Εμπλουτισμός των μεταλλευμάτων

Ο εμπλουτισμός των μεταλλευμάτων αποτελεί το πρώτο στάδιο της εξαγωγικής μεταλλουργίας, κατά το οποίο ένα εξορυσσόμενο μετάλλευμα διαχωρίζεται, με μεθόδους φυσικές, σε ορυκτά με οικονομικό ενδιαφέρον (συμπύκνωμα) και σε ορυκτά με ελάχιστο ή κανένα οικονομικό ενδιαφέρον (απόρριμμα). Πριν από τον φυσικό διαχωρισμό των ορυκτών, το υλικό που εξορύσσεται πρέπει να κατατμηθεί και να απελευθερωθούν τα μεταλλοφόρα ορυκτά από το στείρο. Η διεργασία της κατάτμησης συνήθως αποκαλείται μηχανική προπαρασκευή, ενώ η διεργασία του διαχωρισμού των ορυκτών αποτελεί τον καθαυτό εμπλουτισμό. Οι διεργασίες της μηχανικής προπαρασκευής περιλαμβάνουν την θραύση, την λειοτρίβηση και την ταξινόμηση κατά μέγεθος. Στην συνέχεια, γίνεται ο εμπλουτισμός με χειροδιαλογή, οπτικό διαχωρισμό, βαρυτομετρικό διαχωρισμό, ηλεκτροστατικό διαχωρισμό, μαγνητικό διαχωρισμό ή και επίπλευση. Οι αρχαίοι Αθηναίοι χρησιμοποιούσαν βαρυτομετρικές μεθόδους για τον εμπλουτισμό των μεταλλοφόρων κοιτασμάτων της περιοχής του Λαυρίου, ώστε αυτά να εμπλουτίζονται σε αργυρούχο μόλυβδο, δηλαδή το γαληνίτη (PbS) και τον κερουσίτη (PbCO3).

 Σκοπός της μηχανικής προπαρασκευής είναι να μειωθεί το μέγεθος των τεμαχιδίων του εξορυσσόμενου μεταλλεύματος τόσο ώστε τα ορυκτά με οικονομικό ενδιαφέρον να απελευθερωθούν από την μάζα των στείρων και να είναι πιο εύκολος ο διαχωρισμός. Ένας δεύτερος λόγος για την μηχανική προπαρασκευή των μεταλλευμάτων είναι ότι οι πυρομεταλλουργικές ή υδρομεταλλουργικές διεργασίες συχνά απαιτούν τα μεταλλεύματα (ή τα συμπυκνώματα μεταλλευμάτων) να έχουν ορισμένη κοκκομετρία. Η θραύση αποτελεί το πρώτο στάδιο της μηχανικής προπαρασκευής. Τα μεγάλα τεμάχια του μεταλλεύματος θρυμματίζονται σε τεμάχια μεγέθους 0,5 έως 20 mm σε μεγάλους θραυστήρες, που μπορεί να είναι γυροσκοπικοί, κωνικοί, σιαγονωτοί, περιστροφικοί–κρουστικοί, κ.ά. Η θραύση γίνεται σε ένα ή πολλά στάδια (πρωτογενής, δευτερογενής, τριτογενής θραύση), σε ανοικτά κυκλώματα ή σε κλειστά κυκλώματα με ενδιάμεση ταξινόμηση (κοσκίνισμα) του θρυμματισμένου υλικού. Μετά την θραύση, ακολουθεί η λειοτρίβηση, προκειμένου το μέγεθος των τεμαχιδίων να μειωθεί στα 10 έως 300 μm. Η λειοτρίβηση γίνεται σε περιστρεφόμενους μύλους. Αναλόγως του μέσου λειοτρίβησης που περιέχουν, οι μύλοι μπορεί να είναι σφαιρόμυλοι (το μέσο λειοτρίβησης είναι μεταλλικές σφαίρες), ραβδόμυλοι (το μέσο λειοτρίβησης είναι μεταλλικές ράβδοι) ή αυτογενείς μύλοι (το μέσο λειοτρίβησης είναι το ίδιο το μετάλλευμα). Μετά από κάθε στάδιο λειοτρίβησης, συνήθως μεσολαβεί ένα στάδιο ταξινόμησης ως προς το μέγεθος των τεμαχιδίων. Η ταξινόμηση του πιο λεπτόκοκκου λειοτριβημένου υλικού γίνεται με κόσκινα (δονούμενα, περιστροφικά, κ.ά.), με κοχλιωτούς υδροταξινομητές ή με κυκλώνες (υδροκυκλώνες, αεροκυκλώνες). Συχνά το ταξινομημένο μετάλλευμα υπόκειται και σε έκπλυση, προκειμένου να καθαριστεί από εναποθέσεις υπερβολικά λεπτόκοκκων υλικών (ιλύς) που αλλοιώνουν τις επιφανειακές ιδιότητες των κόκκων του μεταλλεύματος. Ο εμπλουτισμός του προπαρασκευασμένου υλικού είναι στην ουσία ο διαχωρισμός του μεταλλεύματος από το στείρο με μεθόδους φυσικές. Ο εμπλουτισμός μπορεί να γίνει με χειροδιαλογή, οπτικό διαχωρισμό, βαρυτομετρικό διαχωρισμό, ηλεκτροστατικό διαχωρισμό, μαγνητικό διαχωρισμό, και επίπλευση. Το καθαρό μετάλλευμα που παράγεται — το συμπύκνωμα — αποθηκεύεται σε προσωρινούς χώρους εναπόθεσης και διατίθεται για την εξαγωγή μετάλλου. Το στείρο χωρίς οικονομική αξία λέγεται απόρριμμα και συνήθως καταλήγει σε μόνιμους χώρους εναπόθεσης κοντά στο εργοστάσιο εμπλουτισμού. Η χειροδιαλογή είναι χειρονακτική μέθοδος που χρησιμοποιούνταν παλιά για πλούσια μεταλλεύματα, όπως π.χ. ο λευκόλιθος (MgCO3). Ο οπτικός διαχωρισμός είναι μία αυτοματοποιημένη μέθοδος που στηρίζεται στην διαφορά χρώματος ανάμεσα στο μετάλλευμα και το στείρο. Με την βοήθεια ενός φωτοκυττάρου και ενός ακροφυσίου, ένα μηχάνημα διαχωρίζει αυτομάτως το μετάλλευμα από το στείρο. Ουσιαστικά η μέθοδος αυτή έχει αντικαταστήσει την χειροδιαλογή. Ο βαρυτομετρικός διαχωρισμός στηρίζεται στην διαφορά πυκνότητας ανάμεσα στο μετάλλευμα και το στείρο. Μαζί με την χειροδιαλογή, ο βαρυτομετρικός διαχωρισμός αποτελεί μία από τις αρχαιότερες τεχνικές εμπλουτισμού μεταλλευμάτων. Η αναζήτηση ψηγμάτων χρυσού σε προσχωματικές άμμους με το σκαφίδιο (το «τηγάνι» ή «ταψί») του χρυσοθήρα ή σε στοιχειώδη πλυντήρια αποτέλεσε την πρώτη εφαρμογή βαρυτομετρικού διαχωρισμού στον εμπλουτισμό των μεταλλευμάτων. Στην μέθοδο των βαρέων διαμέσων, το μετάλλευμα πέφτει μέσα σε ένα αιώρημα κατάλληλης πυκνότητας, π.χ. σε πολφό μαγνητίτη (Fe3O4). Το υλικό με μικρή πυκνότητα επιπλέει και απομακρύνεται από την επιφάνεια του αιωρήματος, ενώ το υλικό με μεγάλη πυκνότητα βυθίζεται και απομακρύνεται μαζί με το αιώρημα. Στην συνέχεια από το αιώρημα διαχωρίζονται τα βαρέα διάμεσα (π.χ. με μαγνητικό διαχωρισμό) για να παραχθεί ξανά το καθαρό αιώρημα.. Ο βαρυτομετρικός διαχωρισμός επιτυγχάνεται επίσης με τεχνικές που συνδυάζουν την βαρύτητα με την υδροδυναμική, όπως οι παλλόμενες τράπεζες, οι σπειροειδείς συγκεντρωτές και οι υδροσυγκεντρωτές. Όλες αυτές οι τεχνικές έχουν ευρύ πεδίο εφαρμογής, από την ανάκτηση αυτοφυούς χρυσού έως τον καθαρισμό γαιανθράκων και βιομηχανικών ορυκτών. Γενικά, ο βαρυτομετρικός διαχωρισμός είναι αποτελεσματικός σε σχετικά χονδρόκοκκα υλικά με διαφορά πυκνότητας μεγαλύτερη από 0,1 g/cm3. Ο ηλεκτροστατικός διαχωρισμός στηρίζεται στην διαφορά ηλεκτρικής αγωγιμότητας ανάμεσα στο μετάλλευμα και το στείρο. Συνήθως εφαρμόζεται σε ξηρά και πολύ λεπτομερή τεμαχίδια, όπως οι άμμοι προσχωματικών (αλλουβιακών) κοιτασμάτων. Ο μαγνητικός διαχωρισμός στηρίζεται στην διαφορά μαγνητικών ιδιοτήτων ανάμεσα στο μετάλλευμα και το στείρο. Σιδηρομαγνητικά ορυκτά, όπως ο μαγνητίτης (Fe3O4), και παραμαγνητικά υλικά, όπως ο αιματίτης (Fe2O3), ο πυρροτίτης (FeS), ο χρωμίτης (FeCr2O4), ο ιλμενίτης (FeTiO3), ο σιδηρίτης (FeCO3) κ.ά., εμπλουτίζονται εύκολα με την βοήθεια μαγνητικών διαχωριστών χαμηλής έντασης πεδίου. Μαγνητικοί διαχωριστές υψηλής έντασης (πεδίο πιο ισχυρό από 2 Τ) χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό παραμαγνητικών ορυκτών με μικρή διαφορά στην μαγνητική επιδεκτικότητα, όπως ζιρκόνιο (ZrSiO3), απατίτης (Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)), κ.τ.λ. Η επίπλευση είναι η πιο σύγχρονη μέθοδος εμπλουτισμού μετά τον αυτόματο οπτικό διαχωρισμό. Ανακαλύφθηκε στις αρχές του 20ού αι. Ο διαχωρισμός κατά την επίπλευση στηρίζεται στην διαφορά των επιφανειακών ιδιοτήτων — υδρόφιλο, υδρόφοβο — ανάμεσα στο μετάλλευμα και το στείρο, αλλά και σε άλλα πιο πολύπλοκα επιφανειακά φαινόμενα. Ορισμένα ορυκτά, όπως π.χ. το αυτοφυές θείο (S), είναι εκ φύσεως υδρόφοβα. Έτσι εάν εμφυσηθεί αέρας σε έναν υδατικό πολφό που περιέχει θείο, τότε το υδρόφοβο θείο προσκολλάται στις φυσαλίδες και επιπλέει, ενώ τα άλλα υδρόφιλα ορυκτά βυθίζονται στον πυθμένα ή παραμένουν σε αιώρηση. Ορισμένα άλλα ορυκτά γίνονται υδρόφοβα με κατάλληλη προοδοποίηση, δηλ. με την προσθήκη κατάλληλων αντιδραστηρίων που αλλάζουν τις επιφανειακές ιδιότητες των ορυκτών. Για παράδειγμα, ο σφαλερίτης (ZnS) γίνεται υδρόφοβος εάν στον υδατικό πολφό του ορυκτού διαλυθεί μικρή ποσότητα θειικού χαλκού (CuSO4). Τα ιόντα του δισθενούς χαλκού αντιδρούν με τον σφαλερίτη και στην επιφάνεια των κόκκων του ορυκτού δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα θειούχου χαλκού: Ο θειούχος χαλκός αντιδράει εύκολα με υδρόφοβες οργανικές ενώσεις όπως οι ξανθάτες, και έτσι ο κόκκος γίνεται υδρόφοβος. Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την επίπλευση είναι συνήθως δύο ειδών. Είτε πρόκειται για δεξαμενές μικρού ύψους και ορθογώνιας διατομής με αναδευτήρες που προκαλούν την εισροή αέρα στον πολφό (κυψέλες επίπλευσης), είτε πρόκειται για κυλινδρικές δεξαμενές μεγάλου ύψους και μικρής διαμέτρου χωρίς μηχανική ανάδευση και με εμφύσηση αέρα από τον πυθμένα (στήλες επίπλευσης). Η επίπλευση βρίσκει μεγάλη εφαρμογή στον εμπλουτισμό θειούχων μεταλλευμάτων με μέγεθος κόκκου μικρότερο από περίπου 0,5 mm, όπως συμβαίνει και στα μεικτά θειούχα του Στρατωνίου. Η επίπλευση βρίσκει επιπλέον εφαρμογή και στον διαχωρισμό οξειδίων με την προσθήκη κατάλληλων προοδοποιητικών αντιδραστηρίων. Το συμπύκνωμα που προκύπτει από τον εμπλουτισμό συχνά είναι ένας πολφός από τον οποίο πρέπει να αφαιρεθεί ένα μεγάλο μέρος του νερού για να είναι το υλικό εμπορεύσιμο. Για τον λόγο αυτό ο πολφός του συμπυκνώματος υποβάλλεται σε πύκνωση και διήθηση. Η πύκνωση επιτυγχάνεται με την καθίζηση των στερεών σε μεγάλες δεξαμενές που αποκαλούνται πυκνωτές. Η υπερχείλιση του πυκνωτή είναι απαλλαγμένη από στερεά, ενώ η υπορροή του πυκνωτή είναι πολφός με περιεκτικότητα σε στερεά πολύ υψηλότερη σε σύγκριση με την τροφοδοσία του πυκνωτή. Η αφυδάτωση του συμπυκνώματος συμπληρώνεται με διήθηση σε ειδικούς διηθητήρες (φίλτρα) που μπορεί να έχουν την μορφή κυλίνδρων (κυλινδρικοί διηθητήρες), δίσκων (δισκόφιλτρα) ή πιεστηρίων (φιλτρόπρεσες). Τέλος, η αφυδάτωση ολοκληρώνεται με ξήρανση σε περιστροφικές καμίνους. Συμπυκνώματα που πρέπει να έχουν συγκεκριμένο μέγεθος και συγκεκριμένη μορφολογία υποβάλλονται και σε συσσωμάτωση, που μπορεί να είναι απλή ή να συνοδεύεται και από πύρωση, προκειμένου τα συσσωματώματα να αποκτήσουν μεγάλη αντοχή. Στην δεύτερη περίπτωση γίνεται λόγος για πυροσυσσωμάτωση. Η συσσωμάτωση γίνεται σε ειδικούς κεκλιμένους δίσκους ή σε περιστροφικά τύμπανα με την προσθήκη μπεντονίτη ή άλλων συνδετικών υλικών. Η πύρωση των συσσωματωμάτων γίνεται σε περιστροφικές ή φρεατώδεις καμίνους. Σε περιπτώσεις που το συμπύκνωμα διατίθεται ως έχει στην αγορά, όπως συμβαίνει με ορισμένα βιομηχανικά (μη μεταλλικά) ορυκτά, τότε μπορεί να γίνεται και συσκευασία σε σάκους. Μεταλλευτική Μεταλλεύματα Εξαγωγική μεταλλουργία Πυρομεταλλουργία Υδρομεταλλουργία Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Εργαστήριο Εμπλουτισμού των Μεταλλευμάτων. Πολυτεχνείο Κρήτης, Εργαστήριο Εμπλουτισμού. Society for Mining, Metallurgy and Exploration, USA (Αγγλικά). The Minerals, Metals and Materials Society, USA (Αγγλικά). Minerals Engineering International, περιοδικό και άλλες σχετικές πληροφορίες (Αγγλικά). International Journal of Mineral Processing, περιοδικό (Αγγλικά). Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, περιοδικό (Αγγλικά). European Journal of Mineral Processing and Environmental Protection, περιοδικό (Αγγλικά).