Принципи збагачення сировини

Для підвищення продуктивності апаратів, зменшення витрат вихідних речовин, енергії, покращення якості кінцевих продуктів необхідно застосовувати сировину в концентрованому вигляді (тобто з підвищеним вмістом в ній корисних компонентів), яких в природній сировині є недостатньо. Використання в промислових умовах сировини з низьким вмістом корисних компонентів є економічно і технологічно недоцільним. Тому сировина, яка видобувається з природних надр, як правило, попередньо збагачується. Збагачення сировини також необхідно здійснювати й для скорочення транспортних витрат на перевезення до місця переробки. Тому в місцях видобутку або безпосередньо перед виробничим циклом сировина підлягає збагаченню. Так, збагачуються тверді метали, рідкі розчини, гази тощо. Якщо збагачуються тверді матеріали (наприклад, гірські породи), то отриманий продукт, що містить корисну складову, називається концентратом, а відходи, які містять пусту породу, називаються хвостами. Якщо в сировині містяться (поряд з пустою породою) декілька корисних складових, то її розділяють на окремі продукти (фракції), які збагачені тим чи іншим корисним компонентом. Тобто з вихідної суміші отримують декілька концентратів, що дозволяє повніше використовувати всі корисні складові компоненти.

Методи збагачення твердих матеріалів засновані на відмінності таких фізичних і хімічних властивостей складових компонентів сировини: густини, твердості, розчинності, температур плавлення і кипіння, електропровідності, магнітної проникливості, змочуваності окремими рідинами тощо.

Розсіювання (грохочення) засноване на тому, що мінерали, які входять до складу сировини, мають різну міцність. Тому при дробленні менш міцні (крихкі) мінерали диспергуються на дрібніші міцні (в’язкі) зерна. Якщо після дроблення таку сировину просіяти крізь сита з різною величиною отворів, то з відповідних окремих сит можна отримати фракції, які збагачені тим чи іншим мінералом (певної дисперсності). Сита, які застосовуються для розсіювання, називаються грохотами. Грохочення часто проводять також для розділення однорідного матеріалу на куски чи зерна визначеного розміру. Грохоти можуть бути таких типів: 1) плоскі, з невеликим нахилом сита для сковзання великих фракцій, які часто оснащуються механізмами для струсу, вібрації чи качання; 2) циліндричні, які містять нахилені барабани, що обертаються, з отворами, які розсіюють матеріал, що поступає всередину циліндра.

Гравітаційне розділення засноване на різниці швидкостей падіння частинок різної густини чи крупності в потоці рідини або газу. Так, у випадку використання водяного потоку відоме мокре гравітаційне збагачення, а повітря чи інертного газу – сухе гравітаційне збагачення.

Мокре гравітаційне збагачення здійснюється таким чином (рис.46). Подрібнена сировина змішується з водою в ємкості з мішалкою і у вигляді пульпи (завись твердого матеріалу в рідині) подається в осаджувальні камери (корита) І, ІІ, ІІІ з конусоподібними днищами (бункерами). Оскільки ширина камери поступово збільшується, то відбувається уповільнення руху пульпи в камерах, що полегшує осадження твердих частинок. В камері І випадає з води найбільш важка (крупнозерниста) фракція, в камері ІІ – середня фракція і в камері ІІІ – легка (дрібнозерниста) фракція. В залежності від того, на скільки фракцій вимагається розділити сировину, апарати-класифікатори складаються з однієї, двох або більшого числа камер. Фракції з камер вивантажують через отвори 1, 2, 3. Поряд з розглянутим класифікатором (рис. 46), застосовуються і інші типи відповідних апаратів – концентраційні столи, осаджувальні машини.

Рис. 46. Принципова схема мокрого гравітаційного збагачення:

І, ІІ, ІІІ – осаджувальні камери; 1 – випуск важкої (крупнозернистої ) фракції;

2 – випуск середньої фракції; 3 – випуск легкої (дрібнозернистої) фракції

При сухому гравітаційному збагаченні застосовують повітряні сепаратори центробіжного типу (рис. 47). Сепаратор складається з циліндра 5, який закінчується конусом 6. В циліндрі 5 розміщений внутрішній циліндр 2 з конусом 1, в якому знаходиться тарілка 3 і крильця вентилятора 4, що приводяться в обертовий рух електродвигуном. При обертанні тарілки і крилець вентилятора всередині сепаратора утворюються повітряні потоки, які позначені на схемі відповідними стрілками. Подрібнений матеріал, що подається на тарілку, яка обертається, розкидається в об’ємі розрізу внутрішнього циліндра. Дрібні частинки матеріалу підхоплюються повітряним потоком і виносяться в прошарок між зовнішнім і внутрішнім циліндрами, де, вдаряючись у стінки (та при цьому сповільнюючись), спускаються вниз і виводяться через конус 6 у вигляді тонкоподрібненої фракції. Крупні частинки падають і виводяться через внутрішній конус 1 на повторне дроблення.

Магнітна сепарація застосовується для відокремлення магнітносприйнятливих матеріалів від немагнітних їх складових та для видалення стальних предметів з технологічних потоків. Розділення руди відбувається в електромагнітних сепараторах (рис.48). Після подрібнення матеріал поступає на стрічковий транспортер 1, який рухається і містить барабан 2, оснащений електромагнітом 3. При дотику стрічки з поверхнею барабана частинки матеріалу, що не володіють магнітною сприйнятливістю, зсипаються зі стрічки в бункер 4. В свою чергу, частинки магнітносприйнятливого матеріалу, що прилипли до стрічки, продовжують рухатись до тих пір, поки стрічка не пройде магнітну поверхню барабана і вони не відірвуться від неї; після цього частинки зсипаються в бункер 5.

Рис. 47. Повітряний сепаратор відцентрового типу:

1 – внутрішній конус; 2 – внутрішній циліндр; 3 – тарілка; 4 – крильця вентилятора; 5 – зовнішній циліндр; 6 – зовнішній конус

Рис. 48. Схема електромагнітного сепаратора:

1 – стрічка транспортера; 2 – барабан транспортера; 3 – електромагніт;

4, 5 – бункери

Флотаційний метод збагачення грунтується на різній змочуваності зерен окремих мінералів водою. Частинки незмоченого (гідрофобного) мінералу А будуть ніби вдавлюватись в рідину (рис. 49), але, не подолавши сил поверхневого натягу води, залишаються на її поверхні. В свою чергу, частинки змоченого (гідрофільного) матеріалу Б обгортаються плівкою рідини і, подолавши сили поверхневого натягу рідини, спускаються на дно апарата. Частинки незмоченого мінералу знімаються з поверхні рідини, і таким чином відбувається розділення руди на фракції. Для прискорення флотації застосовують ряд технологічних прийомів, зокрема, створюють умови для неоднакової змочуваності водою зерен мінералів. Флотацію проводять у флотаційних машинах різного типу (схематичний поперечний розріз машини з повітряним перемішувачем пульпи наведений на рис. 49). Тонкоподрібнена завись породи з флотореагентами подається в машину, що складається з коритоподібного резервуара-камери 1, всередині якого встановлені перегородки 6, а між ними розташовані трубки 3.

Повітряними трубками 3 з колектора 2 в камеру 1 подається повітря під тиском, який перемішує пульпу, й кульки, що піднімаються догори, захоплюють за собою частинки гідрофобного мінералу, який спливає на поверхню води. Крім того, повітря забезпечує циркуляцію суспензії в камері 1. Для утримання на поверхні частинок гідрофобного мінералу, які спливають, в водну завись (суспензію) вводять речовини (соснове масло, деревинний дьоготь тощо), що утворюють піну, – піноутворювачі. Піну разом з частинками гідрофобного мінералу знімають з поверхні рідини через борт камери 1 в жолоб 5, звідки вода поступає на згущення (руйнування піни) та фільтрування. Окремі тверді частинки мінералу сушаться і у вигляді так званого концентрату надходять до користувача чи на подальшу переробку. Частинки, що осіли на дно камери, виводяться у вигляді флотаційних хвостів.

Рис. 49. Флотаційна машина з повітряним перемішуванням:

1 – циркуляційна камера; 2 – колектор повітря; 3 – повітряні трубки;

4 – пінний шар; 5 – жолоб для концентрату; 6 – перегородки

Природні матеріали в більшості випадків добре змочуються водою, і для їх розділення флотацією в суспензію вводять спеціальні реагенти – збірники або колектори, що понижують їх змочуваність. До них відносяться олеїнова кислота, нафтенові кислоти тощо. Збірники покривають поверхні частинок гідрофільних мінералів гідрофобною плівкою, чим і пояснюється їх спливання. Щоб утруднити спливання частинок окремих мінералів, в суспензію вводять „подавники” або депресори (луги, солі лужних металів тощо). Депресори підвищують гідрофільність поверхонь частинок мінералів і утруднюють їх спливання. Крім того, застосовуються реагенти, які посилюють чи послаблюють дію збірників чи депресорів. До них відносяться активатори, регулятори тощо.

Отже, вводячи в суспензію різні флотореагенти, можливо забезпечити селективну флотацію, тобто розділити руду на концентрат, що містить декілька корисних елементів, і хвости, що не містять цінних елементів. Додатково можливо створити такі умови процесу флотації, коли в концентрат буде переходити тільки який-небудь один визначуваний матеріал, а в хвіст – пуста порода і інші мінерали. Така флотація називається вибірковою чи селективною.

Флотація – один з промислових методів збагачення сировини, що широко застосовується. Це пояснюється тим, що застосування флотореагентів, які мають різні властивості, дозволяє збагачувати і розділяти на фракції різноманітні гірські породи при незначній витраті флотаційних реагентів (100 г на 1т породи). Крім зазначених методів збагачення твердих мінералів, застосовуються також методи, які засновані: 1) на відмінності електропровідності складових компонентів руди – електростатичне збагачення; 2) на відмінності плавкості матеріалів, суміші – термічне збагачення; 3) на відмінності різноманітних хімічних властивостей (розчинності, розкладанні хімічними реагентами, випалюванні окремих компонентів суміші) – хімічне збагачення тощо.

Рідкі розчини різних речовин концентрують випаровуванням до насичення розчинів корисним компонентом, а також виморожуванням, переведенням домішок в осад чи газову фазу. Наприклад, випаровування води з розчинів дуже часто застосовується для отримання мінеральних солей, лугів, кислот, в кольоровій металургії тощо, а виморожування – для концентрування природних розсолів в зимовий період.

Газові суміші розділяють на компоненти послідовною конденсацією при пониженні температури або стисканні. Цей метод заснований на відмінності температур конденсації складових компонентів газової суміші. В інших випадках спочатку газову суміш перетворюють в рідину, а потім послідовним випаровуванням розділяють її на індивідуальні компоненти. Крім того, розділення газових сумішей здійснюють поглинанням окремих газів різними рідинами (абсорбція) чи твердими речовинами (адсорбція) з наступним виділенням їх з сорбентів в концентрованому вигляді.