Кіріспе

Коммерциялық құнды минералдарды кендерінен бөлу процесі

Минералдарды өңдеу – бұл экстракциялық металлургия саласында коммерциялық құнды минералдарды олардың кендерінен бөлу процесі. Қолданылатын процестерге байланысты, бұл процеске көбінесе кенді байыту немесе кенді ұнтақтау деп аталады. Байыту – бұл кеннің экономикалық құндылығын арттыру үшін залалсыздану минералдарын жою арқылы жүзеге асырылатын кез келген процесс, нәтижесінде жоғары сапалы өнім (кен концентраты) және қалдықтар (таусылған қалдықтар) пайда болады. Байытудың көптеген түрлері бар, және әр қадам бастапқы кеннің концентрациясын арттыруға бағытталған.

Физикалық бөліну

Ұнтақталғаннан кейін кенді тау жынысынан одан әрі бөліп алуға болады. Мұны іске асырудың бір жолы – кеннің физикалық қасиеттерін пайдаланып, оны қалған тау жынысынан ажырату. Осы процестерге гравитациялық бөлу, флотация және магниттік бөлу жатады. Гравитациялық бөлу кендер мен қойманың нақты салмағын және центробектік күштерді пайдаланады. Магниттік бөлу қажетті кеннен магниттік қойманы ажыратуға немесе керісінше, магниттік емес қоймадан магниттік кенді бөліп алуға қолданылады. Тығыздықтан бөлу (DMS) де физикалық бөлу процесі саналады.

Химиялық бөліну

Кейбір кендердің физикалық қасиеттеріне сүйеніп бөлуге болмайды, сондықтан кенді тау жынысынан бөлу үшін химиялық процестер қолданылады. Көпіршікті флотация, сұйыту және электролиз – химиялық бөлудің ең көп таралған түрлері. Көпіршікті флотация кенді тау жынысынан (гангден) бөлу үшін гидрофобтық және гидрофильдік қасиеттерін пайдаланады. Гидрофобты бөлшектер ерітіндінің бетіне көтеріліп, алынып тасталады. Ерітіндідегі pH деңгейінің өзгеруі, қандай бөлшектердің гидрофильдік қасиетке ие болатынына әсер етеді. Сұйыту, тау жынысынан қажетті кенді ерітіндіге еріту арқылы жұмыс істейді. Электролиз – негізгі бөлу әдісі емес, бірақ сұйытудан кейін кенді ерітіндіден алу үшін қажет.

Бөлшектеп өңдеу

Ұсақтау – материалдардың бөлшек мөлшерін кішіте түсіру процесі. Ұсақтау құрғақ материалдарға немесе суспензияға (шламға) қатысты жүргізілуі мүмкін. Екі негізгі ұсақтау процесі – сығу және ұнтақтау. Сығу әдетте тау-кен орнынан алынған кенге қолданылады, ал ұнтақтау (әдетте сығудан кейін жүргізіледі) құрғақ немесе суспензиядағы материалға қатысты болуы мүмкін. Ұсақтауда бөлшектердің мөлшерін кішіте түсіру үш түрлі күш арқылы жүзеге асырылады: сығу, соққы және үйкеліс. Сығу және соққы күштері сығу операцияларында кеңінен қолданылады, ал үйкеліс ұнтақтауда басым күш болып табылады. Сығу үшін негізгі жабдықтар – жақ сығу машиналары, гираторлық сығу машиналары және конустық сығу машиналары, ал ұнтақтау үшін таяқ ұсақтағыштар мен шар ұсақтағыштар, көбінесе жіктегішпен жабық циклмен, минералды өңдеу зауытында қолданылады. Сығу – құрғақ процесс, ал ұнтақтау көбінесе ылғалды ортада жүргізіледі, сондықтан оған көбірек энергия қажет.

Өлшемін анықтау

Өлшемді анықтау – бөлшектерді олардың мөлшеріне қарай бөлудің жалпы термині. Өлшемді анықтаудың ең қарапайым процесі – скрининг, яғни өлшенетін бөлшектерді экран немесе бірнеше экран арқылы өткізу. Скрининг жабдықтарына гризлилер, тарамдық экрандар, кенелі сым экрандар, радиалды сырғалар, банан тәрізді экрандар, көп қабатты экрандар, дірілдегіш экрандар, ұсақ экрандар, қос жақты экрандар және сым торлар кіреді. Экрандар статикалық болуы мүмкін (әдетте өте ірі материал үшін), немесе экранды шайқау немесе дірілдету механизмдерін қамти алады. Бұл процесте қарастырылатын факторларға экран материалы, тесік өлшемі, пішіні және бағыты, шамамен бірдей мөлшердегі бөлшектердің мөлшері, судың қосылуы, дірілдің амплитудасы мен жиілігі, еңіс бұрышы, болат және ағаш сияқты зиянды материалдардың болуы және бөлшектердің мөлшерлік таралуы жатады. Классификация – әр түрлі мөлшердегі бөлшектердің тұну жылдамдықтарының айырмашылығын пайдаланатын өлшемді анықтау операцияларын білдіреді. Классификация жабдықтарына кен сұрыптау машиналары, газ циклондары, гидроциклондар, айналмалы барабандар, рекелік жіктегіштер немесе ағынды жіктегіштер кіруі мүмкін. Бөлшектеу және өлшемді анықтау операцияларында маңызды фактор – өңделетін материалдың бөлшек мөлшері таралуын анықтау, бұл әдетте бөлшек мөлшері талдауы деп аталады. Бөлшек мөлшерін талдау үшін көптеген техникалар қолданылады, оларға материалдың үлгісін талдау үшін алуды қажет ететін оффлайн талдаулар және процесте ағып жатқан материалды талдауға мүмкіндік беретін онлайн техникалар кіреді.

Концентрациясы

Қажетті минералдардың концентрациясын арттырудың бірнеше тәсілі бар: әрбір нақты жағдайда таңдалған әдіс минералдың және қосымша заттардың (гангтың) салыстырмалы физикалық және беттік химиялық қасиеттеріне байланысты болады. Концентрация – бұл ерітіндінің көлеміндегі еріген заттың моль саны ретінде анықталады. Минералды өңдеуде концентрация дегеніміз – концентраттағы бағалы минералдың пайыздық үлесінің артуы.

Ауырлық концентрациясы

Гравитациялық бөліну – әр түрлі нақты салмағы бар екі немесе одан көп минералдардың, гравитация күшінің және басқа бір немесе бірнеше күштердің (мысалы, центробектік күштер, магниттік күштер, итеру күші) әсеріне жауап ретінде салыстырмалы қозғалысы арқылы бөлінуі, олардың бірі – ауыр орта, су немесе, сирек жағдайларда ауа сияқты тұтқыр ортада қозғалысқа қарсылық көрсету (сүйреу күші). Гравитациялық бөліну – минералды өңдеудегі ең көне техникалардың бірі, бірақ флотация, классификация, магниттік бөліну және кездесу сияқты әдістер енгізілгеннен кейін оның қолданылуы азайды. Гравитациялық бөлінудің тарихы кем дегенде б.з.д. 3000 жылға дейін жетеді, осы кезде египеттіктер алтынды бөлу үшін осы техниканы қолданған. Кенді концентрациялау үшін гравитациялық концентрация процесінің қолайлылығын анықтау қажет. Осы мақсатта концентрация критерийі жиі қолданылады, ол келесі теңдеуде көрсетілген (мұндағы CC – нақты салмақ):

CC > 2.5 үшін, 75 микроннан жоғары өлшемдегі бөлшектерді бөлуге қолайлы
1.75 < CC < 2.5 үшін, 150 микроннан жоғары өлшемдегі бөлшектерді бөлуге қолайлы
1.50 < CC < 1.75 үшін, 1.7 мм-ден жоғары өлшемдегі бөлшектерді бөлуге қолайлы
1.25 < CC < 1.50 үшін, 6.35 мм-ден жоғары өлшемдегі бөлшектерді бөлуге қолайлы
CC < 1.25 үшін, ешқандай өлшемге қолайлы емес.

Гравитациялық концентрацияға бейімділікті болжауда концентрация критерийі пайдалы тәсіл болғанымен, бөлшектердің пішіні және ауыр және жеңіл бөлшектердің салыстырмалы концентрациясы сияқты факторлар практикада бөлу тиімділігіне елеулі әсер етуі мүмкін.

Қуатын көбік

Көпіршікті флотация маңызды концентрлеу процесі болып табылады. Бұл процесті кез келген екі түрлі бөлшекті бөлу үшін қолдануға болады және бөлшектердің беттік химиясымен басқарылады. Флотация кезінде пульпаға көпіршіктер енгізіледі және көпіршіктер пульпа арқылы жоғары көтеріледі. Процестің барысында гидрофобты бөлшектер көпіршіктердің бетіне жабысады. Бұл жабысудың қозғаушы күші – жабысу кезінде беттік еркін энергияның өзгеруі. Бұл көпіршіктер пульпа арқылы көтеріліп, беттен жиналады. Бұл бөлшектердің жабысуын қамтамасыз ету үшін пульпа химиясының мұқият қарастырылуы қажет. Мұндай қарастыруларға pH, Eh және флотациялық реагенттердің болуы жатады. pH маңызды, себебі ол бөлшектердің бетіндегі зарядты өзгертеді және pH бөлшектердің бетіндегі коллекторлардың химисорбциясына әсер етеді. Флотациялық реагенттердің қосылуы да осы процестердің жұмыс істеуіне әсер етеді. Қосылатын ең маңызды химиялық зат – коллектор. Бұл химиялық зат беттік белсенді зат болғандықтан бөлшектердің бетіне жабысады. Бұл химиялық зат үшін басты факторлар – бас тобының сипаты және көмірсутекті тізбегінің ұзындығы. Көмірсутекті тізбек қажетті минералдың іріктеуін барынша арттыру үшін қысқа болуы керек, ал бас тобы оның қандай минералдарға жабысатынын анықтайды. Көпіршік түзгіштер – пульпаға немесе шлакқа қосылатын тағы бір маңызды химиялық қоспа, себебі олар тұрақты көпіршіктердің пайда болуына мүмкіндік береді. Бұл өте маңызды, өйткені егер көпіршіктер бірігіп кетсе, минералдар олардың бетінен түсіп қалады. Дегенмен, көпіршіктер тым тұрақты болмауы керек, өйткені бұл қалыптасқан концентраттың оңай тасымалдануына және сусыздануына кедергі келтіреді. Бұл көпіршік түзгіштердің механизмі толыққанды түсіндірілмеген және олардың механизмдерін зерттеу жұмыстары жалғастырылуда. Депрессанттар мен активаторлар бір минералды екіншісінен іріктеп бөлу үшін қолданылады. Депрессанттар бір минералдың немесе минералдардың флотациясын тежейді, ал активаторлар басқаларының флотациясын қамтамасыз етеді. Мысалдардың бірі – CN−, ол барлық сульфидтерді, бірақ галенитті басу үшін қолданылады және бұл депрессант сульфидтердегі химисорбцияланған және физикалық сіңірілген коллекторлардың ерігіштігін өзгерту арқылы әрекет етеді деп есептеледі. Бұл теория Ресейден шыққан. Активатордың мысалы – сфалериттің флотациясына қолданылатын Cu2+ иондары. Минералдарды флотация үшін пайдалануға болатын бірнеше жасушалар бар, оларға флотациялық бағаналар және механикалық флотациялық жасушалар жатады. Флотациялық бағаналар ұсақ минералдар үшін қолданылады және әдетте механикалық флотациялық жасушаларға қарағанда минералдардың жоғары дәрежесі мен төмен қалпына келтіруіне ие. Қазіргі уақытта қолданылатын жасушалардың көлемі 300 м3-ден асуы мүмкін. Бұл кішігірім жасушаларға қарағанда бірлік көлемге арзан болғандықтан жасалады, бірақ оларды кішігірім жасушалар сияқты оңай бақылауға болмайды. Бұл процесс 19 ғасырда Австралияда ойлап табылды. Ол гравитациялық концентрлеу арқылы алынған қалдықтардан сфалерит концентратын қалпына келтіру үшін қолданылды. Австралиядағы Ньюкасл университетінде жасалған Джеймсон жасушасы түрінде одан әрі жетілдірілді. Ол ұсақ көпіршіктерді жасайтын құлаулы ағын арқылы жұмыс істейді. Бұл ұсақ көпіршіктердің кинетикалық энергиясы жоғары және оларды IsaMill өндірісі сияқты ұсақ түйіршікті минералдарды флотация үшін пайдалануға болады. Каскадты флотациялық реакторлар (SFR) флотациялық процесті әр жасушада үш анықталған кезеңге бөледі. Олар энергияны, ауаны және орнату кеңістігін аз қажет ететіндіктен, олардың қолданылуы кеңінен таралуда.

Электростатикалық бөліну

Электростатикалық сепараторлардың екі негізгі түрі бар. Олардың жұмыс принципі ұқсас, бірақ бөлшектерге әсер ететін күштер әртүрлі – гравитация және электростатикалық тартылыс. Бұл екі түр – электродинамикалық сепараторлар (немесе жоғары кернеулі роликтер) және электростатикалық сепараторлар. Жоғары кернеулі роликтерде бөлшектер короналық разряд арқылы зарядталады. Бұл зарядталған бөлшектер барабанмен қозғалады. Жетекші бөлшектер барабанға зарядын жоғалтады және центропетальді үдеумен барабаннан алынады. Электростатикалық пластиналық сепараторлар зарядталған анод арқылы бөлшектер ағынын өткізу арқылы жұмыс істейді. Өткізгіштер электронды анодқа беріп, оған тартылу нәтижесінде басқа бөлшектерден бөлінеді. Бұл сепараторлар 75-тен 250 микронға дейінгі бөлшектерді бөлуге қолданылады, ал тиімді бөлу үшін бөлшектер құрғақ, біртегіс мөлшерде және пішіні жағынан біркелкі болуы керек. Бұл талаптардың ішінде бөлшектердің ылғалдылығы ең маңыздысы. Себебі бөлшектердегі ылғал қабаты өткізгіш емес материалдарды өткізгіш етеді, өйткені су қабаты электр тогын өткізеді. Электростатикалық пластиналық сепараторлар көбінесе аз мөлшерде өткізгіш және ірі өткізгіш емес бөлшектер бар ағындар үшін қолданылады. Жоғары кернеулі роликтер көбінесе көп мөлшерде өткізгіш және ұсақ өткізгіш емес бөлшектер бар ағындар үшін қолданылады. Бұл сепараторлар минералды құмдарды бөлуде кеңінен қолданылады, мысалы, Квинсленд штатының Брисбен қаласындағы Пинкенбада орналасқан CRL өңдеу зауыты. Бұл зауытта циркон, рутил және илменит кремнийлі қоспалардан бөлінеді. Зауытта бөлу процесі бірнеше кезеңнен тұрады: алғашқы бөлу, тазалау, іздеу және қайта тазалау.

Магниттік бөлу

Магниттік бөлу – магниттік қасиеттері бар материалды қоспадан магниттік күш арқылы бөліп алу процесі. Бұл бөлу әдісі темір кенін өндіруде пайдалы, себебі ол магнитке тартылады. Вольфрамит касситеритпен қосылған кен орындарында, мысалы, Корнуоллдағы Оңтүстік Крофти және Ист-Пул кен орындарында, немесе Тасманияның Моина қаласындағы Шепард және Мерфи кен орындарында висмутпен, магниттік бөлу кендерді бөлу үшін қолданылды. Осы кен орындарында Джон Прайс Ветэриллдің (1844–1906) [1] ойлап тапқан Ветэриллдің магниттік сепараторы деп аталатын құрылғы пайдаланылды. Бұл машинада шикі кен, кальцинациядан кейін, екі жұп электромагниттің астынан өтетін жылжымалы лентаға түсірілді, ал оның астында лентаның бағытына перпендикуляр бағытта қосымша ленталар орналасқан. Бірінші электромагниттердің жұбы әлсіз магниттелген және кездесетін темір кенін тартуға арналған. Екінші жұп күшті магниттелген және әлсіз магниттік қасиеттері бар вольфрамитті тартты. Бұл машиналар күніне 10 тонна кенді өңдеуге қабілетті. Магниттік заттарды магнит көмегімен қоспадан магниттік емес заттардан бөлу процесі магниттік бөлу деп аталады.

Бұл процесс магнит өрісінде бөлшектерді қоздыру арқылы жұмыс істейді. Магнит өрісіндегі күш f = m / k. H. dh/dx теңдеуімен анықталады, мұндағы k – магниттік сезімталдық, H – магнит өрісінің күштілігі, ал dh/dx – магнит өрісінің градиенті. Теңдеуден көрініп тұрғанындай, бөлуді екі жолмен жүзеге асыруға болады: магнит өрісінің градиенті немесе магнит өрісінің күші арқылы. Әртүрлі қозғаушы күштер әртүрлі концентраторларда қолданылады. Олар сумен немесе сусыз жұмыс істей алады. Бұрышты спиральдар сияқты, жуу суы бөлшектерді бөлуге көмектеседі, сонымен қатар концентраттағы қайнар материалдың (ганг) араласуын арттырады.

Автоматтандырылған кенді сұрыптау

Қазіргі заманғы автоматтандырылған сұрыптау оптикалық сенсорларды (көрінетін спектр, жақын инфрақызыл, рентген, ультракүлгін) қолданады, олар электр өткізгіштігі және магниттік қабылдағыштық сенсорларымен үйлестірілуі мүмкін, бұл кенді жеке-жеке тас бойынша екі немесе одан көп санатқа механикалық түрде бөлуді басқаруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, материалдың электр өткізгіштігі, магниттелуі, молекулалық құрылымы және жылу өткізгіштігі сияқты қасиеттерін пайдаланатын жаңа сенсорлар әзірленді. Сенсорлық сұрыптау никель, алтын, мыс, көмір және алмастарды өңдеуде қолданыс тапқан.

Суды жою

Сусыздану – минералды өңдеудегі маңызды процесс. Сусыздаудың мақсаты – бөлшектер сіңіретін суды алып тастау, бұл пульпаның тығыздығын арттырады. Бұл бірнеше себепке байланысты жасалады, атап айтқанда, кенді және концентраттарды оңай тасымалдауға, одан әрі өңдеуге және қаңқаны (қалдықтарды) жоюға мүмкіндік беру үшін. Кеннен сусыздау арқылы алынған су, су тазарту станциясына жіберілгеннен кейін өндіріс процесінде қайта қолданылады. Сусыздау процесінде қолданылатын негізгі әдістерге сусыздау экраны, шөгіндіру, сүзгілеу және жылумен кептіру жатады. Бөлшек мөлшері кішірейген сайын бұл процестердің қиындығы мен құны артады. Сусыздау экраны бөлшектерді экран арқылы өткізу арқылы жұмыс істейді. Бөлшектер экраннан өтеді, ал су экрандағы тесіктер арқылы өтеді. Бұл әдіс тек ірі бөлшекті кендер үшін тиімді, себебі тесіктер кішкентай бөлшектердің өтуіне мүмкіндік береді. Шөгіндіру процесінде су үлкен қалыңдатқышқа немесе тазартуға жіберіледі. Бұл құрылғыларда бөлшектер гравитация күші немесе центробектік күштердің әсерінен пульпадан шөгеді. Бұл процеске бөлшектердің беттік химиясы мен олардың мөлшері шектеу қояды. Шөгіндіру процесін жеңілдету үшін, бөлшектер арасындағы итергіш күшті азайту мақсатымен флокулянттар мен коагулянттар қосылады. Бұл итергіш күш бөлшектердің бетінде қалыптасқан екі қабатқа байланысты. Флокулянттар бірнеше бөлшекті біріктіріп ұстайды, ал коагулянттар бөлшектің сыртындағы зарядталған қабаттың қалыңдығын азайтады. Қалыңдатқаннан кейін, пульпа көбінесе тоғандарға немесе су жинағыштарға жиналады. Балама ретінде, оны белдік пресіне немесе мембраналық сүзгі пресіне жіберу арқылы процестік суды қайта өңдеуге және жинақталатын, құрғақ сүзгі тортын немесе "құйрықтарды" жасауға болады. Жылумен кептіру әдетте ұсақ бөлшектерді кептіру және бөлшектердегі қалған суды жою үшін қолданылады. Көбінесе қолданылатын процестерге роторлық кептіргіштер, ағынды қабаттар, шашыратылатын кептіргіштер, ошақты кептіргіштер және роторлық табақ кептіргіштер жатады. Бұл процесті жүргізу әдетте қымбатқа түседі, себебі кептіргіштерге отын қажет.

Басқа процестер

Көптеген механикалық зауыттар экстракциялық металлургиялық операцияның бір бөлігі ретінде гидрометаллургиялық немесе пирометаллургиялық процестерді де қамтиды. Геометаллургия – минералдарды өңдеуді геологиялық ғылымдармен үйлестіретін экстрактивті металлургияның бір саласы. Оған май агломерациясын зерттеу де кіреді. Бірқатар қосалқы материалдарды дайындау операциялары, мысалы, сақтау (қойма конструкциясындағыдай), тасымалдау, сынама алу, өлшеу, шламды тасымалдау және пневматикалық тасымалдау минералдарды өңдеудің саласы ретінде қарастырылады. Көптеген өңдеу техникаларының тиімділігі мен нәтижелілігіне кен өндіру әдісі және араластыру сияқты алдыңғы кезеңдегі жұмыстар әсер етеді.

Кейс мысалдар

Алтын жағдайында, көміртекке адсорбцияланғаннан кейін, ол натрий гидроксиді мен цианид ерітіндісіне салынады. Ерітіндіде алтын көміртекten бөлініп, ерітіндіге өтеді. Алтын иондары электрлеп алу арқылы алынған болат жүн катодтарынан ерітіндіден алынады. Содан кейін алтын қорытуға жіберіледі.

Еуропалық металлургиялық конференция (EMC)

EMC, Еуропалық металлургиялық конференция Еуропадағы темір емес металдар саласына арналған ең маңызды желілік бизнес-іс-шараға айналды. 2001 жылы Фридрихсхафенде өткен конференциялар тізбегінің басталысынан бері әлемнің барлық елдерінен келген ең беделді металлургтерге шақыру жасалды. Конференция GDMB металлургия және тау-кеншілер қоғамының шақыруымен екі жылда бір рет өткізіледі және металл өндірушілерге, зауыттарды құрастырушыларға, жабдықтармен қамтамасыз етушілерге және қызмет көрсететін ұйымдарға, сондай-ақ университеттердің және консультанттардың өкілдеріне арналған.