Раскрытие минералов при измельчении руды

УДК 541.1

А.Р. Смольяков

РАСКРЫТИЕ МИНЕРАЛОВ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ РУДЫ

Семинар № 25

Процесс рудоподготовки должен быть организован так, так, чтобы обеспечить раскрытие минералов при оптимальном измельчении руды. Р.О. Берт отмечает, что существует четкая, но часто неизвестная корреляция между размерами частиц в исходной руде и достигаемой степенью их раскрытия при измельчении. Обычно считают, что раскрытие минерала функционально связано с каким-либо косвенным показателем, например, с массовой долей характерного класса крупности. Для каждой руды массовую долю этого класса устанавливают путем проведения испытаний по измельчению руды на всё увеличивающихся по объему пробах от лабораторных, составляющих несколько килограммов, до промышленных, имеющих массу от нескольких сотен до нескольких тысяч тонн.

В то же время информация о степени измельчения руды, обеспечивающей эффективное раскрытие составляющих её минералов, содержится в исходной руде и может быть получена априори на первичном геологическом материале без проведения каких-либо экспериментов по измельчению руды и за очень короткое время. Попытки получить такую информацию из первичного геологического материала предпринимались неоднократно, начиная с работ А.М. Годена в 1939 году и до многочисленных современных исследований в этой об-

ласти рудоподготовки. Несмотря на применение разнообразных новейших методов исследования решение проблемы априорной оценки раскрытия минералов так и не было найдено. Причина такого положения заключается в том, что не были выявлены фундаментальные закономерности структурного строения минерального вещества, которые являются носителями важнейшей информации о технологических свойствах последнего.

Естественные ассоциации минералов друг с другом относятся к текстурно-структурным характеристикам руды и определяют состав и технологические свойства сростков и динамику раскрытия минералов при измельчении руды. В настоящее время разработаны обширные классификации текстур и структур руд. Большое разнообразие выделенных текстурно-структурных типов и подтипов, качественный характер их описания и отсутствие количественных характеристик не позволяют использовать их для реальной оценки технологических свойств руд и прогноза раскрытия минералов при измельчении руды.

Необходимыми составляющими информации о технологических свойствах руды являются характеристики вкрапленности рудных минералов, которые включают в себя типы минеральных ассоциаций, модальный и гранулометрический состав руды в целом и естественный гранулометриче-

Рис. 1. Первый тип вкрапленности - рудные и нерудные минералы срастаются по внешним границам зерен. Белое - кварц, черное - магнетит, серое - гематит. Руда Оленегорского ГОКа, класс —2+1 мм

Рис. 2. Второй тип вкрапленности - рудные минералы образуют вкрапления внутри зерен породообразующих минералов. Белое - кварц, черное - магнетит. Руда Лебединского ГОКа, класс -2+1 мм

ский состав минералов, геометрические и морфологические характеристики зерен минералов, а также конкретные структурные параметры, априорно характеризующие раскрытие рудных минералов. Все эти данные могут быть получены при исследовании первичного геологического материала с применением компьютерных систем анализа изображения.

Можно выделить следующие основные типы вкрапленности рудных минералов:

1. Рудные и нерудные минеральные индивиды срастаются только по внешним границам зерен (рис. 1);

2. Рудные минералы образуют вкрапления внутри зерен породообразующих минералов (рис. 2);

3. Рудный минерал образует вкрапления в других рудных минералах (рис. 3);

4. В зернах рудных минералов имеются вкрапления породообразующих минералов (рис. 4).

В конкретной руде могут проявляться все типы вкрапленности, но обычно преобладают первый и второй тип. Поскольку концентрация различных дефектов (нарушенные атомные связи, вакансии, дислокации, сегрегационные примеси, окисные пленки и т.д.) максимальна на межзе-ренных границах, то последние, соответственно, обладают наименьшей прочностью и зарождение микротрещин и разрушение руды на отдельные частицы происходит преимущественно по границам зерен.

Вследствие этого первый тип вкрапленности является наиболее благоприятным для раскрытия минеральных индивидов при измельчении руды.

Второй тип вкрапленности рудного минерала является более сложным для раскрытия, особенно если рудные выделения образуют вкрапления в

зернах породообразующих минералов, обладающих высокой прочностью и не имеющих спайности. При измельчении таких руд сначала происходит их разрушение по межзерен-ным границам породообразующих минералов с образованием значительного количества сростков рудных минералов с нерудными. При дальнейшем более тонком измельчении начинается разрушение вмещающих рудные вкрапления зерен породы с постепенным раскрытием рудных минералов.

Третий тип вкрапленности характерен для сульфидных и полиметаллических руд. Четвертый тип вкрапленности встречается постоянно в рудах разного типа и генезиса.

Таким образом, тип вкрапленности и характер ассоциации зерен минералов предопределяют эффективность раскрытия и вероятный состав и технологические свойства сростков, образующихся при измельчении руды.

Проведенные нами многочисленные исследования с применением метода анализа изображения закономерностей раскрытия рудных и породообразующих минералов в процессах рудоподготовки различных типов руд позволили установить, что каждый минерал имеет свой критерий раскрытия, определяемый из естественного гранулометрического состава минерала и названный нами структурным элементом раскрытия. Этот структурный элемент предопределяет крупность измельчения руды, при которой начинается и при которой заканчивается раскрытие минерала. Его значение заключено в диапазоне естественной крупности зерен раскрываемого минерала от максимальной длины зерен Ьтах до их среднеарифметической ширины Вт.

Таким образом, диапазон раскрытия руды по каждому минералу лежит

- блеклая руда

Рис. 3. Третий тип вкрапленности - рудные минералы образуют вкрапления в других рудных минералах

Рис. 4. Четвертый тип вкрапленности - нерудные минералы образуют вкрапления в рудных минералах

в интервале её измельчения от крупности Ьтах до конечной крупности, не превышающей Вт для данного минерала. Действительно, любая частица измельченной руды, размер которой превышает значение Ьтах для раскры-

ваемого минерала, может быть только его сростком с другими минералами. Первые раскрыпые зерна минерала могут появиться только при крупности частиц, не превышающей значение Ьтах. Это общее правило отно-

сится к любому раскрываемому минералу - и рудному, и породообразующему. Для агрегированных минералов верхний параметр структурного элемента раскрытия Ьтах соответствует размеру максимальной длины моно-минерального агрегата, получаемой из генеральной совокупности распределения мономинеральных агрегатов данного минерала по их длине.

Практически полное раскрытие любого минерала достигается при измельчении руды до крупности, не превышающей значение средней ширины зерен данного минерала, то есть до крупности -Вт . Теоретически это вполне понятно. Любая частица, содержащая зерно данного минерала, будет сростком, если ширина частицы превышает ширину входящего в неё минерала даже при одинаковых значениях длины частицы и зерна минерала. Факт практически полного раскрытия минералов при измельчении руды до крупности, соответствующей значению среднеарифметической их ширины, был экспериментально проверен на многочисленных типах руд разнообразного генезиса и минерального состава при различном естественном гранулометрическом составе руд и раскрываемых минералов и при содержании последних в руде от 50 % (магнетитовые кварциты) до нескольких граммов на (золотосодержащие руды).

Поскольку каждый минерал в руде имеет свои значения параметров Ьтах и Вт, то при измельчении руды первым начинает раскрываться минерал, имеющий наибольшее значение Ьтах, а последним раскрывается минерал с минимальным значением Вт , таким образом каждый минерал в руде имеет свой структурный элемент раскрытия Ьтах + Вт , то есть свой диапазон эффективного измельчения, что необходимо учитывать при проектиро-

вании процессов рудоподготовки и технологии обогащения руды.

Определяя с помощью анализатора изображения структурные параметры Ьтах и Вт для рудных и основных породообразующих минералов, можно построить последовательность начала и окончания раскрытия минералов при измельчении руды не проводя никаких технологических экспериментов! Такая информация, с учетом минерального состава руды и естественного гранулометрического состава минералов, позволяет не только априорно рассчитать оптимальную технологию рудоподготовки, но и определить возможность применения и варианты аппаратурного оформления наиболее эффективных процессов обогащения руды.

Следует иметь ввиду, что на любой стадии дробления или измельчения руды в классе +Ьтах конкретный минерал будет находиться только в сростках, а в классе -Вт он будет практически полностью раскрыт. Поэтому, во избежание переизмельчения минерала необходимо своевременно выводить раскрытый класс крупностью -Вт из процесса измельчения руды. Это относится к любому раскрываемому минералу в измельчаемой руде любого типа

Таким образом, значения параметров Ьтах и Вт , которые можно получить уже через 15-20 минут после начала минералого-структурного анализа шлифов руды на анализаторе изображения, позволяют арпоп определить оптимальную технологию измельчения и обогащения руды и задают диапазоны крупности измельчения, обеспечивающие необходимую степень раскрытия минералов без проведения каких-либо экспериментальных исследований, что позволяет получить значительную экономию материалов, сил, денежных средств и

Рис. 5. Зависимость раскрытия руды Лебединского месторождения по классам крупности от времени измельчения

времени и свести к минимуму потери ценных компонентов при обогащении минерального сырья за счет неоправданного переизмельчения руды или недостаточной степени раскрытия ценных компонентов.

Важным технологическим параметром, характеризующим эффективность процессов рудоподготовки и определяющим готовность руды к обогащению, является степень раскрытия К руды по извлекаемым минералам. Степень раскрытия руды по данному минералу определяется как отношение его массовой доли в раскрытых частицах к общему содержанию минерала. При проведении структурно-минералогического анализа раскрытие руды определяют путем подсчета в шлифах площади раскрытых Аг и площади всех зерен А анализируемого минерала

К = Аг /А , доли ед.

Для конкретного процесса измельчения (стержневая или шаровая мельница, самоизмельчение и т.д.) степень раскрытия руды определяется только её гранулометрическим составом. При этом в узких классах крупности степень раскрытия руды остается постоянной независимо от времени её измельчения (рис. 5, 6). Этот факт был установлен при исследованиях раскрытия руд разнообразного состава, типа и генезиса и при дезинтеграции руд с применением различного измельчающего оборудования.

Инвариантность раскрытия узких классов крупности от времени измельчения руды позволяет значительно сократить объем и время проведения исследований по раскрытию руд при их дезинтеграции. Для определения степени раскрытия руды необхо-

0,99 --

си

д 0,98 т р О

4 0,97

о

£ 0,95 < •  11

н 3 а

« 0,94

сЗ

0,93

0,92 -----------------------1----------------------1---------------------

0 15 30 45

Время измельчения, мин

• 0,2-0,1 мм й 0,1-0,08 мм ^^—0,08-0,05 мм

Рис. 6. Зависимость раскрытия руды Оленегорского месторождения по классам крупности от времени измельчения

димо только определить раскрытие минералов в узких классах крупности, полученных при дроблении или измельчении руды в течение всего нескольких минут. Раскрытие руды К при любом другом времени или способе измельчения определяют с учетом раскрытия узких классов крупности К и их выходов у,- :

К = (1/а) Г К = Г е !К!, доли ед.,

где а и Д — содержание анализируемого минерала в исходной исследуемой пробе и в /-том классе крупности, соответственно; е — извлечение минерала в /-класс.

При определении раскрытия руды все частицы анализируемого минерала условно делятся на два типа - раскрытые зерна и сростки. Однако образующиеся при измельчении руды

сростки отличаются друг от друга размером, минеральным составом и качеством. Качество сростка явля ет-ся важной технологической характеристикой и в значительной степени определяет возможность его извлечения в концентрат, промпродукт или хвосты.

Анализатор изображения обладает уникальной возможностью определять не только структурно-геометрические параметры отдельных зерен минералов, но и качество любого индивидуального сростка. Качество сростка определяют как объемную или массовую долю минерала в сростке. С помощью анализатора изображения объемное качество сростка О определяют как отношение площади сечения искомого минерала в сростке Д- к площади всего сростка Ад, то есть О = А/ / Ад.

Рис. 7. Примеры градации качества сростков магнетита (черное) икварца (белое), образующихся при измельчении железистых кварцитов Лебединского ГОКа

Качество сростков измеряют в долях единицы или в процентах. Распределение сростков по качеству удобно определять в диапазонах равномерной градации качества, например, в диапазоне 10 градаций качества (в %): 0 - 10, 10 - 20, 20 - 30, 30 -40, 40 - 50, 50 - 60, 60 - 70, 70 - 80, 80 - 90, 90 - 100. На рис. 7 показаны соответствующие градации качества сростков. Для большинства руд раскрытыми можно считать сростки, объемная доля рудного минерала в которых составляет 90 % и более. Сростки, содержание рудного в которых составляет менее 5 % , обычно не извлекаются механическими методами обогащения в концентрат или пром-

продукт и поэтому могут считаться отвальными хвостами.

Динамика раскрытия минерала при измельчении руды определяется не только его естественным гранулометрическим составом, но и типом вкрапленности минерала. Наиболее благоприятным для раскрытия минерала является первый тип вкрапленности (рис. 1), поскольку разрушение руды при дезинтеграции происходит в первую очередь по границам зерен минералов, что приводит к быстрому высвобождению ценного компонента.

На рис. 8 показана динамика раскрытия руды с первым типом вкрапленности рудного минерала (зависимость 1).

Размер частиц руды, мм

Рис. 8. Зависимость раскрытия от размера частиц измельченной руды: железистые кварциты Оленегорского

Размер частиц, мм

—•—Исходная ——15 мин —30 мин

Рнс. 9. Распределение зерен кварца в недробленой руде н частиц в продукте шаровой мельницы при измельчении 15 и 30 минут

я

5

Н

и

«

V

К

Ч

О

ч:

Размер частиц, мм

—•—Исходная а Стержневая  Шаровая

Рис. 10. Распределение зерен кварца в исходной недробленой руде и частиц в продуктах измельчения руды в промышленных стержневой и шаровой мельницах Оленегорскго ГОКа

Второй тип вкрапленности рудного минерала является достаточно сложным для раскрытия, особенно если он образует вкрапления в породообразующих минералах с высокой твердостью или вязкостью и не имеющих спайности, например в таких как кварц или хлорит. В этом случае процесс раскрытия минерала требует значительных затрат энергии на транскристаллитное разрушение вмещающих рудные зерна породообразующих минералов и приводит к образованию большого количества сложных сростков (рис. 8). Заметное раскрытие рудных зерен происходит только в классе крупности с размером частиц менее значения средней длины Ьт зерен рудного минерала, а заканчивается раскрытие при крупности

менее значения средней ширины его зерен Вт (зависимость 2 на рис. 8).

Третий тип вкрапленности рудного минерала (рис. 3) требует более тонкого измельчения руды, чем это необходимо для раскрытия рудных минералов-носителей. Поэтому при рациональном измельчении руды раскрываются в основном только наиболее крупные вкрапления, а тонков-крапленные частицы извлекаются в концентраты вместе с минералами-носителями. Динамика раскрытия минерала с таким типом вкрапленности близка к динамике раскрытия минерала со вторым типом вкрапленности (зависимость 3 на рис. 8).

Для многих руд наиболее характерны первый и второй типы вкрапленности и их сочетания в различных

соотношениях. В последнем случае динамика раскрытия рудного минерала характеризуется зависимостью, занимающей промежуточное положение между первым и вторым типом вкрапленности (зависимость 2 на рис. 8).

Четвертый тип вкрапленности (рис. 4) встречается реже других типов и в сочетании с ними, вследствие чего не оказывает заметного влияния на динамику раскрытия рудного минерала.

Естественный гранулометрический состав руды в значительной степени предопределяет гранулометрический состав продуктов ее измельчения. Так,

например, в железистых кварцитах гранулометрический состав зерен кварца, основного по содержанию минерала в руде, определяет гранулометрический состав продуктов измельчения. На рис. 9 и 10 показана тесная корреляция между размерами зерен кварца в руде и размерами частиц в продуктах измельчения последней. Такая взаимосвязь распределения размеров исходных зерен кварца и частиц в продуктах измельчения указывает также, что в процессах дезинтеграции разрушение руды происходит преимущественно по границам зерен минералов. ШИЗ

— Коротко об авторах----------------------------------------

Смольяков А.Р. - Московский государственный горный университет.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЭЙ ЛИН Формирование разобщенного месторождения для открытой геотехнологии на примере урановых отложений Союза Мьянма 25.00.16 25.00.22 к.т.н.