2. Основные процессы обогащения

Задача основных процессов обогащения  разделить полезный минерал и пустую породу. В их основе лежат различия в физических и физико-химических свойствах разделяемых минералов.

Наиболее часто в практике обогащения используются гравитационные, флотационные и магнитные методы обогащения.

2.1. Гравитационный метод обогащения

Гравитационным методом обогащения называют такой, в которых разделение минеральных частиц, отличающихся плотностью, размером и формой, обусловлено различием в характере и скорости их движения в текучих средах под действием силы тяжести и сил сопротивления. Гравитационный метод занимает ведущее место среди других методов обогащения. Гравитационный метод представлен рядом процессов. Они могут быть собственно гравитационными (разделение в поле силы тяжести – обычно для относительно крупных частиц) и центробежными (разделение в центробежном поле – для мелких частиц). Если разделение происходит в воздушной среде, то процессы называют пневматическими; в остальных случаях – гидравлическими. Наибольшее распространение в обогащении получили собственно гравитационные процессы, осуществляемые в воде.

По типу используемых аппаратов гравитационные процессы можно разделить на отсадку, обогащение в тяжелых средах, концентрацию на столах, обогащение на шлюзах, в желобах, винтовых сепараторах, обогащение на центробежных концентраторах, противоточных сепараторах и др. Также к гравитационным процессам обычно относят промывку.

Гравитационные процессы используют при обогащении углей и сланцев, золото- и платиносодержащих руд, оловянных руд, окисленных железных и марганцевых руд, хромовых, вольфрамитовых и руд редких металлов, строительных материалов и некоторых других видов сырья.

Основные преимущества гравитационного метода в экономичности и экологической чистоте. Также к преимуществам можно отнести высокую производительность, характерную для большинства процессов. Основной недостаток в трудности эффективного обогащения мелких классов.

Гравитационные процессы используют как самостоятельно, так и в сочетании с другими обогатительными методами.

Наиболее распространенным методом гравитационного обогащения является отсадка. Отсадкой называется процесс разделения минеральных частиц по плотности в водной или воздушной среде, пульсирующей относительно разделяемой смеси в вертикальном направлении.

Этим методом можно обогащать материалы крупностью от 0,1 до 400 мм. Отсадка применяется при обогащении углей, сланцев, окисленных железных, марганцевых, хромитовых, касситеритовых, вольфрамитовых и других руд, а также золотосодержащих пород.

В процессе отсадки (рис. 2.1) материал, помещенный на решете отсадочной машины, периодически разрыхляется и уплотняется. При этом зерна обогащаемого материала под влиянием сил, действующих в пульсирующем потоке, перераспределяются таким образом, что в нижней части постели сосредотачиваются частицы максимальной плотности, а в верхней – минимальной (размеры и форма частиц также оказывают влияние на процесс расслоения).

При обогащении мелкого материала на решето укладывают искусственную постель из материала (например, при обогащении угля используется постель из пегматита), плотность которого больше плотности легкого минерала, но меньше плотности тяжелого. крупность постели в 5-6 раз больше крупности максимального куска исходной руды и в несколько раз крупнее отверстий в решете отсадочной машины. Более плотные частицы проходят сквозь постель и решето и разгружаются через специальную насадку на дне камеры отсадочной машины.

При обогащении крупного материала постель на решето специально не укладывают, она образуется сама из обогащаемого материала и называется естественной (обогащаемый материал крупнее, чем отверстия решета). Плотные частицы проходят сквозь постель двигаются над решетом и разгружаются через специальную разгрузочную щель в решете и, далее, элеватором из камеры машины.

И, наконец, при обогащении широко классифицированного материала (есть и мелкие и крупные частицы), мелкие плотные частицы разгружаются через решето, крупные плотные – через разгрузочную щель (рис 2.1).

В настоящее время известно около 100 конструкций отсадочных машин. Машины можно классифицировать следующим образом: по типу среды разделения - гидравлические и пневматические; по способу создания пульсаций – поршневые с подвижным решетом, диафрагмовые, беспоршневые или воздушно-пульсационные (рис. 2.2). Также машины могут быть для обогащения мелких классов, крупных классов, ширококлассифицированного материала. Наиболее распространена гидравлическая отсадка. А среди машин чаще всего применяются беспоршневые.

Поршневые отсадочные машины могут применяться для отсадки материала крупностью – 30 + 0 мм. Колебания воды создаются движением поршня, ход которого регулируется эксцентриковым механизмом. Поршневые отсадочные машины в настоящее время не выпускаются и фактически полностью заменены другими типами машин.

Диафрагмовые отсадочные машины применяют для отсадки железных, марганцевых руд и руд редких и благородных металлов крупностью Диафрагмовые отсадочные машины применяются для обогащения руд крупностью от 30 до 0,5 (0,1) мм. Они изготавливаются с различным расположением диафрагмы.

Диафрагмовые машины с горизонтальной диафрагмой обычно имеют две или три камеры. Колебания воды в камерах создаются движениями вверх и вниз конических днищ, обеспечиваемыми одним или несколькими (в зависимости от типа машины) эксцентрическими приводными механизмами. Ход конического днища регулируется поворотом эксцентриковой втулки относительно вала и затяжкой гаек, а частота его качаний – сменой шкива на валу электродвигателя. Корпус машины у каждой камеры соединен с коническим днищем резиновыми манжетами (диафрагмами).

Диафрагмовые отсадочные машины с вертикальной диафрагмой имеют две или четыре камеры с пирамидальными днищами, разделенными вертикальными перегородкой, в стенку которой вмонтирована гибко связанная с ней металлическая диафрагма, совершающая возвратно-поступательные движения.

Отсадочные машины с подвижным решетом в отечественной практике применяются для обогащения марганцевых руд крупностью от 3 до 40 мм. Машины серийно не изготавливаются. Приводной кривошипно-шатунный механизм решета расположен над корпусом машины. Решето совершает дугообразные движения, при котором материал разрыхляется и продвигается вдоль решета. Машины имеют двух- , трех- и четырехсекционные решета площадью 2,9-4 м². Тяжелые продукты разгружаются через боковую или центральную щель. В зарубежной практике применяют отсадочные машины с подвижным решетом, позволяющие обогащать материал крупностью до 400 мм. Например, машина фирмы «Хумбольт – Ведаг» позволяет обогащать материал крупностью –400+30 мм. Отличительной особенностью этой машины является то, что один конец решета закреплен на оси и следовательно не движется в вертикальном направлении. Разгрузка продуктов разделения осуществляется при помощи элеваторного колеса. Машина отличается высокой экономичностью в работе.

Воздушно-пульсационные (беспоршневые) отсадочные машины (рис. 3.3) отличаются от других использованием сжатого воздуха для создания колебаний воды в отсадочном отделении. Машины имеют воздушное и отсадочное отделение и снабжены универсальным приводом, обеспечивающим симметричный и асимметричный циклы отсадки и возможность регулирования подачи воздуха в камеры. Основное преимущество беспоршневых машин заключается в возможности регулирования цикла отсадки и достижении высокой точности разделения при повышенной высоте постели. Эти машины применяются в основном для обогащения углей, реже руд черных металлов. Машины могут иметь боковые воздушные камеры (рис.2.3), подрешетные воздушные камеры, патрубочные подрешетные воздушные камеры.

При боковом расположении воздушных камер равномерность пульсаций воды в отсадочном отделении сохраняется при ширине камер не более 2 м. Для обеспечения равномерного распределения поля скоростей пульсирующего потока по площади отсадочного решета в современных конструкциях отсадочных машин применяют гидравлические обтекатели на конце перегородки между воздушным и отсадочным отделением.

Сжатый воздух поступает в воздушное отделение периодически через пульсаторы различных типов (роторные, клапанные и др.), устанавливаемые по одному на каждую камеру; также периодически воздух выпускается из воздушного отделения в атмосферу. При впуске воздуха уровень воды в воздушном отделении понижается, а в отсадочном отделении, естественно, повышается (т.к. это «сообщающиеся сосуды»); при выпуске воздуха происходят обратные явления. Благодаря этому совершаются колебательные движения в отсадочном отделении.

Обогащение полезных ископаемых в тяжелых средах основано на разделении минеральной смеси по плотности. Процесс происходит в соответствии с законом Архимеда в средах с плотностью, промежуточной между плотностью удельно-легкого и удельно-тяжелого минерала. Удельно-легкие минералы всплывают, а удельно-тяжелые погружаются на дно аппарата. Обогащение в тяжелых средах широко применяют в качестве основного процесса для углей трудной и средней категорий обогатимости, а также сланцев, хромитовых, марганцевых, сульфидных руд цветных металлов и др. Эффективность разделения в тяжелых средах выше эффективности обогащения на отсадочных машинах (это самый эффективный гравитационный процесс).

В качестве тяжелых сред применяют тяжелые жидкости и тяжелые суспензии. Между ними есть одно принципиальное различие. Тяжелая жидкость однородна (однофазна), тяжелая суспензия неоднородна (состоит из воды и взвешенных в ней частиц - утяжелителя). Поэтому обогащение в тяжелой жидкости в принципе приемлемо для частиц любой крупности.

Тяжелую суспензию можно считать псевдожидкостью с определенной плотностью лишь для достаточно больших (по сравнению с размерами частиц утяжелителя) частиц. Кроме того, вследствие общего движения частиц утяжелителя в определенном направлении под воздействием силового поля, в котором производится обогащение (гравитационного или центробежного), для получения однородной по плотности суспензии в аппаратах приходится производить ее перемешивание. Последнее неизбежно оказывает влияние и на частицы, подвергаемые обогащению. Поэтому нижний предел крупности частиц, обогащаемых в тяжелой суспензии, ограничен и составляет: при гравитационных процессах - для руд 2-4 мм, для углей - 4-6 мм; при центробежных процессах для руд - 0,25-0,5 мм, для углей 0,5-1 мм.

В качестве промышленной тяжелой среды используют тяжелые суспензии, т.е. взвесь мелких удельно-тяжелых частиц (утяжелителя) в среде, которой обычно является вода. (Тяжелые жидкости в промышленности не применяют из-за их высокой стоимости и токсичности) Гидравлические суспензии называют просто суспензиями. Наиболее часто используемыми утяжелителями являются магнетит, ферросилиций и галенит. Крупность частиц утяжелителя обычно0,15мм. Плотность суспензии определяется выражением:

_c= С(_у– 1) + 1, г/см³,

где: С – концентрация утяжелителя, д. ед., _у – плотность утяжелителя, г/см³. Таким образом, меняя концентрацию утяжелителя можно приготовить суспензию требуемой плотности.

Обогащение в тяжелых суспензиях средне и крупнокускового материала производят в гравитационных сепараторах (в сепараторах со статическими условиями разделения). Обогащение мелкозернистого материала осуществляют в центробежных сепараторах (сепараторах с динамическими условиями разделения) – гидроциклонах. Остальные виды тяжелосредных сепараторов (аэросуспензионные, вибрационные) используются редко.

Тяжелосредные гравитационные сепараторы можно разделить на три основных типа  колесные, конусные и барабанные. Колесные сепараторы (рис.2.4) применяют для обогащения материала крупностью 400-6 мм, в отечественной практике в основном для угля и сланца. Чаще всего используют СКВ – сепаратор колесный с вертикальным элеваторным колесом.

В конусных суспензионных сепараторах (рис. 2.5) тяжелая фракция, как правило, разгружается внутренним или наружным аэролифтом. Эти сепараторы применяются для обогащения рудного материала крупностью –80(100)+6(2) мм

Конусные сепараторы с наружным аэролифтом (рис. 2.5) состоят из верхней цилиндрической и нижней конической частей. Нижняя коническая часть заканчивается переходным коленом, соединяющим конус с аэролифтом, поднимающим осевшие частицы. В трубу аэролифта через –форсунки подается сжатый воздух при давлении порядка 3-4·10⁵ Па. Диаметр трубы аэролифта принимается равным не менее, чем трем размерам наибольшего куска руды. Всплывший продукт вместе с суспензией сливается в желоб, а тяжелый – подается аэролифтом в разгрузочную камеру.

Барабанный сепаратор (рис. 2.6) используется для обогащения рудного материала крупностью 150+3(5) мм, при высокой плотности обогащаемого материала.

Тяжелосредные обогатительные гидроциклоны конструктивно похожи на классифицирующие. Через питающий патрубок тангенциально подается обогащаемый материал вместе с тяжелой суспензией. Под действием центробежной силы (во много раз превышающей силу тяжести) происходит расслоение материала: плотные частицы перемещаются ближе к стенкам аппарата и «внешним вихрем» транспортируются к разгрузочной (песковой) насадке, легкие частицы перемещаются ближе к оси аппарата и «внутренним вихрем» транспортируются к сливной насадке.

Технологические схемы обогащения в тяжелых суспензиях практически одинаковы для большинства работающих установок. Процесс состоит из следующих операций: подготовка тяжелой суспензии, подготовка руды к разделению, разделение руды в суспензии на фракции различной плотности, дренаж рабочей суспензии и отмывка продуктов разделения, регенерация утяжелителя.

Обогащение в потоках, текущих по наклонным поверхностям, производится на концентрационных столах, шлюзах, в желобах и винтовых сепараторах. Движение пульпы в этих аппаратах происходит по наклонной поверхности под действием силы тяжести при малой (по сравнению с шириной и длиной) толщине потока. Обычно она превышает размер максимального зерна в 2-6 раз.

Концентрация (обогащение) на столах – это процесс разделения по плотности в тонком слое воды, текущей по слабонаклонной плоскости (деке), совершающей асимметричные возвратно-поступательные движения в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению движения воды. Концентрацию на столе применяют при обогащении мелких классов – 3+0,01 мм для руд и –6(12)+0,5 мм для углей. Данный процесс используется при обогащении руд олова, вольфрама, редких, благородных и черных металлов и др.; для обогащения мелких классов углей, в основном для их обессеривания. Концентрационный стол (рис. 2.7) состоит из деки (плоскости) с узкими рейками (рифлями); опорного устройства; приводного механизма. Угол наклона деки  = 410. Для легких частиц преобладающими являются гидродинамическая и подъемная турбулентная силы, поэтому легкие частицы смывает в перпендикулярном к деке направлении. Частицы промежуточной плотности попадают между тяжелыми и легкими частицами.

Шлюз (рис. 2.8) представляет собой наклонный желоб прямоугольного сечения с параллельными бортами, на дно которого укладывают улавливающие покрытия (жесткие трафареты или мягкие коврики), предназначенные для удержания осевших частиц тяжелых минералов. Шлюзы применяют для обогащения золота, платины, касситерита из россыпей и других материалов, обогащаемые компоненты которых значительно различаются по плотности. Шлюзы характеризуются высокой степенью концентрации. Материал на шлюз подают непрерывно до тех пор, пока ячейки трафаретов не заполнятся преимущественно частицами плотных минералов. После этого загрузку материала прекращают и производят сполоск шлюза.

Струйный желоб (рис 2.9) имеет плоское днище и сходящиеся под некоторым углом борта. Пульпа загружается на широкий верхний конец желоба. У конца желоба в нижних слоях располагаются частицы большей плотности, а в верхних слоях  меньшей. В конце желоба материал специальными рассекателями разделяется на концентрат, промпродукт и хвосты. Суживающиеся желоба применяют при обогащении россыпных руд. Аппараты типа суживающихся желобов делят на две группы: 1) аппараты, состоящие из набора отдельных желобов в различных компоновочных вариантах; 2) конусные сепараторы, состоящие из одного или нескольких конусов, каждый из которых представляет собой как бы набор радиально установленных суживающихся желобов с общим днищем.

У винтовых сепараторов неподвижный наклонный гладкий желоб выполнен в виде спирали с вертикальной осью (рис.2.10), их используют для разделения материала крупностью от 0,1 до 3 мм. При движении в закрученном потоке помимо обычных гравитационных и гидродинамических сил, действующих на зерна, развиваются центробежные силы. Тяжелые минералы концентрируются у внутреннего борта желоба, а легкие – у внешнего. Затем продукты разделения разгружают из сепаратора при помощи рассекателей, стоящих в конце желоба.

В центробежных концентраторах центробежная сила, действующая на тело, во много раз больше, чем сила тяжести и материал разделяется под действием центробежной силы (сила тяжести оказывает лишь небольшое влияние). В тех же случаях, если центробежная сила и сила тяжести соизмеримы и сепарация происходит под действием обеих сил, обогащение принято называть центробежно-гравитационным (винтовые сепараторы).

Создание центробежного поля в центробежных концентраторах принципиально может осуществляться двумя путями: тангенциальной подачей потока под давлением в закрытый и неподвижный цилиндрический сосуд; закручиванием свободно подаваемого потока в открытом вращающемся сосуде и, соответственно, центробежные концентраторы принципиально могут быть разделены на два типа: напорные циклонные аппараты; безнапорные аппараты-центрифуги.

По принципу работы центробежные концентраторы циклонного типа имеют много общего с гидроциклонами, но отличаются значительно большим углом конусности (до 140). Благодаря этому в аппарате образуется «постель» из обогащаемого материала, играющая роль аналогичную тяжелой суспензии в тяжелосредных обогатительных циклонах. И разделение происходит аналогично. По сравнению с тяжелосредными гидроциклонами эти значительно экономичнее в работе, но дают худшие технологические показатели.

Работа концентраторов второго типа напоминает работу обычной центрифуги. Центробежные концентраторы этого типа используют для обогащения грубозернистых песков, при разведке золотосодержащих россыпных месторождений, при извлечении мелкого свободного золота из различных продуктов. Аппарат представляет собой полусферическую чашу, футерованную рифленой резиновой вставкой. Чаша укреплена на специальной площадке (платформе), получающей вращение от электродвигателя через клиноременную передачу. Пульпу обогащаемо материала загружают в аппарат, легкие частицы вместе с водой сливаются через борта, тяжелые застревают в нарифлениях. Для разгрузки концентрата, уловленного рифленой резиновой поверхностью, чашу останавливают и производят сполоск (есть и конструкции позволяющие вести непрерывную разгрузку). При работе на грубых золотосодержащих песках концентратор обеспечивает очень высокую степень сокращения – до 1000 раз и более при высоком (до 96-98%) извлечении золота.

Противоточная водная сепарацияприменяется в отечественной практике для переработки энергетических и разубоженных углей. Аппаратами для обогащения данным методом являются шнековые и крутонаклонные сепараторы. Шнековые горизонтальные и вертикальные применяются для обогащения углей крупностью 6 – 25 мм и 13 – 100 мм, а также для обогащения отсевов и крупнозернистых шламов. Крутонаклонные сепараторы применяются для обогащения разубоженных углей крупностью до 150 мм. Преимуществом противоточных сепараторов является простота технологический схемы. Во всех противоточных сепараторах материал делится на два продукта: концентрат и отходы. Сформированные в процессе сепарации встречные транспортные потоки продуктов разделения движутся в пределах рабочей зоны с заданным гидравлическим сопротивлением их относительному перемещению, при этом поток легких фракций является попутным потоку разделительной среды, а поток тяжелых фракций встречным. Рабочие зоны сепараторов представляют собой закрытые каналы, оснащенные системой однотипных элементов, обтекаемых потоком и обуславливающих образование определенным образом организованной системы вторичных течений и вихрей. Как правило, в таких системах исходный материал разделяется по плотности, значительно превосходящей плотность разделительной среды.

Необходимым условием подготовки песков россыпных месторождений и руд осадочного происхождения к обогащению является освобождение их от глины. Частицы минералов в этих рудах и песках не связаны взаимным прорастанием, но сцементированы в плотную массу мягким и вязким глинистым веществом.

Процесс дезинтеграции (разрыхление, диспергирование) глинистого материала, цементирующего зерна песков или руды, с одновременным отделением его от рудных частиц с помощью воды и соответствующих механизмов называют промывкой. Дезинтеграция обычно происходит в воде. При этом глина в воде разбухает, и это облегчает ее разрушение. В результате промывки получают отмытый материал (руда или пески) и шламы, содержащие диспергированные в воде тонкозернистые глинистые частицы. Промывка широко применяется при обогащении руд черных металлов (железных, марганцевых), песков россыпных месторождений редких и благородных металлов, строительного сырья, каолинового сырья, фосфоритов и других полезных ископаемых. Промывка может иметь самостоятельное значение, если в результате ее получают товарную продукцию. Чаще она применяется как подготовительная операция для подготовки материала к последующему обогащению. Для промывки применяют: грохота, бутары, скруббера, скруббер-бутары, корытные мойки, вибромойки и другие аппараты.

Пневматические процессы обогащения основаны на принципе разделения полезных ископаемых по крупности (пневматическая классификация) и плотности (пневматическая концентрация) в восходящей или пульсирующей струе воздуха. Он применяется при обогащении углей, асбеста и других полезных ископаемых, обладающих незначительной плотностью; при классификации фосфоритов, железных руд, сурика и других полезных ископаемых в циклах дробления и сухого измельчения, а также при обеспыливании воздушных потоков в цехах обогатительных фабрик. Применение пневматического метода обогащения целесообразно в суровых климатических условиях северных и восточных районов Сибири или в районах, где ощущается недостаток воды, а также для переработки полезных ископаемых, содержащих легкоразмокаемую породу, образующую большое количество шламов, нарушающих четкость разделения. Преимущества пневматических процессов в их экономичности, простоте и удобстве утилизации хвостов обогащения, главный недостаток – в сравнительно низкой эффективности разделения из-за чего эти процессы используются весьма редко.