Специальные и комбинированные методы обогащения полезных ископаемых

В. Г. Самойлик





СПЕЦИАЛЬНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ



Учебное пособие






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.7
ББК 33.4
     С17



Рецензенты:
к. т. н., заведующий кафедрой руднотермических процессов и малоотходных технологий ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) Качура В. В.;
  генеральный директор ГП «Укруглекачество» (г. Донецк) Чернявский А. Н.





    Самойлик, В. Г.

С17 Специальные и комбинированные методы обогащения полезных ископаемых : учебное пособие / В. Г. Самойлик. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 172 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1134-9

          Дано подробное описание специальных методов обогащения. Приведены данные по схемам обогащения различных полезных ископаемых с использованием специальных методов, технические характеристики применяемого оборудования. Приводятся основные характеристики комбинированных методов обогащения. Дана оценка процессам подготовки полезных ископаемых к селективному переводу разделяемых компонентов твёрдого полезного ископаемого в другие фазовые состояния. Описаны различные способы выщелачивания, разделения фаз, выделения металлов из раствора. Приведены технологические схемы переработки различных полезных ископаемых с использованием данных методов.
          Для студентов технических и горных специальностей.


УДК 622.7
ББК33.4






ISBN 978-5-9729-1134-9

     © Самойлик В.Г., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    Оглавление


ВВЕДЕНИЕ.......................................................5
Часть 1. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ.........................7
1. СОРТИРОВКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ..............................7
1.1. Ручная сортировка.........................................7
1.2. Механизированная сортировка..............................10
1.2.1. Физические основы процесса.............................11
1.3. Техника выполнения радиометрического обогащения..........17
1.3.1. Радиометрическая сортировка............................17
1.3.2. Радиометрическая сепарация.............................19
1.3.3. Производительность радиометрического обогащения........23
1.3.4. Оценка эффективности радиометрического обогащения......25
1.4. Радиометрическое обогащение радиоактивных руд............28
1.5. Радиометрическое обогащение нерадиоактивных руд..........32
1.5.1. Фотонейтронный метод...................................32
1.5.2. Рентгенолюминесцентный метод...........................33
1.5.3. Фотометрический метод..................................36
1.5.4. Гамма-абсорбционный метод..............................40
1.5.5. Рентгенорадиометрический метод.........................43
1.6. Перспективы развития радиометрического обогащения полезных ископаемых....................................................49
2. ОБОГАЩЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КУСКОВ РАЗДЕЛЯЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ
С РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ СЕПАРАТОРА.............................51
2.1. Обогащение по упругости..................................51
2.2. Обогащение по трению.....................................53
2.3. Комбинированное обогащение по трению и упругости.........57
2.4. Обогащение по форме......................................58
2.5. Термоадгезионный метод обогащения........................62
2.6. Обогащение на жировых поверхностях.......................64
3. ОБОГАЩЕНИЕ НА ОСНОВЕ СЕЛЕКТИВНО НАПРАВЛЕННОГО
ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ КУСКОВ КОМПОНЕНТОВ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО...................................................68
3.1. Избирательное дробление..................................69
3.1.1. Дробилки ударного дробления............................69
3.1.2. Дробилка полужесткого дробления........................70
3.2. Избирательное измельчение................................72
3.3. Промывка полезных ископаемых.............................74
3.3.1. Физические свойства глин. Промывистость................75
3.3.2. Промывочные машины.....................................76
3.3.3. Использование промывки в схемах обогащения полезных ископаемых.. 83
3.4. Оттирка полезных ископаемых..............................85
3.5. Декрипитация.............................................87
3.6. Термохимическое разрушение...............................89
3.7. Изменение размеров частиц с помощью термообработки.......92

3

4. ОБОГАЩЕНИЕ НА ОСНОВЕ РАЗНИЦЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВАХ РАЗДЕЛЯЕМЫХ МИНЕРАЛОВ..................................94
4.1. Селективная коагуляция......................................94
4.2. Селективная флокуляция......................................95
4.2.1. Селективная флокуляция маслами............................95
4.2.2. Селективная флокуляция водорастворимыми полимерами........97
4.2.3. Селективная флокуляция гидрофобными полимерами............99
4.3. Масляная агломерация, грануляция...........................101
4.4. Адгезионное обогащение.....................................104
4.4.1. Адгезионно-масляная сепарация............................104
4.4.2. Агломерация «уголь-золото»...............................106
4.5. Амальгамация...............................................107
Часть 2. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ. ВВЕДЕНИЕ ..111
1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ..............................114
1.1. Подготовка минерального сырья к выщелачиванию..............114
1.2. Селективное растворение одного или нескольких компонентов полезного ископаемого...........................................116
1.2.1. Выщелачивание с перемешиванием материала с растворителем.117
1.2.2. Перколяционное выщелачивание.............................122
1.3. Отделение растворов от нерастворимых осадков...............127
1.4. Выделение металлов из растворов после выщелачивания........129
1.4.1. Осаждение................................................129
1.4.2. Сорбция..................................................131
1.4.3. Жидкостная экстракция....................................136
1.5. Регенерация рабочих агентов и возврат их в процесс.........139
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ..................141
2.1. Обогащение сильвинитовых руд...............................141
2.2. Добыча поваренной соли подземным выщелачиванием............143
2.3. Переработка смешанных и окисленных медных руд..............145
2.4. Технология автоклавного выщелачивания при получении глинозема.147
2.5. Технология автоклавного выщелачивания вольфрама............149
2.6. Технология обогащения золота...............................150
2.7. Применение комбинированных методов обогащения при переработке руд черных металлов.............................................153
2.8. Обогащение урана...........................................156
2.8.1. Добыча руды..............................................158
2.8.2. Подготовка руды к выщелачиванию..........................159
2.8.3. Выщелачивание............................................161
2.8.4. Разделение твердой и жидкой фаз..........................163
2.8.5. Выделение урана из растворов.............................164
Список рекомендуемой литературы.................................169

4

    ВВЕДЕНИЕ


     Уважаемые читатели. При изучении этого курса вы познакомитесь со специальными и комбинированными методами обогащения.
     Что означают эти термины: «специальные», комбинированные»? Чем они отличаются от «традиционных» методов обогащения, таких как гравитационные, флотационные, магнитные, электрические?
     В сущности, это разделение весьма условно. Под понятием «традиционное» обычно подразумевается что-то устоявшееся, обычное, известное с давних времен. И как тут не вспомнить, а с чего же начиналось обогащение?
     Все начиналось с камня. Первобытный человек заметил, что наиболее крепкие камни находятся там, где высокая скала торчит над поверхностью земли. Как только он начал откалывать, сортировать эти камни по прочности, форме, он стал горняком-обогатителем!
     Первую школу обогащения люди прошли при обогащении руд золота. Самородки золота и меди легко добывали из россыпей. Сначала вручную, но вскоре выяснилось, что там, где обнаруживали самородки, есть и более мелкие, почти невидимые крупинки тяжелого металла. Люди научились отмывать его.
     Со временем ручная выборка сменилась механизированной сортировкой. При выветривании руды одни минералы (более прочные) остаются в ней без изменения, другие растрескиваются и крошатся. При просеивании выветренной, например, алмазной руды почти все алмазы оставались на поверхности сита. Так получали первичный алмазный концентрат.
     Используя различие в крепости минералов, путем истирания получали тонкие (весьма мелкие) порошки таких мягких минералов, как графит и молибденит. Наиболее прочные их сопутствующие минералы после истирания и грохочения оставались на поверхности сита грохота, графит же и молибденит проходили сквозь сито, образуя подситный продукт.
     Для сортировки минералов использовалось и различие в форме минералов. Обогащение по форме производилось на грохотах со специально подобранной формой отверстия в ситах. Плоские частицы, например, слюды преимущественно оставались на сите, в то время как округлые частицы других минералов проходили под сито. Для игольчатых кристаллов (волокна асбеста) подбирали соответствующую форму отверстий сита, при которой волокна легко отсортировывались от плоских частиц сопутствующего асбесту минерала -змеевика.
     От формы кристаллов зависит и коэффициент трения минералов при движении по наклонной плоскости. Одни минералы, имеющие более округлую форму и гладкую поверхность, легко скатываются под уклон и отскакивают на значительное расстояние от плоскости. Другие - плоские минералы с шероховатой поверхностью - медленно скользят и разгружаются вблизи окончания уклона. Различия в коэффициенте трения также издавна использовалось для разделения минералов.

5

     На траекторию движения частиц существенно влияет и упругость отскока минералов от поверхности. Разделение частиц по упругости нашло применение при обогащении строительных материалов - щебня и гравия.
     Сортировка минералов осуществлялась также по их цвету и блеску. Например, куски слюды (мусковит), свинцового блеска, золотоносного кварца хорошо видны среди массы пустой породы.
     По мере развития техники методы механизированной сортировки совершенствовались, начали использоваться новые свойства минералов для их разделения.
     Для выделения минералов, обладающих радиоактивностью, применяется авторадиометрическая сортировка.
     Некоторые минералы приобретают различные цветовые оттенки под воздействием ультрафиолетового, рентгеновского облучения. Разработаны и соответствующие методы обогащения данных минералов.
     Используются различия в характере изменения кусков материала при термическом воздействии, в адгезионных свойствах разделяемых минералов.
     Широкое распространение получили методы разделения, основанные на различном характере перевода разделяемых компонентов твердого полезного ископаемого в другие фазовые состояния, так называемые комбинированные методы обогащения. Эти методы позволяют извлекать полезные ископаемые не только в процессе обогащения добываемых руд, но и при вторичной переработке существующих породных отвалов или в процессе подземной разработки бедных забалансовых месторождений.
     Все эти методы известны с древних времен и применяются, совершенствуются в настоящее время. По этому признаку они также могут быть отнесены к «традиционным». Но мы все-таки остановимся на общепринятой классификации и уделим внимание изучению в первой части курса - специальным, а во второй части - комбинированным методам обогащения. Их особенностям, области использования, месту в схемах переработки полезных ископаемых.

6

    Часть 1 СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ

     Специальные методы классифицируются на следующие виды:
     1. Сортировка.
     2.      Обогащение с использованием эффектов взаимодействия кусков разделяемых компонентов с рабочей поверхностью сепаратора.
     3.      Обогащение на основе селективно направленного изменения размеров кусков компонентов полезного ископаемого.
     4.      Обогащение на основе разницы в поверхностных свойствах разделяемых минералов.

    1. СОРТИРОВКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

     К основным способам сортировки относятся:
     1. Ручная сортировка (породовыборка, рудоразборка, углесортировка).
     2.      Механизированная сортировка, включающая процессы с общим названием радиометрические методы обогащения.

    1.1. Ручная сортировка

     Ручная сортировка применяется:
     -       когда не могут быть применены механическое или химическое обогащение;
     -       когда механические процессы не обеспечивают необходимого качества разделения, например, при отборке драгоценных камней, листовой слюды, длинноволокнистого асбеста и других минералов;
     -       перед дроблением для выделения крупнокусковой породы при добыче и обогащении полезных ископаемых.
     При ручной сортировке используют различия в цвете, блеске, форме, структуре разделяемых минералов, т. е. внешние проявления результата взаимодействия видимого излучения с поверхностью кусков (рис. 1.1). Различия во внешних свойствах проявляются не только при освещении, но и в некоторых случаях при облучении рентгеновским или ультрафиолетовым излучением (как это имеет место при сортировке гравитационных алмазных концентратов).


Рис. 1.1. Принципы ручной сортировки

7

     Условия применения ручной сортировки:
     -       хорошо различимые человеком внешние признаки полезного ископаемого или породы;
     -       простота технической реализации, возможность получения высококачественных мономинеральных продуктов в широком диапазоне крупности.
     В процессе ручной сортировки оценка сорта и выделение частиц осуществляется человеком. Выведение частиц является трудоемкой операцией, ограничивающей максимальную крупность (300 мм) и производительность сортировки. Крупность руды для разборки может изменяться от 25 до 300 мм; обычный размер кусков 75-100 мм.
     По месту включения ручной сортировки в технологический процесс выделяют сортировку в шахтных и фабричных условиях.
     Сортировку полезных ископаемых непосредственно у мест отбойки руды применяют в случаях, когда содержание пустой породы достигает 50-60 % и более. В подземных условиях сортировку ведут на настилах, полках, почве, в специальных выработках после отбойки руды. Порода используется для закладочных работ. Производительность сортировки в подземных условиях достигнет 10-14 т отсортированной породы за смену на одного сортировщика. Сортировке в подземных условиях подвергают неклассифицированную руду.
     Сортировка полезных ископаемых на обогатительных фабриках частично механизирована. Сортировка, как правило, производится на конвейерах с размещением сортировщиков с двух или с одной стороны конвейера (рис 1.2). При этом материал подается в один слой.


Рис. 1.2. Схема размещения сортировщиков

      Максимальная ширина ленты при односторонней выборке - 0,75 м, при двухсторонней находится в пределах 1,2-1,4 м. При двухсторонней выборке сортировщики располагаются в шахматном порядке. Длина рудоразборного участка, приходящегося на одного сортировщика, составляет 1-2 м. Скорость движения рудоразборного конвейера - 9-12 м/мин.
      Руда на конвейере должна располагаться в один слой, ширина ленты конвейера при этом определяется по формуле:

B = 0,28 -10—³ Q /(dₘₐₓ v3k),

где Q - производительность, т/ч;
    dmax - максимальный размер куска перерабатываемой руды, м;
    S - насыпная плотность руды на ленте, т/м³;

8

    v - скорость движения ленты, м/с;
    k - коэффициент заполнения ленты рудой, k = 0,3^0,4.
     Длину ленты определяют по следующим формулам:
     -   при расположении сортировщиков по одну сторону ленты:
L = L₀ + (N + 1) l;

     -   при расположении сортировщиков по обе стороны конвейера:
L = L₀ + 0,5(N + 1)l,

где Lо - свободная длина ленты (по правилам техники безопасности равна 3-4 м);
    l - расстояние между сортировщиками, м;
    N — число сортировщиков.
     Эффективность процесса рудоразборки характеризуется следующими основными показателями: коэффициентом сортировки пустой породы £, остаточной засоренностью Рост, числом работающих сортировщиков N и производительностью их труда.
     Коэффициент сортировки пустой породы:
£ = 100-Q/Qₚ, %,

где Q и Qp - масса пустой породы, соответственно отсортированной и в исходной руде, т.
     Остаточная засоренность определяется по формуле:
Рост = 100-Qₒcₘ /D, %,
wQост масса пустой породы, оставшейся в руде после сортировки, т;
    D - масса руды после сортировки, т.
     Оптимальное число сортировщиков определяется только экономическими расчетами.
     Производительность ручной сортировки зависит от крупности руды, квалификации сортировщиков. При крупности руды 20-40 мм производительность сортировщика составляет до 1,5 т/смену идо8 т/смену при крупности 200-300 мм.
     На рис. 1.3 представлена типовая схема выборки пустой породы на углеобогатительных фабриках.
     Процесс ручной сортировки характеризуется повышенной трудоемкостью, которая возрастает с уменьшением крупности разделяемого материала. Важное значение имеет освещение рабочей зоны. При этом необходимо обеспечивать не только достаточную освещенность, но также выбрать оптимальный характер освещения: ровный рассеянный или направленный свет, спектральную характеристику источника излучения (газоразрядные ртутные, люминесцентные, кварцевые лампы).

9

     Для повышения эффективности сортировки увеличивают контрастность обрабатываемого материала: промывка руды перед сортировкой, отделение мелких классов, предварительная химическая обработка, облучение УФ-лучами. Ряд минералов изменяет цвет при облучении ультрафиолетовыми лучами: алмаз - голубой; сфалерит - желтый; церуссит (РЬСОз) - желтый и т. д.


Рис. 1.3. Схема выборки пустой породы на углеобогатительных фабриках:
1 - конвейер рядового угля; 2 - грохот; 3 - породовыборный конвейер;
4 - дробилка; 5 - конвейер угля крупностью 0-100 мм


    1.2. Механизированная сортировка


      Механизированная сортировка (радиометрическое обогащение) применяется для предварительного обогащения, а также в качестве основных и доводочных обогатительных операций при переработке руд черных, цветных, редких и благородных металлов, алмазосодержащих и других неметаллических полезных ископаемых [1-9].
      С помощью радиометрического обогащения решают несколько основных технологических задач.
      1. Предварительное обогащение руд (крупнокусковое). Как показала практика, предварительное обогащение позволяет на 20-50 % сократить объем руды, поступающей на среднее дробление и дальнейшую переработку. Кроме того, оно повышает содержание ценного компонента в перерабатываемом сырье и, как следствие, общее извлечение этого компонента в концентрат. При радиометрических методах сепарации выделяются сухие крупнокусковые хвосты, не требующие возведения хвостохранилищ, что сокращает отчуждаемые площади и снижает капитальные затраты на гидротехнические сооружения. Радиометрическое обогащение широко применяется для предварительного обогащения урансодержащих, бериллиевых, золотых руд и руд неметаллических полезных ископаемых.


10

      1. Предварительное разделение полезных ископаемых на отдельные технологические сорта, которые более эффективно перерабатываются по различным схемам. Применение данной технологии целесообразно при отработке месторождений, где руды представлены несколькими типами. Например, окисленные и сульфидные золотосодержащие или медные руды; мало- и высокофосфористые марганцевые руды.
      3.      Получение крупнокусковых концентратов. Для некоторых металлургических процессов необходимо крупнокусковое исходное сырье. Гранулометрическая характеристика концентрата имеет большое значение, так как от нее, во-первых, зависит пористость шихты и, во-вторых, в условиях интенсивного дутья, характерного для этих процессов, происходят большие потери мелкого продукта. Радиометрическое обогащение позволяет получать крупнокусковые железные, хромовые, марганцевые концентраты, которые без всякой дополнительной подготовки можно направлять на плавку.
      4.      Доводка концентратов, полученных другими методами обогащения, например, получение сверхчистых кварцевых концентратов.

    1.2.1. Физические основы процесса

      Радиометрические методы обогащения основаны на различиях в способности минералов испускать, отражать или поглощать излучения.
      Различают два вида радиометрического обогащения: обогащение радиоактивных руд, минералы которых сами испускают излучение, и обогащение нерадиоактивных руд, минералы которых не обладают естественной радиоактивностью.
      В первом случае разделительным признаком является интенсивность естественного излучения разделяемых минералов. Во втором необходим источник первичного принудительного излучения, и разделительным признаком является интенсивность вторичного сигнала взаимодействия этого излучения с разделяемыми минералами.
      Интенсивность и характер вторичного сигнала зависит от свойств полезного ископаемого. Принципиальная схема, отображающая прохождение излучения через частицу горной породы, представлена на рисунке 1.4.
      Для границы раздела воздух - горная порода справедливо следующее равенство:
Ф = Ф + Ф .
О И ¹ Г .

      В свою очередь: Фп = Фа + Фд + Ф,.
      Тогда: ФО = ФГ + Фа + Фд + Ф,.
      Если разделить обе части уравнения на Фо получим:
1 = г + а+д+1, где г, а, д, t- коэффициенты отражения, рассеяния, поглощения, пропускания.

11

Рис. 1.4. Схема прохождения излучения через горную породу:
Фо - исходное излучение; Фг - часть излучения, отразившегося от поверхности куска;
Фп - часть излучения, проникшая в горную породу;
Фи - часть излучения, поглотившаяся горной породой;
Фо - часть излучения, рассеянная горной породой;
Ф1 - часть излучения, прошедшая через горную породу

      В зависимости от характера прохождения излучений через вещество различают следующие способы сортировки (рис. 1.5):
      А - радиометрическая сортировка с использованием отраженного излучения;
      Б - радиометрическая сортировка с использованием рассеянного излучения;
      В - радиометрическая сортировка с использованием прошедшего излучения (абсорбционный способ).


Рис. 1.5. Способы сортировки:
1 - источник излучения; 2 - частица минерала; 3 - приемник излучения

      Кроме того, под воздействием внешнего источник излучения в некоторых минералах вызывается искуственная (наведенная) радиактивность или возбуждается люминесцентное свечение. В этом случае применяются способы радиометрической сортировки, основанные на определении интенсивности генерируемого минералами излучения (способ Г).
      При разделении минеральных частиц могут быть использованы любые из этих способов.


12