9. 4. Развитие обогащения в конце XIX–начале XX вв.

В 1906 г. начал внедряться в промышленность сконструированный Грондалем (Швеция) барабанный сепаратор для мокрой сепарации сильномагнитных руд. В 1920 г. Роч изобрел ленточный сепаратор для мокрой сепарации частично окисленных сильномагнитных руд. До 1920 г. для выделения хвостов из крупнокусковой магнетитовой руды применялись барабанные сепараторы. С 1920 г. при сепарации крупнокусковой руды стали применять шкивные сепараторы фирмы «Динге». В начале XX в. (1905–1906 гг.) Ульрих сконструировал кольцевой сепаратор, пригодный для сухой и мокрой сепарации. В 1920-х гг. начал внедряться в практику предложенный Джонсоном индукционно-роликовый сепаратор. В России первый магнитный сепаратор барабанного типа был сконструирован В. А. Петровым в 1911 г. на Урале и установлен на одном из металлургических заводов для сухой сепарации магнетитовой руды. В СССР производство электромагнитных сепараторов началось в 1932–1934 гг. Первые сепараторы барабанного типа изготавливались по чертежам, разработанным в институте «Механобр».

В 1870 г. была предложена первая машина для электростатического обогащения, вернее – очистки хлопка, работа которой была основана на различии в скорости перезарядки волокон и семян. Однако широкое применение электростатической сепарации в промышленности стало возможно только после создания надежных источников высокого напряжения, высоковольтного оборудования – генераторов, трансформаторов, выпрямителей тока и т. д., а также изоляторов. Первый сепаратор для разделения электропроводящих частиц и частиц-изоляторов (диэлектриков) был предложен в 1901 г. Л. Блеком и Д. Моршером. А с 1905 г. начали изготавливать электросепаратор, усовершенствованный Г. Гуффом, пригодный для обогащения руд, неметаллических ископаемых, а также очистки зерна и семян. Сепаратор Гуффа представляет собой вращающийся барабан, играющий роль электрода с отрицательным зарядом. Вблизи барабана, параллельно его оси, установлен остроконечный электрод, заряженный положительно. Между электродами образуется электрическое поле. Сухая руда высыпается из бункера на поверхность вращающегося барабана. Коснувшись поверхности барабана, минералы будут вести себя по-разному. Зерна электропроводящего минерала, получив одноименный заряд от барабана, мгновенно отскочат от поверхности барабана в сторону положительного электрода, но не долетят до него, а под действием силы тяжести упадут в специальный приемник.

В 1936 г. Г. Джонсон обнаружил, что ряд минералов не реагирует на изменение полярности барабанного электрода. К ним относятся графит, молибденит, свинцовый блеск, халькопирит, пирит, каменная соль, вольфрамит, антрацит и др. Некоторые минералы всегда отклоняются в сторону только одного электрода: положительного (кварц, цинковая обманка, боксит), либо отрицательного (сера, кальцит, слюда, апатит). Причину этого явления впоследствии объяснили советские ученые H. Ф. Олофинский и др. Она заключалась в трении минералов о поверхность лотка и один о другой. Минералы, малозаряжающиеся при трении, не изменяют своего поведения при перемене знака заряда барабана. Минералы, приобретающие за счет трения определенный заряд, отклоняются в электрическом поле в соответствующую сторону. При этом выяснилось, что большое значение имеет материал, из которого сделан лоток. Этот эффект был назван трибоадгезионным.

К концу XIX–началу XX вв. почти полностью истощились запасы богатых руд цветных металлов, а также крупновкрапленных руд. В эксплуатацию неизбежно стали вовлекаться все в больших количествах бедные руды, отличающиеся тонкой вкрапленностью. Масляная флотация была не пригодна для обогащения таких руд.

В 1901 г. на фабрике Дельпра (США) Поттер разработал новый способ флотации, с использованием которого было получено более 6 т цинкового концентрата, содержащего до 42 % цинка, из отвальной руды с содержанием цинка 20 %. Руду из отвалов, содержащую цинк в виде его сульфида – цинковой обманки загружали в горячий раствор серной кислоты или бисульфата натрия. При этом выделяющийся газ выносил на поверхность частички цинковой обманки. Примерно в это же время (1902 г.) Фолман в Италии запатентовал процесс, представляющий собой приложение процесса Басселей к сульфидным минералам. В 1892 г. после патента Нибелиуса был зарегистрирован ряд патентов на способы флотации ценных минералов, собирающихся в виде тонкой пленки на поверхности воды. В чан аппарата на поверхность воды равномерным тонким слоем подавали измельченную до 0,2–0,3 мм руду, предварительно обработанную маслом. Расход масла составлял около 200г на 1 т руды. Плавающие зерна с поверхности воды снимали конвейерные ленты и перевозили в маленький чан, в котором собирался концентрат. Хвосты флотации – потонувшие в большом чане минералы выгружались внизу. Этим методом в самом начале XX в. в США было получено свыше 300 тыс. т цинкового концентрата. В 1904 г. в России в Мариуполе была пущена одна из первых в мире флотационных фабрик, работающих по принципу масляной флотации. Фабрика перерабатывала графитовую руду Старо-Крымского месторождения. Однако пленочную флотацию вытеснила пенная флотация – как более эффективная.

В 1905 г. компании «Минерал Сепарейшен» был выдан так называемый базисный патент, который считают началом современного пенно-флотационного процесса. Базисный патент собрал все наиболее существенное из того, что было известно в масляной флотации. Главное же в развитии масляной флотации – стремление к резкому снижению расхода масел, поэтому в базисном патенте указывалось, что в способе предусматриваются небольшие расходы реагентов: 0,02–0,5 % олеиновой кислоты или менее 1 % масла. Дальнейшее развитие процесса флотации связано с разработкой методов насыщения пульпы пузырьками воздуха путем его вдувания или засасывания вращающейся мешалкой (1906 г., Сульман, Паккард Балло, Чэпман). Иногда аэрация пульпы достигалась путем образования каскада в результате перелива пульпы или продувкой воздуха через ткань.

Важным центром исследований в области обогащения в 1910 г. становится Брокен-Хилл (Австралия). При обогащении по плотности, которое применялось во всем мире до 1913 г., нельзя было отделить свинцовый блеск от цинковой обманки, и поэтому в отвалах накапливалось значительное количество свинца. В то время флотацией уже можно было получить удовлетворительное извлечение цинковой обманки, но вместе с ней извлекалась большая часть свинца, что затрудняло металлургическую плавку. Впервые процесс селективной флотации ввел в 1912 г. Листер, который обнаружил, что флотация галенита в щелочном растворе происходит значительно интенсивнее флотации цинковой обманки. В 1912 г. Лоури и Гринуэй применили при флотации депрессор свинцового блеска – бихромат натрия. В 1913 г. Бредфорд сделал важное для флотации открытие, установив активирующее воздействие медного купороса на цинковую обманку, получившее название «активации».

С самого начала промышленного развития процесса флотации изобретались различные типы и конструкции флотационных машин. Основная их задача – максимальное насыщение пульпы воздухом (аэрация) и создание условий для спокойного всплывания пузырьков с минералами. Эти две задачи решались в двух отделениях машины – аэрационном и флотационном. В 1910 г. Т. И. Гувер предложил дополнение к базисному патенту. В патенте Т. И. Гувера упоминалось о газовой флотации, непрерывности процесса и отмечалось основное назначение камеры для перемешивания – диспергировать воздух и перемешивать жидкость.

Машина Гувера (рис. 9.12) – прообраз последующих флотационных машин. Она состояла из двух отделений, разделенных не доходящей до дна перегородкой: агитационного – для аэрации и перемешивания пульпы, а также шпицкастена – для спокойного образования пены, ее отстаивания и удаления. Аэрация во флотационных машинах механического типа создается импеллером (водным пропеллером).

Рисунок 9.12. Флотационная машина Т. И. Гувера (1910 г.):

1 - агитационная камера, разделенная на три части; 2 - выпускная щель для прохода пульпы из агитационной камеры в шпицкастен; 3 - импеллеры; 4 - вал импеллера; 5 - элеватор для подачи пульпы; 6 - реагентные питатели; 7 - шпицкастен; 8 - труба для отвода концентрата; 9 - выпускная труба для хвостов.

Таким образом, процесс флотации, возникший в 1860 г. на основе практических наблюдений, менее чем за полвека распространился практически на все полезные ископаемые и применяется во всех странах мира.