ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

,

совокупность процессов и методов первичной переработки твердого минер. сырья (руд, углей, горючих сланцев) с целью получения конечных товарных продуктов (асбест, графит, известняк и др.) или продуктов, пригодных для послед. технически возможной и экономически целесообразной хим., метал-лургич. либо иной переработки. При обогащении полезных ископаемых (О.) структура, хим. состав или агрегатное состояние минералов либо др. компонентов не изменяются, а происходит отделение (или взаимное разделение) всех полезных компонентов от пустой породы - горной массы, не представляющей практич. ценности. В результате О. получают один или неск. (напр., при переработке апатито-нефелиновых либо полиметаллич. руд) к о н ц е н т р а т о в, содержащих осн. массу полезных составляющих, и отходы-т. наз. х в о с т ы, включающие большую часть пустой породы. О. производят на обогатит. фабриках или в спец. цехах.

Осн. показатели О. (%): выход концентратов и хвостов; кондиционное (соответствующее требованиям дальнейших технол. переделов) содержание полезных компонентов и вредных примесей; степень извлечения (или просто извлечение) целевых продуктов в концентрат.

О. существует с древнейших времен как способ извлечения золота путем промывки золотоносных песков и подготовки руд к плавке. Первая в России обогатит. фабрика для извлечения золота была построена на Урале (1760). Описание ряда процессов и методов О. приведено в труде М. В. Ломоносова "Первые основания металлургии или рудных дел" (1763). Его современники И. И. Ползунов, К. Д. Фролов и В. А. Кулибин построили неск. механизир. обогатит. фабрик, оборудованных оригинальными машинами для промывки руд. В 19 в. возникли новые процессы и методы О. Дальнейшее развитие в мире оно получило в первой половине 20 в. До 1917 в России работало всего ок. 20 небольших обогатит. фабрик. Сейчас в СССР функционируют сотни фабрик, перерабатывающих разные руды.

Причины возникновения и развития О. обусловлены тем, что минер. сырье обычно встречается в виде, исключающем возможность его непосредств. использования вследствие недостаточно высокого содержания полезных компонентов или наличия вредных примесей. Так, среднее содержание Р ₂ О ₅ в фосфоритах составляет 13% по массе, тогда как в получаемой из них фосфоритной муке оно должно быть не менее 20%, а в концентратах, к-рые

Рис.1. Схема обогащеняя минерального сырья.

Необходимы ДЛЯ переработкив фосфорную к-ту,-24-28% при строго регламентир. кол-ве примесей (не более 2,5% MgO и др.). Наиб. содержание ценного компонента (в расчете на данный элемент), достигаемое в концентрате, зависит от того, в виде какого хим. соед. этот компонент входит в состав обогащаемого. Напр., медные концентраты можно получить более богатыми медью, если они содержат халькозин Cu₂S (79,7% Сu), чем в случае халькопирита CuFeS₂ (34% Сu) и т. д.

О. осуществляется с помощью ряда последовательных подготовит., осн. и вспомогат. операций. Все эти операции составляют т. наз. схему О. (рис. 1), к-рая выбирается преим. в зависимости от минер. состава сырья и содержания в нем полезных компонентов.

Подготовительные операции (рудоподготовка)

Измельчение. В большинстве случаев-это основная и часто наиб. энергоемкая операция, предназначенная для разрушения до требуемых размеров сырья, а также для раскрытия взаимно сросшихся агрегатов (зерен) и образования частиц отдельных минералов. Грубое измельчение, или д р о б л е н и е, крупных кусков руды проводят в щековых, конусных или валковых дробилках; макс. размер кусков 12-18, иногда 2-4 мм. Тонкое измельчение, или п о м о л, сырья осуществляют в мельницах стержневых, шаровых или самоизмельчения, при этом макс. размер частиц достигает 0,7-0,04 мм, иногда (напр., при О. сильвинитовых руд) 1 мм. Для получения продуктов размером частиц менее 0,3 мм применяют измельчение в цикле мельница - классификатор. Чтобы "не дробить ничего лишнего" и обеспечить необходимую степень раскрытия структурных компонентов (минералов), дробление и помол сочетают соотв. с грохочением и классификацией гидравлической.

Промывка. Нек-рые руды обязательно подвергают т. наз. первичному О., или промывке, под к-рой понимают мех. дезинтегрирование в воде смеси руды с глинистым и глауко-нитовым дисперсным материалом, обволакивающим и цементирующим отдельные куски полезного минерала, с послед. выделением дисперсного материала. Так, из фосфоритов Егорьевского месторождения (Московская область) промывкой получают концентрат, пригодный для приготовления кондиционной фосфоритной муки. Для промывки руд применяют т. наз. бутары (барабанные грохоты, скрубберы, корытные мойки, а также спиральные и башенные классификаторы).

Термическая обработка. Подготовит. операцией служит также обжиг, осуществляемый для изменения физ. св-в и хим. состава минер. сырья, перевода его полезных компонентов в извлекаемую форму и удаления вредных примесей. Обжиг заключается в нагревании руд до определенной т-ры, зависящей от их вида и св-в, а также от целей О. Переработка сырья с применением обжига наиб. перспективна для труднообогатимых руд, напр. фосфоритов с низким содержанием Р ₂ О ₅ и высоким содержанием тонковкрапленных примесей. В ряде случаев обжиг является самостоят. обогатит. операцией, наз. т е р м о х и м и ч е с к и м О. (подробнее о видах обжига и используемом для его проведения оборудовании см. Печи).

Основные операции (разделение и концентрированно полезных компонентов)

Собственно О. базируется на использовании прир. или искусственно создаваемых различий в физ. и физ.-хим. св-вах минералов либо др. компонентов. Ниже рассмотрены наиб. часто применяемые методы их разделения (сепарации) и концснтрирования.

Рудоразборка (сортировка) используется для отделения кусков руды или угля от породы благодаря их разному цвету и блеску. Ее производят либо вручную (напр., при добыче драгоценных камней) отбором кусков обычно размером не менее 50 мм, редко до 25 мм на ленте конвейера, либо с помощью автоматич. аппаратов. Различия в естественной и наведенной радиоактивности минералов используют при радиометрическом О. (см. ниже).

Гравитационное обогащение-разделение минералов по плотности. Многообразные методы этого вида О. основаны на различиях в скоростях движения частиц в водной или воздушной среде под действием гравитационных либо центробежных сил. С помощью гравитац. методов перерабатывается половина от общего кол-ва обогащаемых полезных ископаемых.

Отсадка-разделение находящегося на решете слоя минер. частиц (т. наз. постели) в турбулентном потоке среды, колеблющемся вертикально с заданными амплитудой и частотой. Под действием струй среды постель попеременно разрыхляется и уплотняется, при этом частицы разной плотности взаимно перемещаются по ее высоте: с малой плотностью в верх. слои, с большой плотностью в ниж. слои. Сформировавшиеся слои разл. плотности раздельно удаляются в виде концентратов и хвостов. О. в водной среде осуществляют в гидравлич. отсадочных машинах (рис. 2), в

к-рых колебания потока создаются посредством пульсаций воды или движения решета, поршня, диафрагмы. Легкая фракция разделенных минералов сносится потоком воды, тяжелая в случае мелких частиц собирается в резервуаре машины, проходя под решетом, или в случае крупного материала - непосредственно на решете (создается естеств. постель из тяжелого обогащаемого материала).

Рис. 2. Гидравлическая отсадочная машипа: 1 - резервуар (камера); 2 - перегородка; 3 - решето; 4 - шток с поршнем.

При работе в засушливых и холодных районах, а также при нежелании увлажнять целевые продукты (напр., асбест или энергетич. уголь) О. проводят в воздушной среде с помощью пневматич. отсадочных машин и сепараторов. Благодаря сравнительно высокой точности разделения, большой уд. производительности, малой энергоемкости и простоте используемого оборудования отсадка относится к наиб. экономичным методам О. и применяется при переработке руд и углей с размерами частиц соотв. более 0,07-0,1 и 0,3 мм.

Обогащение в тяжелых средах, особенно широко применяемое для переработки углей и горючих сланцев, основано на разделении компонентов сырья по плотности (т. наз. плотность разделения) в среде, к-рая занимает про-межут. положение между легкими и тяжелыми частицами. Более плотные частицы тонут, а более легкие всплывают на пов-сть среды и удаляются спец. гребками. В качестве тяжелых сред применяют суспензии, р-ры неорг. солей, напр. хлоридов Са и Zn (при лаб. работах), а также орг. жидкости. В пром-сти наиб. распространены суспензии -тонкоизмельченные в воде взвеси твердых частиц (размер менее 1 мм), или утяжелителей, к-рыми обычно служат разл. минералы. Так, при О. углей утяжелителем является магнетит (концентрат, имеющий плотн. 4,5-5,0 г/см ³), при О. полиметаллич., железных и др. руд и неметаллич. полезных ископаемых-гранулир. ферросилиций (6,9-7,0 г/см ³); иногда используют арсенопирит (6,0-6,2 г/см ³), галит (2,17 г/см ³) и т. п. Крупные фракции сырья обогащают в ваннах разл. конфигурации, гл. обр. в колесных и конусных сепараторах, мелкие-под действием центробежной силы в гидроциклонах. В последнее время достигнуты хорошие результаты О. мелких фракций в тяжелых орг. жидкостях, напр. трихлорэтане (плотн. 1,44 г/см ³), четыреххлористом углероде (1,6 г/см ³), дибромэтане (2,18 г/см ³), бромоформе (2,89 г/см ³) и др.; с их помощью в гидроциклонах можно разделить твердые частицы размером до 0,07 мм. Осн. достоинство метода - возможность получать результаты, близкие к расчетным, недостаток-необходимость регенерации суспензий.

Обогащение (концентрирование) на столах - разделение минер. частиц по плотности (иногда по форме) в тонкой струе воды, текущей по наклонной плоскости (деке) спец. стола, к-рый совершает возвратно-поступат. движения (качания). Более эффективно на концентрац. столе разделяется материал, предварительно рассортированный на ряд классов по равнопадаемости (частицы разных размеров и плотности имеют одинаковую скорость падения в воде). Пов-сть стола покрывается линолеумом, резиной, пластикатом и др. материалом, на к-ром крепятся параллельные деревянные планки, расположенные параллельно направле-нию качания деки (частота колебаний 4-7 Гц, размах 6-30 мм). Минер. пульпу и смывную воду подают в верх. угол деки. Разделяемые частицы разл. плотности расходятся по пов-сти деки веерообразно, под разными углами смыва, перемещаясь в продольном или поперечном направлении к разгрузочным устройствам. На концентрац. столах обычно обогащают руды редких металлов и ископаемое сырье россыпных месторождений, реже руды черных металлов и угли; оптим. размер кусков руд 4 мм, углей 12 мм.

Обогащение в винтовых сепараторах происходит в струе воды, текущей по наклонной пов-сти винтообразного желоба. Минер. частицы разной плотности разделяются под действием центробежных сил, сил тяжести, гидродинамич. сил потока и силы трения. Легкие частицы движутся с большой скоростью и прижимаются потоком воды к внеш. борту желоба; тяжелые частицы движутся в виде отдельной полосы по дну желоба, сползая к его внутр. борту. С первых двух-трех витков отсекателями снимают концентрат, с последующих - промежут. продукт (сростки полезного компонента с пустой породой или их мех. смесь), с последнего ниж. витка в конце желоба - хвосты. В этих сепараторах обогащают руды с размерами кусков 0,15-16 мм.

Обогащение в конусных и струйных сепараторах-сравнительно недавно внедренный в пром-сть (в нач. 60-х гг.) метод гравитац. разделения минер. сырья. Осн. элементом сепараторов служит желоб со сходящимися под нек-рым углом стенками. Пульпа, поступающая на желоб, к-рый установлен под углом 15-20° к горизонту, при движении расслаивается в зависимости от плотности и размера частиц. Тяжелые частицы концентрируются в нижнем, медленно текущем слое пульпы, легкие выносятся в верх. слой, движущийся с большой скоростью. В конце желоба вследствие сужения его стенок высота потока возрастает. Это позволяет разделять расслоившиеся по высоте частицы на ряд продуктов, значительно отличающихся один от другого содержанием тяжелых минералов.

Обогащение в криволинейных потоках - новое направление гравитац. разделения минер. частиц разл. плотности. Разделение происходит под действием центробежных сил в криволинейных потоках при несовпадении векторов скоростей частиц и разделяющей среды, в качестве к-рой служат вода и воздух, а также любые др. жидкости и газы. Операцию проводят в шнековом сепараторе (рис. 3), где криволинейный поток создается в спиральном канале, образованном корпусом аппарата и вращающимся шнеком. Среда, напр. жидкость, подается так, что направления векторов угловых скоростей потока и вращения шнека совпадают. В таком сепараторе частицы разделяемого материала имеют меньшее центробежное ускорение, чем разделяющая среда, и она как бы "утяжеляется". В результате частицы, плотность к-рых меньше плотности разделения, всплывают и увлекаются потоком разделяющей среды в сторону желоба для выгрузки легкой фракции. Частицы, плотность к-рых больше плотности разделения, транспортируются шнеком к желобу для выгрузки тяжелой фракции. Шнековые сепараторы используют для О. углей. Выявлена возможность разделения касситеритовой руды в воде по плотности разделения 4,5 г/см ³ и золотоносной руды по плотн. 13 г/см ³. При О. последней степень извлечения в концентрат фракции плотн. более 13 г/см ³ составляет 98,92%.

Обогащение в аппаратах КНС. В последнее время для О. углей применяют противоточные гравитац. аппараты. Они представляют собой установленные крутонаклонно и соединенные между собой в месте загрузки исходного сырья две трубы квадратного сечения (крутонаклонные сепараторы, или аппараты КНС). Вода подается в ниж. часть сепаратора, где разгружается тяжелая фракция; легкая фракция вместе с водой выносится через разгрузочный порог. Такие сепараторы сравнительно просты по конструкции, имеют достаточно высокую производительность и используются при значит. содержании тяжелых фракций в исходном сырье. При большом кол-ве в нем промежут. фракций обеспечить оптим. показатели О. в одном аппарате КНС без снижения качества конечных продуктов затруднительно. В этом случае применяют технол. схемы О. в две стадии; аппараты КНС допускают разл. варианты агрегирования двух аппаратов с возможностью доочистки любого продукта, выделяемого на первой стадии О.

Магнитное обогащение (магнитная сепарация) основано на использовании различий в магн. св-вах (напр., магн. восприимчивости) компонентов разделяемой мех. смеси (минералов, их сростков и др.) с размером частиц до 100, иногда до 150 мм в неоднородном постоянном или переменном магн. поле. Процесс осуществляют в водной или воздушной среде в валковых, барабанных, роторных и иных магн. сепараторах (рис. 4).

По магн. св-вам все материалы на практике подразделяют на сильномагнитные (напр., магнетит, франклит, пиротин, мартит), магнитные (напр., ильменит, гематит, хромит), слабомагнитные (напр., глауконит, доломит, пирит) и немагнитные (напр., полевой шпат, апатит, кварц, галенит). В магн. поле сепаратора магн. частицы материалов намагничиваются и притягиваются к полюсам магнита (электромагнита); частицы немагнитных материалов не намагничиваются и свободно выводятся из аппарата.

Магн. сепарацию широко применяют при О. железных, марганцевых, медно-никелевых руд и руд редких металлов (преим. для перечистки чистовых концентратов и доводки коллективных, т. е. содержащих неск. ценных компонентов). Магнитному О. железных руд иногда предшествует т. наз. магнетизирующий обжиг слабомагнитных минералов в кипящем слое в присут. газов-восстановителей; при этом гематит F₂O₃, сидерит FeCO₃ и бурый железняк F₂O₃