Технология обогащения полезных ископаемых

Оглавление

1 Цели и задачи обогащения П.И.

Обогащение полезных ископаемых (о. п. и.) это совокупность процессов первичной переработки твёрдого минерального сырья с целью выделения продуктов, пригодных для дальнейшей технически возможной и экономически целесообразной химической или металлургической переработки или использования. К О. п. и. относятся процессы, в которых происходит разделение минералов без изменения их химического состава, структуры или агрегатного состояния. Эти процессы всё в большей степени сочетаются с гидрометаллургией и химической переработкой (комбинированные схемы).

В подавляющем большинстве случаев из природных руд и углей экономически невыгодно, а часто и технически невозможно непосредственно извлекать полезные компоненты. Важность О. п. и. определяется тем, что металлургические, химические и др. промышленные процессы основаны на переработке обогащенных полезными компонентами продуктов ‒ концентратов. Например, содержание Pb в рудах обычно меньше 1,5%, тогда как по условиям металлургической плавки оно должно составлять 30 ‒ 70%. Ещё больше разрыв у руд редких металлов. Например, содержание Mo в рудах не превышает десятых долей процента, а металлургия требует 40 ‒ 50%, да ещё при очень малом включении вредных примесей ‒ As, Cu и др., что в природе не встречается.

             В результате О. п. и. получается  два основных продукта: Концентрат  и хвосты. В некоторых случаях (например, при обогащении асбеста  или антрацита) концентраты отличаются  от хвостов в основном крупностью  минеральных частиц. Если в руде  содержится ряд полезных компонентов, то из неё получают несколько  концентратов. Например, при обогащении  полиметаллических руд, содержащих  минералы Pb, Zn, Cu и S, получают соответственно  свинцовый, цинковый, медный и серный  концентраты. Возможно также получение  концентратов различных сортов. В ряде случаев получают комплексные концентраты, например медно-золотые или никель-кобальтовые, компоненты которых разделяются уже в металлургическом процессе.

             В большинстве случаев вследствие  очень тонкого взаимного срастания  минералов в концентратах присутствует  небольшое количество примесей, а в хвостах ‒ полезных минералов. О. п. и. характеризуется двумя основными показателями: содержанием в концентрате полезного компонента и его извлечением (в процентах). При О. п. и. из руд извлекают до 92 ‒ 95% полезных компонентов. При этом их концентрация возрастает в десятки и сотни раз. Например, из молибденовых руд с содержанием 0,1% Mo получают 50%-ные концентраты.

О. п. и. осуществляется с помощью ряда последовательных операций, составляющих схему обогащения. Вначале производится дробление и измельчение исходного материала с целью доведения его до размеров, пригодных для существующих обогатительных процессов и аппаратов, а также для разделения сростков и образования частиц индивидуальных минералов. Дробление и измельчение осуществляется в несколько стадий, между которыми может производиться выделение готового продукта для уменьшения ненужного переизмельчения. Для дробления применяются дробилки, доводящие материал до крупности 20 ‒ 30 мм. Тонкое измельчение осуществляется в Мельницах. Выделение продуктов нужной крупности производится с помощью Грохотов для крупных зёрен и Классификаторов для мелких зёрен.

Собственно обогащение осуществляется с использованием различных физических и физико-химических свойств минералов.

 Чисто внешние различия, например в цвете и блеске  разделяемых кусков, используются  для рудоразборки с помощью  автоматических аппаратов. Различие  в естественной и наведённой  радиоактивности минералов положено  в основу радиометрического обогащения. При разной плотности разделяемых минералов применяются многообразные методы гравитационного обогащения, использующие различие в скорости движения частиц в водной или воздушной среде под действием гравитационных или центробежных сил. К этим методам относятся: Отсадка, обогащение в тяжёлых суспензиях, концентрация на столах, обогащение на Шлюзах. Различие в физико-химических свойствах поверхности разделяемых минералов лежит в основе флотационного метода обогащения. Если минералы обладают различной магнитной восприимчивостью, то их разделяют магнитной сепарацией. При различии в электрических свойствах (электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, способности заряжаться при трении) минералы разделяют электрической сепарацией.

Если руды содержат минералы, изменяющиеся при высокой температуре, например выделяющие кристаллизационную воду, CO2, меняющие магнитную восприимчивость, плотность, растрескивающиеся и т.п., то их можно подготовить к последующему обогащению посредством Обжига. В ряде случаев обжиг применяется и для удаления вредных примесей. Различие зёрен по крупности, форме, хрупкости и коэффициент трения позволяет разделить их по этим признакам. Однако такие процессы менее эффективны. Наибольшее распространение имеют гравитационный и флотационный методы.

Все перечисленные методы О. п. и. применяются каждый в отдельности и в разных сочетаниях. При наличии в полезном ископаемом загрязняющих примесей (главным образом глинистых) в схему обогащения включают промывку. Полученные в результате применения мокрых методов О. п. и. концентраты подвергаются обезвоживанию. Крупнозернистые продукты обычно обезвоживаются на грохотах и дренированием с последующей сушкой. Мелкозернистые продукты вначале сгущают, затем фильтруют и сушат.

Разнообразие видов и минералого-петрографических характеристик полезных ископаемых почти полностью исключает возможность применения однотипных схем и режимов О. п. и. В каждом случае рациональный вариант устанавливается на основе лабораторных и полупромышленных исследований на Обогатимость.

Главные направления развития О. п. и.: совершенствование отдельных процессов обогащения и применение комбинированных схем с целью максимального повышения качества концентратов; увеличение производительности отдельных предприятий путём интенсификации процессов и укрупнения оборудования; комплексность использования полезных ископаемых с извлечением из них всех ценных компонентов и утилизацией отходов (чаще всего для производства строительных материалов); максимальная автоматизация производства. Одна из важных задач — сведение к минимуму загрязнения окружающей среды за счёт использования оборотной воды и более широкое применение сухих методов обогащения. Масштаб использования полезных ископаемых непрерывно возрастает, а их качество систематически ухудшается. Снижается содержание в рудах полезных минералов, ухудшается их обогатимость, возрастает зольность углей. Всё это предопределяет дальнейшее увеличение роли О. п. и. в промышленности[1]. 
2 Рентгенолюминесцентная сепарация

Рентгенолюминесцентная сепарация ‒ процесс, использующий способность алмазов избирательно светиться в рентгеновских лучах – эффективна при незначительном содержании люминесцирующих минералов пустой породы, а также при отсутствии в обогащаемом материале алмазов сорта карбонадо и слабосветящихся кристаллов. При обработке этим способом алмазов мельче 1 мм степень извлечения очень низкая, а производительность аппаратов мала.

Процесс извлечения алмазов из породы условно разделяется на три этапа: рудоподготовку, обогащение и сепарацию. В процессе рудоподготовки кимберлит измельчается и рассевается на необходимые классы крупности. На этапе обогащения происходит разделение минералов по плотности за счет сил гравитации в специальных отсадочных машинах или гидроциклонах. Основная цель этого процесса – удалить из измельченной руды так называемую «легкую» фракцию. Полученный после такого разделения концентрат – «тяжелая» фракция – состоит из ряда минералов с плотностью, как правило, более 3,0 г/см3. В ней же оказываются и алмазы, плотность которых составляет 3,5 г/см3.

Далее тяжелая фракция поступает в рентгенолюминесцентные сепараторы, где происходит извлечение алмазов. Метод рентгенолюминесцентной сепарации является основным технологическим процессом в алмазодобывающей индустрии. Этим методом выделяется до 95% всех алмазов и 100% кристаллов крупнее 6 мм. В промышленном масштабе автоматические рентгенолюминесцентные сепараторы впервые были применены в АК «АЛРОСА». Ныне этот метод широко используется на обогатительных фабриках России, ЮАР и в ряде других стран с развитой алмазодобывающей промышленностью.

Рентгенолюминесцентный сепаратор (рис. 1) – сложный высокоавтоматизированный прибор, схема устройства которого показана на рис. 2.

Любой рентгенолюминесцентный сепаратор в целом можно подразделить на три основные блока: механический (А), состоящий из системы транспортировки материала и его отсечки; электронный (Б), включающий в себя систему усиления и обработки сигнала, а также систему принятия решений; блок управления транспортной системой и отсекателями (В). В устройство сепаратора входят также источники электропитания фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и рентгеновских трубок (РТ), блоки стабилизации высокого напряжения на ФЭУ и РТ. Область проявления физических эффектов, играющих главную роль при сепарации, выделена на рис. 2 красным цветом. Они не воплощены в конкретном материальном блоке, но их значение первостепенное – в исследуемом кристалле происходит преобразование энергии излучения рентгеновского диапазона в излучение оптического спектра (люминесценцию).

Люминесценция характеризуется, прежде всего, цветом свечения. Зрительно мы ощущаем только оптическое (электромагнитное) излучение диапазона 380- 770 нм, который поэтому и называется видимым. Диапазон с длинами волн от 380 до 10 нм – ультрафиолетовый, а от 770 нм до 1 мм – инфракрасный. Оптическое излучение этих двух диапазонов мы не видим, но можем регистрировать приборами. Для измерений используются спектрометры. Эти приборы способны различать свечение в узких диапазонах оптического спектра. Напомним, что в синем свете доминируют компоненты излучения с длинами волн 400-450 нм, в зеленом диапазоне – 450-550 нм, в красном – 550-650 нм. В белом свете в равных пропорциях присутствуют синие, зеленые и красные компоненты.

В зависимости от источников возбуждающего излучения люминесценция подразделяется на рентгенолюминесценцию (РЛ) и фотолюминесценцию (ФЛ). Главное их отличие заключается в физических процессах, происходящих при возбуждении и испускании свечения.

Рентгенолюминесценция алмазов является рекомбинационным процессом и в большей мере характеризует кристаллическую структуру вещества. Для спектра РЛ алмаза характерна так называемая А-полоса свечения – широкий бесструктурный участок спектра в диапазоне длин волн от 330 до 600 нм с максимумом около 460 нм, визуально воспринимаемый как голубое свечение. Оно вызывается рентгеновским и гамма-излучением. Именно на возбуждении А-полосы люминесценции рентгеновскими лучами с последующей регистрацией исходящего свечения фотоэлектронными умножителями и основана рентгенолюминесцентная сепарация.

Характеристика голубой полосы А-люминесценции в природных и синтетических алмазах при возбуждении ее электромагнитным излучением и заряженными частицами с энергией, близкой к энергии края фундаментального поглощения, исследовалась П. Дином. Показано, что А-полоса эффективно вызывается электронами с энергией более 500 эВ во всех исследованных образцах. Изучение влияния электрического и магнитного полей на вариации люминесценции позволило предположить, что излучение определяется наличием в алмазах определенного вида дефектов, являющихся центрами электронно-дырочной рекомбинации. В работе П. Дина и Дж. Мейла, которая является логическим продолжением предыдущей, на основе анализа процессов разгорания и затухания рентгенолюминесценции (кинетические характеристики) отмечено, что имеются, по крайней мере, два компонента свечения, отличающиеся постоянной времени затухания – «быстрый» (< 1 мс) и «медленный» (> 50 мс). Данная работа подтвердила предположение, что процесс высвечивания А-полосы является рекомбинацией донорно-акцепторных пар. Последующие работы Е.Ф. Мартыновича и его коллег показали, что сложная кинетика высвечивания А-полосы объясняется двухстадиальностью процесса. На основе исследований кинетических характеристик рентгенолюминесценции алмазов разработана серия сепараторов повышенной селективности. Эти аппараты отделяют алмазы от других люминесцирующих минералов тяжелой фракции по скорости затухания люминесценции после прекращения подачи возбуждающего импульса и более точно «распознают» алмазы среди других минералов.

Фотолюминесценция – внутрицентровой процесс, при котором свечение определяется наличием так называемых центров люминесценции – примесей и дефектов в кристаллической структуре минералов. Она возбуждается, как правило, ультрафиолетовым (УФ) излучением. Цвет ФЛ минералов, в том числе алмазов, разнообразен и (в зависимости от состава примесей и дефектов) существенно изменяется от кристалла к кристаллу – например, голубой, зеленый, желтый, красный. Фотолюминесценция не используется для сепарации, поскольку часть алмазов не люминесцирует при УФ возбуждении, а другая их часть испускает излучение, трудно отличимое от свечения иных минералов. Примеси и дефекты, определяющие цвет ФЛ алмаза, несут информацию об условиях его кристаллизации. Небольшие изменения состава дефектов могут существенно изменить цвет излучения. Поэтому, как говорят геологи, фотолюминесценция «информативна» при геолого-поисковых работах.

Для природных алмазов характерно наличие оптически активных центров. В спектре они обозначаются как центр N3 – голубое свечение, центры S и Н – два различных семейства, дающие зеленое и желто-зеленое свечение, визуально довольно сходное. Оранжевую и красную люминесценцию дают центры с длинами волн 575 и 640 нм. В алмазах имеются и другие центры люминесценции, встречающиеся реже.

Распределение центров по объему алмаза, как правило, крайне неоднородно, что находит отражение в оптическом спектре (рис. 4, 5). Источники люминесценции сосредоточены в образованных при росте граней октаэдра слоях, которые чередуются либо с нелюминесцирующими, либо содержащими другие дефекты слоями. Особенности распределения дефектов в кристаллах алмаза хорошо известны. Здесь следует отметить работы наших земляков – А.В. Варшавского и В.В. Бескрованова, а также зарубежных ученых.

Для изучения распределения источников люминесценции в объеме кристалла автором разработан метод люминесцентной томографии. Этот метод является способом неразрушающего контроля и позволяет проводить исследования сотен кристаллов без их распиловки, получать статистически достоверные данные. Цвет фотолюминесценции и последовательность смены люминесцирующих зон от центра кристалла к его периферии, а также объемная форма выявляемых в алмазе фантомов свидетельствуют об эволюции огранения в процессе роста и дают представление о ранних этапах кристаллизации. Возраст алмазов – около 1 млрд. лет. Это означает, что «записанная» природой в его кристаллах информация и проявляющаяся в виде цветовых картинок распределения дефектов столь же древняя.

Наблюдается закономерность. Для низкоалмазоносных коренных пород более обычны кристаллы с зеленой или синей люминесценцией, распределение источников которой по объему кристалла близко к равномерному. Для высокоалмазоносных месторождений характерны алмазы сложного многозонального строения, причем кристаллы из более богатых алмазами пород вероятнее дают в спектре свечения оранжевые и красные компоненты.