Теоритические предпосылки совершенствования и интенсификации процессов рудоподготовки и обогащения полезных ископаемых

СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО; ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

ПОСВЯЩА ЕТС Я ПАМЯТИ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОГО

29.0t.96 -2.02.96 г

АААБРАМОВ

Московский государственный горный университет

Теоретические предпосылки совершенствования и интенсификации процессов рудоподготовки и обогащения полезных ископаемых

Введение. Комплексность и экономическая эффективность использования минерального сырья, возможность освоения новых видов сырья (вторичного сырья, технологических растворов, продуктов металлургического и химического переделов и др.), обеспечения охраны окружающей среды при разработке полезных ископаемых (путем создания технологий с замкнутым водооборотом, безотходных технологий и т.д.) определяются эффективностью процессов обогащения полезных ископаемых.

К настоящему времени созданы новые эффективные технологии и высокопроизводительное обогатительное оборудование, позволяющие обеспечить высокую степень комплексного использования сырья. Однако, дальнейшее решение взаимосвязанных проблем более рационального использования природных ресурсов, экологии, энергетики и управления производством требуют качественно нового уровня техники и технологии переработки и обогащения минерального и других видов сырья. Это может быть достигнуто только на базе как уже имеющихся теоретических разработок, гипотез, теорий в области обогащения полезных ископаемых, так и путем использования последних достижений в области физики, химии, механики, теории управления и т.д.

Ниже приведены результаты анализа теоретических построений, пригодных для дальнейшего совершенствования и интенсификации процессов рудоподготовки и обогащения полезных ископаемых.

Процессы рудоподготовки. Теоретической базой резкого повышения эффективности раскрытия (разъединения) минералов из сростков при снижении энергоемкости, капитальных затарат и эксплуатационных расходов при этом является теория Орована-Гриффитса-Ребиндера-Ревнив-цева [1]. По данной теории избирательное раскрытие минералов из сростков должно включать стадии: концентрации дефектов кристаллических решеток соприкасающихся минералов на поверхности их контакта в сростке; образования в результате этого локальной концентрации напряжений и зародышевых микротрещин, развития и объединения их в магистральную макротрещину разрушения и, наконец, образование поверхности разрушения. Возможность раскрытия минералов из сростков именно по поверхности из срастания обусловлена наибольшей эффективностью этой зоны из-за различия параметров кристаллических решеток соприкасающихся минералов.

Чтобы обеспечить эффективность протекания стадий концентрации дефектов, образования микротрещин и развития их в магистральные макротрещины разрушения, составляющих процесс разупрочнения границ срастания минералов, необходимо соблюдение следующих принципов,

1. Необходимо, чтобы деформационные нагрузки носили растягивающий или сдвиговой характер. В зависимости от физических свойств минералов этот принцип может быть реализован несколькими способами:

• использованием чисто механических пульсирующих сжимающих нагрузок (например, всесторонним сжатием материала в рабочей зоне аппарата, изменением давления окружающей жидкой или газовой среды многократными ударами кусков друг о друга или о твердую поверхность и т.д.), если составляющие сросток минералы обладают различными упруго-пластическими свойствами;

• воздействием колебаниями различной частоты или энергией ударных волн, вызывающих растягивающие напряжения на границах зерен минералов, обладающих различной пропускной способностью по отношению к ним;

• термической обработкой материала, минералы которого значительно отличаются термическим коэффициентом объемного или линейного расширения (сжатия) или анизотропией тепловых свойств;

• обработкой электрическими, магнитными или электромагнитными полями, если компоненты кусков или зерен обладают различными свойствами, приводящими к селективному поглощению электромагнитных колебаний поля (явления электрострикции, магнитострик-ции, электрического пробоя по электропроводящим поверхностям И др.);

• другими приемами, основанными на использовании каких-либо специфических свойств минералов и текстурных особенностей того или иного полезного ископаемого.

2. Мощность энергетического воздействия на каждый кусок или полиминераль-ное зерно (независимо от вида энергии, вызывающей деформацию) должна быть достаточной для образования микротрещин на межзерновых границах, но не в объеме кристалла. Этого можно достигнуть, например, подвергая кусок многократному воздействию малыми импульсами энергии, вызывающими накопление необратимых напряжений на межзерновых границах.

3. Частота и скорость деформаций должны быть достаточно высокими, чтобы снизить потери энергии на пластическую деформацию материала. В то же время скорость деформации должна быть такой, чтобы края возникающей трещины находились под действием растягивающих напряжений достаточное время для диффузии в нее поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера) и проявления механохи-мического эффекта, интенсифицирующего развития микротрещин.

Непосредственный процесс разрушения предварительно разупрочненных зерен также должен осуществляться с соблюдением ряда принципов:

1. Уровень энергетических воздействий должен быть выше энергетических импульсов в процессе разупрочнения, но не превышать предела, при котором начинается разрушение самих кристаллов;

2. При необходимости особо высокой селективности раскрытия материал должен подвергаться постепенно нарастающему уровню энергетического воздействия (с выделением из процесса раскрытых зерен), поскольку прочность межзерновых границ для различных кусков всегда будет колебаться в определенном диапазоне.

3. Плотность энергии должна быть высокой, чтобы в каждой разрушенной частице создать необходимую концентрацию напряжений. При этом желательно, чтобы также же, как и при разупрочнении, это были, в основном, растягивающие и касательные напряжения, либо ударные импульсного характера со строго дозированной силой удара.

От степени реализации разработанных принципов избирательного раскрытия минералов из сростков будет зависеть эффективность разработанных принципиально новых конструкций электрогидравличе-ских и электроимпульсных дробилок ударного и взрывного действия, струйных, вибрационных, планетарных и центробежных мельниц, ударных мельниц самоизмельче-ния и мельниц с измельчением токами высокой частоты, дезинтеграторов ультразвукового действия и с использованием низкотемпературной плазменной технологии.

Предлагаемые новые методы дезинтеграции обеспечивают, как правило, кроме интергранулярного раскола, большую равномерность гранулометрического состава, повышение КПД и производительности аппаратов по свежеобразованной поверхности. Однако, они имеют в настоящее время, как правило, или более низкую производительность, или более высокую энергоемкость. Поэтому в будущем могут получить развитие двухступенчатые технологические схемы с предварительным получением грубых коллективных концентратов извлекаемых минералов после дробления и измельчения в обычных аппаратах в первой ступени и разделением грубого концентрата после измельчения в новых аппаратах - во второй ступени.

С позиций рассматриваемой теории избирательного раскрытия сростков минералов [1,2] повышение эффективности работы обычного дробильного оборудования может быть достигнуто увеличением числа качаний дробящего тела (конуса, щеки), совершенствованием профиля дробящей камеры, использованием инерционного привода и наложением вибрационного поля или иного поля малых импульсов энергетического воздействия на дробимый материал.

Повышение эффективности и удельной производительности шаровых и стержневых мельниц (на 30-70 %) достигается [2] за счет снижения крупности их питания, повышения пропускной способности, выявления оптимальной частоты вращения мельниц, оптимальной рационированной загрузки их измельчающими телами определенной формы и целесообразности химических добавок - понизителей прочности материала.

Увеличение степени раскрытия полезных минералов при минимальном переиз-мельчении их свободных зерен и минералов породы может быть достигнуто также [2]:

• переводом шаровых мельниц на не-катарактный режим работы при до-измельчении промпродуктов и концентратов;

• установкой флотоклассификато-ров, монокамер, флотоотсадочлых машин, гравитационных аппаратов в замкнутых циклах измельчения, осуществлением флотации песков гидроциклонов в машинах типа «Ским Эйр», с целью вывода из процесса раскрытых зерен полезных минералов;

• применением более эффективных грохотов и классифицирующих устройств в циклах дробления и измельчения.

Сущностью методов интенсификации и повышения эффективности грохочения является максимальное увеличение вероятности прохождения зерен необходимой крупности через отверстия просеивающей поверхности. Она достигается применением «активных» поверхностей за счет использования эластомеров, волнообразной установки сита (принцип «итЬгех»), применением сит с непосредственным возбуждением и сит, различные участки которых или сита одного грохота имеют различные параметры колебаний или различаются градиентом интенсивности колебаний. Гидравлические грохота с эластичной синтетической сеткой обеспечивают эффективное грохочение плотных пульп (60-65 % твердого). Использование грохотов тонкого грохочения в качестве классифицирующих аппаратов позволит снизить ошла-мование извлекаемых минералов, повысить точность разделения материала по крупности, улучшить качественные и количественные показатели как измельчи-тельных, так и обогатительных операций [2].

Совершенствование и повышение эффективности основных классифицирующих аппаратов в цикле измельчения - гидроциклонов осуществляется за счет спирального ввода питания, применения новых износостойких материалов (керамики, специальной резины, полиуретана и др.), применения насосов с регулируемой частотой вращения и систем автоматизации.

Эффективным направлением снижения затрат на дробление и измельчение в цикле рудоподготовки является реализация современной тенденции максимального разупрочнения горной массы при взрыве в процессе горных работ. Лучшие результаты достигаются при учете стратиграфических особенностей залегания рудных тел, оптимальном содержании газообразующих компонентов во взрывчатом веществе, соответствующем расположении взрывных скважин и расходе взрывчатого вещества [2], целью которых является обеспечение необходимых значений частоты, амплитуды, вектора и величины энергетических импульсов ударной волны, обеспечивающих эффективное разупрочнение отбиваемой горной массы.

Процессы обогащения полезных ископаемых. Особое значение среди них имеют основные методы: гравитационный, магнитный, электрический, радиометрический и флотационный.

Теоретической основой гравитационных процессов обогащения являются закономерности движения частиц в стесненных условиях под действием силы тяжести или центробежных (и центростремительных) сил и противодействующих сил сопротивления среды [3].

Решением уравнений движения частиц с учетом сил, действующих на них, и их взаимодействий можно теоретически оценить наиболее желательные значения гидродинамических параметров существующих процессов, а также возможную схему аппаратурного оформления нового гравитационного процесса. Применение теории случайных процессов позволяет в свою очередь установить распределение частиц по продуктам разделения, описать кинетику процесса и связать результаты обогащения с производительностью гравитационного аппарата [3].

Сущностью предлагаемых на основании результатов теоретических исследований направлений совершенствования, интенсификации и развития методов гравитационного обогащения является разруше-

ние или, наоборот, создание в разделительных зонах определенной структированно-сти суспензии с необходимым значением вязкости и плотности среды, В практических условиях это достигается: изменением конструктивных и тем самым гидравлических параметров гравитационных аппаратов (например, в центробежных аппаратах, спиральных, крутонаклонных сепараторах и др.); изменением свойств среды разделения применением определенных реагентов и материалов; регулированием интенсивности потоков и характера циклов в зоне разделения; наложением вибрационного поля или ультразвука. Применение вибрационного и ультразвукового воздействия повышает эффективность разделения при отсадке, концентрации на столах и разделении в тяжелых суспензиях. При этом создан ряд новых аппаратов: вибросепаратор, виброшлюз, виброконцентратор.

Изучение гидродинамики гравитационных процессов позволит разработать более эффективные процессы и аппараты, в первую очередь, для переработки и обогащения тонкозернистых материалов и шла-мов. Показана эффективность применения орбитальных колебаний в шлюзах и концентраторах, измененного шага спирали в винтовых, ребер в центробежных концентраторах и т.д.

Селективность и эффективность разделения материалов при магнитной сепарации возрастают с увеличением различия между их удельными магнитными восприимчивостями, однородности поля сепаратора по величине магнитной силы и уменьшением диапазона крупности зерен в исходном материале [4]. Поэтому практически разработка новых методов и машин для магнитной сепарации и повышение ее эффективности осуществляются за счет: увеличения разделительных сил (магнитных и центробежных); повышения напряженности магнитного поля; нейтрализации поверхностных сил, вызывающих адгезионную флокуляцию.

Для увеличения различия в удельной магнитной восприимчивости разделяемых минералов можно использовать предварительную магнитную обработку («подмаг-ничивание») исходного материала или электрохимическую (катодную) обработку пульпы перед ее магнитной сепарацией, не говоря уже о магнетизирующем обжиге исходной руды или материала.

Увеличение магнитной силы возможно как за счет разработки новых конструкций высокоградиентных сепараторов («магнитных фильтров»), так и за счет использования низко- и высокотемпературных сверхпроводников, позволяющих увеличить напряженность поля на порядок, расширить номенклатуру обогащаемых руд и материалов, повысить точность и эффективность разделения.

При магнитном обогащении сильномагнитных руд и материалов, кроме магнитной восприимчивости частиц, важную роль играют также их коэрцетивная сила, остаточная индукция, размагничивающий фактор. От их значений зависит как образование флокул в поле сепаратора или намагничивающего аппарата, так и степень их сохранения после удаления из поля [4]. Поэтому значительный интерес представляют собой предложенные новые конструкции струйного и электромагнитного сепаратора с демагнитизацией материала после каждой ступени, сепаратора с вращающимся двойным магнитным полем для сухого обогащения железной руды, электромагнитного гидроциклона с концентратором магнитного потока, позволяющего в 8-9 раз снизить напряженность магнитного поля при обогащении магнитных руд. Следует отметить, что наиболее успешные разработки характеризуются грамотным использованием гидродинамических закономерностей разделения частиц в магнитном поле.

При электрической сепарации в настоящее время используются главным образом различия в электропроводности (в электростатических, коронно-электрических и коронно-электростатических сепараторах), электризации (в трибоэлектри-

ческих и лневмоэлектрических сепараторах), диэлектрической проницаемости и при изменении температуры (в диэлектрических и пироэлектрических сепараторах). Сепарация на основе пьезоэлектрического и фотоэлектрического эффекта, униполярной проводимости и других электрических свойств является резервом практической реализации в будущем.

Повышение эффективности электрической сепарации достигается изменением электрических свойств поверхности разделяемых минералов в результате термических, трибоадгезионных, механических и радиационных воздействий, обработкой материала неорганическими и органическими реагентами, разработкой принципиально новых конструкций сепараторов, основанных на более эффективном использовании векторной диаграммы сил, действующих на частицы в электрическом поле сепараторов [5].

Максимальная контрастность электрических свойств разделяемых минералов может быть достигнута при этом [4]:

• селективной зарядкой выделяемых минералов при контактной электризации путем подбора соответствующих электризующих поверхностей;

• термической обработкой при 50-300°С с учетом оптимальной температуры нагрева для каждой пары разделяемых минералов;

• обработкой реагентами, сопровождающейся при их закреплении на поверхности минералов резким изменением концентрации свободных носителей электрического заряда и работы выхода электрона. Селективной физической сорбцией или хемосорбцией реагентов на одном из минералов можно добиться изменения не только величины, но и знака заряда, возникающего на нем при контактной электризации;

* радиационным воздействием, вызывающим активизацию примесных уровней и увеличение концентрации носителей зарядов в зоне проводимости минералов. Например, при облучении инфракрасными лучами (с длиной волны от 10~6 до 1,5 Ю"2 м и интенсивностью

0,7-0,9 В/см2) контактный заряд силикатных минералов увеличивается в несколько раз.

Повышенный интерес к развитию методов автоматической радиометрической сортировки кусковых и сепарации дробленых руд за рубежом и в России обусловлен появившейся в последние годы возможностью использовать для разделения минералов способность некоторых минералов лю-минисцировать, вступать в ядерные реакции, изменять интенсивность и конфигурацию электромагнитного поля, экранировать различные излучения и др. [1].

Из многих возможных эмисионно- и абсорбционно-радиометрических методов обогащения в настоящее время в промышленных условиях наиболее широко применяются авторадиометрический, фотонейт-ронный, рентгенорадиометрический, люминесцентный, фотометрический, гамма-абсорбционный и нейтронно-абсорбционный [6].

Совершенствование конструкций существующих сепараторов с учетом кри-сталло-химических особенностей и электронной структуры разделяемых минералов, наряду с расширением номенклатуры радиометрических сепараторов существенно расширит возможности комплексной переработки сырья и охраны окружающей среды, снизит себестоимость конечной продукции го рн о обогатительно го производства.

С применением флотации в настоящее время перерабатывают более 90% руд цветных металлов, значительную часть редких и благородных металлов, горнохимического и другого минерального сырья [7, 8].

Основными направлениями совершенствования и интенсификации процесса флотации являются оптимизация физикохимических и физико-механических условий флотации, автоматический контроль и регулирование физико-химического состояния пульпы и оборотных вод [8].

Сущностью проблемы совершенствования реагентных режимов и оптимизации физико-химических условий в циклах коллективной и селективной флотации является получение определенного соотношения химически закрепившегося и физически сорбированного собирателя на поверхности флотируемых и депрессируемых минералов за счет регулирования электронных переходов, состава продуктов и скорости взаимодействия реагентов на минеральной поверхности и в объеме пульпы Г7] .

За счет электрохимической, ультразвуковой, магнитной и радиационной обработки пульпы и реагентов, применения добавок аполярных масел, сочетания собирателей (например, ксантогенатов и аэрофлотов) с различной длиной углеводородных радикалов, регулирования окислительновосстановительного потенциала пульпы загрузкой реагентов- окислителей или реагентов-восстановителей, использованием азота вместо воздуха во флотомашинах, наложением внешнего электрического поля, подогревом пульпы, изменением продолжительности предварительной аэрации и концентрации кислорода в пульпе, регулированием ионного состава пульпы системами автоматизации и загрузкой ионообменных смол достигаются граничные условия существования только одной из форм сорбции на поверхности депрессируемых минералов и оптимальное количественное соотношение физической и химической форм сорбции собирателя на поверхности флотируемого минерала [8]. Теоретической основой решения проблемы оптимизации физико-химических условий флотации являются результаты термодинамических расчетов по разработанной нами специально для этих целей методике.

Результаты расчетов позволяют решать практические задачи: определения условий максимальной контрастности флотационных свойств разделяемых минералов; получения количественных физико-химических моделей процессов коллективной и селективной флотации; определения характера дополнительных реагентов-собирателей; определения характера необходимых воздействий на флотационную систему, оценки необходимости применения дополнительных активаторов и депрессоров и использования специфических реагентов для изменения электрохимических параметров разделяемых минералов; оценки взаимодействий при кондиционировании оборотных и очистки сточных вод [7].

Необходим синтез реагентов с учетом не только их химической активности, но и в зависимости от (конкретного случая) соответствия ионных радиусов полярной группы собирателя и катиона минерала, параметров кристаллических решеток собирателя и минерала, электронных структур собирателя и активных центров на минеральной поверхности, влияния электронных заместителей на активность реагента и его окислительно-восстановительные свойства, влияния строения молекулы гете-рополярных соединений на гидрофильногидрофобный баланс при их адсорбции на поверхности раздела фаз.

Теоретической базой решения проблемы оптимизации физико-механических условий флотации при разработке конструкций новых флотационных машин и аппаратов являются закономерности физической теории минерализации пузырьков при флотации. Использование их позволило создать такие аппараты, как машины пенной сепарации, пневматические аппараты с равнонаправленными потоками и ряд других перпективных аппаратов [8].

Теоретической основой решения проблемы контроля и автоматизации флотационного процесса являются детерминированные физико-химические модели, представляющие собой количественные зависимости между концентрациями реагентов в оптимальных условиях коллективной и селективной флотации.

Моделирование технологической схемы флотации должно базироваться на кинетических закономерностях процесса, получаемых при оптимальном соотношении концентраций в пульпе (в соответствии с физико-химической моделью), поддерживаемом системой автоматического регулирования, поскольку физико-меха-нические особенности флотационного оборудования являются практически постоянными. Теоретической базой для получения кинетических закономерностей процесса является уравнение кинетики флотации, где константа скорости флотации зависит от значения соотношения концентраций реагентов в пульпе [8].

Перспективы создания принципиально новых и радикальное совершенствование существующих обогатительных процессов и аппаратов базируется на использовании комбинации силовых полей и излучений: магнитного, электрического, центробежного, вибрационного, ультразвукового, радиационного, а также термического и химического воздействий для изменения свойств разделяющей среды и поверхности разделяемых частиц.

На основе комбинации, например, вибрационного и гравитационного полей создан ряд новых аппаратов: вибросепаратор, виброшлюз, виброконцентратор; применение высокочастотных вибраций повышает также эффективность отсадки, концентрации на столах, в аэросуспензии, при промывке и дезинтеграции; исследуется применение ультразвука в центробежном обогащении. В результате комбинирования магнитного, электрического и гравитационного силовых полей и воздействий созданы процессы и аппараты магнитогидродинамической (МГД) и магнитогидростатической (МГС) сепарации, позволяющие осуществить эффективное разделение минеральных частиц в широком диапазоне плотностей среды.

Установлена возможность создания новых процессов и аппаратов на основе комбинации электрического и гравитационного полей при разделении в тяжелых средах, гравитационного, магнитного или электрического и физико-химического полей при флотации, вибрационного и гравитационного полей при разделении в тяжелых суспензиях, магнитного и гравитационного при сгущении и обогащении и др.

Исследуется возможность использования пьезоэлектрических, диэлектрических и других свойств минералов для создания новых эффективных процессов и аппаратов для их разделения. Новые процессы разделения минералов разрабатываются как составная часть экологически чистой технологии переработки и обогащения полезных ископаемых.

Развитие и совершенствование процессов обезвоживания продуктов обогащения осуществляется как за счет увеличения удельной производительности оборудования, так и интенсификации процессов.

Интенсификация процессов сгущения достигается применением синтетических полимерных флокулянтов, магнитной и электрической обработкой пульпы, вызывающей коагуляцию минеральных суспензий, добавкой вспомогательных порошков, флокулирующих тонкие частицы за счет адгезии, магнитной флокуляцией на твердых магнитных частицах в переменном магнитном поле, аэрофлокуляцией и др. В особых случаях используются различные конструкции осадительных и фильтрующих центрифуг.

Для фильтрования сгущенного продукта используются, в основном, дисковые

фильтры и фильтр-прессы различных конструкций.

Интенсификация процесса фильтрования и снижения влажности осадка достигаются воздействием водяного пара, применением реагентов (обеспечивающих снижение вязкости жидкой фазы, гидрофоби-зацию поверхности частиц твердой фазы и т.д.), использованием физических воздействий на пульпу и осадок (электросмос и др.), новых конструкций секторов дисковых вакуум-фильтров из легких антикоррозийных материалов (в том числе из синтетических), пресс-фильтров типа «Ла-рокс» (Финляндия) илиКМП-22 (Россия), высоковакуумных насосов.

Заключение. Результаты анализа существующих теоретических разработок, гипотез и теорий разделения минералов в силовых полях свидетельствуют о наличии серьезной теоретической базы не только для дальнейшего совершенствоания и интенсификации, но и создания принципиально новых процессов переработки и обогащения различных типов минерального сырья, которые позволят снизить энергоемкость и себестоимость получения товарной продукции, повысить комплексность использования сырья, решить проблемы охраны окружающей среды горно-обогатительного производства, обеспечить народное хозяйство всеми необходимыми видами минерального сырья. Условием этого являются приоритетность развития техники и технологии переработки и обогащения полезных ископаемых в общей системе: горное дело - обогащение - металлургическое (химическое) производство.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамов А, А. Технологические свойства полезных ископаемых и подготовительные процессы их обогащения. М., Изд. МГГУ, 1987.

2. Абрамов А.А., Леонов С.Б. Обогащение руд цветных металлов. М., Недра, 1992.

3. Кизельватер Б.В. Теоретические основы гравитационных методов обогащения. М., Недра, 1979.

4. Абрамов А.А. Магнитные, электрические и физико-химические методы комплексной переработки и обогащения полезных ископаемых. М., Изд. МГГУ, 1989.