Исследование влияния предварительной концентрации на измельчаемость апатитсодержащих руд

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.4.61-67 УДК 622.73

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НА ИЗМЕЛЬЧАЕМОСТЬ АПАТИТСОДЕРЖАЩИХ РУД

С. А. Алексеева, С. В. Терещенко

ФГБУН Горный институт КНЦ РАН

Аннотация

В связи со снижением качества добываемых руд, вовлечением в эксплуатацию (переработку) бедных и забалансовых труднообогатимых руд становятся значимыми операции предварительного обогащения (предконцентрации), которые в первую очередь решают задачи выделения отвальных крупнокусковых хвостов. Включение в технологическую схему операции предконцентрации, как правило, оказывает влияние на свойства руды и ведет к повышению эффективности процессов рудоподготовки. Для апатитсодержащих руд проведены сравнительные исследования по оценке влияния на измельчаемость предварительного обогащения (руды) методом рентгенолюминесцентной сепарации. Проведен анализ полученных показателей измельчения — скорости измельчения и, удельной производительности по вновь образованному классу q, индекса чистой работы W. Показано, что использование предварительного обогащения позволяет улучшить вещественный состав руды и повысить эффективность процесса измельчения. Ключевые слова:

предварительная концентрация, рудоподготовка, измельчаемость, апатитсодержащая руда, удельная производительность, индекс чистой работы шарового измельчения.

STUDY OF IMPACT OF PRELIMINARY CONCENTRATION ON GRINDABILITY OF APATITE-CONTAINING ORES

Svetlana A. Alekseeva, Sergei V. Tereshchenko

Mining Institute of KSC RAS

Abstract

The decline in the quality of the ores mined and the involvement of low-grade unpayable ores into processing has led to increasing in importance of preliminary processing which primarily solves the problem of selecting dump large-coarse tailings. The use of a preconcentration operation, as a rule, affects the properties of the ore and leads to increase in the efficiency of the ore preparation processes. For apatite-containing ores, comparative studies have been carried out to assess the effect on the grindability of preliminary processing by the X-ray luminescence separation. The obtained indicators of grinding — the grinding rate u, the specific productivity of the newly formed class q and the net work index W, were analysed. It is shown that the use of preprocessing allows improving the material composition of the ore and increasing the efficiency of the grinding.

Keywords:

preconcentration, ore preparation, grindability, apatite-containing ore, specific productivity, net work index of ball grinding.

Введение

В недалекой перспективе минерально-сырьевая база Хибинского массива, вероятнее всего, будет характеризоваться продолжающимся истощением запасов крупных месторождений с относительно высоким содержанием полезных ископаемых. Такая ситуация обусловлена интенсивным освоением недр в предыдущие годы. Содержание основного полезного компонента Р2О5 в рудах, поступающих на обогатительные фабрики, снизилось с 25 % в начале разработки апатитовых руд до 12 % в настоящее время. Перспективные апатитовые месторождения Мурманской обл., на которых сосредоточено более 555,5 млн т основного полезного компонента Р2О5, в большинстве своем представлены бедными и убогими разновидностями апатитсодержащих руд [1].

Эффективность освоения месторождений полезных ископаемых во многом определяется разработкой и внедрением новых ресурсосберегающих технологий обогащения. При вовлечении в переработку бедных и забалансовых руд все более широкое применение находят технологии предварительного обогащения или, правильнее сказать, предварительной концентрации (предконцентрации) руд, которые позволяют добиться не только сокращения объема рудной массы, поступающей на обогатительную фабрику, но и повысить технологические показатели переработки за счет стабилизации качества минерального сырья. Кроме того, использование предконцентрации в определенной степени изменяет вещественный состав рудной массы, удаляя в хвосты пустые и слабоминерализованные породы*, что ведет к повышению эффективности дальнейших процессов дробления и измельчения, которые являются наиболее затратными технологическим операциями: на их долю приходится до 50-70 % от общих затрат на обогащение. В условиях современного ведения производства возможность снижения энергозатрат при рудоподготовке является весьма актуальной задачей [2, 3].

Материал и методика исследований

Объектами для исследования являлись две разновидности апатитсодержащей руды месторождения Партомчорр:

• проба 1, представленная бедной апатит-нефелиновой рудой с содержанием: апатита — 16,5 %, нефелина — 48,5 %, сфена — 6 %, титаномагнетита — 5 %;

• проба 2, представленная сфен-апатит-магнетитовой рудой с содержанием: апатита — 16,5 %, нефелина — 35,5 %, сфена — 15,5 %, титаномагнетита — 9,5 %.

Особенностью минерального состава руд данного месторождения является низкое содержание апатита и повышенное количество темноцветных минералов и нефелина. Предконцентрация рудной массы изучаемого месторождения осуществлялась посредством рентгенолюминесцентной сепарации, которая позволила выделить в крупнокусковые хвосты более 27 % пустых и слабоминерализованных пород, содержащих 1,8 % Р2О5, при этом в продукте, поступающем на обогащение, содержание пятиокиси фосфора повысилось в 1,3 раза (с 6,1 до 7,8 %) [4-6].

Для каждой разновидности руды измельчение проводилось на материалах исходных проб (1 и 2 исх.) и после их предконцентрации (1 и 2 обогащ.).

* Слабоминерализованные породы — это породы, содержание полезных компонентов в которых ниже бортового, принятого при добыче полезного ископаемого.

Определение измельчаемости проб проводилось в шаровой мельнице по методике института «Механобр», которая представляет собой имитацию замкнутого цикла и измельчение проб до различной крупности при одинаковом заполнении мельницы пульпой при постоянной циркулирующей нагрузке равной 200 % [7, 8].

По результатам экспериментов рассчитывались: удельная производительность по вновь образованному расчетному классу крупности q (кг/дм3ч) и индекс чистой работы шарового измельчения Щ ((кВт-ч/т)-мкм0'5) [9]:

М (В - а) 3600 ^ =- --,

а V-Т

ж _(N - Мхх ) Т (1 + С) ,|FЮ

где М — масса исходной навески, кг; а и в — содержание расчетного класса крупности в исходном и измельченном продукте соответственно, доли ед.; V — рабочий объем мельницы, дм3; Т — время измельчения, с; С — циркулирующая нагрузка, доли ед.; N и х — потребляемая мельницей мощность при измельчении и мощность холостого хода соответственно, кВт; Fs0 и Р80 — размер отверстий сит, через которые проходит 80 % питания и разгрузки мельницы соответственно, мкм.

Для сопоставления полученных результатов рассчитывался коэффициент относительной измельчаемости по расчетному классу [10]:

К = ^,

^

где qd и qdэ — удельная производительность по расчетному классу, достигнутая на испытуемой и эталонной руде, кг/дм3ч.

Сравнительные опыты по измельчамости для всех разновидностей исследуемых руд проводились до крупности -0,2 мм, т. е. для классификации материала разгрузки мельницы использовалось сито 0,2 мм. Такая крупность выбрана исходя из практики обогащения апатит-нефелиновых руд, где питанием апатитовой флотации является продукт с содержанием класса +0,16 мм — 20,6 %.

Замкнутый цикл измельчения имитировался путем возврата в процесс надрешетного продукта грохочения на выбранной сетке 0,2 мм с добавлением исходного материала до веса принятой навески. Периоды измельчения повторялись до тех пор, пока не устанавливалось равновесие, т. е. постоянство выхода вновь образованного продукта, времени измельчения за каждый цикл и относительной скорости измельчения (г/с) по вновь образованному продукту принятой крупности.

шм

Результаты и их обсуждение

В начале измельчения все пробы имели близкий гранулометрический состав, параметр F80 составил: для проб 1 исходной и 2 обогащенной — 3,8 мм; для 2 исходной — 3,9 мм, для 1 обогащенной — 3,95 мм (рис. 1).

Рис. 1. Исходный гранулометрический состав проб Fig. 1. Initial granulometric composition of samples

Ситовые характеристики готового продукта измельчения крупностью -0,2 мм для всех исследуемых проб получились близкими между собой: количество класса +0.16 мм составило 17,6-23,3 %, класса -0,07 мм — от 36 до 40 % (рис. 2, а).

Особый интерес представляют характеристики разгрузки мельницы (рис. 2, б): с одной стороны, наблюдается различие в гранулометрических составах обогащенных и исходных проб внутри одной разновидности руды: грансостав пробы 1 исх отличается от пробы 1 обогащ, а 2 исх — от 2 обогащ; с другой — отмечается близость характеристик между исходными и обогащенными продуктами различных разновидностей. Грансостав пробы 1 исх. близок 2 исх., а пробы 1 обогащ. — 2 обогащ.

а б

Рис. 2. Гранулометрический состав готового продукта измельчения (а) и разгрузки мельницы (б) исследуемых проб

Fig. 2. Granulometric composition of the final product of grinding (a) and unloading of mill (б) of the samples studied

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в процессе измельчения продукты четко разделились на исходные и обогащенные, что подтверждается как значениями Р80, составившими 0,8 и 0,6 мм соответственно, так и другими показателями измельчения — скоростью измельчения и, удельной производительностью по вновь образованному классу q, индексом чистой работы Wi (табл.). Для обогащенных проб наблюдается увеличение скорости измельчения и (для пробы 1 — с 2,9 до 3,6 г/с, для пробы 2 с 3,3 до 3,6 г/с), рост удельной производительности по вновь образованному классу q (проба 1 — с 0,7 до 0,9кг/дм3ч, проба 2 — с 0,8 до 0,9кг/дм3ч), снижение индекса чистой работы Wi (проба 1 — с 48 до 30(кВт ч/т) мкм0'5, проба 2 — с 44 до 31 (кВт ч/т) мкм0'5).

Сравнительные показатели измельчаемости исследуемых продуктов при работе шаровой мельницы 300^200 в замкнутом цикле

Comparative indices of grindability of samples studied during the work of ball mill of 300x200 in a close circle

Показатели Indicators Проба 1 исх Sample 1 orig Проба 1 обогащ Sample 1 enrich Проба 2 исх Sample 2 orig Проба 2 обогащ. Sample 2 enrich

Время измельчения в установившемся цикле Т, с Grinding time in steady state cycle T, s 312 255 295 265

Скорость измельчения и, г/с Grinding rate и, g/s 2,91 3,62 3,31 3,61

F80, мм 3,8 3,95 3,9 3,8

P80, мм 0,8 0,6 0,8 0,6

Удельная производительность по вновь образованному классу 0,2 мм q, (кг/дм3 •ч) Specific productivity of the newly formed class q, (kg/dm3 h) 0,698 0,868 0,795 0,893

Удельная производительность по вновь образованному классу 0,071 мм q, (кг/дм3 •ч) Specific productivity of the newly formed class q, (kg/dm3 h) 0,262 0,349 0,285 0,324

Индекс чистой работы шарового измельчения Wi, (кВт-ч/т)-мкм0,5 Net work index of ball grinding Wi, (kW-h/t)mkm°,5 47,56 29,85 43,52 30,74

80 70 * 60 I 50 | 40 1 30

I 20 ё

u 10

0

Рудная фракция

Уртиты

Ийолиты

Ювиты

Мельтейгиты

проба 1 исх проба 2 исх

1 обогащ проба 2 обогащ

Анализ полученных результатов проводился с использованием минералого-петрографических характеристик

исследуемых продуктов. В каждой пробе выделены основные группы составляющих их пород: апатит-нефелиновая руда (рудная фракция), уртиты, ийолиты; в незначительном количестве присутствуют ювиты и мельтейгиты (рис. 3). Обращает на себя внимание разница в петрографических составах исследуемых продуктов.

Наибольшее количество пород, которые характеризуются более высокими прочностными свойствами, это уртиты и ийолиты, содержится в пробе 1 исх, и их совокупное количество составляет 50 %; в пробе 2 исх. их количество меньше и составляет 38 %. В обогащенных пробах за счет вывода в крупнокусковые хвосты безапатитовой части этих пород доля уртитов и ийолитов снижается в 2-2,5 раза и составляет около 20 %. Соответственно количество рудной фракции увеличивается с 49 и 59 % в 1 и 2 исходных до практически 80 % — в обогащенных.

Становится очевидным факт, что в составе продуктов наиболее существенное влияние на показатели измельчения оказывает рудная фракция, при увеличении доли которой в общем объеме пробы скорость измельчения и и количество вновь образованного класса д0;2 возрастают, а затраты на измельчение уменьшаются (рис. 4). Следовательно, предконцентрация способствует изменению вещественного состава продукта, поступающего на обогащение и как, следствие, снижению его прочностных свойств и росту его показателей измельчения.

Рис. 3. Минералого-петрографические характеристики исследуемых проб

Fig. 3. Mineralogical and pétrographie features of the samples studied

qo,2 и

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

Wi

и

-••

qo,2

45 50 55 60 65 70 75

Содержание рудной фракции в продукте, %

50

Wi

40

30

20

10

80

Рис. 5. Зависимость показателей измельчения от количества рудной

фракции в продукте: qo,2 — удельная производительность по вновь образованному классу 0,2 мм, кг/дм3 •ч; и — скорость измельчения, г/с; Wi — индекс чистой работы шарового измельчения, (кВт-ч/т)-мкм0,5

Fig. 5. Dependence of indices of grinding on sample's ore component: qo,2 — specific productivity of the newly formed class 0,2 mm, kg/dm3 h; и — grinding rate, g/s; Wi — net work index of ball grinding!, (kW-h/t)-mkm0,5

Идентичные начальные петрографические и гранулометрические характеристики обогащенных проб 1 и 2 (представленные апатит-нефелиновой и сфен-апатит-магнетитовой рудными разновидностями соответственно) позволяют оценить влияние минерального состава на результаты измельчения. Показано, что значения показателей измельчения находятся в пределах статистической погрешности 1-3 % (табл.) и свидетельствуют о том, что различия в минеральном составе исследуемых разновидностей апатитсодержащих руд решающего значения на показатели измельчаемости не оказывают.

0

Выводы

Предконцентрация посредством рентгенолюминесцентной сепарации на начальной стадии переработки апатитсодержащих руд способствует увеличению содержания рудной фракции в общей массе сырья за счет сокращения доли наиболее крепких пород, переходящих в отвальные хвосты, что ведет к снижению прочностных свойств обогащенного продукта сепарации и повышению эффективности процесса его измельчения:

• удельная производительность мельницы по вновь образованному классу - 0,2 мм повышается в среднем на 25 % с 0,70 до 0,87-0,89 кг/дм3 ч;

• индекс чистой работы шарового измельчения W¡ уменьшается с 47,6 до 29,9-30,1 (кВт-ч/т)-мкм°'5 и характеризует сокращение энергозатрат на измельчение на 35 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Минерально-сырьевая база Мурманской области / Б. В. Афанасьев [и др.] // Минеральные ресурсы России. 1997. № 3. С. 10-22. 2. Чантурия В. А, Козлов А. П. Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья // Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья (Плаксинские чтения — 2017). Красноярск: Сибир. федер. ун-т, 2017. С. 3-6. 3. Вашлаев А. И., Брагин В. И. Прогноз эффективности предварительного радиометрического обогащения // Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья (Плаксинские чтения — 2017). Красноярск: Сибир. федер. ун-т, 2017. С. 125-128. 4. Оценка эффективности экологически сбалансированной технологии разработки месторождения стратегического сырья Партомчорр в Арктической зоне России / С. В. Лукичев [и др.] // Горн. журн. 2017. № 12. С. 57-62. 5. Оценка эффективности комплексной переработки бедных апатит-нефелиновых руд, содержащих редкие и редкоземельные металлы / Г. В. Митрофанова [и др.] // Цв. металлы. 2018. № 8. С. 7-12. 6. Развитие минерально-сырьевой базы обогатительной фабрики АО «СЗФК» с перспективой комплексного обогащения / Г. П. Андронов [и др.] // Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья (Плаксинские чтения — 2017). Красноярск: Сибир. федер. ун-т, 2017. С. 61-64. 7. Казеннов М. Н. Методы лабораторных исследований и оценки измельчаемости руд для определения производительности промышленных барабанных мельниц. М.: Цветметинформация, 1967. 63 с. 8. Вайсберг В. М. Эксплуатация дробильных и измельчительных установок: справ. пособие для рабочих. М.: Недра, 1989. 196 с. 9. Таранов В. А. Повышение эффективности рудоподготовки золотоизвлекательных фабрик на основе оптимизации технологических схем: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.13. СПб., 2016. 181 с. 10. Справочник по обогащению руд. Т. I. Подготовительные процессы / под ред. О. С. Богданова, В. А. Олевского. М.: Недра, 1972. С. 349.

Сведения об авторах

Алексеева Светлана Александровна — научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: alekseeva@goi.kolasc.net.ru

Терещенко Сергей Васильевич — доктор технических наук, заведующий лабораторией Горного

института КНЦ РАН

E-mail: tereshchenko@goi.kolasc.net.ru

Author Affiliation

Svetlana A. Alekseeva — Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: alekseeva@goi.kolasc.net.ru

Sergei V. Tereshchenko — Dr. Sci. (Engineering), Head of Laboratory of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: tereshchenko@goi.kolasc.net.ru

Библиографическое описание статьи

Алексеева, С. А. Исследование влияния предварительной концентрации на измельчаемость апатитсодержащих руд / С. А. Алексеева, С. В. Терещенко // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 4 (10). — С. 61-67.

Reference

Alekseeva Svetlana A., Tereshchenko Sergei V. Study of Impact of Preliminary Concentration on Grindability of Apatite-Containing Ores. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2018, vol. 4 (10), pp. 61-67 (In Russ.).