Обогащение полезных ископаемых: процессы и методы

Введение

Процесс отделения коммерчески ценных минералов от их руд.

Обогащение полезных ископаемых – это процесс отделения коммерчески ценных минералов от их руд в области экстрактивной металлургии. В зависимости от используемых процессов, его часто называют обогащением руды или измельчением руды. Обогащение – это любой процесс, повышающий экономическую ценность руды путем удаления пустой породы, что приводит к получению продукта более высокой концентрации (концентрата руды) и потока отходов (хвостов). Существует множество различных типов обогащения, и каждый этап способствует увеличению концентрации исходной руды.

Физическое разделение

После стадии измельчения руду можно дополнительно отделить от пустой породы. Один из способов достижения этого – использование физических свойств руды для её отделения от остальной части породы. К таким процессам относятся гравитационное обогащение, флотация и магнитная сепарация. Гравитационное обогащение использует центробежные силы и разницу в плотности руды и пустой породы для их разделения. Магнитная сепарация применяется для отделения магнитной пустой породы от целевой руды, или, наоборот, для извлечения магнитной руды из немагнитной пустой породы. Тяжелосредная сепарация (ДМС) также относится к физическим методам обогащения.

Химическое разделение

Некоторые физические свойства руды нельзя использовать для обогащения, поэтому для отделения руды от пустой породы применяются химические процессы. Наиболее распространенными методами химического обогащения являются пенная флотация, выщелачивание и электровыигрывание. Пенная флотация использует гидрофобные и гидрофильные свойства для разделения руды и пустой породы. Гидрофобные частицы всплывают на поверхность раствора, откуда их снимают. Изменение pH раствора может влиять на гидрофильность частиц. Выщелачивание заключается в растворении целевой руды из пустой породы. Электровыигрывание не является основным методом обогащения, но необходимо для извлечения руды из раствора после выщелачивания.

Разбивка

Разрушение – это уменьшение размера частиц материалов. Разрушение может осуществляться как для сухих материалов, так и для шламов. Дробление и измельчение – два основных процесса разрушения. Дробление обычно выполняется для руды в исходном состоянии, в то время как измельчение (обычно проводимое после дробления) может осуществляться как для сухих, так и для шламообразных материалов. В процессе разрушения уменьшение размера частиц происходит под воздействием трех типов сил: сжатия, удара и истирания. Силы сжатия и удара широко используются в операциях дробления, в то время как истирание является доминирующей силой при измельчении. Основным оборудованием, используемым для дробления, являются щековые дробилки, гирационные дробилки и конусные дробилки, а для измельчения обычно применяются прутковые и шаровые мельницы, как правило, в замкнутом контуре с классификатором на обогатительном заводе. Дробление – это сухой процесс, в то время как измельчение обычно выполняется во влажной среде и, следовательно, более энергоемко.

Размер

Размер – это общий термин для разделения частиц по размеру. Простейшим процессом разделения по размеру является просеивание, то есть пропускание частиц через одно или несколько сит. Оборудование для просеивания может включать в себя гризли, решетчатые экраны, клиновые проволочные экраны, радиальные сита, банановые экраны, многоярусные экраны, вибрационные экраны, мелкие экраны, экраны с переключением наклона и проволочные сетчатые экраны. Сита могут быть статичными (обычно для очень крупного материала), либо оснащены механизмами для встряхивания или вибрации. При этом учитываются материал сита, размер апертуры, форма и ориентация отверстий, количество частиц близкого размера, добавление воды, амплитуда и частота вибраций, угол наклона, наличие вредных примесей, таких как сталь и дерево, а также распределение частиц по размерам. Классификация – это операции разделения по размеру, основанные на различиях в скоростях осаждения частиц разного размера. Оборудование для классификации может включать в себя сортировщики руды, газовые циклоны, гидроциклоны, вращающиеся барабаны, грабельные классификаторы или флюидизированные классификаторы. Важным фактором как при дроблении, так и при разделении по размеру является определение распределения частиц по размерам обрабатываемого материала, обычно называемого анализом гранулометрического состава. Используется множество методов анализа гранулометрического состава, включая офлайн-анализ, требующий отбора пробы материала для анализа, и онлайн-анализ, позволяющий анализировать материал непосредственно в процессе.

Концентрация

Существует несколько способов повышения концентрации целевых минералов: в каждом конкретном случае выбранный метод будет зависеть от относительных физических и поверхностно-химических свойств минерала и пустой породы. Концентрация определяется как число молей растворенного вещества в объеме раствора. В контексте обогащения минералов концентрация означает увеличение процентного содержания ценного минерала в концентрате.

Гравитационная концентрация

Гравитационное разделение – это разделение двух или более минералов с различной удельной плотностью посредством их относительного движения под воздействием силы тяжести и одной или нескольких других сил (таких как центробежные, магнитные и выталкивающие силы), одна из которых – сопротивление движению (сила сопротивления) вязкой среды, такой как тяжелая жидкость, вода или, реже, воздух. Гравитационное разделение является одним из древнейших методов обогащения полезных ископаемых, однако его применение сократилось после внедрения таких методов, как флотация, классификация, магнитное разделение и выщелачивание. Гравитационное разделение известно как минимум с 3000 г. до н.э., когда египтяне использовали этот метод для разделения золота. Перед применением процесса гравитационного обогащения необходимо определить его целесообразность для обогащения конкретной руды. Для этого обычно используется критерий обогатимости, определяемый следующим образом (где СС – удельная плотность):

при СС > 2,5 – подходит для разделения частиц размером более 75 мкм;
при 1,75 < СС < 2,5 – подходит для разделения частиц размером более 150 мкм;
при 1,50 < СС < 1,75 – подходит для разделения частиц размером более 1,7 мм;
при 1,25 < СС < 1,50 – подходит для разделения частиц размером более 6,35 мм;
при СС < 1,25 – не подходит для разделения частиц любого размера.

Хотя критерий обогатимости является полезным эмпирическим правилом для прогнозирования возможности гравитационного обогащения, такие факторы, как форма частиц и относительное содержание тяжелых и легких минералов, могут существенно влиять на эффективность разделения на практике.

Флотация пены

Флотация пены – важный процесс обогащения. Этот процесс может быть использован для разделения любых двух различных частиц и основан на поверхностной химии частиц. При флотации пузырьки вводятся в пульпу, и они поднимаются вверх по пульпе. В процессе этого гидрофобные частицы прикрепляются к поверхности пузырьков. Движущей силой этого прикрепления является изменение поверхностной свободной энергии при контакте. Эти пузырьки поднимаются через суспензию и собираются с поверхности. Для обеспечения прикрепления частиц необходимо тщательно учитывать химию пульпы. Эти факторы включают pH, Eh и присутствие флотационных реагентов. pH важен, поскольку он изменяет заряд поверхности частиц, а также влияет на хемосорбцию коллекторов на поверхности частиц. Добавление флотационных реагентов также влияет на эффективность этих процессов. Наиболее важным химическим веществом, которое добавляется, является коллектор. Это вещество связывается с поверхностью частиц, поскольку является поверхностно-активным. Основными характеристиками коллектора являются природа головной группы и размер углеводородной цепи. Углеводородный хвост должен быть коротким для максимизации селективности целевого минерала, а головная группа определяет, к каким минералам он прикрепляется. Пенообразователи – еще одно важное химическое вещество, добавляемое в пульпу или суспензию, поскольку они обеспечивают образование стабильных пузырьков. Это важно, потому что если пузырьки коалесцируют, минералы будут отслаиваться от их поверхности. Однако пузырьки не должны быть слишком стабильными, так как это затрудняет транспортировку и обезвоживание образованного концентрата. Механизм действия этих пенообразователей изучен не полностью, и продолжаются дальнейшие исследования их механизмов. Депрессанты и активаторы используются для селективного разделения одного минерала от другого. Депрессанты подавляют флотацию одного или нескольких минералов, в то время как активаторы способствуют флотации других. Примером может служить CN−, используемый для подавления всех сульфидов, кроме галенита, и считается, что этот депрессант действует путем изменения растворимости хемосорбированных и физически адсорбированных коллекторов на сульфидах. Эта теория возникла в России. Примером активатора являются ионы Cu2+, используемые для флотации сфалерита. Существует ряд аппаратов, которые могут быть использованы для флотации минералов, включая флотационные колонны и механические флотационные машины. Флотационные колонны используются для более мелких минералов и обычно обеспечивают более высокий сорт и более низкий выход минералов по сравнению с механическими флотационными машинами. В настоящее время используемые машины могут превышать 300 м3. Это обусловлено тем, что они дешевле за единицу объема, чем меньшие машины, но их сложнее контролировать. Этот процесс был изобретен в 19 веке в Австралии. Он использовался для извлечения концентрата сфалерита из хвостов, полученных методом гравитационного обогащения. Дальнейшие усовершенствования были разработаны в Австралии в виде ячейки Джеймсона, разработанной в Университете Ньюкасла. Она работает за счет использования погружного струя, который генерирует мелкие пузырьки. Эти мелкие пузырьки обладают более высокой кинетической энергией и, следовательно, могут быть использованы для флотации мелкозернистых минералов, таких как те, которые производятся IsaMill. Каскадные флотационные реакторы (SFR) разделяют процесс флотации на три четко определенных стадии на каждую ячейку. Они становятся все более распространенными, поскольку требуют значительно меньше энергии, воздуха и места для установки.

Froth flotation is an important concentration process. This process can be used to separate any two different particles and operated by the surface chemistry of the particles. In flotation, bubbles are introduced into a pulp and the bubbles rise through the pulp. In the process, hydrophobic particles become bound to the surface of the bubbles. The driving force for this attachment is the change in the surface free energy when the attachment occurs. These bubbles rise through the slurry and are collected from the surface. To enable these particles to attach, careful consideration of the chemistry of the pulp needs to be made. These considerations include the pH, Eh and the presence of flotation reagents. The pH is important as it changes the charge of the particles surface and the pH affects the chemisorption of collectors on the surface of the particles. The addition of flotation reagents also affects the operation of these processes. The most important chemical that is added is the collector. This chemical binds to the surface of the particles as it is a surfactant. The main considerations in this chemical is the nature of the head group and the size of the hydrocarbon chain. The hydrocarbon tail needs to be short to maximize the selectivity of the desired mineral and the headgroup dictates which minerals it attaches to. The frothers are another important chemical addition to the pulp or slurry as they enable stable bubbles to be formed. This is important because if the bubbles coalesce, minerals will fall off their surface. The bubbles however should not be too stable as this prevents easy transportation and dewatering of the concentrate formed. The mechanism of these frothers is not completely known and further research into their mechanisms is being performed. Depressants and activators are used to selectively separate one mineral from another. Depressants inhibit the flotation of one mineral or minerals while activators enable the flotation of others. Examples of these include CN−, used to depress all sulfides but galena and this depressant is believed to operate by changing the solubility of chemisorbed and physisorbed collectors on sulfides. This theory originates from Russia. An example of an activator is Cu2+ ions, used for the flotation of sphalerite. There are a number of cells able to be used for the flotation of minerals. these include flotation columns and mechanical flotation cells. The flotation columns are used for finer minerals and typically have a higher grade and lower recovery of minerals than mechanical flotation cells. The cells in use at the moment can exceed 300 m3. This is done as they are cheaper per unit volume than smaller cells, but they are not able to be controlled as easily as smaller cells. This process was invented in the 19th century in Australia. It was used to recover a sphalerite concentrate from tailings, produced using gravity concentration. Further improvements have come from Australia in the form of the Jameson Cell, developed at the University of Newcastle, Australia. This operated by the use of a plunging jet that generates fine bubbles. These fine bubbles have a higher kinetic energy and as such they can be used for the flotation of fine grained minerals, such as those produced by the IsaMill. Staged flotation reactors (SFRs) split the flotation process into three defined stages per cell. They are becoming increasingly more common in use as they require much less energy, air and installation space.

Электростатическое разделение

Существует два основных типа электростатических сепараторов. Они работают схожим образом, но силы, действующие на частицы, различны: это гравитация и электростатическое притяжение. Эти два типа – электродинамические сепараторы (или ролики высокого напряжения) и электростатические пластинчатые сепараторы. В роликах высокого напряжения частицы заряжаются коронарным разрядом. Заряженные частицы затем перемещаются по барабану. Проводящие частицы теряют заряд на барабане и удаляются с него под действием центростремительного ускорения. Электростатические пластинчатые сепараторы работают, пропуская поток частиц мимо заряженного анода. Проводники теряют электроны на пластине и оттягиваются от других частиц из-за индуцированного притяжения к аноду. Эти сепараторы применяются для частиц размером от 75 до 250 микрон, а для эффективного разделения необходимо, чтобы частицы были сухими, имели узкое гранулометрическое распределение и однородную форму. Из этих условий наиболее важным является содержание влаги в частицах, поскольку слой влаги на поверхности непроводящих частиц делает их проводящими из-за проводимости воды. Электростатические пластинчатые сепараторы обычно используются для потоков, содержащих мелкие проводники и крупные непроводники. Ролики высокого напряжения обычно применяются для потоков, содержащих крупные проводники и мелкие непроводники. Эти сепараторы широко используются для разделения минеральных песков, примером такого предприятия является перерабатывающий завод CRL в Пинкенбе, Брисбен, штат Квинсленд. На этом заводе циркон, рутил и ильменит отделяются от кремнеземной пустой породы. Разделение на этом заводе осуществляется в несколько стадий, включающих грубую очистку, основную очистку, отбор хвостов и повторную очистку.

Магнитное разделение

Магнитное разделение – это процесс, в котором материал, восприимчивый к магнитному воздействию, извлекается из смеси с использованием магнитной силы. Этот метод разделения может быть полезен при добыче железа, поскольку оно притягивается к магниту. На шахтах, где вольфрамит смешивался с касситеритом, например, на шахтах South Crofty и East Pool в Корнуолле, или с висмутом, например, на шахте Shepherd and Murphy в Мойне, Тасмания, магнитное разделение использовалось для разделения руд. На этих шахтах применялось устройство под названием магнитный сепаратор Уэзерилла (изобретённый Джоном Прайсом Уэзериллом, 1844–1906) [1]. В этой машине сырая руда, после обжига, подавалась на движущийся конвейер, который проходил под двумя парами электромагнитов, под которыми располагались дополнительные конвейеры, расположенные под прямым углом к конвейеру подачи. Первая пара электромагнитов была слабо намагничена и служила для извлечения любой присутствующей железной руды. Вторая пара была сильно намагничена и притягивала вольфрамит, обладающий слабой магнитной восприимчивостью. Эти машины могли обрабатывать до 10 тонн руды в день. Этот процесс отделения магнитных веществ от немагнитных веществ в смеси с помощью магнита называется магнитным разделением.

Этот процесс основан на перемещении частиц в магнитном поле. Сила, испытываемая частицей в магнитном поле, определяется уравнением f = m/k * H * dh/dx, где k – магнитная восприимчивость, H – напряжённость магнитного поля, а dh/dx – градиент магнитного поля. Как видно из этого уравнения, разделение может быть достигнуто двумя способами: либо за счёт градиента магнитного поля, либо за счёт силы магнитного поля. Различные движущие силы используются в различных концентраторах, которые могут быть с водяным потоком или без него. Как и в случае спиральных концентраторов, промывочная вода способствует разделению частиц, но при этом увеличивает унос пустой породы в концентрат.

Автоматическая сортировка руды

Современная автоматизированная сортировка использует оптические датчики (видимый спектр, ближний инфракрасный, рентгеновский, ультрафиолетовый), которые могут комбинироваться с датчиками электрической проводимости и магнитной восприимчивости для контроля механического разделения руды на две или более категории поштучно, камень за камнем. Также разработаны новые датчики, использующие свойства материалов, такие как электрическая проводимость, намагниченность, молекулярная структура и теплопроводность. Сортировка на основе датчиков применяется при переработке никеля, золота, меди, угля и алмазов.

Обезвоживание

Обезвоживание является важным процессом в обогащении минерального сырья. Целью обезвоживания является удаление воды, поглощенной частицами, что повышает плотность пульпы. Это необходимо по ряду причин, в частности, для облегчения транспортировки руды и концентратов, обеспечения возможности дальнейшей переработки и утилизации хвостов. Вода, извлеченная из руды в процессе обезвоживания, после очистки на водоподготовительных установках возвращается в производственный цикл. Основные процессы, используемые для обезвоживания, включают в себя обезвоживающие экраны, отстой, фильтрацию и термическую сушку. Эти процессы усложняются и становятся дороже по мере уменьшения размера частиц. Обезвоживающие экраны работают путем пропускания частиц через экранную поверхность. Частицы перемещаются по экрану, а вода проходит сквозь его отверстия. Этот метод эффективен только для крупнозернистых руд с узким гранулометрическим составом, так как мелкие частицы могут проходить сквозь отверстия. Отстой осуществляется в больших отстойниках или осветлителях. В этих устройствах частицы оседают из пульпы под действием силы тяжести или центробежных сил. Эффективность отстоя ограничена поверхностной химией частиц и их размером. Для интенсификации процесса отстоя добавляют флокулянты и коагулянты, снижающие силы отталкивания между частицами. Эти силы обусловлены двойным электрическим слоем, формирующимся на поверхности частиц. Флокулянты связывают несколько частиц вместе, а коагулянты уменьшают толщину заряженного слоя на поверхности частиц. После утолщения пульпа часто хранится в отвалах или накопителях. В качестве альтернативы, ее можно подавать в ленточный или мембранный фильтр-пресс для рециркуляции воды и получения уплотненного, сухого фильтрационного торта, или "хвостов". Термическая сушка обычно применяется для мелкодисперсных частиц и для удаления остаточного содержания влаги. К распространенным процессам относятся роторные сушилки, кипящий слой, распылительные сушилки, шахтные сушилки и роторные сушилки с поддонами. Этот процесс, как правило, является энергоемким из-за высоких затрат на топливо.

Dewatering is an important process in mineral processing. The purpose of dewatering is to remove water absorbed by the particles which increases the pulp density. This is done for a number of reasons, specifically, to enable ore handling and concentrates to be transported easily, allow further processing to occur and to dispose of the gangue. The water extracted from the ore by dewatering is recirculated for plant operations after being sent to a water treatment plant. The main processes that are used in dewatering include dewatering screens, sedimentation, filtering, and thermal drying. These processes increase in difficulty and cost as the particle size decreases. Dewatering screens operate by passing particles over a screen. The particles pass over the screen while the water passes through the apertures in the screen. This process is only viable for coarse ores that have a close size distribution as the apertures can allow small particles to pass through. Sedimentation operates by passing water into a large thickener or clarifier. In these devices, the particles settle out of the slurry under the effects of gravity, or centripetal forces. These are limited by the surface chemistry of the particles and the size of the particles. To aid in the sedimentation process, flocculants and coagulants are added to reduce the repulsive forces between the particles. This repulsive force is due to the double layer formed on the surface of the particles. The flocculants work by binding multiple particles together while the coagulants work by reducing the thickness of the charged layer on the outside of the particle. After thickening, slurry is often stored in ponds or impoundments. Alternatively, it can pumped into a belt press or membrane filter press to recycle process water and create stackable, dry filter cake, or "tailings". Thermal drying is usually used for fine particles and to remove low water content in the particles. Some common processes include rotary dryers, fluidized beds, spray driers, hearth dryers and rotary tray dryers. This process is usually expensive to operate due to the fuel requirement of the dryers.

Другие процессы

Многие механические заводы также включают в себя гидрометаллургические или пирометаллургические процессы как часть добывающей металлургической операции. Геометаллургия – это отрасль добывающей металлургии, объединяющая обогащение полезных ископаемых с геологическими науками. Это включает в себя изучение нефтяной агломерации.

Ряд вспомогательных операций по обращению с материалами также рассматривается как отрасль обогащения полезных ископаемых, таких как хранение (включая проектирование бункеров), транспортировка, отбор проб, взвешивание, транспортировка пульпы и пневматическая транспортировка. Эффективность и результативность многих методов обогащения зависят от предшествующих операций, таких как способ добычи и смешивание.

Примеры случаев

В случае золота, после адсорбции на угле, его помещают в раствор гидроксида натрия и цианида. В этом растворе золото извлекается из угля и переходит в раствор. Золотые ионы извлекаются из раствора посредством электролиза на стальных катодах. Затем золото направляется на плавку.

Европейская Металлургическая Конференция (EMC)

EMC, Европейская металлургическая конференция, стала важнейшим деловым мероприятием, способствующим установлению контактов в европейской индустрии цветных металлов. С момента начала проведения конференции в 2001 году в Фридрихсхафене она принимала ведущих металлургов со всего мира. Конференция проводится раз в два года по приглашению Общества металлургов и горняков GDMB и ориентирована, в частности, на производителей металла, производителей оборудования, поставщиков оборудования и услуг, а также на представителей университетов и консультантов.