Инновационные процессы в технологиях переработки минерального сырья сложного вещественного состава

В.А. Чантурия

ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ СЛОЖНОГО ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА *

Проведен анализ качества минерально-сырьевой базы России и зарубежных стран, показывающий, что получение готовой продукции конкурентоспособной как по технологическим, так и экологическим критериям на мировом рынке возможно только на основе создания и реализации прогрессивных технологий на базе последних достижений фундаментальных наук. Раскрыта суть современных инновационных процессов в технологиях комплексной и глубокой переработки минерального сырья сложного вещественного состава, разработанных в России.

Ключевые слова: переработка минерального сырья, минерально-сырьевая база, инновационные процессы, обогатимость руд.

~П настоящее время в мире насчитывается 166 горнодобы--Я-М вающих стран. Лидерами по количеству добываемых металлов являются США, Китай и Россия, занимающие соответственно 1-3 места, доля этих стран в общей добыче составляет 41%.

В целом на долю первой десятки горнодобывающих стран приходится 63.7% мирового объема добычи и переработки минерального сырья [2]. В том числе: 87.1% черных металлов, где лидирует Бразилия с 28.9% добычи; 61.1% цветных металлов, где лидирует Австралия с 31% добычи; 43.7% благородных металлов, где также лидирует Австралия с 11% добычи; 95% добычи алмазов, где лидирует Ботсвана с 27% и Россия с 20% (табл. 1).

Абсолютные цифры общего объема руды, поступающей на переработку, и количество обогатительных фабрик представлены в табл. 2. Всего в России насчитывается более 100 крупных горнообогатительных и горно-металлургических предприятий, перерабатывающих руды черных и цветных металлов, в состав которых входят 60 крупных карьеров, 75 рудников и 90 обогатительных фабрик.

*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований РФФИ Грант № 08-05-00228-а Таблица 1

Показатели удельных объемов добычи минерального сырья по странам в % от мировой добычи [2]

Объем добычи, % от мировой добычи

Страна минерального сырья руд цветных металлов руд благородных металлов руд черных металлов алмазов

Россия 9.7 4.7 4.7 6 20

США 15.8 1 8 4.3

Китай 15.4 8.1 7.3 7.6

Мексика 2 0.5 1.7 0.6

Австралия 5.7 31 11 24.5 5

Индия 4.4 3.8 0.3 9.3

Иран 2 0.2 0.2 0.5

ЮАР 2,3 0.5 3 3.8 15

Канада 3.4 1 7 2.5 7

Бразилия 3.1 10.3 0.4 28.9

Ангола 9

Намибия 6

Таблица 2

Объем руды, поступившей на обогатительные фабрики России

Вид сырья Годовой объем, млн. т Количество обогатительных фабрик

Железные руды 255.2 30

Руды цветных и редких металлов, в 62.8 52

том числе:

медные руды, 34 19

никелевые руды 23 8

Калийные руды 29 7

Апатитовые, фосфоритовые руды 59 5

Золотосодержащие руды 250 37

Алмазосодержащие руды 26 12

Уголь 120 42

Итого 802 185

Добыча угля в 2007 г. в России достигла 300 млн. т., в том числе подземным способом 118.7 млн. т на 104 шахтах и 181.3 млн. т открытым способом на 134 карьерах. Переработка 120 млн. т угля

осуществляется на 42 обогатительных фабриках. К 2015 г. предполагается 80% добываемого угля направлять на обогащение.

Россия является одной из крупнейших стран мира, обладающих мощной минерально-сырьевой базой. В стране открыто 20 тысяч месторождений полезных ископаемых, из них 40% введено в промышленное освоение. Минерально-сырьевой сектор России обеспечивает более 30% внутреннего валового продукта и около 70% валютных поступлений в бюджет страны.

Однако качество руд полезных ископаемых в России (медноцинковые, редкометаллические, оловянные, вольфрамовые, титановые, бокситовые и другие) существенно уступает зарубежным аналогам. За последние 20 лет содержание цветных металлов в рудах снизилось в 1.3-1.5 раза, железа и золота в 1.25 раза, доля труднообо-гатимых руд и угля возросла с 15 до 40%.

Получение готовой продукции конкурентоспособной как по технологическим, так и экологическим критериям на мировом рынке возможно только на основе создания и реализации прогрессивных технологий на базе последних достижений фундаментальных наук.

В последние годы основные исследования академических и отраслевых институтов и вузов были направлены на:

- разработку высокоэффективных, энергосберегающих методов и оборудования для интергранулярного разрушения горных пород и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов вплоть до микро - и наноразмеров;

- создание новых экологически безопасных процессов комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенных образований на основе комбинирования современных методов обогащения, пиро- и гидрометаллургии;

- разработку высокоэффективных нетрадиционных методов вскрытия упорных руд для переработки в процессах кучного и подземного выщелачивания;

- разработку технологии глубокого обогащения угля с получением зольности концентрата не более 2% и содержанием серы менее 1% с целью использования в качестве топлива вместо мазута;

- создание технологии глубокой переработки железосодержащих руд с получением высококачественных концентратов (более 70%) при минимальном содержании серы и фосфора;

- разработку высокоэффективной технологии переработки фосфорсодержащих, карбонатных марганцевых руд (Иркутская область, Мордовия, Урал) для частичной компенсации дефицита марганца в России;

- создание и внедрение новых процессов и аппаратов для повышения контрастности свойств минералов на основе энергетических воздействий;

- разработку экологически безопасных методов водоподго-товки, обеспечивающих эффективную переработку минерального сырья в условиях замкнутого водооборота.

Изучение минерального состава, вкрапленности частиц, их фазового состава осуществляется с помощью современных физических, физико-химических и химических методов исследования. Исследование природных структурных характеристик руд, минеральных агрегатов и раскрытых фаз во всех циклах переработки позволяют получать достоверную и полную информацию о технологических свойствах руд, оптимизировать процесс рудоподготовки и разделения минеральных компонентов и дать научно обоснованный прогноз обогащения природного и техногенного минерального сырья [6, 7].

При обогащении руд с низким содержанием ценных компонентов в схемах первичной обработки целесообразно использовать передел рудоподготовки как комплекс операций по обработке кусковой горной массы с целью превращения ее в один или несколько технологических типов кондиционной руды для последующего обогащения или непосредственного использования в качестве товарного продукта.

В настоящее время при переработке бедных руд и техногенного сырья наиболее перспективна рудоподготовка на основе радиометрических методов опробования, сортировки и сепарации. В этом случае все операции цикла строятся на единой основе - использовании в качестве критерия распознавания состава и разделения ядерно-физических свойств минерального вещества. В арсенале радиометрии имеются более 20 различных по физической основе способов (от гамма-излу-чений до радиоволн), из которых для каждой руды может быть подобран наиболее эффективный [5].

Изучение обогатимости руд цветных, черных, редких и благородных металлов, горно-химического сырья показало, что с помощью радиометрической сепарации можно: удалить от 20

Таблица 3

Результаты радиометрической сепарации руд

Тип руды Метод сепарации Число объек- тов Показатель контрастно-сти Выход хвостов, % Степень обога- щения

Медно-никелевые, золотосодержащие, кобальтовые Радиорезонанс- ный 14 40 7 т 50 1.9

Фотометрический 1 1.4—1.6 40 1.6

Вольфрамовые, молибденовые Рентгенорадио- метрический 13 0.6-1.0 35 1.45

Свинцово-цинковые, оловянные горнохимическое сырье Рентгенорадио- метрический, рентгенолюми- несцентный, нейтронно- абсорбционный 25 1.1—1.3 30 1.4

Редкометальные, апатит- магнетитовые, хромитовые Рентгенорадиометрический, рентгенолюминесцентный, ра-диорезонансный 21 0.6—1.0 20 1.3

до 50% отвального продукта, который может быть использован в качестве строительного материала; в 1.3-1.9 раза повысить содержание ценных компонентов в продуктах, поступающих на обогащение; снизить в 1.2—1.5 раза количество отходов и вовлечь в переработку забалансовые руды (табл. 3) [5]. Данная технология эффективно используется на предприятиях АК «АЛРОСА» при обогащении алмазов (рентгенолюминесценция), рекомендована при первичном обогащении золотосодержащих руд месторождения Сухой Лог (фотометрическая сепарация) и реализована еще на ряде объектов России. В процессах обогащения минерального сырья около 70% энергии расходуется на дробление и измельчение руды. Расход электроэнергии на процесс измельчения в зависимости от типа руд составляет от 20 до 60 кВтч/т. Причем в ряде случаев уменьшение крупности измельченного материала не приводит к повышению степени раскрытия минералов.

В настоящее время до 35-40% потерь ценных компонентов в процессах первичной переработки связано со сростками и 30-35% -с тонкими частицами (менее 40 мкм). Для того чтобы снизить эти потери при переработке тонковкрапленных руд без образования

сростков и одновременно без излишнего переизмельчения традиционные процессы дробления и измельчения в щековых, конусных дробилках и шаровых мельницах должны быть заменены процессом селективной дезинтеграции.

Физический смысл перехода к селективной дезинтеграции заключается в организации процесса таким образом, чтобы разрушение происходило не по случайным направлениям сжимающих усилий, а преимущественно по границам срастания минеральных зерен в результате развития по ним сдвиговых и растягивающих нагрузок. Эти способы реализованы в мельницах динамического са-моизмельчения, конусных инерционных дробилках, газоструйных и пружинных мельницах для сверхтонкого измельчения, разработанных ОАО «НПК «Механобр-техника» [1].

Для раскрытия тонковкрапленных минеральных комплексов (40 мкм) весьма перспективными являются немеханические способы разрушения, обеспечивающие дезинтеграцию по межфазовым границам за счет образования микротрещин и каналов пробоя [11].

Значительный интерес и большие финансовые вложения зарубежных фирм в данные технологии указывают на их большую перспективность при дезинтеграции тонковкрапленных минеральных комплексов (вплоть до наноразмеров).

Из вышеперечисленных методов дезинтеграции минерального сырья существенные преимущества имеет метод воздействия на золотосодержащие и полиметаллические руды мощными наносе-кундными электромагнитными импульсами (МЭМИ). Этот метод, разработанный УРАН ИПКОН РАН и ИРЭ РАН, позволяет наиболее рационально использовать электроэнергию (селективное разрушение происходит без нагрева руды) и достигать наибольшей полноты интергранулярного разрушения минеральных компонентов и, как следствие, максимального извлечения металлов (рис. 1-3) при наименьших затратах электроэнергии.

Проблема разделения минералов с близкими технологическими свойствами традиционно решается повышением селективности обогатительных процессов. Эти работы ведутся по нескольким направлениям: синтез флотационных реагентов направленного действия; создание высокоэффективных флотомашин для выделения крупных и тончайших частиц; применение высокоградиентных полей и магнитных систем с повышенной индукцией, а также электрических полей высокой напряженности в инертной газовой среде;

использование для разделения по плотности комбинированных воздействий с применением центробежного, магнитогидростатического, магнитогидродинамического и электрофизического эффектов [6].

Все изложенные направления имеют принципиальный характер для повышения эффективности обогатительных процессов, но последние подошли к пределу своих возможностей. Механическое обогащение - это разделение минералов без изменения их фазового и химического составов. Классические механические обогатительные процессы становятся бессильны при переработке руд с суб-микрозернистой структурой.

Наиболее кардинальным решением этой проблемы является переработка таких типов руд в условиях горнометаллургических комбинатов по технологическим схемам, предусматривающим, что в цикле обогащения в концентраты выделяют только легкоизвле-каемую часть ценных минералов, а нераскрытые минеральные агрегаты (в виде промежуточного продукта) направляют в металлургический цикл (рис. 4) [4, 6].

Новые методы рудоподготовки и переработки минерального сырья дают возможность свести к минимуму количество отходов, однако складирование хвостов за редким исключением является неизбежным.

В настоящее время на территории горнодобывающих предприятий России накоплено более 12 млрд. т отходов, содержание ценных компонентов в которых в ряде случаев превышает их содержание в разрабатываемых природных месторождениях. Так, содержание золота в хвостах обогащения россыпных месторождений и полиметаллических рудах прошлых лет разработки (20-30-летней давности) составляет от 0.5 до 1.5 г/т. Что касается повторной эксплуатации лежалых хвостов обогащения сульфидных руд (с целью извлечения цветных металлов), то в большинстве случаев схемы их переработки сложны, включают процессы гравитационного и флотационного обогащения, а также гидрометаллургии [8]. В связи с этим, по технико-экономическим показателям и качеству концентратов, они неконкурентоспособны со схемами переработки природного сырья. Экономически выгодно извлекать ценные компоненты из текущих хвостов обогащения.

Рис. 1. Эффекты электромагнитных импульсных воздействий на минеральные комплексы: а, б - электрический пробой; в - селективная дезинтеграция по границе срастания минералов вследствие локального импульсного нагрева

%

60

40

20

0

А

1  2  3

наночастицы металлов

Рис. 2. Прирост извлечения наночастиц металлов из отвальных пирротинсодержащих хвостов в результате МЭМИ: 1 - золото; 2 - платина, 3 - палладий

Существующие технологии освоения полезных ископаемых позволяют использовать лишь небольшую часть извлекаемой из недр ценной минеральной массы, а остальная часть образует отходы, которые по мере накопления и хранения становятся одним из наиболее мощных факторов антропогенных изменений окружающей среды. Из накопленных на территории России отходов три четверти (более 12 млрд. т) приходятся на горнодобывающие отрасли промышленности. В объемных показателях в черной и цветной металлургии отходы только горного производства в виде твердых горных пород составляют более 210 млн. м3 в год, а хвосты обогащения- 140 млн. м3. В угольной промышленности образуется в год более 650 млн. м3 вскрышных пород и отходов обогащения и 730 млн. м3 сточных вод.

Всего же ежегодно складируемых отходов по всем горнодобывающим отраслям достигает нескольких миллиардов кубометров. Поэтому проблема отходов горнопромышленного производства приобрела значение ключевого фактора для обеспечения экологической безопасности страны. Российская академия наук совместно с отраслевыми институтами, геологическими, горными и металлургическими производственными

(а) 2

20 -I-----т-------т-------,

0 12 3

-Л

Число импульсов ЛЛ10

Рис. 3. Влияние воздействия МЭМИ на извлечение золота цианированием из различного сырья: а - упорные руды месторождений Кючус

Горная масса

Строительное сырье р ^ Рудоподготовка

1 * г >'

Раскрытие минералов

Рис. 4. Принципиальная схема первичной переработки труднообогатимых руд

Закладочный \ материал

Отходы

Техногенные

месторождения

предприятиями проводит комплексные работы и на их базе осуществляет реализацию полученных результатов для решения проблемы сокращения, вторичного использования и переработки отходов горнопромышленного производства, а также устранения их негативного воздействия на природную среду.

Современная исходная научная позиция при решении данной научной проблемы состоит в том, чтобы рассматривать отходы освоения месторождений в виде новых ресурсов для поддержания производительного потенциала недр, а также изменения состояния последних в целях дальнейшего их использования путем закладки подземных пустот, создания техногенных ресурсов обедненного минерального сырья, экологически и технологически ориентированного управления фильтрационными, компрессионными и иными свойствами горных пород на определенных участках литосферы с целью придания этим участкам полезных качеств [10]. Вскрышные породы и отходы обогащения золотосодержащих руд и руд цветных металлов, как показывает зарубежная практика и отечественный опыт переработки забалансовых руд на предприятиях среднего машиностроения, наиболее эффективно и экономически выгодно перерабатывать методом кучного выщелачивания. Так, в США за последние годы половина прироста добычи золота получена за счет процесса кучного выщелачивания. Положительный опыт кучного выщелачивания золота из хвостов обогащения имеется и в России [3].

Проблема охраны окружающей среды также включает использование замкнутого водооборота. Переход от саморегулирующейся среды системы оборотного водоснабжения на систему с кондиционированием позволяет отказаться от сброса сточных вод и вместе с тем обеспечить стабильность технологического процесса за счет создания или поддержания оптимального ионного состава жидкой фазы.

В настоящее время очистка и кондиционирование оборотных вод обогатительных фабрик осуществляется с помощью химических реагентов, сорбционных, электродиализных и комбинированных методов с использованием в первичной стадии очистки природных сорбентов (высокопористых углей, цеолитов). Однако данные технологии позволяют осуществлять только очистку промышленных вод от взвесей и токсичных веществ и не обеспечивают регулирования их ионного состава с целью придания жидкой фазе пульпы оптимальных физико-хими-ческих свойств и последующего эффективного проведения того или иного технологического процесса разделения минералов.

В УРАН ИПКОН РАН в 80-е годы были разработаны научные основы, промышленные технологии и аппараты электрохимического метода водоподготовки [9], позволяющие без использования химических реагентов, за счет протекания реакций разложения воды на катоде и аноде, изменять цветность, окислительно-восстановительные свойства, ионный и газовый состав воды и, тем самым, регулировать ионный состав жидкой фазы пульпы и усиливать контрастность свойств минералов.

На рис. 5 приведена общая схема процессов, протекающих в электролизерах диафрагменного и бездиафрагменного типов.

Результаты промышленных испытаний данной технологии водо-подготовки на полиметаллических, шеелитовых, апатитовых, фосфоритовых, бокситовых и редкометалльных рудах подтвердили ее высокую эффективность: расход реагентов-собирателей и регуляторов среды снижается на 50% извлечение ценных компонентов в условиях замкнутого водооборота повышается на 5-10% Расход электроэнергии составляет 0.5-2 кВтч/м3 воды.

Создание и производство промышленных электрохимических кондиционеров воды (ЭКВ-50) и реализация электрохимической технологии водоподготовки в операциях пенной и липкостной сепарации обогащения алмазосодержащих кимберлитов в АК «АЛРОСА» позволили повысить извлечение алмазов на 15% и получить годовой экономический эффект 1.8 млрд. руб. [9]. На обогатительных фабриках АК «АЛРОСА» реализована электрохи-мическая технология водо-подготовки, обеспечивающая создание для каждого технологического процесса жидкой фазы с заданными физико-химическими свойствами пульпы (рН, Eh, ионный состав, концентрация взвесей), оптимальными для различных процессов сепарации алмазосодержащих кимберлитов [9] (рис. 6, 7).

Данный процесс так же может быть использован для получения гипохлорита из оборотных вод хвостохранилища обогатительной фабрики №3 АК «АЛРОСА» для обеззараживания сильноминерализованных коммунальных сточных вод. Использование оборотных вод хвостохранилищ позволяет увеличить сроки эксплуатации хвостохранилищ. Одновременно получение гипохлорита в процессе электролиза позволяет обеззараживать коммунальные стоки, что особенно актуально для решения экологических проблем современных городов (рис. 8).

кислым продукт электролиза

pH = 1,5 ъ 5,0 ЕМ = +500 ъ +1200 мВ С02 = 20ъ30 мг/л

pH = 10 ъ 13

ЕМ = -300 ъ - 900 мВ

С02 = 0,05 ъ 0,1 мг/л

проницаемая

диафрагма

Исходная водная система Электрохимический кондиционер воды диафрагменного типа

.ІЇТ*

щелочной продукт

электролиза

Ж

гЬ. '

_ -Н

Б04щ

Л1

Бй

Продукт электрохимической обработки

pH = 4,5 - 9,5

ЕМ = -600 ъ +1000 мВ

Со2 = 15 мг/л

1

Исходная водная система

Электрохимический кондиционер бездиафрагменного типа

Основные реакции на электродах: Катод: 2 Н2О + 2е ^ + 2 ОН-

2 Н+ + 2е ^ Н2Т Анод: 2 СІ- - 2е ^ СІ2Т

2 Н2О - 4е ^ 4 Н+ + 02Т 4 ОН" - 4е ^ 2Н2О + 02Т

Основные реакции на электродах: Катод: 2 Н2О + 2е ^ Н2Т + 2 ОН-2 Н+ + 2е ^ Н2Т Анод: 2 СІ- - 2е ^ СІ2Т

2 Н2О - 4е ^ 4 Н+ + О2Т 4 ОН- - 4е ^ 2Н2О + О2Т Fe0 - 2е ^ Fe2+; АІ0 - 3е ^ АІ3+; С + О2 ^ СО2Т

Рис. 5. Электрохимическая обработка оборотным вод: продукты электролиза

Рис. 7. Кристалл алмаза до обработки

Оборотные воды хвостохранилищ

Коммунальные сточные воды

2СГ - 2е" -> С12

Электролизер

для

получения гипохлорита

С12 + Н20 -> 2Н+ + СГ + СЮ'

У

Раствор

гипохлооип

/

гипохлорита

Обеззараженная вода

Рис. 8. Обеззараживание коммунальных сточных вод

Кислые подотвальные воды после электрохимической обработки использованы для выщелачивание ценных компонентов из окисленных руд, вскрышных пород и хвостов обогащения. Предварительная электрохимическая обработка подотвальной воды перед использованием в процессе выщелачивания медно-цинковой руды позволила в 7.6 раза повысить извлечение меди, при этом, более чем на порядок возросла скорость её выщелачивания (рис. 8).

В целом, техногенное сырье все более утверждается в качестве важного компонента минерально-сырьевой базы. Отечественная практика указывает на устойчиво высокую эффективность получения качественной продукции из отходов прошлых лет. При этом сокращение капитальных и эксплуатационных удельных затрат может достигать 20-30 и более процентов.

Таким образом, Россия в настоящее время располагает эффективными энергосберегающими технологиями комплексной и глубокой переработки труднообогатимых руд сложного вещественного состава и техногенного минерального сырья, что позволяет получать высококачественную готовую продукцию, конкурентоспособную на мировом рынке.

1. Вайсберг Л.А., Круппа П.И., Баранов В.Ф. Основные тенденции развития процессов дезинтеграции руд в XXI веке // Обогащение руд. 2002. № 3.

2. Пучков Л.А. Россия в горнодобывающем мире // Горный информационноаналитический бюлл. 2005. №5. С. 5-10.

3. Седельникова Г.В. Опыт применения кучного выщелачивания золота // Минеральные ресурсы России. 2001. №3.

4. Тарасов А.В., Бочаров В.А. Комбинированные технологии цветной металлургии, М. : Металлургия, 2001.

5. Татарников А.П. и др. Развитие покусковой сепарации полезных ископаемых // Цветные металлы. 1995. №8.

6. Чантурия В.А. Современные проблемы обогащения минерального сырья в России // Обогащение руд. 2000. №6.

7. Чантурия В.А., Башлыкова Т.В. Технологическая оценка минерального сырья с помощью автоматического анализа изображений // Горный вестн 1998. №1.

8. Чантурия В.А., Миненко В.Г., Лунин В.Д, Шадрунова И.В. и др. Электрохимическая технология водоподготовки в процессах флотации и выщелачивания Cu-Zn колчеданных руд // Цветные металлы. 2008. №9.

9. Чантурия В.А., Трофимова Э.А., Двойченкова Г.П. и др. Теория и практика применения электрохимического метода водоподготовки с целью интенсификации процессов обогащения алмазосодержащих кимберлитов // Горный журн. 2005. №4.

10. Чантурия В.А., Чаплыгин Н.Н., Вигдергауз В.Е. Ресурсосберегающие технологии переработки минерального сырья и охрана окружающей среды // Горный журн. 2007. №4.

11. Chanturya V.A., Bunin I.J., Lunin V.D. Non-traditional highly effective breaking-up technology for résistant gold-containing ores and beneficiation products // Proceed. of ХХПIMPC. Cape-Town. 2003. ЕШ

Chanturiya V.A

INNOVATED PROCESSES IN REFINEMENT TECHNOLOGIES FOR RAW MATERIALS OF COMPLEX MINERALS

Analysis of the quality of the mineral-ore base of Russia and foreign countries is carried out. It is shown that obtaining of the final products of competitive both with the technological and ecological criteria on the world market is possible only on the basis of creation and realization of advanced technologies based on the latest achievements of fundamental sciences. The essence of current innovation processes in the technologies of the complex and deep processing of the comprehensive mineral raw material that are developed in Russia is presented.

Key words: mineral processing, raw material base, innovated processes, ore preparation characteristics.

— Коротко об авторе ---------------------------

Чантурия В.А.- Учреждение Российской академии наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН