Технология подготовки сырья для неорганических производств. Учебное пособие

ная подчиняется общим законам осаждения твердых тел, как и классификация гидравлическая, однако существенно от нее отличается. Поскольку сопротивление воздуха движению твердых частиц значительно меньше сопротивления воды, частицы осаждаются в воздухе во много раз быстрее, чем в воде. Сепарация воздушная осуществляется в специальных аппаратах - пневмоклассификаторах или воздушных сепараторах. Разделение в сепараторах твердых материалов основано на том, что при их вращении с несущей средой (воздухом) или без нее более крупные частицы, обладающие большей центробежной силой, перемещаются в радикальном направлении к периферии аппарата быстрее, чем мелкие частицы, вытесняя их к центру. Непосредственно разделение материала на фракции происходит под действием центробежных сил. Гравитационные силы выводят крупную фракцию из сепарационной зоны, что обеспечивает непрерывность процесса.

Простейшими пневмоклассфикаторами можно считать циклоны, однако их используют чаще не для сепарации, а для отделения частиц от несущего потока. Собственно воздушные сепараторы подразделяются на воздушно-проходные и воздушноциркуляционные. Аппараты обоих типов работают обычно в замкнутом, иногда в открытом циклах с мельницами сухого помола.

5.3. Измельчение

Измельчение - это основная подготовительная и часто наиболее энергоёмкая операция, предназначенная для разрушения до требуемых размеров сырья, а также для раскрытия взаимно сросшихся агрегатов и образования частиц отдельных минералов.

Измельчением называется механический процесс деления твердого тела на части за счет приложения внешних сил. Измельчение производят методами удара, раздавливания и истирания

(рис. 13).

21

стенки в процессе дробления не участвуют. Сейчас применяют щековые дробилки простого и сложного качения щеки. В последних дробилках достигается более высокая степень нагрузки на материал (большие напряжения сдвига). Одно из относительно недавних новшеств - это виброщековые дробилки, которые должны найти применение на очень прочных материалах.

Рис. 14. Принципиальная схема щековой дробилки

Конусная дробилка - машина для дробления твёрдых материалов посредством раздавливания кусков внутри неподвижной конусообразной чаши конусом, совершающим круговое качание (гирационное движение). Конусные дробилки применяют для дробления руд чёрных и цветных металлов, а также неметаллических материалов, включая особотвёрдые, абразивные и труднодробимые. Конусная дробилка изобретена в 1877 г., внедрена в промышленность в 1920-х гг.

23

между валками или валком и футеровкой камеры дробления и в результате этого дробится.

Для тонкого измельчения наиболее широко применяют так называемые шаровые мельницы (см. рис. 17), в которых продукт обрабатывается шарами, находящимися вместе с ним в полом вращающемся барабане.

Принцип действия. В шаровых мельницах измельчение материала происходит под действием ударов падающих стальных или кремниевых шаров и путем истирания его между шарами и внутренней поверхностью корпуса мельницы.

Если шаровую мельницу, наполненную шарами, привести во вращение, то вследствие трения между стенкой мельницы и шарами последние поднимаются в направлении вращения до тех пор, пока угол подъема не превысит угла их естественного откоса, после чего они скатываются вниз.

С увеличением скорости вращения мельницы будет возрастать центробежная сила и соответственно увеличиваться угол подъема шаров до тех пор, пока составляющая силы веса шаров не станет больше центробежной силы. С этого момента шары начнут падать вниз, описывая при падении некоторую параболическую кривую. При дальнейшем увеличении скорости вращения мельницы центробежная сила может стать настолько большой, что шары будут вращаться вместе с мельницей, не измельчая материала.

Рис. 17. Схема шаровой мельницы

В последнее время в практике все больше применяются мельницы самоизмельчения. Метод б4есшарового измельчения

25

отличается от обычного измельчения тем, что в качестве дробящей среды применяются не стальные шары или стержни, а масса руды, находящаяся в мельнице.

Мерой измельчения является степень измельчения, определяемая как

I =Дн/Дк,

где Дн и Дк – средние размеры частиц до и после измельчения.

В отдельных случаях проводят укрупнение материала методами брикетирования или агломерации.

Измельчение может быть сухим (как правило, при грубом и среднем дроблении) и мокрым ( при мелком дроблении и помоле). Сухое измельчение проводят в воздушной среде или инертных газах (при переработке окисляющихся, пожаро- и взрывоопасных, а также токсичных материалов). Мокрое измельчение (исходный материал смешивают с жидкостью, чаще всего с водой) применяют при обогащении руд методом флотации, при последующей обработке измельченного материала в виде суспензии (например, в производстве TiO2), при повышенной влажности материала и наличии в нем комкающих примесей, при необходимости исключить пылеобразование.

Измельчение может осуществляться периодически либо непрерывно. Периодический процесс применяют при небольших масштабах производства, т. к. он сравнительно малоэкономичен, сопровождается сильным нагреванием (процесс происходит в замкнутом объеме) и агрегированием обрабатываемого материала и дает возможность получать продукт только широкого гранулометрического состава, содержащий значительные количества мелких и крупных фракций.

Непрерывный процесс осуществляют по двум основным схемам. При работе в открытом цикле, используемом чаще всего для грубого и среднего измельчения, материал проходит через измельчитель только один раз, не возвращаясь в него, а также характеризуется широким гранулометрическим составом.

26

Наилучшие показатели по качеству продукта, производительности измельчителя и энергетическим затратам достигаются в случае измельчения в замкнутом цикле с непрерывным отбором тонкой фракции. Помол производят, как правило, в замкнутом цикле "измельчение - классификация". В нем материал с размерами кусков больше допустимого предела многократно возвращается в машину на доизмельчение, а целевая фракция отбирается в результате последующей классификации с помощью: 1) грохотов при дроблении; 2) гидравлических либо воздушных сепараторов соответственно при сухом и мокром помоле. При содержании в исходном материале не менее 30-40 % требуемого тонкого продукта измельчение в открытом или замкнутом цикле проводят с предварительной классификацией сырья. При высокой степени измельчения резко возрастает расход энергии. С целью его снижения процесс осуществляется в несколько стадий (обычно в две, реже в три), направляя материал в установленные последовательно дробилки или мельницы для грубого, среднего и тонкого измельчения.

5.4. Промывка

Некоторые руды обязательно подвергают промывке, которая заключается в механическом дезинтегрировании в воде смеси руды с глинистым и глауконитовым дисперсным материалом, обволакивающим и цементирующим отдельные куски полезного минерала, с последующим выделением дисперсного материала. Так, например, из фосфоритов промывкой получают концентрат, пригодный для приготовления кондиционной фосфоритовой муки. Для промывки руд применяют так называемые бутары (барабанные грохоты, скрубберы, корытные мойки, спиральные и башенные классификаторы).

27

5.5. Термическая обработка

Подготовительной операцией служит также обжиг, осуществляемый для изменения физических свойств и химического состава минерального сырья, перевода его полезных компонентов в извлекаемую форму и удаления вредных примесей. Обжиг заключается в нагревании руд до определенной температуры, зависящей от их вида и свойств, а также от целей обжига. Переработка сырья с применением обжига наиболее перспективна для труднообогатимых руд, например фосфоритов с низким содержанием Р2О5 и высоким содержанием тонковкрапленных примесей. В ряде случаев обжиг является самостоятельной обогатительной операцией, называемой термохимическим обжигом.

Переработка минерального сырья в удобрения и другие соли может идти путем высокотемпературной термической его обработки или "мокрым" путем - в жидких средах и суспензиях. Часто оба эти пути совмещаются, дополняя друг друга. Примерами термических способов производства удобрений являются получение термофосфатов, цианамида кальция, возгонка элементарного фосфора из природных фосфатов с последующей его переработкой в фосфорную кислоту и удобрительные фосфатные соли. Примеры "мокрого" пути - это многочисленные и разнообразные способы кислотной переработки фосфорных руд, извлечение хлорида калия из калийных минералов, получение солей из аммиака, азотной кислоты и др.

В любых случаях для рациональной организации производства необходимо знание механизма и кинетики химических процессов, протекающих в технологической аппаратуре, а также условий равновесия фаз в перерабатываемых системах. Знание этих закономерностей позволяет выбирать условия наиболее интенсивного осуществления многих стадий производства.

28

5.5.1.Обжиг

Взависимости от характера протекающих при обжиге химических явлений различают следующие виды обжига: кальцинационный, окислительный, хлорирующий и восстановительный.

Кальцинационным обжигом или кальцинированием называется процесс удаления из вещества углекислого газа или воды. Примером может служить обжиг известняка

CaCO3 = CaO + CO2

или прокаливание однозамещенного ортофосфата кальция, превращающегося при этом в метафосфат

Ca(H2PO4)2 H2O = Ca(PO3)2 + 3H2O.

Также для перевода вещества в необходимую форму ис-

пользуется окислительный обжиг, например прокаливания минералов при избытке воздуха с целью уменьшения растворимости содержащихся в них примесей железа при дальнейшей кислотной обработке. При обжиге оксид железа (II) окисляется кислородом, находящимся в топочном газе, и переходит в смешанный оксид

6FeO + O2 = 2Fe3O4,

который значительно хуже растворяется в кислоте.

Частным случаем окислительного обжига является сульфатизирующий обжиг, которому подвергаются сульфидные руды с целью переводов сульфидов в растворимые сульфаты. Вначале образуется оксид металла , например,

2CuS + 3O2 =2CuO + 2SO2,

затем образовавшийся сернистый газ окисляется в оксид серы (VI); последний взаимодействует с оксидом металла

2SO2 + O2 = 2SO3, CuO + SO3 = CuSO4.

29

Продуктом окисления сульфида может быть смесь сульфата с оксидом. Соотношение между ними зависит от температуры и продолжительности обжига, концентраций кислорода и сернистого ангидрида в газовой фазе и от свойств сульфидов и оксидов, образующихся в процессе окисления.

Хлорирующий обжиг также используется для перевода сульфидов металлов в растворимые соединения. В качестве дешевого хлорирующего агента применяют поваренную соль. Смесь сульфидной руды и поваренной соли подвергается действию воздуха при 550-600 0С. При этом образующийся сернистый газ взаимодействует с солью в присутствии в паров воды, дает хлор и хлористый водород. Эти газы реагируют с сульфидами и оксидами металлов с образованием хлоридов. Другими хлорирующими агентами являются HCl, NH4Cl, Cl2.

В качестве примера восстановительного обжига может служить процесс извлечения элементарного фосфора из фосфата кальция при нагревании его в смеси с углем до 1500 0С:

Ca3(PO4)2 + 5С = P2 + 5CO + 3CaO.

Часто обжиг производят с целью спекания сырья с содой, известняком или другими соединениями щелочных и щелочноземельных металлов. При этом могут образовываться как растворимые, так и нерастворимые соединения. Например, спеканием получают удобрения, называемые термофосфатами. Так, при спекании апатита с содой при 1100-1250 0С в присутствии кремнезема для связывания избыточного оксида кальция протекает реакция

Ca5F(PO4)3 + 2Na2CO3 + SiO2 = 3CaNaPO4 + Ca2SiO4 + NaF + +2CO2.

Отвердевший после охлаждения плав измельчают.

При обжиге смеси твердых материалов могут протекать реакции как непосредственно между твердыми фазами, так и между твердым веществом и газом или между твердым веществом и жидкостью, образующейся, например, вследствие плавления отдельных компонентов шихты.

30