Гравитационное обогащение
Современные изменения в области гравитационного обогащения относятся главным образом к созданию высокопроизводительного, высокоэффективного, но недорогого оборудования; современные гравитационные фабрики просты и недороги по сравнению с более ранними.
Относительная дешевизна гравитационного обогащения крупных частиц обусловливает его преимущество при определении способа отсортировки относительно крупных безрудных отходов даже на больших флотационных фабриках.
Сколько руды измельчают до флотационной крупности, не задумываясь о действительной степени раскрытия ценных минералов? Сколько материальных и трудовых ресурсов можно сэкономить, не придерживаясь принципа измельчать каждую тонну руды до крупности, требуемой для флотации?
Сколько раз имелась альтернатива, в то время как применялись дорогостоящие процессы, хотя гравитационное обогащение было не только дешевле, но и обеспечивало лучшие характеристики получаемых продуктов?
Например, в работе показано, что гравитационное обогащение золота перед цианированием, используемым только в качестве контрольной операции, обеспечивает значительное повышение извлечения очень тонкого золота.
С точки зрения экономики и затрат как труда, так и материалов не имеет смысла игнорировать любой путь, который может существенно уменьшить и то, и другое. Так, где может быть использовано гравитационное обогащение? Очевидно, в настоящее время в угольной и железорудной отраслях промышленности гравитационное разделение считают основным методом обогащения. А в других областях?
Гравитационное обогащение предпочтительно использовать для богатых руд, раскрытие минералов которых происходит при крупных размерах частиц, россыпных месторождений, а также для предварительного обогащения и переработки руд в отдаленных районах или там, где требуются минимальные затраты. Наиболее трудно перерабатывать жильные руды. В стадии сокращения крупности всегда получается определенная доля шламов, труднее всего извлекаемых гравитационными методами. Эффективность обогащения наиболее тяжелых минералов россыпных месторождений высока, так как обычно в них порода полностью раскрывается с малым образованием шламов, а крупная фракция безрудна (пустая).
Гравитационное обогащение — практически универсальный способ переработки бедных руд россыпных месторождений, как в Северной Америке, так и в СНГ. И хотя применяемая технология может выглядеть архаичной, она проста, недорога, потребляет мало энергии и остается наиболее экономичной.
Главная проблема гравитационного обогащения— извлечение шламов— заключена в самом процессе. Разделение по плотности обычно происходит при пропускании друг за другом через процесс отдельных частиц. Это требует большой площади концентрации.
Даже наиболее сложные гравитационные аппараты для переработки шламов ограничивают нижний предел крупности практически 10 мкм.
Однако в настоящее время гравитационное обогащение используется для переработки не одного-двух, а целого ряда минералов— от андалузита до циркона, от угля до алмазов, от минеральных песков до оксидов металлов и от’ промышленных минералов до редких металлов.
Несмотря на то, что гравитационные методы издавна широко используются во всем мире для обогащения многих минералов, не существует точной науки, которая могла бы дать модель и математическое описание процесса. Очевидно, что очень разнородное оборудование используется из-за недостаточного понимания процессов гравитационного обогащения. В течение, длительного времени различные исследователи изучают механизм действия этого оборудования; однако единой теории обогащения не существует, и она не может быть создана.
Общие принципы разделения частиц при гравитационном обогащении
Гравитационными процессами обогащения называются процессы, в которых разделение минеральных частиц, отличающихся плотностью, размером или формой, обусловлено различием в характере и скорости их движения в среде под действием силы тяжести и сил сопротивления.
К гравитационным процессам относятся отсадка, концентрация на столах, обогащение на шлюзах, желобах, винтовых сепараторах, обогащение в тяжелых жидкостях и суспензиях, гравитационная классификация, сгущение пульпы и частично промывка руд.
В качестве среды, в которой осуществляется гравитационное обогащение, используют воду, воздух, тяжелые суспензии и жидкости.
Разделение частиц при гравитационном обогащении обычно происходит в движущейся среде с достаточно большим содержанием твердого. В этих условиях на частицы кроме силы тяжести действуют силы:
гидродинамические (подъемная сила и сила сопротивления при обтекании частиц жидкостью);
возникающие при столкновении частиц и их трении;
трения частиц о дно или стенки машины, в которой осуществляется обогащение.
Определяющей силой является гравитационная, хотя ее действие нельзя рассматривать изолированно от других указанных сил. Гравитационная сила определяется массой тела и ускорением свободного падения сообщение частицам знакопеременных симметричных ускорений (например, с помощью вибраций) со средним значением больше неизбежно уменьшает влияние гравитационной силы, увеличивая перемешивание частиц, что в конечном счете должно приводить к ухудшению процесса разделения. Поэтому в применяемых на практике гравитационных машинах и аппаратах (за исключением промывочных машин), ускорение, сообщаемое внешними силами частицам, как правило, не превосходит ускорения силы тяжести.
В гравитационной машине (аппарате) частицы руды транспортируются вдоль нее водой, воздухом или с помощью вибраций поверхности, на которой производится обогащение, одновременно перемещаясь и вертикальном или близком к нему направлении под действием силы тяжести. Распределение частиц по высоте потока, определяющее их разделение, происходит в соответствии с их крупностью, плотностью и формой в результате совместного действия указанных сил. При одинаковой крупности и форме частиц, разделение происходит тем успешнее, чем больше разница в плотностях разделяемых минералов. Можно выделить два вида разделения частиц — гидравлическое и сегрегационное.
Гидравлическим называется разделение частиц, при котором силы взаимодействия между частицами малы по сравнению с гидродина-мическими силами. Гидравлическое разделение происходит по законам свободного и стесненного падения частиц. При разделении более крупные частицы, имеющие большую скорость свободного падения, располагаются, как правило, ниже гидравлически менее крупных; в стесненных условиях при большой объемной концентрации частиц гидравлически мелкие частицы могут располагаться ниже крупных.
Сегрегационным (сегрегацией) называется разделение частиц в условиях их соприкосновения, при которых силы взаимодействия между частицами преобладают я ад гидродинамическими. Сегрегация может происходить под влиянием возмущающих сил переменного направления, возникающих при колебаниях среды, в которой производится обогащение (отсадочные машины), или при колебаниях рабочей поверхности аппарата (концентрационные столы, вибрационные шлюзы). Экспериментально установлено, что при сегрегации частиц одинаковой плотности мелкие частицы располагаются ниже крупных; при сегрегации частиц различной плотности в нижнем слое располагаются мелкие тяжелые частицы, над ними слой крупных тяжелых частиц с мелкими легкими, в верхнем слое — крупные легкие частицы. Скорость расслаивания при сегрегации увеличивается с повышением крупности и разности в плотностях разделяемых частиц, интенсивности вибраций и уменьшением толщины слоя. Она зависит также от формы частиц. Наблюдаемое при сегрегации всплывание крупных тел в колеблющейся среде, составленной из мелких частиц, объясняется тем, что сила сопротивления при движении крупных частиц вверх меньше, чем при движении их вниз. Сегрегация происходит также и без вибраций в потоках пульпы с большим содержанием твердого, текущих по наклонным поверхностям, при скольжении друг по другу слоев частиц, расположенных на различном расстоянии от твердой поверхности и перемещающихся с различной скоростью. При этом возникают дополнительные силы, зависящие от градиента скорости, обусловливающие преимущественное движение вверх крупных частиц.
Сегрегация имеет значение для тех гравитационных процессов, при которых объемное содержание твердого в пульпе достаточно велико (40—50 %). К таким процессам относятся, например, отсадка, концентрация на столах в суживающихся желобах. для промывки и обогащения в тяжелых суспензиях (за исключением обогащения на виброжелобах) сегрегация не имеет существенного значения. При гравитационном обогащении часто в одной машине сочетаются оба процесса гидравлическое разделение и сегрегация.
Гравитационные процессы являются массовыми, в них одновременно участвует большое количество частиц, физические свойства которых (плотность, размер, форма) изменяются, как правило, не скачкообразно, а непрерывно в определенных интервалах. Массовость наличие «неупорядоченного» перемешивания, вызванного турбулентными пульсациями среды и соударениями частиц, позволяют характеризовать гравитационные процессы как «квазидиффузию частиц», происходящую в полях силы тяжести и гидродинамических. При этом кроме закономерного перемещения частиц, приводящего к их разделению, наблюдается случайное перемещение, нарушающее разделение и существенно замедляющее процесс. Как показывают исследования, случайные перемещения при гравитационных процессах подчиняются статистическим закономерностям.
В гравитационных аппаратах и машинах разделение частиц происходит в разрыхленных слоях, в которых твердые частицы находятся во взвешенном состоянии, обусловливаемом воздействием на них жидкости, газа или вибрирующих твердых стенок. Толщина взвешенных слоев колеблется в широких пределах — от нескольких метров до миллиметров (концентрационные столы, шлюзы).
Энергетическая теория разделения частиц. При разделении в любой гравитационной машине взвесь минеральных частиц в жидкости приближенно можно рассматривать как механическую систему тел, находящуюся в поле силы тяжести в неустойчивом равновесии.
Взвесь стремится занять положение устойчивого равновесия, достигаемое, согласно принципу дирихле, при условии минимальности ее потенциальной энергии. Этому условию отвечает разделение взвеси на слои, в нижних из которых сосредоточиваются преимущественно частицы большей плотности, а в верхних меньшей. Как правило, разделение взвесей в гравитационных процессах обогащения происходит с уменьшением потенциальной энергии системы. Однако в условиях сегрегации возможны случаи (обычно при ускорениях больших), когда «всплывание» крупных частиц в слое мелких происходит при увеличении потенциальной энергии системы.
Промывка
Промывкой называется процесс дезинтеграции (разрыхления, диспергирования) глинистого материала, содержащегося в руде, с одновременным отделением его от рудных частиц в виде глинистой суспензии (шлама) под действием воды и соответствующих устройств. Глинистые примеси могут находиться в горной массе в виде примазок и пленок на рудных частицах, конгломератов с кусками руды и отдельных комьев. В руде, поступающей на переработку, возможно присутствие глинистых примесей во всех трех состояниях.
Промывка может быть самостоятельным процессом, в результате которого выделяется концентрат, или подготовительным процессом, после которого мытая руда направляется на дальнейшее обогащение. Процесс промывки широко применяется при обогащении железных и марганцевых руд, россыпей цветных, редких и благородных металлов, нерудных строительных материалов (щебень, гравий и песок), кварцевых песков, флюсовых известняков и других материалов.
При выборе схемы и оборудования для промывки применительно к конкретным условиям необходимо оценить промывистость материала. Под промывистостью руды понимается способность материала очищаться от глинистых примесей в процессе промывки. Промывистость материала определяется физико-механическими свойствами глинистых примесей (гранулометрический состав, пластичность, пластическая прочность, и минералопетрографическая характеристика) и промываемой руды (гранулометрический состав, содержание глинистых примесей и др.). Известно несколько способов оценки промывистости:
а) косвенный по физико-механическим свойствам глинистых примесей, характеризующим их пластическое состояние (число пластичности, пластическая прочность, определяемая по глубине погружения в образец конуса пластометра Бойченко), и содержанию частиц менее 0,005 мм;
б) по удельному расходу электроэнергии затрачиваемой на промывку;
в) по времени, необходимому для полного удаления глинистых примесей;
г) по характерному времени и максимальной скорости промывки, определяемым экспериментально.
Числом пластичности называется разность между влажностью глины (содержанием воды) при верхнем пределе текучести (когда влажная глина растекается, по плоскости) и нижнем пределе текучести (когда глина при давлении рассылается)
Физико-механические свойства глинистых включений не всегда точно характеризуют промывистость материала. Однако они позволяют произвести предварительную оценку промывистости, не выполняя экспериментов по промывке.
Способы «б», «в», «г» позволяют точнее оценить промывистость материала, но требуют проведения экспериментов по промывке.
Параметры промывки (способ «г») введены на основании изучения кинетики промывки в периодически действующей промывочной машине, в соответствии с которой интенсивность (скорость) извлечения глинистых примесей в слив 1 имеет максимум 10, достигаемый в момент времени, названный характерным временем промывки.
Способ подготовки руды перед промывкой. Предварительное замачивание горной массы перед ее промывкой для снижения прочности глины улучшает показатели процесса (снижается время промывки не менее чем на 25 %, повышается извлечение глинистых примесей в слив). Например, при промывке марганцевых руд Никопольского месторождения без предварительного замачивания выход немытой глины составлял 6,6%, а после предварительного замачивания в течение 2—4 ч снизился до 1,5—0,6%.
Предварительная подсушка руды вызывает снижение прочности глины вследствие уменьшения ее объема и возникновения внутренних скалывающих напряжений и способствует сокращению времени диспергирования глины при погружении ее в воду. При подсушке руд Никопольского месторождения в течение 5 сут. влажность кусков глины понижалась с 17,8 до 14,8%. После промывки такого материала количество не размытой глины сократилось в 2 раза.
Предварительная сортировка руды на узкие классы также позволяет существенно улучшить показатели промывки в результате оптимизации гранулометрического состава промываемого материала и содержания в нем глинистых примесей.
При малом содержании крупных зерен, несмотря на развитость поверхности кусков руды, сила трения недостаточна для полного диспергирования глины, и наоборот, при большом содержании крупных зерен промывка ухудшается из-за плохого контакта их с глиной. Промывка ухудшается при увеличении крупности кусков глины иих содержания в руде.
Расход воды. С увеличением расхода воды до определенного предела улучшается качество промывки. Оптимальный удельный расход воды определяется экспериментально. Например, при промывке марганцевых руд Никопольского месторождения в бичевых машинах он составляет З м3/т.
Температура воды. При подогреве воды с 10 до 40 °С скорость размыва глины увеличивается приблизительно вдвое.
Солевой состав воды. добавка реагентов (кальцинированной соды, жидкого стекла и др.) повышает эффективность и снижает время размыва глины.