Технология подготовки сырья для неорганических производств. Учебное пособие

сивности (напряженности) работы печи.

Считается, что печь хорошо работает и ее конструкция удовлетворительна, если она обеспечивает высокую производительность (интенсивность печи высокая), в ней можно сжигать все виды колчедана, обеспечивается высокая степень выгорания серы, получаемый газ поступает из печи равномерно и имеет высокую концентрацию. Важную роль в оценке печи играет надежность ее конструктивного оформления, возможность механизировать и автоматизировать ведение процесса. Имеет также значение экономичность процесса сжигания: расход минимального количества энергии и использование теплоты горения колчедана.

6.ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ

6.1.Обогащение

Процесс отделения полезной части сырья от пустой породы с целью повышения концентрации полезного компонента, называется обогащением. В результате обогащения сырье разделяется на концентрат полезного компонента и хвосты с преобладанием в них пустой породы.

Количественные показатели процесса:

1.Выход концентрата - отношение массы полученного

концентрата mк к массе обогащаемого сырья mс

ηк =mk/mc.

2.Степень извлечения полезного компонента - представ-

ляющая отношение массы полезного компонента в концентрате mкк к его массе в обогащаемом сырье.

Хи = mkk/mkc.

3. Степень обогащения сырья – отношение массовой доли полезного компонента в концентрате к массовой доле его в обогащаемом сырье.

Х0= ωкк / ωкс.

41

Выбор метода обогащения зависит от агрегатного состояния и различия свойств компонентов сырья. При обогащении твердого сырья используются химические и физико-химические методы.

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

Отсадка - разделение находящегося на решете слоя минеральных частиц в турбулентном потоке среды, колеблющемся вертикально с заданными амплитудой и частотой. Под действием струй среды слой частиц попеременно разрыхляется и уплотняется, при этом частицы разной плотности взаимно перемещаются по ее высоте: с малой плотностью в верхние слои, с большой плотностью в нижние слои. Сформировавшиеся слои различной плотности раздельно удаляются в виде концентратов и хвостов. Обогащение в водной среде осуществляется в гидравлических отсадочных машинах, в которых колебания потока создаются посредством пульсаций воды или 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.

Магнитное обогащение (магнитная сепарация) основано на использовании различий в магнитных свойствах (например, магнитной восприимчивости) компонентов разделяемой механической смеси (минералов, их сростков и др.) с размером частиц до 100, иногда до 150 мм в неоднородном постоянном или переменном магнитном поле. Процесс осуществляется в водной или воздушной среде в валковых, барабанных, роторных и иных магнитных сепараторах. По магнитным свойствам все материалы на практике подразделяют на сильномагнитные (например, магне-

42

тит, глауконит, доломит, пирит) и немагнитные (например, полевой шпат, апатит, кварц, галенит). В магнитном поле сепаратора магнитные частицы материалов намагничиваются и притягиваются к полюсам магнита (электромагнита). Частицы немагнитных материалов не намагничиваются и свободно выводятся из аппарата. Магнитную сепарацию широко применяют при обогащении железных, марганцевых, медно-никелевых руд и руд редких металлов. Магнитному обогащению железных руд иногда предшествует так называемый магнетизирующий обжиг слабомагнитных минералов в кипящем слое в присутствии газов - восстановителей. При этом гематит Fe2O3, сидерит FeCO3 и бурый железняк Fe2O3 nH2O переводят в более магнитный оксид железа (II, III) Fе3O4.

Магнитогидродинамическое обогащение представляет собой электромагнитный гравитационный процесс, в котором разделение смеси минеральных частиц по плотности совмещено с разделением их по электромагнитным параметрам. В результате взаимодействия электромагнитных полей с жидкостями, обладающими электрической проводимостью и магнитной восприимчивостью (используются водные электролиты и водные растворы магнитных солей), в них возбуждается дополнительная к архимедовой объемная выталкивающая сила. Последняя действует со стороны жидкости на твердые частицы с отличающимися от нее электрической проводимостью и магнитной восприимчивостью. В зависимости от направления электромагнитных полей можно искусственно "утяжелять" жидкость до плотности 10 г/см3 или "облегчать" ее до плотности менее 1 г/см3. В качестве магнитных жидкостей служат растворы парамагнитных солей в воде. Если применяют водные суспензии тонкоизмельченных ферромагнитных материалов, то процесс называется магнитогидростатической сепарацией. Она основана на возбуждении дополнительной выталкивающей силы в растворах солей Fe, Co, Ni и др. при взаимодействии их с внешним магнитным полем.

43

Электрическое обогащение (электрическая сепарация)

основано на различии в электрических свойствах (электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, способности заряжаться при трении и т. д.) компонентов ископаемого сырья. Воздействие на него электрического поля, создаваемого в сепараторе электродами с высокой разностью потенциалов, обусловливает неодинаковые электрические заряды минеральных частиц и их разделение. При сепарации по электрической проводимости хорошо проводящие электрический ток частицы получают одноименный заряд, соприкасаясь с электродом, и отталкиваются от него, остальные частицы практически не заряжаются. Обогащение по электролитической проводимости осуществляется успешно, если компоненты минерального сырья значительно отличаются один от другого этим свойством. Например, проводники (антрацит, галенит, магнетит и др.) хорошо отделяются от полупроводников (боксит, касситерит, сфалерит и др.) и непроводников (алмаз, апатит, кварц и др.).

Диэлектрическая сепарация минералов основана на раз-

личии в траекториях движения частиц с разной диэлектрической проницаемостью в неоднородном электрическом поле. Для разделения минералов с близкими электрическими проводимостями применяют трибоэлектрическую сепарацию (контактную электризацию), основанную на способности твердых частиц заряжаться при трении о поверхность сепаратора. Разнородные частицы заряжаются одинаково по величине, но противоположно по знаку. Известны и другие методы электрического обогащения, которое используют для доводки и разделения коллективных концентратов (например, титаноциркониевых, оловянновольфрамовых и др.), на мономинеральные, а также в некоторых случаях для обогащения руд (например, калийных) или в сочетании с другими процессами (например, магнитной сепарацией) для переработки железных руд и отходов разных производств.

Радиометрическое обогащение основано на разнице в способности минералов испускать, отражать или поглощать радиоактивные излучения. В настоящее время известно более

44

20 методов радиометрического обогащения. С помощью радиометрических методов обрабатывают руды черных, цветных, редких и благородных металлов, алмазные россыпи и другие неметаллические полезные ископаемые. На основе естественной радиоактивности таким образом выделяют куски руды, содержащие уран. Искусственная радиоактивность может быть создана y-облучением материала. Например, при облучении обогащаемой бериллиевой руды вследствие ядерной реакции возникает испускаемый куском руды поток нейтронов. Мощность его определяется содержанием бериллия в этом куске независимо от того, какими минеральными формами он представлен.

Радиометрическое обогащение дешевле гравитационного, магнитного и электрического и поэтому позволяет снижать существующие требования к содержанию в сырье полезных компонентов, а также вовлекать в промышленное использование некондиционные (содержащие меньше ценных составляющих, чем вмещающие породы) и забалансовые (малая мощность залежей, глубокое залегание, сложность добычи и т. д.).

Для обогащения полезных ископаемых используют также следующие методы: фотонейтронный (бериллиевые руды), фотометрический (золотоносные руды и неметаллические материалы), фото- и рентгенолюминесцентные (алмазы), гаммаабсорбционный (железные руды), нейтронно-абсорбционный (борные руды) и т. д.

Обезвоживание материала достигается методами стекания, отстаивания (жидкая система) и сушки.

Гравитационные способы широко применяются для обогащения сырья в производстве силикатных материалов, минеральных солей и металлургии. Существует много типов машин мокрого гравитационного обогащения, основанного на оседании частиц в потоке: гидравлические классификаторы, гравиемойки, концентрационные столы, отсадочные машины и т. п. Очень эффективно применение центробежных гидравлических классификаторов. Примером такого классификатора может служить гидроциклон.

45

Электромагнитное обогащение происходит в магнитных сепараторах. Применяется для отделения магнитного железняка, хромистого железняка от пустой породы.

Электростатические сепараторы применяются для отделения электропроводных руд от диэлектрических пород: известняка, гипса и др.

Химические способы обогащения основаны на применении реагентов, которые избирательно растворяют одно из веществ, составляющих смесь, или образуют с одним из веществ соединения, легко отделяемые от других при плавлении, испарении, осаждении раствора. Пример, обжиг минералов для разложения карбонатов, удаление кристаллизационной влаги, выжигание органических примесей.

6.2.Флотация

Кфизико-химическим методам обогащения относится наиболее распространенный метод флотации. Флотация (плавание на поверхности воды), разделение мелких твердых частиц (главным образом минералов) и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость - газ (очень редко твердые частицы - жидкость). Осуществляют флотацию с использованием специальных веществ - флотационных реагентов (флотореагентов).

Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла смачивания, образующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т. е. вдоль линейной границы раздела твердое тело – жидкость – воздух (рис. 20).

46

6.2.1. Разновидности флотации

Пенная флотация - наиболее распространенный способ, которым в мире ежегодно обогащают 1 млрд т горной массы - более 20 типов руд. Первый патент на этот способ был выдан братьям Адольфу и Артуру Бесселям (Германия, 1877). Согласно патенту частицы графита, закрепившиеся на газовых пузырьках, образующихся при кипячении суспензии (пульпы), всплывали на поверхность жидкости и выводились из зоны разделения. В дальнейшем для увеличения числа и суммарной поверхности пузырьков такой способ их образования заменили принудительной подачей газа (обычно воздуха) в аппарат для разделения - флотационную машину.

Применительно к пенному режиму флотация осуществляется в трехфазной среде "твердые частицы - жидкость - газ", называемой пульпой. Твердая фаза представлена частицами минералов, получаемых при дроблении и помоле руды с целью выделения полезных компонентов из сростков с минералами пустой породы; тяжелые минералы измельчают до крупности 0,1-0,2 мм, легкие (уголь, сера, фосфаты и др.) - до 0,2-3 мм. Жидкая фаза содержит воду, продукты выщелачивания минералов, флотореагенты, растворенные газы, продукты износа оборудования, коллоидные частицы и т. д. Газовая фаза состоит из пузырьков (размеры от десятков мкм до 1-2 мм), образующихся при прохождении воздуха через диспергирующее устройство (аэратор). Положительную роль во флотации могут играть газовые пузырьки, выделяющиеся из раствора.

Сущность элементарного акта флотации заключается в следующем. При сближении в водной среде пузырька газа и гидрофобной поверхности минеральной частицы, адгезия которой к воде меньше когезии воды, разделяющая их водная прослойка при достижении некоторой критической толщины становится неустойчивой и самопроизвольно прорывается. Этот этап завершается полным смачиванием частицы, обеспечивающим прочное слипание пузырька и частицы. Вследствие того, что плотность

48

комплексов, или агрегатов "пузырьки - частицы", меньше плотности пульпы, они всплывают (флотируют) на ее поверхность и образуют пенный минерализованный слой, который удаляется из флотационной машины.

Известно несколько модификаций пенной флотации: вакуумная, флотогравитация, ионная, электрофлотация, флотация с выделением CO2, пенная сепарация.

Вакуумная флотация. По этому способу, предложенному Элмором (Великобритания, 1906), жидкость, содержащая твердые частицы, насыщается газом, который при понижении давления выделяется из нее в виде мелких пузырьков на поверхности гидрофобных частиц.

Флотогравитация - комбинированный процесс обогащения полезных ископаемых, совмещающий флотацию и разделение мелких твердых частиц под действием силы тяжести или в поле центробежных сил. Процесс проводят в специальных аппаратах (концентрационные столы, винтовые сепараторы, ленточные шлюзы, концентраторы, осадочные машины). В них благодаря обработке пульпы флотореагентами и введению в нее пузырьков воздуха образуются так называемой аэрофлокулы определенных минералов, имеющие меньшую плотность, чем частицы, не взаимодействующие с воздушными пузырьками. Создаваемое при этом различие в плотности способствует более эффективному разделению частиц минералов, в том числе меньшей крупности, чем при обычном гравитационном обогащении. В промышлености флотогравитацию используют для выделения сульфидных минералов из вольфрамовых и оловянных концентратов, а также для отделения циркона от пирохлора, шеелита от касситерита и др.

Ионная флотация разработана в 50-х гг. XX века (ЮАР, Ф. Себба) для очистки воды, а также извлечения полезных компонентов из разбавленых растворов. Отдельные ионы, молекулы, тонкодисперсные осадки и коллоидные частицы взаимодействуют с флотореагентами-собирателями, обычно катионного типа, и извлекаются пузырьками газа в пену либо пленку на поверхности

49

раствора. Способ перспективен для переработки промышленных стоков, минерализованных подземных термальных и шахтных вод и морской воды.

Для проведения электрофлотации используют поверхность пузырьков водорода и кислорода, выделяющихся при электролитическом разложении воды.

Предложен также способ флотации, согласно которому в пульпу вводят пузырьки CO2, образующегося в результате химический реакции.

Существуют и другие способы флотации. В 1860 г. была предложена масляная флотация (В. Хайнс, Великобритания). Для ее осуществления измельченную руду перемешивают с минеральным маслом и водой; при этом сульфидные минералы селективно смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и удаляются с поверхности воды, а пустые породы (кварц, полевой шпат и др.) осаждаются. В России масляная флотация была применена для обогащения графитовой руды (Мариуполь, 1904). В дальнейшем этот способ усовершенствовали: масло диспергировали до эмульсионного состояния, что позволило извлекать тонкие шламы, например марганцевых руд.

Способность гидрофобных минеральных частиц удерживаться на поверхности воды, в то время как гидрофильные частицы в ней тонут, была использована А. Нибелиусом (США, 1892) и А. Мак-Куистеном (Великобритания, 1904) для разработки пленочной флотации. В этом процессе из тонкого слоя измельченной руды, находящегося на поверхности потока воды, выпадают гидрофильные частицы.

В настоящее время масляная, пленочная и некоторые др. способы флотации практически не применяются.

6.2.2. Флотационные реагенты

Для ускорения процесса флотации систему вспенивают путем интенсивного перемешивания (механические флотационные машины) или барботажа воздуха через систему (пневматические

50