Обогащение и переработка минерального и техногенного сырья : в 2 ч. Ч. 1. Основы обогащения

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Н. И. Коннова, Э. А. Рудницкий

ОБОГАЩЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА 

МИНЕРАЛЬНОГО 

И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Допущено учебно-методическим советом Сибирского федерального 

университета в качестве учебника для студентов бакалавриата, обучающихся  
по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия». Протокол № 02 
от 20 февраля 2021 г.

В двух частях

Часть 1. ОСНОВЫ ОБОГАЩЕНИЯ

Красноярск 

СФУ 
2021

УДК 622(07)
ББК 33.4я73

К646

Р е ц е н з е н т ы:

В. П. Мязин, заслуженный работник высшей школы РФ, заслуженный дея
тель науки РФ, действительный член РАЕН, доктор технических наук, профессор кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья Забайкальского государственного университета;

В. И. Килин, доктор технических наук, советник генерального директора по 

технологии обогащения ПАО «Русолово»

Коннова, Н. И.

К646 
 
Обогащение и переработка минерального и техногенного сырья : 

учебник : в 2 ч. Ч. 1. Основы обогащения / Н. И. Коннова, Э. А. Рудницкий. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2021. – 222 с.

ISBN 978-5-7638-4491-7 (ч. 1)
ISBN 978-5-7638-4415-3

Учебник состоит из двух частей. Первая часть посвящена вопросам обогащения 

твердых полезных ископаемых. Изложены общие представления о минералах, рудах, 
горных породах и их классификации. Приведены данные о месторождениях и добыче 
полезных ископаемых. Представлены теоретические основы подготовительных, основных, вспомогательных процессов обогащения, дано описание конструкции и принципа 
действия используемых аппаратов.

Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготов
ки 22.03.02 «Металлургия».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 622(07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 33.4я73

ISBN 978-5-7638-4491-7 (ч. 1) 
© Сибирский федеральный 

ISBN 978-5-7638-4415-3 
университет, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений ...................................................................................................4
Введение .......................................................................................................................5
Глава 1. Полезные ископаемые ...............................................................................7
1.1. Общие сведения о минералах, рудах, горных породах .....................................7
1.2. Классификация минералов и руд .......................................................................10
1.3. Месторождения полезных ископаемых ............................................................15
Контрольные вопросы и задания ..............................................................................16

Глава 2. Основные способы добычи полезных ископаемых ...........................18
2.1. Открытый способ разработки месторождений ................................................18
2.2. Подводная добыча  ..............................................................................................27
2.3. Подземная разработка месторождений  ............................................................32
2.4. Геотехнологическая добыча полезного ископаемого ......................................39
Контрольные вопросы и задания ..............................................................................44

Глава 3. Основы обогащения полезных ископаемых  ......................................45
3.1. Физические, физико-механические и физико-химические свойства  

минералов и руд ..................................................................................................45

3.2. Показатели обогащения ......................................................................................63
3.3. Подготовительные процессы обогащения ........................................................65
3.4. Обогатительные процессы: гравитация, флотация,  

магнитная сепарация, специальные методы обогащения ...............................98

3.5. Вспомогательные и комбинированные процессы ..........................................154
Контрольные вопросы и задания ............................................................................163
Заключение ..............................................................................................................178
Библиографический список .................................................................................180
Приложения  ...........................................................................................................186
Предметный указатель .........................................................................................219

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Г
– газообразная фаза

Ж
– жидкая фаза

ЗФМ
– зеркальный фотометрический метод

ККД
– конусная дробилка для крупного дробления

КМД
– конусная дробилка для мелкого дробления

КСД
– конусная дробилка для среднего дробления

МГД
– магнитогидродинамическая сепарация

МШР
– шаровая мельница с разгрузкой через решетку

МШЦ
– шаровая мельница с центральной разгрузкой

Промпродукт
– промежуточный продукт обогащения

ПФМ
– поляризационный фотометрический метод

РЛМ
– рентгенолюминесцентный метод 

Т
– твердая фаза (поверхность частицы минерала)

ФАМ
– фотоабсорбционный метод

ФГС
– феррогидростатическая сепарация

ФЛМ
– фотолюминесцентный метод

ФМ
– фотометрический метод

ЩДП
– дробилка с простым движением щеки

ЩДС
– дробилка со сложным движением щеки

ВВЕДЕНИЕ

Обогащение полезных ископаемых – первоначальный этап их переработ
ки. Его проводят в тех случаях, когда получить необходимый продукт непосредственно из сырья невозможно или экономически нецелесообразно. Сущность 
обогащения заключается в отделении полезного компонента (рудных минералов 
или самородных элементов) от пустой породы, вредных примесей или в разделении полезных веществ сырья с целью повышения их содержания. Принципиально к обогатительным процессам можно отнести также процессы первичной 
металлургической переработки рудного сырья, направленной на выделение из 
него ценного компонента в самостоятельный продукт методами химических воздействий.

Курс «Обогащение и переработка минерального и техногенного сырья» 

предусматривает приобретение студентами основ знаний технологических особенностей производства горных работ открытым, подземным и другими способами, вопросов механизации и автоматизации производства, организации процессов, основ техники безопасности.

Задачи изучения дисциплины основываются на необходимости получения 

студентами знаний об общих принципах обогащения и переработке полезных ископаемых.

Студент после освоения дисциплины должен решать задачи по осущест
влению технологических процессов обогащения и переработки минерального 
природного и техногенного сырья. У него должны сформироваться соответствующие знания, умения и навыки.

Выпускник должен знать:

` принципы рационального использования природных ресурсов и защиты 

окружающей среды;

` разработку и осуществление технологических процессов переработки 

минерального природного и техногенного сырья;

` проведение научных исследований и испытаний; обработку, анализ 

и представление их результатов и др.;

` свойства материалов и зависимость их от состава.

` Выпускник должен уметь:

` применять подходы рационального использования природных ресурсов 

в решении практических задач;

` применять основные принципы рационального использования природ
ных ресурсов и защиты окружающей среды; 

` проводить экспертизу процессов, материалов, методов испытаний; 

Введение

` управлять реальными технологическими процессами получения и об
работки металлов; 

` на основе системного подхода строить модели для описания и прогно
зирования явлений, осуществлять их качественный и количественный анализ 
с оценкой пределов применимости полученных результатов и др.

` применять полученные знания при выборе материалов для различных 

изделий; 

` анализировать свойства уже применяемых материалов.
Дисциплина «Обогащение и переработка минерального и техногенного 

сырья» относится к производственно-металлургическому блоку вариативной части учебного плана. Изучение дисциплины базируется на усвоении студентами 
следующих дисциплин: «Математика», «Химия», «Физика», «Основы металлургии», «Основы производства и обработки металлов», «Проектная деятельность».

В свою очередь, знания, полученные при изучении данной дисциплины, 

необходимы для успешного усвоения дисциплины «Безопасность жизнедеятельности», «Основы технологии получения металлов», «Основы производства и обработки металлов, «Теоретические основы металлургического производства», 
«Металлургия легких металлов», а также при курсовом проектировании и подготовке выпускной квалификационной работы.

Глава 1. ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ

Горное дело (а. mining, mining engineering; н. Bergbau; ф. industrie miniere, 

genie minier; и. ingenieria minera) – область деятельности человека по освоению 
недр Земли, которая включает все виды техногенного воздействия на земную 
кору, главным образом извлечение полезных ископаемых, их первичную переработку и научные исследования, связанные с горными технологиями.

1.1. Общие сведения о минералах, рудах, горных породах

Весьма неравномерное распространение химических элементов в земной 

коре определяется их природой и физико-химическими процессами, происходящими в ней. Средний химический состав земной коры для важнейших элементов, 
в весовых процентах (кларк) выглядит следующим образом: кислород – 49,13, 
кремний – 26,0, алюминий – 7,45, железо – 4,20, кальций – 3,25, натрий – 2,40, 
калий – 2,35, магний – 2,15, водород – 1,0. Bсе эти девять элементов в сумме составляют 98, 13 %, следовательно, на долю остальных элементов системы Менделеева приходится лишь 1,87 %. 

Среднее содержание в земной коре цветных и редких металлов, которые 

входят в состав рудных месторождений, составляет сотые, тысячные и даже миллионные доли процента. Высокое среднее содержание того или иного элемента 
в земной коре не всегда связано с наличием месторождений. Например, содержание никеля и циркония относительно высокое (0,02 и 0,025 %), однако они являются редкими вследствие их рассеянного состояния, затрудняющего их извлечение. 
В то же время медь и свинец имеют более низкое содержание, но они сравнительно 
легко извлекаются из недр земли из-за своей концентрации в месторождениях.

Элементы лишь в очень редких случаях встречаются в земной коре в са
мородном виде: медь, золото, серебро, сера (рис. 1.1, 1.2). Обычно они образуют различные химические соединения – минералы, являющиеся естественными 
продуктами процессов, происходящих в земной коре. 

Минералы находятся главным образом в твердом состоянии и представ
ляют собой зерна, имеющие кристаллическое или аморфное состояние. Физические и химические свойства минералов зависят от их строения и состава. Различные сочетания минералов друг с другом представляют собой горные породы 
или ископаемые.

Минеральное сырье – это полезные ископаемые, вовлеченные (учтенные 

или используемые) в сферу материального производства. На рис. 1.3 представлена классификация минерального сырья, известная на сегодняшний день [20].

Глава 1. Полезные ископаемые

Рис. 1.1. Самородное золото в кварце [1]

Рис. 1.2. Самородная сера [2]

1.1. Общие сведения о минералах, рудах, горных породах

Рис. 1.3. Классификация минерального сырья
6 

 

Минеральное сырье 

Топливно-энергетическое сырье 
Металлургическое рудное сырье 
Нерудное минеральное сырье 

I. Твердое топливо 

1. Уголь 
2. Горючие сланцы 
3. Торф 

I. Руды черных и легирующих металлов 

1. Железо 
5. Ванадий 
2. Марганец 
6. Вольфрам 
3. Хром 
7. Молибден 
4. Титан 
8. Ниобий и др. 

Химическое и минеральное сырье 

1. Фосфориты 
1. Бор 
2. Алактиты 
2. Сера 
3. Калийные соли 
3. Бром 
4. Пириты 
4. Йод 
5. Плавиковый шпат и др. 
II. Жидкое топливо 

Нефть 

III. Газообразное 

топливо 
Газ 

II. Руды цветных металлов 

1. Алюминий 
7. Висмут 
2. Медь 
8. Ртуть 
3. Свинец 
9. Сурьма 
4. Цинк 
10. Литий  
5. Никель 
11. Берилий  
6. Олово 
и др. 

Техническое минеральное  
нерудное сырье 

1. Доломит 
1. Кварц 
2. Хромит 
2. Корунд 
3. Графит 
3. Пьезокварц 
4. Магнезит 
4. Фенолий и др. 

Минеральное сырье  
для строительных целей 

1. Известняк 
4. Мел 
2. Глина 
5. Песок 
3. Гравий 
6. Асбест и др. 

III. Благородные 

металлы 

1. Золото 
2. Серебро 
3. Платина и др. 

IV. Руды, содержащие 
редкие металлы 

1. Литий 
2. Рубидий 
3. Цезий 
4. Индий 
5. Германий и др. 

V. Руды радиоактивных 
металлов 

1. Уран 
3. Радий 
5. Торий и др. 

Драгоценные, полудрагоценные, 
поделочные камни 

1. Алмазы 
5. Сапфиры 
2. Топазы 
6. Яшма 
3. Изумруды 
7. Гранит 
4. Рубины
8. Мрамор и др.

Глава 1. Полезные ископаемые

Полезные ископаемые – минеральные образования земной коры, химиче
ский состав и физические свойства которых позволяют эффективно использовать 
их в сфере материального производства. Полезные ископаемые делятся на твердые 
(угли, руды, нерудные), жидкие (нефть, сильноминерализованные воды) и газообразные (природные горючие и инертные газы). Твердые полезные ископаемые, 
добываемые из земных недр, являются объектом обогащения. Полезные ископаемые составляют первичную, базисную основу промышленного производства.

Руды – минеральное вещество, из которого на современном этапе разви
тия науки, техники и технологии возможно и экономически целесообразно извлекать валовым способом металлы или минералы для использования их в народном 
хозяйстве [20].

1.2. Классификация минералов и руд

Металлы обладают естественным свойством вступать в химическое взаи
модействие с другими элементами. Поэтому в реальных условиях земной атмосферы (наличие кислорода, внешнее давление, гравитация и пр.) они находятся не 
в свободном состоянии, а в виде различных соединений. Сродство к кислороду 
приводит к образованию оксидов, самопроизвольный характер взаимодействия 
с серой – к образованию сульфитов и сульфатов, взаимодействие с углеродсодержащими газами – карбонатов. Лишь весьма немногие, так называемые благородные металлы – золото, серебро, платина, могут находиться в чистом неокисленном самородном состоянии. Все эти соединения в условиях земной коры 
(огромные давления и высокие температуры на протяжении миллионов лет) образуют еще более сложные соединения, состоящие из оксидов железа, марганца, 
кремния, карбонатов, хромитов и других. Эти соединения представляют многообразную гамму минеральных образований в земной коре.

Руда – это такое полезное ископаемое, которое содержит ценный элемент 

в количестве, достаточном для того, чтобы его извлечение было экономически 
выгодным. Руда состоит из отдельных минералов. Те минералы, которые необходимо извлечь, называются полезными или рудными, а те, которые в данном случае не используются, являются минералами пустой породы. Такое разделение 
минералов условно, так как один и тот же минерал в зависимости от ситуации 
может считаться и рудным, и пустой породой [20].

Разделение на рудные и нерудные играет существенную роль в характери
стике текстур, выделении природных типов руд и обогащении. Рудные минералы 
определяют промышленную значимость руд, которые при содержании этих минералов свыше 70 % относятся к сплошным, менее – к вкрапленным. Нерудные 
(породообразующие) минералы, не содержащие полезных компонентов, при до

1.2. Классификация минералов и руд

быче и перepaботке руды обычно поступают в отвалы и хвосты. Они должны изучаться не менее тщательно с целью определения их влияния на обработку проб, 
показатели технологических процессов и самостоятельную утилизацию. В связи 
с разработкой технологии безотходного производства нерудные минералы могут 
перейти в главные или второстепенные.

Главные минералы являются концентраторами промышленно значимых 

(извлекаемых) компонентов или могут количественно преобладать в руде. Среди 
бесчисленного множества минералов для использования в металлургии имеют значение около 200, они извлекаются из руд и влияют на технологию переработки.

Второстепенные минералы влияют на качество руды, но содержатся в ней 

в подчиненном количестве, редкие – не имеют существенного значения для качества руды, хотя и могут содержать полезные компоненты.

Минерал, в котором заключена основная масса полезного компонента, на
зывается минералом-носителем, а при высоком содержании этого компонента – 
минералом-концентратором [20].

Различают руды (рис. 1.3) металлические, в которых полезные компонен
ты представлены металлами, и неметаллические, в которых полезные компоненты представлены минералами и соединениями, не содержащими металлов (алмазы, апатит, слюда, графит и др.). Нерудное минеральное сырье – горные породы 
или минералы, используемые непосредственно в промышленности или служащие сырьем для того или иного производства и не являющиеся источником получения металла (песок, гравий, щебень гранит, мрамор и т. п.).

Горючее твердое минеральное сырье – уголь, используемый как энергети
ческое топливо или химическое сырье.

Поскольку обогащать необходимо преимущественно рудное минеральное 

сырье и уголь, в дальнейшем термин «минеральное сырье» будет употребляться 
в отношении именно этих твердых полезных ископаемых.

Понятие «руда» отличается от понятий «минерал», «горная порода» 

и «минеральное сырье» тем, что руды, как вид минерального сырья, предназначены для извлечения из них ценных компонентов – металлов и других элементов 
или химических соединений, требующихся промышленности или сельскому хозяйству. Руда – это понятие не геологическое, а скорее экономическое и зависит 
от технологических возможностей и экономической целесообразности извлечения определенных компонентов. Например, до второй половины прошлого столетия богатые нефелином породы даже не рассматривались как руды. А сейчас это 
важнейшие руды алюминия. Именно они перерабатываются на Ачинском глиноземном комбинате и используются в производстве алюминия на Красноярском 
и Саяногорском алюминиевых заводах.

Руды подавляющего большинства месторождений являются комплексны
ми, т. е. содержат не один, а несколько полезных компонентов [20].