий поток воды и тонут, впоследствии шнеком уплотняемые и разгружаемые в устройство выпуска (четырехкамерное, последовательного действия). Легкие частицы не пробивают гидроповерхность и потоком воды выносятся за борт в сливной сборник. Гидроповерхность образуется с помощью сети сопел, подведенных под зеркало воды. Гидросайзер показывает высокую эффективность обогащения, однако требует только чистую воду и склонность к забиванию сопел.

Также отличается эффективностью только при работе с узкой крупностью исходного материала.

Рис. 2.13. Принцип работы гидросайзера.

2.1.10. Крутонаклонный сепаратор

Предназначен для мелкокусковых минералов, принцип работы схож с гидросайзером, за исключением того, что у последнего тяжелые частицы свободно тонут, а у крутонаклонного сепаратора скользят по наклоненной под крутым углом поверхности, рис. 2.14.

Рис. 2.14. Принцип действия крутонаклонного сепаратора.

Крутонаклонный сепаратор имеет ограниченное применение на мелкокусковых минаралах.

2.2. Магнитные методы

Применяются для полезных ископаемых, обладающих магнитными свойствами: железо, никель, марганец. Размеры частиц могут быть от тонких до крупнозернистых.

Магнитные методы подразделяются на сухие и мокрые способы обогащения. Сухие характерны для россыпных месторождений, мокрые – для вкрапленных, что объясняется необходимостью предварительного раскрытия полезного ископаемого.

2.2.1. Сухая магнитная сепарация

Принцип работы сухого магнитного сепаратора показан на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Принцип действия сухой магнитной сепарации.

Исходный зернистый материал поступает из питателя на распределяющую вибрирующую пластину и распределяется по ней тонким слоем. Материал ссыпается по наклоненной к сепаратору пластине, навстречу вращающемуся электромагниту (барабан, ролик). Немагнитные частицы падают с пластины в сборник породы. А магнитные частицы подхватываются магнитным полем и переносятся через преграду делителя, попадая в сборник концентрата. Зазор между магнитным барабаном и частицами подбирается так, чтобы магнитные частицы отклонялись при падении, но не примагничивались к самому барабану.

Для повышения эффективности работы сепаратора магнитный барабан имеет клинообразные выступы. Механизм их работы представлен на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Градиент магнитной силы при сухой магнитной сепарации.

Представим лежащее на столе некоторое количество смеси магнетитового и кварцевого песка. Теперь поднесем плоский магнит (рис. 2.16. центр), легко представить, как магнитные частички в большинстве своем примагнитились, однако, внутри слоев магнетитовых частиц оказываются значительное число кварцевых. Загрязняющие частицы попадают в магнитный продукт из-за массового характера движения частиц.

А теперь поднесем в аналогичных условиях магнит клинообразной формы (рис. 2.16. справа). Так как форма магнитного поля повторяет форму магнита, у поля, образованного таким магнитом, тоже будет клинообразная форма.

Массовый поток притягиваемых магнитом частиц будет разрезаться этими клиньями и высвобождать захваченные частицы кварца. Такое устройство электромагнита позволяет улучшить эффективность работы сепаратора. Неоднородность магнитного поля, вызванного такой формой магнита, называют градиентом.

Конструкция промышленных сепараторов оснащается большим количеством роликов для повышения общей эффективности работы.

2.2.2. Мокрая магнитная сепарация

Мокрый магнитный сепаратор работает схожим образом с сухим, но обогащение происходит в водных потоках. По направлению движения потока исходного материала и направления движения магнитного барабана сепараторы подразделяются на прямоточные (направления совпадают) и противоточные (направления противоположны), вторые работают с большей эффективностью.

Рис. 2.17. Принцип работы магнитного сепаратора.

По способу образования магнитного поля сепараторы бывают электромагнитные и на постоянных магнитах. Первые отличаются возможностью настройки магнитной силы, а вторые надежностью и экономичностью.

Магнитная система в сепараторе состоит из рядов магнитов, разделенных немагнитными вкладышами, образует два поля: захватывающее, для притягивания частиц, и транспортное, для удержания их на поверхности барабана. Магнитная система неподвижна, а стальной барабан вращается поверх нее.

Сепаратор работает следующим образом (рис. 2.17): поток исходного материала подается в рабочий бак, встречаясь с вращающимся магнитным барабаном, магнитные частицы притягиваются к его поверхности и удерживаются магнитным полем. С поверхности частицы удаляются с помощью ножа. Немагнитные частицы выносятся потоком воды в сборник отходов.

Конструкция некоторых сепараторов предусматривает наличие прижимающего ножа, для формирования ровного слоя магнитного материала.

Сепараторы различаются геометрическими размерами, магнитной силой, устройством магнитной системы.

2.3. Флотация

Данный метод обогащения полезных ископаемых применяется для россыпных месторождений и мелких отсевов кусковых минералов. Незаменим для разделения тонких материалов. Является единственным массовым экологически опасным методом обогащения полезных ископаемых.

Метод заключается в разделении минералов по разнице в способности удерживать жикость на своей поверхности, выражаемой краевым углом смачивания (рис. 2.18). Представим себе каплю жидкости, например масла, лежащую на плоском условном полезном ископаемом, в зависимости от свойств его поверхности, зависящих от количества и заряда атомов, образующих граничную кромку минерала, тогда краевой угол будет образован касательной, проведенной от точки соприкосновения твердой и жидкой фаз.

Рис. 2.18. Краевой угол смачивания.

Если капля жидкости (воды) растекается тонким слоем, то минерал гидрофильный (любящий воду), а если собирается в полусферу – то гидрофобный (боящийся воды). Краевой угол смачивания возможно замерить транспортиром.

2.3.1. Пленочная флотация

По легенде, флотация была открыта благодаря одному событию: в Северной Америке, во времена Золотой лихорадки, корабль с грузом золотоносного песка плыл морем на обогатительную фабрику. Золотоносная порода хранилась в бочках, купленных по дешёвке у китобоев, у которых использовались для перевозки китового жира. Соответственно, бочки были сильно промаслены. По пути корабль попал в шторм, получил пробоину в трюме, но смог благополучно добраться к фабрике. Когда инженеры-обогатители спустились в трюм, то обнаружили, что шторм поломал бочки, а золотоносный песок находится под слоем воды, поверхность которой затянута жирной пленкой. Далее было подмечено, что золотинки массово приклеились к жирной пленке. Так была открыта пленочная флотация.

Современная пленочная флотация (рис. 2.19) сводится к имитированию и автоматизации описанного выше процесса.

Рис. 2.19. Принцип работы пленочной флотации.

Ключевым моментом флотации является использование поверхностно активных реагентов. В случае пленочной флотации – жиров.

2.3.2. Камерная флотация

Дальнейшим развитием стало создание камерной флотации, элемент (камера) которой, показана на рис. 2.20. Таких камер может быть от трёх до восьми.

Основным отличием камерной флотации от пленочной является использование воздушных пузырьков (пены). Воздушные пузырьки с масляной поверхностью являются аналогом вышеописанной жирной пленки. Для создания потока пузырьков применяется импеллер, в виде трубы, с воздушным насосом сверху и решеткой снизу. Диаметр отверстий решетки импеллера задает крупность воздушных пузырьков.

Считается, что один пузырек должен быть такого диаметра, чтобы к нему приклеилась одна частица минерала, и он был в состоянии всплыть с ней на поверхность.

Рис. 2.20. Принцип работы камерной флотации.

Для большего количества воздушной пены применяют реагенты-вспениватели (аналог шампуня).

Для приклеивания частицы полезного ископаемого к поверхности воздушного пузырька применяются реагенты-собиратели, причем каждому конкретному минералу соответствует свой. Например, для угля – керосин, для графита – сосновое масло, для металлов используют сложные химические соединения.

В случае флотирования полезного ископаемого, такая операция называется прямой флотацией, а если породы – обратной. Обратная флотация применяется для улучшения качества товарного продукта.

Породные частицы при флотации выносятся потоком воды из камеры в камеру, а после прохождения их всех, попадают в сборник отходов (хвостов). Данный продукт называется утонувшим.

Частицы полезного ископаемого переносятся пузырьками воздуха на поверхность и образуют слой пены, направляемого вращающимися черпалками через борта машины в сборник концентрата. Данный продукт называется пенным. Иногда, в случае избытка пены, в уже полученный концентрат добавляется реагент-пеногаситель.

Чтобы породные частицы не прилипали к пузырькам воздуха, иногда добавляется реагент-депрессор, выбор которого зависит от состава самой породы.