УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩЕГО МИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Устройство для обогащения золотосодержащего минерального материала
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к пирометаллургическим устройствам для извлечения дисперсного золота из труднообогатимого минерального материала.
Известны устройства для обогащения золотосодержащего минерального материала, содержащие отделитель дисперсного золота (патент RU №2413779, опубл. 10.03.2011 и патент RU №2541248, опубл. 10.02.2015).
Недостатком известных устройств является то, что их работа не обеспечивает укрупнение частиц золота при его небольшом содержании в руде.
-5
-3
з
Во время нагрева микронных капель золота, находящихся в порах минерального материала, существует разность температур на противоположных поверхностях капель ΔT, что обеспечивает неравенство поверхностных натяжений на торцах капель и их термокапиллярное движение. Даже при относительно небольшой величине ΔT=1 град силы поверхностного натяжения больше силы тяжести, и капли золота радиусом менее 10 м будут двигаться к поверхности твердого тела при нагреве внешним источником под влиянием термокапиллярного эффекта. Для более крупных капель сила тяжести больше капиллярных сил. Оценка скорости движения капель золота в капилляре по известному уравнению показывает, что скорость определяется в основном перепадом температур на менисках, а не их размерами. При ΔT=1 град. скорость движения капли будет заметной и имеет порядок 10 м/с. Поскольку поверхностное натяжение золота σ немонотонно убывает с ростом Т, капли золота, расположенные дальше от поверхности в том капилляре, будут двигаться быстрее находящихся в поверхностных слоях и могут их догнать. Однако, вероятность соприкосновения капель и последующая коагуляция при низком содержании золота в руде мала из-за значительных расстояний между частицами золота (2,1 мм при гипотетически равномерном распределении частиц радиусом 1 мкм по объему минерального материала и содержании 3 г/т). Это подтверждается опытами: капли золота, выделившиеся на поверхности образцов, имеют размеры исходных частиц, то есть их укрупнение не произошло. Итак, процесс термокапиллярного движения капель золота, предшествующий плавлению минерального сырья, в этом плане недостаточно эффективен, так как сопровождается укрупнением только непосредственно контактирующих в жидком состоянии частиц золота. Однако при развитии термокапиллярного эффекта в минеральном материале с небольшим содержанием золота вероятность такого контакта невысока.
Отсюда низкая эффективность укрупнения и последующего извлечения частиц золота из обработанного с помощью отмеченных устройств сырья, особенно при малом содержании золота в минеральном материале.
Технической задачей предлагаемого решения является увеличение размера частиц дисперсного золота за счет коагуляции капель золота в процессе всплывания, обеспечиваемого продувкой пузырьков газа через расплав золотосодержащей руды.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для обогащения золотосодержащего минерального материала, содержащее отделитель дисперсного золота, отличается тем, что оно включает термостойкую емкость с источником нагрева для расплавления этого материала, при этом в ее донной части смонтирован отделитель дисперсного золота, содержащий наклонную газопроницаемую огнеупорную капиллярную вставку, емкость, оснащенную патрубком для подачи в нее газа под давлением для обеспечения продувки расплава, карман для оседания частиц золота, шиберный затвор со сливным трубопроводом, а в горловине термостойкой емкости ниже уровня поверхности расплава установлены дозатор обогащенного расплава с отсекателем в виде шиберного затвора и наклонный желоб, причем дозатор расположен под уклоном в сторону отсекателя.
з
зщ
ш
х
у
ш
На фиг. 1 показана схема устройства для извлечения золота из труднообогатимого золотосодержащего материала, на фиг. 2 - фотография укрупненных частиц золота, выделенных из труднообогатимого минерального материала (крупные капли золота на поверхности расплавленного образца силикатно-карбонатной руды после нагрева до температуры 1300°С): 1 - капли золота; 2 - силикатный расплав; на фиг. 3 - схема сил межфазного натяжения, приводящая к всплыванию капель золота при продувке оксидного расплава газом: σ - межфазное натяжение на границе золото-газ; σ - межфазное натяжение на границе золото-шлак; σ - межфазное натяжение на границе шлак-газ; σ, σ, - проекции межфазного натяжения σ; θ - угол смачивания на границе золото-шлак
Устройство для извлечения золота из труднообогатимого золотосодержащего минерального материала содержит источник 1 нагрева до расплавленного состояния. Термостойкая емкость 2 для минерального материала включает вытянутую горловину 3, оснащенную дозатором 4 с подвижным отсекателем 5, выполненным в виде шиберного затвора. Дозатор 4 установлен ниже уровня поверхности 6 расплава горловины 3 и под уклоном в сторону подвижного отсекателя 5. Отсекатель в виде шиберного затвора 5 перекрывает желоб 7 для слива порции расплава материала. Донная часть термостойкой емкости 2 снабжена отделителем дисперсного золота, состоящим из емкости 8, патрубка 9 для подачи газа под газопроницаемую огнеупорную вставку 10 и оборудована шиберным затвором 11, сливным трубопроводом 12 и карманом 13.
Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.
Для извлечения высокодисперсного золота традиционными способами обогащения необходимо предварительно укрупнить его частицы. Экспериментально установлено, что эффективное укрупнение частиц золота происходит в жидком состоянии за счет коагуляции в процессе всплывания при продувке газом золотосодержащего расплава. В термостойкую емкость 2, помещенную в источник нагрева 1, загружается золотосодержащий материал. Включается источник нагрева и расплавляется материал. Количество минерального материала выбирается таким образом, чтобы уровень поверхности 6 образующегося расплава в горловине 3 емкости 2 находился выше дозатора 4. Через патрубок 9 отделителя дисперсного золота подается газ под давлением в емкость 8. Под действием перепада давления газ проходит через газопроницаемую огнеупорную капиллярную вставку 10 в расплав материала. Для возможного оседания частиц золота в кармане 13 огнеупорную капиллярную вставку 10 устанавливают наклонно. Происходит продувка расплава газом. Прекращение подачи газа и перекрывание горловины 3 дозатором 4 производится одновременно. Отсеченная дозатором 4 порция расплава, обогащенная в процессе всплывания укрупненными каплями золота, после открытия отсекателя 5 вытекает по наклонному желобу 7 в отдельную огнеупорную емкость для охлаждения и последующего отделения частиц золота от пустой породы. Оставшийся в термостойкой емкости 2 расплав, после открытия шиберного затвора 11, выпускают через сливной трубопровод 12 в огнеупорный тигель. Первую порцию этого расплава, концентрирующуюся в кармане 13, содержащую капли золота, смешивают с расплавом из дозатора 4 для извлечения золота.
Работа устройства базируется на следующих физических принципах и экспериментальных данных.
-4
Опыты проводили с силикатно-карбонатной золотосодержащей рудой, главными породообразующими минералами которой являлись: кальцит - 45,8%, кварц - 18,5%, доломит - 12,5%, плагиоклаз - 9,2%, мусковит - 5,9% и пирит - 3,6%. Основным ценным компонентом в руде является золото, его содержание 3,6·10% (мас.).
В изученной руде золото находится в тонкодисперсном виде (крупность от долей до 10 мкм), оно ассоциировано с пиритом и арсенопиритом, а так же заключено в кварце и минералах железа и не извлекается цианированием. Эта руда относится к упорным типам руд.
Установлено, что при температурах, превышающих температуру плавления золота и минерального сырья (1300°С) и выдержке в течение 10 мин., распределение частиц золота резко меняется по объему расплава. На поверхности образующегося оксидного расплава (шлака) наблюдали шарообразные выделения металла размером от 1 до 500 мкм и более, которых не было в пробе исходной руды (фиг. 2). В объеме расплава концентрация золота была минимальной. Поскольку золото практически не вступает в химические реакции с веществами иной природы, взаимодействие его атомов с ионами оксидного расплава будет небольшим, адгезия мала и угол смачивания 9 значительно больше 90 градусов. Поэтому с точки зрения уменьшения свободной энергии системы капельке золота выгодно меньше контактировать с оксидным расплавом и больше с газом, что и реализуется при выделении капель золота на поверхности расплава. Механизмом этого процесса является всплывание капелек золота, контактирующих с пузырьками газов, фиг. 3.
зш
з
ш
зш
з
ш
ш
2
2
2
При рассмотрении условия всплывания, обеспечивающего превышение сил межфазного натяжения над силой тяжести, анализируется одна компонента натяжения (фиг. 3) σ - на границе жидкость-газ, что, строго говоря, справедливо для границы твердое тело - жидкость - газ. При всплывании капель золота мы имеем две жидкости и газ. Тогда для равновесия на периметре смачивания необходимо, чтобы геометрическая сумма всех трех векторов натяжения (σ на границе золото-шлак, золото-газ σ, шлак-газ σ) была равна нулю. Радиусы кривизны верхней - на границе с газом и нижней поверхности - на границе с расплавом плавающей капли из-за разности капиллярных давлений будут неодинаковыми. Следует также учесть, что давление на нижней поверхности повышено по сравнению с давлением газа на величину гидростатического давления столбика оксидного расплава. В результате форма капли искажается. Чтобы записать условие всплывания, необходимо проанализировать абсолютные значения всех натяжений, перечисленных выше. В соответствии с известными данными имеем два больших натяжения σ=1450 мДж/м, σ=1100 мДж/м и одно маленькое σ=500 мДж/м. Треугольник натяжений в нашем случае получается остроугольным, а угол смачивания  близок к 140 градусам. Это означает, что излом поверхности капельки золота на трехфазной границе будет не столь большим, поверхность золото-газ не очень отличается от продолжения поверхности золото-оксидный расплав. Схема натяжений будет подобна случаю с твердым золотом (фиг. 3). Всплывание имеет место, если межфазное натяжение на границе шлак-газ σ, действующее по периметру смачивания, больше силы тяжести с учетом силы Архимеда. Тогда условие всплывания для шарообразных капель радиуса R запишется в виде:
Au
ш
ш
_
где ρ, ρ плотности золота и оксидного расплава (шлака), σ - межфазное натяжение на границе шлак-газ.
Уравнение (1) выполняется для капель золота радиусом R=1-100 мкм.
Капли золота будут всплывать вместе с пузырьками газа, если:
g
Au
где V, V - объем пузырька и капли золота соответственно.
Плотность золота примерно в 8 раз больше плотности оксидного расплава. Следовательно, радиус пузырьков должен, по крайней мере, в 2 раза превышать радиус всплывающих капелек золота. Изучение микрофотографий (фиг. 2) оксидного расплава после нагрева до температуры 1300°С показало присутствие пузырьков радиусом 750 мкм, что достаточно для всплывания крупных капель золота в соответствии с условием (1).
В процессе всплывания идет коагуляция капелек золота, так как их размеры на поверхности шлака после охлаждения значительно превышали исходные, достигая в ряде случаев R=500 мкм и более (фиг. 2). Если пробу исходной руды не продували газом, золото на поверхности расплава не обнаружено. Это указывает на определяющую роль всплывания капелек золота совместно с пузырьками газа для его выделения на поверхности расплава и коагуляции.
Таким образом, в процессе нагрева внешним источником дисперсные капли золота движутся к поверхности руды по порам под действием термокапиллярного давления. После расплавления минерального сырья они всплывают с пузырьками газов. В этот период идет коагуляция. В результате происходит концентрирование золота на поверхности образующегося оксидного расплава-шлака и укрупнение частиц до размеров, позволяющих извлекать частицы золота гравитационными и другими методами.
Работа устройства осуществлена в лабораторных условиях.
В качестве труднообогатимого минерального материала использовали силикатно-карбонатную золотосодержащую руду, характеристики которой приведены выше.
Для апробации работы устройства руду измельчали до крупности 25-50 мм. Измельченной рудой наполняли термостойкую емкость 2 из корунда вместимостью 2,5 л, помещенную в источник нагрева 1 - камерную печь. После нагрева печи до 1300°С и плавления минерального сырья уровень расплава в горловине 3 термостойкой емкости 2 доводили до уровня, превышающего подвижный дозатор 4. Для этого через технологическое отверстие в верхней части печи в термостойкую емкость 2 вносили необходимые добавки руды. Затем через патрубок 9 и газопроницаемую огнеупорную капиллярную вставку 10 в образовавшийся расплав подавали газ под давлением.
3
3
Режим продувки контролировали визуально через технологическое отверстие в верхней части печи. Продувку расплава осуществляли в течение 20 минут. После завершения продувки подвижным дозатором 4 перекрывали горловину 3 термостойкой емкости 2 и одновременно прекращали подачу газа. Отсеченная порция расплава объемом 200 см была обогащена укрупненными каплями золота. Затем открывали шиберный затвор 5 и сливали расплав через сливной желоб 7 в отдельную емкость для охлаждения и последующего отделения частиц золота от пустой породы. Оставшийся в термостойкой емкости 2 расплав, открыв шиберный затвор 11, выпускали через сливной трубопровод 12 в огнеупорный тигель. Первую порцию этого расплава, концентрирующуюся в кармане 13, содержащую капли золота, соединяли с порцией расплава объемом 200 см из дозатора 4 для извлечения золота.
После слива и кристаллизации расплава наличие частиц золота в полученном материале фиксировали с помощью оптического микроскопа Axio Image. На фиг. 2 приведена одна из фотографий укрупненных частиц золота, выделенных из труднообогатимого минерального сырья. Установлено, что на поверхности закристаллизовавшегося расплава наблюдаются шарообразные выделения золота размером 500 мкм и более, которых не было в пробах исходной руды.
Рассмотренный выше материал позволяет сделать вывод о промышленной применимости предложенного устройства для обогащения золотосодержащего минерального материала с использованием термокапиллярного эффекта и флотации для последующего извлечения золота из труднообогатимого золотосодержащего минерального сырья и техногенных образований.
Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение размера частиц дисперсного золота за счет коагуляции капель золота в процессе всплывания при продувке пузырьков газа через расплав золотосодержащего материала.