Руды тяжелых цветных металлов обогащают преимущественно флотацией, а другие способы обогащения применяют реже.
Флотация (от английского flotation – плавание, всплывание) кратко описывается так: пульпу тонкоизмельченной руды после добавления небольших количеств особых флотационных реагентов продувают воздухом и интенсивно перемешивают. Под действием флотационных реагентов рудные минералы теряют способность смачиваться водой, поэтому зерна их прилипают к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность в виде пены, а пустая порода остается в пульпе. Несущую частицы рудных минералов пену снимают и обезвоживают, получая концентрат. Пульпу пустой породы (хвосты) сбрасывают в отвал. Ее перекачивают и спускают по желобам, или также сначала обезвоживают для повторного использования воды (в районах с трудным водоснабжением), а затем отвозят на отвал в виде густой влажной массы.
Применяя одни флотационные реагенты, можно отфлотировать в пену все сульфидные минералы, оставив в пульпе хвостов оксиды и пирит. При этом получается коллективный концентрат.
При повторной флотации коллективного концентрата с другими реагентами можно последовательно поднять в пену рудные минералы по одному, получая селективные концентраты.
Возможна также селективная флотация руды, при которой из рудной пульпы последовательно получают селективные концентраты, а в пульпе остаются хвосты.
Из этого краткого описания следует, что для флотации требуется тонкое измельчение руды, а затем обезвоживание продуктов флотации. Описание этих переделов составляет последующее содержание данного раздела.
Интересно сравнить стоимость отдельных переделов обогащения (% от суммарных затрат) и убедиться в сравнительной дороговизне измельчения:
Ниже дано краткое описание обогащения руд флотацией.
Дробление и измельчение
Куски руды, поступающей с рудника, могут достигать в поперечнике более 1500 мм, а для флотации нужны частицы обычно тоньше 0,1 мм. Поэтому руду дробят и измельчают в несколько стадий на разных машинах. Существуют следующие стадии дробления и измельчения руды перед флотацией, мм (табл.7).
Для крупного дробления пользуются щековыми или конусными дробилками. Щековая дробилка (рис. 7) раздавливает куски руды между щеками из твердой стали; одна из щек неподвижна, а другая качается. Поверхность щек волнистая и выступы на одной из них находятся против впадин на другой. От вращения вала с эксцентриком 3 шатун 4 поднимается и опускается, изменяя этим угол между распорными досками 5. Подвижная щека приближается к неподвижной, раздавливая руду, а затем удаляется от нее под действием пружины 6. Руда проваливается в разгрузочную щель.
Конусные дробилки разных конструкций пригодны для крупного, среднего и мелкого дробления. Дробящие поверхности дробилки, показанной на рис. 8, имеют форму усеченных конусов.
Меньший конус перекатывается по внутренней поверхности большего, раздавливая куски руды. Верхний конец вала, несущий подвижный конус, шарнирно подвешен на корпусе дробилки, а нижний свободно входит в эксцентриковый стакан, вращаемый через передачу от электромотора.
Конусная дробилка среднего дробления (рис. 9) отличается от предыдущей отсутствием шарнирной подвески вала.
Образующие конусов более пологи, поэтому дробленый материал получается мельче и однороднее по крупности. Для предупреждения поломок от попадания инструментов и других металлических предметов части корпуса дробилки сочленены пружинами.
Для крупного, среднего и мелкого дробления хрупких, сравнительно мягких и липких материалов применяют ударные дробилки, которые подразделяются на молотковые и дезинтеграторы. Действие молотковой дробилки ясно без описания (рис. 10), ее ротор делает 800 – 1000 об/мин.
Для тонкого измельчения кусков менее 50 мм в поперечнике служат мельницы (рис. 11). Руду загружают в горизонтально вращаемый вокруг своей оси стальной барабан вместе со стальными стержнями или шарами. Диаметр дробящих тел – стержней или шаров – от 20 до 150 мм, а скорость вращения барабана от 12 до 40 об/мин. При вращении барабана дробящие тела поднимаются на некоторую высоту, а затем падают, разбивая куски руды.
По виду дробящих тел мельницы подразделяются на стержневые, шаровые и галечные; в галечных мельницах дробящим телом служит кремневая галька. В последнее время из-за большого расхода железа от истирания шаров или стержней и нежелательного загрязнения некоторых руд железом стали шире применять галечные мельницы, а также самоизмельчение, при котором дробящими телами служат куски самой руды.
Различают сухое измельчение и мокрое в пульпе. При мокром измельчении исключено распыление и комкование. Мельницы обычно работают непрерывно. Руда и вода подаются через полую цапфу на одном конце барабана, а через противоположную цапфу сливается пульпа измельченной руды.
Густоту пульпы характеризуют отношением массы жидкого к массе твердого (ж : т) или процентом по массе твердого. При измельчении в мельницах пульпа содержит от 40 до 75 % твердого. Желаемая степень измельчения достигается регулированием скорости загрузки – продолжительностью пребывания руды в мельнице. Некоторые технические характеристики работы дробилок и мельниц приведены (табл. 8).
Классификация руды по крупности
В каждой стадии дробления и измельчения разные минералы измельчаются по-разному в зависимости от их твердости, хрупкости, вязкости и формы кусков. После какой-либо стадии дробления часть руды может оказаться мельче заданной крупности, а значит лишней нагрузкой для следующей дробилки. Для лучшего использования дробилок руду после каждой стадии дробления классифицируют по крупности грохочением, подобным просеиванию. Для этого служат различные по устройству грохоты.
Наиболее простой колосниковый грохот (рис. 12) состоит из наклоненных под углом 35–40 град, параллельных стальных брусьев – колосников. Расстояние между колосниками (прозор) соответствует пределу разделения по крупности: обычно оно не меньше 25 мм. Руда свободно скользит вдоль колосников и мелкая часть ее проваливается в прозоры. Колосниковые грохоты дешевы, но их коэффициент полезного действия (полнота отделения мелкого материала) невелик. Применяются они до и после крупного дробления.
Вместо стальных брусьев – колосников для вибрационных, барабанных и других грохотов;применяют решетки (рис. 13).
Вибрационный грохот представляет собой металлическую сетку, натянутую на раму. Сетка вибрирует или качается от механического привода либо электромагнитов. Для выделения нескольких классов крупности устанавливают несколько сеток – одну над другой. Вибрационные грохоты применяют после среднего или мелкого дробления.
Барабанный грохот имеет сортирующую сетку в виде цилиндра. Он вращается относительно оси, наклоненной на небольшой угол. Руда пересыпается по внутренней поверхности барабана, постепенно перемещаясь от приподнятого его конца к опущенному. Для одновременного выделения нескольких классов крупности устанавливают концентрично несколько сеток с ячейками разного размера.
Грохочение мало пригодно для тонких материалов, которые комкуются и легко распыляются. Поэтому тонкоизмельченные материалы классифицируют в пульпах. Такую классификацию называют мокрой или гидравлической, а применяемые для нее аппараты – классификаторами. Гидравлическая классификация основана на том, что чем крупнее (тяжелее) частица, тем быстрее она оседает из пульпы.
Всякий гидравлический классификатор представляет собой сосуд, заполненный непрерывно подающейся пульпой руды. За время пребывания в классификаторе крупные частицы (пески) оседают, а более мелкие уносятся сливом. Чем меньше скорость движения через классификатор пульпы, и чем меньше ее вязкость, тем тоньше частицы материала в сливе.
Классификаторы разных конструкций отличаются формой сосуда и способами выгрузки песков.
Реечный классификатор (рис. 14) имеет наклонное стальное корыто с плоским днищем. Пульпа подается по желобу с одного конца корыта и сливается с противоположного через порог, высоту которого можно изменять. Пески, осевшие на дно корыта, постепенно перегребаются механизированным гребком к приподнятому его концу и выгружаются.
Спиральный классификатор (рис. 15) отличается от реечного полукруглым сечением корыта. Для удаления песков здесь служит шнек. Механизм спирального классификатора более прост и надежен в работе, чем реечного классификатора.
Весьма производительна классификация в часто применяемых гидроциклонах (рис. 16). Крупные и мелкие частицы пульпы разделяются здесь под действием центробежной силы. Пульпу подают в гидроциклон по касательной к его сечению с большой скоростью. От этого пульпа в аппарате закручивается и движется по спиральной траектории. Крупные частицы прижимаются центробежной силой к стенкам гидроциклона, теряют скорость и оседают в нижнюю его часть; мелкие зерна уносятся в слив.
На рис. 17 показана примерная схема дробления, измельчения и классификации. В основу ее положены два требования: не дробить лишнего и выдать материал не крупнее заданного размера. Для этого перед каждой стадией дробления руда поступает на грохот, а в дробилку попадают только куски, не прошедшие через его прозоры. Второе требование удовлетворяется дроблением или измельчением в замкнутых циклах: выделенные грохочением или классификацией недостаточно мелкие куски или зерна возвращаются в дробилку или мельницу.
Всякая схема дробления и измельчения должна быть четко продумана и рассчитана. В этих дорогих переделах не должно быть излишеств: они могут значительно ухудшить экономику производства.
Флотационные реагенты
Как уже говорилось, при флотации зерна тяжелых минералов, например сульфидов, под действием флотационных реагентов прикрепляются к пузырькам воздуха и с ними всплывают на поверхность пульпы. Флотационные реагенты этого вида – собиратели – органические вещества с длинной углеводородной цепью, один конец которой полярен и имеет химическое сродство к минералам определенного состава и структуры.
Собирателями часто служат соли ксантогеновой кислоты – ксантогенаты. Например, этиловый ксантогенат калия имеет формулу C2H5OCS2K. В воде он растворяется и диссоциирует:
Своим полярным концом ион ксантогената закрепляется на сульфидах, а неполярная часть его молекулы обращена в жидкую фазу.
Неполярные вещества гидрофобны: они охотнее контактируют с воздухом, чем с водой. При встрече частицы минерала, покрытой собирателем, с пузырьком воздуха она прилипает к пузырьку и выносится им на поверхность пульпы.
Ксантогенаты с различной длиной углеводородной цепи – этиловый, бутиловый, амиловый и другие, а также дитиофосфаты и другие собиратели позволяют при флотации извлекать в пену сульфиды и оставлять в пульпе оксиды, силикаты, карбонаты и другие минералы пустой породы.
Для флотации достаточно тончайшей пленки собирателя на частице сульфида, поэтому расход флотационного реагента невелик, обычно лишь сотни граммов на тонну руды.
Экономному расходованию флотационных реагентов способствует поверхностная активность большинства из них. Эти вещества способны сорбироваться на границе раздела твердой и жидкой фаз, поэтому концентрация их здесь значительно выше, чем в объеме пульпы.
Ксантогенаты реагируют со всеми тяжелыми металлами и действие их на разные сульфидные минералы почти одинаково. Поэтому для разделения сходных минералов, например, сульфидов разных металлов, флотируемость одного из них подавляют действием реагентов-депрессоров.
Депрессоры – обычно растворимые неорганические соединения, способные препятствовать закреплению собирателей на некоторых минералах. Например, для подавления флотируемости пирита применяют известь или соду. Другими депрессорами можно подавить флотируемость сфалерита, сохранив флотируемость сульфидов меди и галенита.
Чтобы возвратить ранее подавленную флотируемость минералу или содействовать более прочному закреплению собирателя, применяют активаторы. Это также в большинстве неорганические соединения. Например, флотируемость сфалерита, подавленную добавленным в пульпу цианистым натрием и сульфатом цинка, можно активировать медным купоросом.
Реагенты-пенообразователи (вспениватели) применяются для образования прочной пены, способной удержать в себе сфлотированные минералы. Пенообразователями служат некоторые масла, мыла и смолы, в частности сосновое масло и креозот. Пенообразователи, подобно собирателям, поверхностно активны; они сорбируются на границе раздела воды и воздуха – на поверхности пузырьков и делают их прочными.
Действие флотационных реагентов зависит от активности водородных ионов в пульпе, т. е. от ее кислотности или щелочности. Активность водородных ионов регулируют, добавляя в пульпу реагенты среды – кислоты или щелочи: серную кислоту, известь, соду, едкий натрий.
Можно привести следующие ориентировочные данные о расходе разных флотационных реагентов, г/т руды:
Реагенты обычно подают в пульпу до флотации и размешивают их механическими мешалками в особых контактных чанах. Иногда реагенты подают во флотационные машины.
Флотационные машины
Работа флотационной машины состоит в энергичном перемешивании пульпы с пузырьками воздуха. Однако вместе с тем в машине должны быть созданы необходимые условия для спокойного всплывания пузырьков, нагруженных частицами минералов, и удаления с поверхности пульпы минерализованной пены.
При современных масштабах производства флотационные машины работают непрерывно. По способам перемешивания пульпы с воздухом и подачи воздуха они подразделяются на механические, пневматические и комбинированные. здесь рассматривается только одна, наиболее ходовая машина механического типа (рис. 18).
Механические флотационные машины имеют ванну из листовой стали, разделенную поперечными перегородками на ряд камер. Пульпа подается через коробку 1 по трубе 2 в первую камеру машины, где попадает на быстро вращающуюся мешалку – импеллер 3, закрытую сверху диском 4. Мешалка представляет собой колесо с лопатками из твердой стали, вращающееся со скоростью 275–600 об/мин и засасывающее при этом воздух из трубы 5 через отверстие 6. Пульпа, перемешанная с мелкими пузырьками воздуха, поднимается в зону спокойного отстаивания, находящуюся выше решетки 8. Из первой камеры пульпа поступает в промежуточную коробку через порог 9 и последовательно проходит все камеры машины. Из последней камеры непрерывно выпускается пульпа хвостов.
Всплывающий в камерах пенный продукт сбрасывается лопатками пеногона 7 в желоб. При необходимости повторной флотации (перечистки) пенного продукта его направляют в желоб 10, откуда он возвращается в выделенные для этой цели камеры машины по трубам 11.
Иногда продукты первой флотации доизмельчают, чтобы дополнительно разрушить сростки минералов и достигнуть лучшего их разделения.
Обезвоживание продуктов обогащения
Концентраты и хвосты получаются в виде пульп с разным отношением ж : т – не менее 4–5 единиц, а то и еще более разбавленные.
Обезвоживание проводят последовательно тремя способами: сгущением (отстаиванием), фильтрованием и сушкой.
- Сгущение – наиболее дешевый способ, но оно может понизить содержание жидкого в пульпе только до 40–50 %. После фильтрования во влажном остатке (кеке) иногда остается всего 10 % влаги. Влажность кека зависит от свойств твердых частиц и их размеров. Наиболее полное обезвоживание достигается сушкой, однако сушка – самый дорогой способ обезвоживания, требующий затрат топлива.
Для сгущения пульпу отстаивают в чанах-сгустителях (рис. 19). Осветленную жидкость называют верхним сливом (сокращенно ВС), а осадок – сгущенным продуктом или нижним сливом (НС).
1 – загрузочная воронка: 2 – вал; 3 – сливной желоб; 3 – воронка для выгрузки сгущенного продукта; 5 – ферма; 6 – гребки; 7 – колонка; 8 – ферма, несущая гребки; 9 – тележка, ведущая ферму
Крупные частицы твердого оседают из пульпы быстрее мелких. Для ускорения оседания тонких частиц иногда применяют укрупняющие добавки – флокуляторы и коагуляторы: например известь, клей, синтетические органические вещества. Мелкие частицы укрупняются при этом в результате взаимного сцепления.
Сгустители – это цилиндрические чаны из дерева или железобетона диаметром до 100 м, имеющие в центре питательную воронку, в которую непрерывно подается исходная пульпа, заполняющая чан до уровня желоба, проходящего по краю чана. В желоб непрерывно стекает осветленный верхний слив.
Твердые частицы оседают на коническое днище сгустителя. В центре днища находится воронка с патрубком, на фланцах которого установлены задвижки и градуированные насадки. Далее НС по трубам поступает в промежуточный чан, откуда насосом подается по назначению. Для передвижения осевшего материала от краев к центру днища служит устройство, состоящее из вала с крестовиной, на которой косо посажены лопаткообразные гребки. Вращение вала со скоростью одного оборота в 2–8 мин не препятствует отстаиванию, а гребки перемещают при этом осевший материал к центральному отверстию днища – к месту его непрерывной разгрузки. В больших сгустителях диаметром более 15–18 м центральный вал часто заменяют неподвижной колонной, а крестовину – фермой. Ферма передвигается вокруг колонны на каретке, катящейся по краю сгустителя.
Производительность сгустителей измеряется площадью днища, необходимой для перевода в нижний слив 1 т твердого в сутки [м2/(т•сутки)]. Величина этого показателя изменяется в широких пределах в зависимости от свойств пульпы. Например, при сгущении пульпы флотационного концентрата от 10 до 60 % твердого в нижнем сливе производительность составляет 1,2–1,7 м2/(т•сутки).
- Фильтрование пульп основано на продавливании жидкости через пористую перегородку, не пропускающую твердых частиц. Фильтрующими материалами служат хлопчатобумажные и шерстяные ткани, а также ткани из стеклянного и синтетического волокна.
Скорость фильтрования и связанная с ней производительность фильтра зависят от разности давлений и потери напора в порах осадка и ткани. С увеличением толщины слоя осадка фильтрование замедляется, замедляется оно также и при засорении пор частицами осадка.
Промышленные фильтры подразделяются на вакуум-фильтры, в которых разность давлений создается за счет вакуума в приемнике фильтрата, и фильтр-прессы, работающие под внешним давлением на пульпу. Здесь описаны только наиболее употребительные вакуум-фильтры.
Барабанный вакуум-фильтр (рис. 20) представляет собой, горизонтально установленный на цапфах, полый барабан из штампованной сетки, покрытой фильтровальной тканью. Ткань удерживается спиралью из проволоки. Внутри барабан разделен на несколько секторных камер, соединенных трубами с распределительным золотником, поочередно подключающим камеры при вращении барабана то к вакуумной линии, то к линии подачи сжатого воздуха.
Нижняя треть или четверть барабана погружена в корыто с пульпой. Барабан вращается со скоростью 0,13–2 об/мин. Жидкость просачивается через поры ткани, а на поверхности ее нарастает слой осадка (кека) толщиной 6–15 мм. Из этого кека просасываемым воздухом некоторое время удаляется оставшаяся жидкость, при необходимости промывки на слой кека подается вода из брызгал. В последней четверти оборота секторная камера с осевшим кеком соединяется золотником с линией сжатого воздуха, который отдувает кек от поверхности ткани и сбрасывает его на наклонный лоток. При следующем обороте барабана все это повторяется.
Производительность фильтра измеряют весовым количеством сухого кека, получаемого с 1 м2 поверхности ткани в час. При фильтровании флотационных концентратов она составляет от 0,15 до 0,7 т/(м2∙ч) в зависимости от свойств пульпы, главным образом — от крупности содержавшихся в ней твердых частиц и отношения ж : т. Остаточная влажность кека зависит от тех же причин.
Дисковый вакуум-фильтр (рис. 21) по принципу действия подобен барабанному.
Фильтровальная ткань закреплена здесь на секторах, составляющих диски. На поверхности деревянного или металлического сектора сделаны канавки, которые соединены у его вершины с металлической отводной трубкой, а через нее – с золотником. Кек снимается отдельно с каждого диска. При равных габаритных размерах дисковый фильтр имеет большую площадь фильтрующей ткани и большую производительность, чем барабанный.
В кеках остается до 30 % влаги. Высокая влажность невыгодна при дальних перевозках концентратов. К тому же зимой они смерзаются, затрудняя выгрузку и переработку. Влага повышает затраты топлива и энергии на нагревание шихт, иногда даже малое ее содержание недопустимо из-за нежелательного комкования.
- Сушка – процесс окончательного обезвоживания продуктов обогащения. При сушке обезвоживание продукта достигается испарением воды, скорость которого пропорциональна разности давления паров воды над высушиваемым материалом и в окружающей его газовой среде. Давление паров воды над материалом возрастает с температурой сушки, а в окружающем газе оно тем ниже, чем быстрее он движется, унося пары из сушильной печи. Следует учесть, что увеличение скорости газового потока не беспредельно ускоряет сушку, поскольку удаление паров от поверхности материала в газы ограничено скоростью диффузии. В то же время быстрое движение газов может привести к излишнему распылению материала. Слой высушиваемого материала должен быть, возможно меньшей толщины и хорошо перемешиваться.
Сушильные печи разнообразны по конструкции. Наиболее распространено барабанное сушило (рис. 22), которое представляет собой трубу из листовой стали (длина до 14, диаметр 1,5–2,8 м), установленную под углом 3–5 град, на роликовых опорах.
Венцовой шестерней через привод от электродвигателя, печь вращается со скоростью 1–2 об/мин. Влажный материал непрерывно подают каким-либо питателем со стороны топочной камеры. Переваливаясь и пересыпаясь при вращении трубы, он постепенно передвигается к разгрузочному ее концу. Для предупреждения комкования и прилипания к стенкам в трубе помещают перекатывающиеся лопастные устройства или подвешивают цепи. Газовой горелкой или иной топкой в загрузочном конце поддерживают температуру 750–800 °С, а дымовые газы отводят охлажденными до 200 °С.
Сушило с вертикальной трубой более совершенно и производительно, оно имеет высоту 22 м и диаметр 1 м (рис.23).
Газ сжигают в топке с подачей вторичного воздуха, а продукты горения, нагретые до 400 °С, направляют в сушильную трубу. Сюда же цепным питателем непрерывно загружают влажный материал. Подхваченный газовым потоком он уже на высоте около 7 м превращается в пыль, а выше практически полностью обезвоживается налету. Более 99 % его оседает в сепараторах, а остаток улавливается батарейными циклонами и электрофильтрами. Система автоматизации поддерживает необходимое отношение объемов газа и воздуха, температуру и разрежение. В течение 1 ч в 1 м3 объема сушила испаряется до 350 кг воды, в 7–10 раз больше, чем в барабанном.
