Развитие технологии переработки тонкодисперсного минерального сырья

© А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина, С.В. Никитин, 2009

А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина, С.В. Никитин

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТОНКОДИСПЕРСНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Обогащение тонкодисперсных рудных материалов, а также отходов, накопленных в различного вида техногенных месторождениях, проводится с применением разнообразных технологий, включающих флотацию, гравитацию, специальные и различного вида комбинированные схемы переработки руд.

Флотация является наиболее освоенным методом обогащения шламов. В результате её применения накоплен определённый опыт в технологии переработки тонких минеральных фракций оловянных, редкометальных, вольфрамовых и редкоземельных руд. В практике работы обогатительных фабрик в связи с этим применяются как отдельные процессы флотации (масляная, флотация на носителях, флокулярная, магнитная, элнектрофлотация, виброфлотация, ионная флотация и др.), так и большое количество комбинированных сочетаний как чисто обогатительных, так и обогатительно-металлургических процессов. Разработано и успешно применяется в промышленных условиях новое оборудование, предназначенное для повышения извлечения мелких и тонких минеральных частиц. Одновременно изучению процесса флотации тонкодисперсных материалов посвящается большое количество научно-исследо-вательских работ.

Большие возможности в повышении селективности действия флотореагентов и снижении их расхода открываются при использовании системы подачи реагентов (собирателей и депрессоров) в тонкодисперсном состоянии в виде эмульсий, гидрозолей и аэрозолей.

Хорошие перспективы повышения технологических показателей просматриваются при внедрении масляной флотации, селективной флокуляции, флотации на носителях и специальных видов флотации, связанных с получением в дисперсной системе большо-

го количества воздушных пузырьков малого размера и активизацией процесса выделения их на поверхности минеральных частиц [1, 2].

В процессе флотации мелких и тонких частиц отмечено положительное влияние ультразвуковой и вибрационной обработки пульпы.

На обогатительных фабриках получили широкое распространение в качестве аппаратурного оформления при ведении процессов селективной коагуляции и флотации мелких и тонких частиц различного вида колонные флотомашины с генераторами мелких воздушных пузырьков. Перспективны в промышленном использовании колонные машины с пульсационным аэратором. На ряде фабрик для флотации тонких частиц и очистки сточных вод нашли применение разнообразные конструкции флотационных устройств для электрофлотации.

Флотационный метод обогащения получает распространение при обогащении мелких и тонких частиц в производственных условиях, однако, анализ работы обогатительных фабрик показывает, что этот метод является малоэффективным из-за больших эксплуатационных затрат, связанных с особенностями флотации шламов. Аномальное поведение тонких частиц при флотации, связанное со значительным увеличением затрат на технологию их обогащения и конструирование новых обогатительных аппаратов, заключается в следующем:

- вследствие малого размера частицы относятся потоками пульпы от пузырьков воздуха и вероятность их закрепления мала;

- шламы имеют большую поверхность, поэтому обладают высокой поглотительной способностью флотореагентов. В результате

- концентрация реагентов в пульпе уменьшается и флотация нарушается, что особенно важно при использовании катионных реагентов;

- практически повсеместно наблюдается неселективная коагуляция и флокуляция шламов;

- в пульпе происходит налипание тонких частиц на более крупные вследствие химического взаимодействия, а также коагу-ляционно-флокуляционных явлений;

- большая поверхность шламов во много раз увеличивает растворимость и скорость растворения тонкодисперсных частиц, что в конечном итоге повышает концентрацию "неизбежных" ионов в

пульпе (т.е. меняет ионный состав пульпы) и приводит к ухудшению флотации;

- механический вынос в пенный слой шламовых частиц повышает её устойчивость, что ухудшает и селективность процесса и качество концентратов за счёт появления так называемой "плывуч-ки";

- особенности физических свойств мелких и тонких частиц при их разделении требуют конструирования новых обогатительных аппаратов.

Кроме перечисленного объективная необходимость тщательной очистки сточных вод от токсичных реагентов, дефицит реагентов, большая энергоёмкость процесса значительно снижают рентабельность производства.

Исследованиями рекомендованы некоторые мероприятия, позволяющие предотвратить потери при обогащении тонких минеральных частиц. Они, в основном, заключаются в следующем:

- предотвращение образования вторичных шламов за счёт применения многостадиальных развитых схем дробления, грохочения, измельчения, а также гидравлической и воздушной классификации;

- применение стадиального обогащения;

- установка обогатительных машин и аппаратов между дроблением и грохочением или измельчением и классификацией: отсадочных машин, гидравлических ловушек, шлюзов, флотомашин, электромагнитных сепараторов и др.;

- правильный выбор машин для дробления и классификации, а также повышение коэффициента полезного действия классифицирующих устройств;

- применение метода Глембоцкого В.А.: разделение пульпы на пески и шламы, раздельная обработка реагентами, объединение продуктов и совместная флотация;

- разделение пульпы на песковую и шламовую фракции и раздельная их обработка и флотация;

- обесшламливание пульпы, т.е. выделение шламов в голове процесса и направление их в отвал или переработка другим способом, например, гидрометаллургией;

- применение реагентов, устраняющих вредное влияние шла-мов, например, пептизаторов, предотвращающих коагуляцию тонких частиц;

- увеличение количества подаваемого воздуха во флотацию и уменьшение размеров пузырьков;

- разработка новых технологий и специальных конструкций флотомашин и устройств для обогащения мелких и тонких частиц.

Анализируя положение дел во флотации, можно отметить, что флотационное обогащение мелких и тонких частиц применимо для руд определённого минерального состава в условиях, обеспечивающих экологичность получения конечной продукции.

Гравитационное обогащение тонкодисперсных материалов не утратило своего значения и в ряде случаев оказывается наиболее технически целесообразным [3].

Одним из эффективных процессов гравитационного метода является отсадка, разделение и расслоение минералов при котором основаны на движении постели частиц, ритмически разжижаемой пульсирующей жидкостью в вертикальном направлении. Единой теории отсадки нет, однако существуют несколько теорий, раскрывающих те или иные стороны разделения минеральных частиц при использовании этого процесса. Наибольшее распространение получил классический метод разделения минералов, основанный на том, что эффективность отсадки определяется разницей между расстояниями, пройденными разделяемыми минеральными частицами в вертикальном направлении за определённый промежуток времени ^ достигающей максимума за время ^. С уменьшением крупности частиц уменьшается критическое время ^ и разница в расстояниях, прошедших частицами, что естественно приводит к уменьшению производительности.

Амплитуда колебаний потока жидкости в отсадочной машине определяется по эмпирической формуле

А = 0 6,

где d - максимальный размер частиц в исходном материале, мм.

Теоретические границы частоты колебаний определяются нижним пределом, связанным с необходимостью поддержания постели во взвешенном состоянии, и верхним, определяемым максимальным ускорением жидкости, равным ускорению свободного падения, при котором возрастают силы механического взаимодействия частиц и возникает общая циркуляция постели.

В гармоническом цикле величина ускорения

max 70 3

,Аю2 4

a =

где А - амплитуда колебаний жидкости; ю - круговая частота колебаний жидкости.

При отсутствии циркуляции постели атах < g получим

».x =jf

С учётом

(0,247g )05 dс

При уменьшении размера частиц уменьшается необходимая амплитуда и возрастает частота колебаний жидкости. Нижний предел крупности рудного материала ограничивается предельной частотой 5 с-1, превышение которой в настоящее время трудно осуществить. Имеются различные расчётные данные минимальных размеров частиц, которые возможно разделять при данной частоте. По Льюису диапазон крупности для обогащения отсадкой находится в пределах - 6 + 0,6 мм, что соответствует теоретическим данным, а по Джонсу этот же диапазон крупности находится в пределах от 2 мм 50 мкм. Нижний предел соответствует режиму просачивания в промежутках постели.

При отсадке проявляется общая закономерность - извлечение тонких частиц резко падает при уменьшении их крупности. По Замятину извлечение золота при уменьшении крупности частиц от 0,4 до 0,05 мм снижается с 90 до 10 %.Для мелких частиц происходит смена механизма их разделения, связанная с просачиванием разделяемого материала через промежутки постели, поэтому целесообразно использовать вероятностно-статистические модели разделения [4, 5]. При меньших размерах частиц крупностью менее 10 мкм скорость хаотического перемещения превышает скорость под действием сил тяжести и отсадка становится невозможной. Несмотря на это отсадку следует считать перспективным методом для обогащения мелких и тонких частиц, т.к. можно добиться псевдоукрупнения разделяемых минералов с 10 до 70 мкм при наложении центробежного поля интенсивностью 50 g [6]. Практическим подтверждением возможности использования центробежных отсадочных машин в промышленных условиях является практика в США и

Австралии, показавшая, что при обогащении в таких аппаратах исходного сырья крупностью 10 мкм возможно достигнуть производительности в несколько десятков тонн в час, что значительно превышает возможности центробежных сепараторов.

Существует большая область использования гравитации при разделении минералов на наклонных плоскостях в ламинарных потоках движущейся среды или на винтовых поверхностях. Снижение извлечения ценных компонентов, представленных частицами мелкого и тонкого размера, объясняется разрывом ламинарных потоков и появлением вертикальных пульсирующих скоростей, превышающих в 3 раза скорость потока. Эффективность работы таких аппаратов проявляется только в ламинарных потоках при обогащении материала узких классов по крупности и малой производительности. Эти условия в какой-то степени выдержаны в аппаратах Denver-Bukman, Mozley, Bartles-Mozley, встряхиваемых винтовых сепараторах, в шламовых концентрационных столах и концентраторах Дуплекс [2]. При этом ламинарное течение жидкости в открытых потоках возможно лишь при числе Рейнольдса Re = pvh /ц < 500, где р - плотность жидкости, V - скорость жидкости, h - глубина потока, ц - динамический коэффициент вязкости.

Скорость потока жидкости У^) по наклонной плоскости находится при решении уравнения Новье-Стокса и наличии поля тяжести [7]

V

2ц

где а - угол наклона слоя к горизонту; z - координата по толщине потока; при z = h получим максимальную скорость

max ^ 4 '

2 ц

Количество жидкости, протекающей в единицу времени через поперечное сечение, отнесённое к единице потока

В промышленных сепараторах типа Bartles-Mozlei толщина потока составляет около 0,5 мм. Скорость движения частиц пропорциональна их плотности и квадрату крупности. Минимальный размер частиц улавливаемых в аппаратах проточного типа, состав-

ляет около 3-5 мкм и определяется толщиной слоя текущей жидкости. При меньшей толщине в тонком слое не может поддерживаться внутренний градиент скорости и структура ламинарного потока разрушается.

Для повышения производительности аппаратов проточного типа сужающиеся шлюзы и конусы используют с наибольшей эффективностью при крупности - 0,5 + 0,05 м. При меньшей крупности результаты обогащения резко ухудшаются. Например, на конусе Рейхерта при крупности частиц 50 мкм извлечение ценных компонентов составляет 80 %, а при 20 мкм - менее 20 %. Причиной этого является турбулентность потока на выходе аппарата и перемешивание слоёв, что снижает качество разделения.

При увеличении толщины потока до размеров, превышающих 10 диаметров частиц, основную роль при разделении минералов начинает играть сила сдвига Багнольда, возникающая вследствие сдвига текущих слоёв жидкости, которая направлена вверх и по величине пропорциональна квадрату диаметра частицы и скорости потока. Для разделения мелких частиц требуется увеличение скорости движения жидкости, однако это приводит к турбулентности потока. По этой причине более эффективно использование различных вспомогательных устройств, что позволяет повысить извлечение при увеличении скорости сдвига. Этот принцип используется в производственных условиях при любой толщине движущегося слоя и даже при однослойном движении, равном диаметру частицы, например, в концентрационных столах за счёт возвратно-поступательных асимметричных движений, перпендикулярных потоку.

Другим тонкослойным аппаратом с использованием вспомогательного воздействия за счёт центробежных сил является винтовой сепаратор.

Разделение материалов узких классов по крупности может происходить и по принципу гидравлической классификации, но в этом случае необходимо уменьшать угол наклона плоскости разделения минералов и увеличивать её длину.

Возможности интенсификации процессов разделения минералов на наклонных плоскостях в настоящее время практически исчерпаны. С уменьшением крупности частиц ниже 20 мкм извлечение падает до 10-15 % и также резко снижается производительность аппаратов.

Fg ,

Известно использование волновых полей для интенсификации процессов разделения минералов. Исследованиями в этом направлении занимались А.Т. Воронов, В.А. Глембоцкий, А.И. Шульгин,

В.С. Ямщиков и другие. Большой объём экспериментальных исследований изложен в работах О.А. Баландина, В.Д. Казакова, А.Р. Верхотурова, С.П. Никитина, А.А. Лежнёва и других. Механизм разделения минеральных смесей в волновых полях детально изложен в работах [8, 9], в соответствии с которыми сила, действующая на частицу, пропорциональна площади её поперечного сечения и обусловлена радиационным или волновым давлением бегущей волны. Так как площадь поперечного сечения частицы пропорциональна г2, а её масса г3, то удельная сила, действующая на единицу массы определяется выражением 3рА 2а2 8рТг

где р - плотность жидкости; А - амплитуда волны; ю - круговая частота; рт - плотность твёрдого; г - радиус частицы.

Из уравнения следует, что удельная сила изменяется обратно пропорционально радиусу частицы.

Ускорение, полученное под действием сил волнового поля, сил тяжести и с учётом сопротивления среды определяется по формуле

3 А2а2

a=~р

8r

р

Анализ уравнения показывает, что более подвержены влиянию волнового поля мелкие лёгкие частицы. Для эффективного разделения минеральных смесей силы взаимодействия с волновым полем должны превышать силы вязкого сопротивления среды.

Таким образом, применение волновых полей различной частоты и интенсивности может являться перспективным направлением интенсификации разделения тонких минеральных частиц, т.к. интенсивность их взаимодействия с волновым полем, также как и с электрическим, с уменьшением крупности разделяемого материала возрастает.

Разделения мелких и тонких частиц в центробежных полях возможно и в промышленности находит применение. Основано оно на использовании явления гидравлического псевдоукрупнения за

счёт увеличения центростремительного ускорения до нескольких десятков g с верхней границей 100 g, однако, практически этот процесс можно реализовать только в случае отсутствия перемешивания частиц в зоне разделения.

Основная трудность при разработке конструкций центробежных сепараторов - это создать гидродинамические условия статического обогащения и обеспечить псевдостатический режим разделения. Существуют два типа аппаратов в зависимости от способа создания центробежных сил: циклоны и осадительные центрифуги. Анализ использования этих аппаратов показывают, что лучшие результаты получают при разделении узкоклассифицированного материала. Обосновано, что нижней границей экономически целесообразного обогащения тонких классов считается размер частиц для золотосодержащих руд 15 мкм, цветных и редких металлов 25-30 мкм. Возможно и разделение минеральных частиц крупностью менее 10 мкм, в этом случае требуется создание центробежных полей, превышающих по интенсивности поле тяжести в 50-100 раз [6]. Для разделения частиц размером менее 1 мкм ускорение необходимо довести до 500-1000 g.

В последнее время появились публикации о возможности использования нестационарного центробежного поля при разделении мелких и тонких частиц [10, 11].

Материалы, приведённые выше, показывают, что развитие технологии обогащения мелких и тонких частиц осуществляется как в направлении интенсификации существующих методов разделения минералов, так и изучения возможности развития новых подходов к решению этой проблемы, которая, как можно отметить, до настоящего времени не решена. Существенное повышение эффективности обогащения бедного сырья с низким содержанием и тонкой вкрапленностью ценных компонентов может быть достигнуто в большей степени при освоении новых нетрадиционных технологий.

--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барский Л.Н. К проблеме переработки шламов при обогащении / Л.Н. Барский, Э.А. Шрадер, Н.Г. Ягодкина // Физико-химические основы переработки минерального сырья. - М.: 1982. -250 с.

2. Флотация тонковкрапленных руд / Под редакцией В.А. Чантурия и В.К. Задорожного. - Л.: Наука, 1985. - 135 с.

3. Ревнивцев В.И. Перспективы развития физических методов обогащения полезных ископаемых / В.И. Ревнивцев // Новые физические методы обогащения полезных ископаемых. Сб. научных трудов. - Л.: 1984. - С. 3-12.

4. Кизельватер Б.В. Теоретические основы гравитационных процессов обогащения / Б.В. Кизельватер, Н.В. Карпенко. - М.: Недра, 1975. - 295 с.

5. Рафалес-Ламарка. К теории процесса отсадки / Рафалес-Ламарка // Известия вузов. Горный журнал. 1962. - № 10. - С. 171-177.

6. Богданович А.В. Разделение минеральных частиц в центробежных полях - обогатительная технология будущего / А.В. Богданович // Обогащение руд. -1997. - № 2. - С. 24-26.

7. Ландау Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Наука, 1986. - 730 с.

8. Акустическая технология в обогащении / Под ред. В.С. Ямщикова. - М.: Недра, 1986. - 340 с.

9. Баландин О.А. Движение материальной точки при наличии идеальной связи в виде бегущей волны / О.А. Баландин, А.В. Верхотуров// Управляемые механические системы. - Иркутск, 1991. - С. 86-88.

10. Фатьянов А.В. Технология интенсивной гравитации в переработке тонкодисперсных материалов / А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина // Экспресс - информация. - М.: Альтекс, 2002. - 33 с.

11. Фатьянов А.В. Пути повышения извлечения металлов из тонкодисперсных руд и продуктов обогащения с применением технологий интенсивной гравитации / А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина, С^. Никитин // Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: МГТУ, 2005. - Вып. 1. — С. 341-344. Н5Ы=1

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

Фатьянов А.В. - член. корр. РАЕН, доктор технических наук, профессор кафедры “Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья”, Никитина Л.Г. - кандидат технических наук, декан Г орного факультета Г орного института,

Никитин С.В. - кандидат технических наук, проректор,

Читинский государственный университет, root@chitgu.ru