Занимательное обогащение

1.6. Обдирка

Рассмотрим процесс отделения налипших частиц одного минерала от частиц другого. Обычно полезное ископаемое в таком случае представлено в виде россыпи, причем крупность может измеряться в миллиметрах, а может и в микронах.

В первом случае примером могут быть руды с глинистыми или известняковыми примесями. Во втором – графит, налипающий на частицы кварца.

Вариант обдирочной машины для вышеизложенных случаев на примере графита с игольчатыми частицами показана на рис 1.24. Исходный минерал поступает в емкость машины с потоком воды. Роторная мешалка создает турбулентный поток воды, смывающий налипшие частицы, а также под действием которого, частицы трутся друг о друга, очищая поверхности.

Более крупные, а значит тяжелые, отмываемые частицы разгружаются в один сборник, а мелкие отмытые выносятся потоком воды через порог (как на рис. 1.20 или через решето вниз) в другой сборник.

Рис 1.24. Обдирочная машина для игольчатого графита.

Рассмотрим процесс удаления «корки» или «шубы» минерала, образованным его же окисленным (ржавым) поверхностным слоем, рис 1.25.

Наиболее характерны для этого случая марганец или железные окисленные руды, являющиеся минералами с сильными магнитными свойствами. Данные полезные ископаемые отличаются крупными (кусковыми) частицами. Однако их поверхностный окисленный слой отличается слабыми магнитными свойствами и также прочностью, значительно меньшей, чем у целевых минералов. Поэтому «шуба» мешает дальнейшему обогащению, но так как в минерале нет значительного числа породных вкраплений, дробление не является решением.

Рис 1.25. Процесс удаления «шубы» минерала.

Частицы полезного ископаемого, попадающие в обдирочную машину (рис. 1.25) подвергаются интенсивной вибрации на решете в потоке воды. Отверстия в решете (деке) делаются меньше размеров частиц целевого минерала.

Вибрационное воздействие заставляет частицы тереться друг о друга, разрушая «шубы». Целевые отмытые частицы переходят по деке и разгружаются через порог. Частицы разрушенных «шуб» тонут и через решето собираются в сборник.

Глава 2 Процессы обогащения

В процессах обогащения полезных ископаемых происходит изменение качества продукта. Технологический параметр «качество» может выражаться процентом содержания полезного ископаемого («бета» β) или зольностью, т. е. процентом содержания породы («Ad» или просто «А», с англ. зольность остаточная после сжигания). Для оценки качества угля, антрацита, торфа и графита используют А, для всех остальных – β.

Все полезные ископаемые можно условно разделить на три группы, (рис. 2.1): вкрапленные, россыпные и кусковые. Вкрапленные, напоминают булочку с маком, где мак – это полезное ископаемое, а булка – вмещающая порода.

Обычно размер частиц целевого минерала измеряется в микронах. Россыпные ископаемые представляют собой смесь нескольких песков. Кусковые – смесь частиц, когда их размер меняется от нуля до метра.

Рис. 2.1. Условные типы полезных ископаемых.

Целевое изменение качества достигается методами, которые можно условно разделить на следующие группы:

– гравитационные, используют разницу в плотности минералов, что находит воплощение в разных скоростях движения;

– магнитные, когда полезное ископаемое обладает данным свойством, а порода – нет;

– флотация, по различию в способности частиц прилипать к поверхностям;

– специальные (все остальные) методы, использующие разницы в коэффициенте трения (трибогравитационные), в форме или цвете частиц, а также электрические, по способности удерживать электростатический заряд, к примеру целевой минерал – положительный, а порода – отрицательный, биологические и гидрометаллургию.

2.1. Гравитационные методы

Наиболее обширная и конструктивно разнообразная группа методов обогащения полезных ископаемых. Подразделяется на сухие (пневматические) и мокрые способы. Мокрые способы эффективнее сухих, последние применяются в условиях, когда нет возможности использовать воду.

2.1.1. Пневматические сепараторы

Сепараторы, разделяющие частицы в воздушных потоках можно разделить на две группы: циклоны и пневмоотсадочные машины. Циклоны (чтобы не путать с гидроциклонами, иногда называются аэроциклонами) по устройству и принципу действия аналогичны гидроциклонам, только в качестве различительной среды используется воздух, а не вода.

Аппараты по типу пневмоотсадочных машин представляют собой (рис. 2.2) два направленно двигающихся решета (в одну сторону вибрируют сильнее, чем в обратную). В зазор между решетами поступают частицы с потоком воздуха. Через нижнее решето вертикально вверх подаются струи воздуха, с силой достаточной для сдувания вверх легких частиц и недостаточной для тяжелых. В результате этого, тяжелые частицы нижнее решето «вытрясывает» в одну сторону, а прижимаемые струями воздуха к верхнему решету легкие частицы – верхнее решето «вытрясывает» в другую сторону.

Рис. 2.2. Принцип работы пневматического сепаратора.

Пневматические сепараторы применяют для кусковых и крупнозернистых минералов, а также они нашли широкое применение в переработке вторичного сырья, в особенности при переработке электротехнической и компьютерной техники.

2.1.2. Обогатительный желоб

Наиболее древний и примитивный способ обогащения. Бывает сухим или мокрым. Применяется для кусковых полезных ископаемых. Напоминает детскую горку: частицы разгоняются на наклонной поверхности и пролетают разное расстояние, попадая в различные сборники, как показано на рис 2.3.

В настоящее время используются как составная часть других аппаратов.

Рис. 2.3. Принцип работы обогатительного желоба.

2.1.3. Концентрационный стол

Рис. 2.4. Принцип работы концентрационного стола.

Применяют для крупнозернистых минералов, считается одним из самых эффективных обогатительных процессов, позволяет получить несколько продуктов разного качества. Однако для работы концентрационного стола необходима почти чистая вода и сам процесс отличается малой производительностью. Конструктивно бывает многодечным.

Концентрационный стол (рис. 2.4) работает следующим образом: исходный материал поступает из загрузки на деку с рифлями (напоминающую стиральную доску) с тонким слоем воды. Дека вибрирует с подобранной частотой и амплитудой так, чтобы легкие частицы (черные) перескакивали через рифли, а тяжелые (белые) скользили вдоль них, попадая в разные сборники.

2.1.4. Тяжелосредный сепаратор

Принцип работы тяжелосредного сепаратора (рис. 2.5) напоминает шутку о плавающем в ртути железном ломе, который при этом тонет в воде, и урановом, тонущем в ртути.

Применяют для крупнокусковых полезных ископаемых.

Сложность работы сепаратора заключается в создании среды (суспензии) с нужной плотностью. Обычно для этого применяют измельченный магнетит, так как он является от природы сильномагнитным минералом, и поэтому легко может быть отделен от суспензии впоследствии. Однако иногда в качестве утяжелителя используют глинистые частицы и океанскую сильносоленую воду.

Частицы разной плотности попадают в сепаратор, в который в воду добавляют утяжелитель (обычно магнетит) чтобы их суммарная плотность была между плотностями легких частиц (черные) и тяжелых (белые).

Сила Архимеда выталкивает легкие частицы (фракция) на поверхность, где они или самотеком, или черпалкой направляются концентрат.

Утонувшие тяжелые частицы (фракция) обычно вращающимся колесом вычерпываются в отходы.

Рис. 2.5. Принцип работы тяжелосредного сепаратора.

Бывают по способу разгрузки породы: колесными, корытными со скребками, спиральными (шнековыми).

2.1.5. Тяжелосредный гидроциклон

Предназначен для обогащения мелкокусковых и крупнозернистых полезных ископаемых. Также как и тяжелосредный сепаратор, процесс разделения происходит под действием силы Архимеда, но добавляется центробежная сила, рис. 2.6, применяемая в основном, для быстрого удаления уже разделенных частиц из аппарата.

Для тяжелосредного гидроциклона используют тот же утяжелитель, что и для тяжелосредного сепаратора, процесс подготовки и восстановления (регенерации) которого, обычно един.

Рис. 2.6. Принцип работы тяжелосредного гидроциклона.

Наклон тяжелосредного гидроциклона (примерно 40º) нужен для облегчения работы силе Архимеда и ускорения всего процесса. Угол наклона гидроциклона подбирается таким образом (рис. 2.7), чтобы обеспечить максимальную площадь линии разграничения плотностей (пунктирная линия на рис 2.6)

Возьмем наполовину наполненную бутылку (рис. 2.7), и поставим ее вертикально (рис. 2.7 слева), зеркало воды будет минимальным, а значит площадь действия силы Архимеда будет минимальной, но тяжелосредный гидроциклон может работать. Если наклоним бутылку слишком сильно (рис. 2.7 справа) то площадь действия силы Архимеда будет максимальной, но тяжелосредный гидроциклон работать не будет, так как это зеркало достигнет входного отверстия.

Рис. 2.7. Выбор угла наклона тяжелосредного гидроциклона.

Поэтому подбирается оптимальный угол наклона (рис. 2.7 центр), при котором не нарушается работа аппарата при максимально возможной площади действия силы Архимеда.

Тяжелосредные гидроциклоны и сепараторы в случае необходимости могут устанавливаться последовательной парой, когда слив первого аппарата направляется в загрузку второго. В данном случае сначала отделяется максимально чистая порода от смеси сростков и лёгких частиц (микст), а уже после микст разделяется на концентрат и промежуточный продукт (промпродукт).

2.1.6. Отсадочная машина

Отсадочная машина (рис. 2.10), по легенде, была придумана случайно при проведении рутинного лабораторного анализа, рис. 2.8.

Это был лабораторный анализ по рассеву угля на ручном решете мокрым способом. При котором небольшая проба насыпается в решето и оно опускается в воду таким образом, чтобы вода покрыла материал, но была ниже бортиков самого решета. Совершая круговые движения кисточкой или рукой, лаборант создает завихрения воды и разрыхление материала, при котором частички размером мельче отверстий решета «тонут» сквозь него. Ошибка легендарного лаборанта заключалась в насыпании слишком большого количества материала, при котором затрудняющие зерна (рис. 1.15) блокируют отверстия ячеек решета.

Рис. 2.8. Расслоение частиц на решете при троекратном погружении.

Однако, если порода и уголь в мокром виде отличаются по цвету, то можно увидеть расслоение по плотности в таких условиях трижды погрузив материал в воду, как на рис. 2.8. Таким образом и был придуман процесс отсадки (мойки) угля.

Для создания разделительной среды в первом поколении отсадочных машин (механических) использовались: восходящий поток воды (подаппаратная вода) и качающееся решето (дека). Во втором поколении дека стала неподвижной и создание разделительной среды достигалось за счет колебания воды по принципу сообщающихся сосудов как показано на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема создания пульсирующей среды гидравлической отсадочной машины.

В третьем поколении отсадочных машин создание пульсирующего водного потока происходит с помощью воздушных струй, что позволило в два раза уменьшить размеры.

Принцип работы следующий (рис. 2.10): частицы поступают в машину с транспортным потоком воды, где вступают во взаимодействие с водно-воздушно-вибрирующей средой, в которой и происходит разделение по плотности. Легкие частицы «всплывают» и переходят из отделения в отделение через «пороги» (подъёмные пластины) до попадания в сборник концентрата.

Рис. 2.10. Принцип работы гидравлической отсадочной машины.

Тяжелые частицы «тонут» и разгружаются через «постель» (слой самых тяжелых и крупных частиц, на рис. не показан) в случае отсадки с искусственной постелью (для создания искусственной постели применяют обычно полевой шпат) и с помощью вращающегося разгрузчика (напоминает шнек от мясорубки).