Теоретические основы обогащения руд в тяжелых средах

Обогащение в тяжелых средах представляет собой процесс разделения минералов по плотности. Плотность среды занимает промежуточное положение между плотностью легких и тяжелых минералов; тяжелые минералы тонут, легкие — всплывают.

В качестве тяжелых сред можно использовать жидкости большой плотности (органические и неорганические) и тяжелые суспензии.

Из тяжелых органических жидкостей, предложенных для разделения минералов по плотности, наиболее часто применяют четыреххлористый углерод CCl4 (плотность 1,6 г/см3), бромоформ СНВr3 (плотность 2,8 г/см3), йодистый метилен CH2J2 (плотность 3,3 г/см3) и др.

К тяжелым неорганическим жидкостям, пригодным для использования в качестве разделяющей среды, могут быть отнесены растворы некоторых солей — хлористого кальция CaCl2, хлористого цинка ZnCl2 и др.

Если смесь обесшламленных минеральных зерен погрузить в жидкость, плотность которой больше плотности легкого минерала, но меньше плотности тяжелого, то исходный материал под действием гравитационных сил с высокой степенью точности разделится на две фракции — всплывшую (легкие минералы) и осевшую (тяжелые минералы). Однако тяжелые жидкости, особенно органические, вследствие их высокой стоимости и больших затрат на регенерацию (отделение жидкости от продуктов обогащения и удаление из жидкости воды и примесей) для повторного использования применяются главным образом в лабораторной практике.

Практически разделяющей средой обычно являются тяжелые суспензии, представляющие собой взвесь в воде тонкоизмельченных частиц тяжелого вещества (ферросилиция, галенита, магнетита, гематита, пирита, барита, железной окалины и др.), называемого утяжелителем.

Обогащение полезных ископаемых в тяжелых суспензиях характеризуется высокой эффективностью. Этот процесс получает в настоящее время все более широкое распространение, как наиболее дешевый и высокопроизводительный метод предварительной концентрации минерального сырья. Иногда обогащение в тяжелых суспензиях позволяет удалить до 50% пустой породы и тем самым существенно увеличить производительность обогатительной фабрики. Применение этого метода позволяет вовлекать в эксплуатацию более бедные по содержанию ценных компонентов руды.

При обогащении в статических суспензиях оптимальная крупность руд составляет 4—150 мм. В центробежном поле (гидроциклон) можно обогащать в тяжелых суспензиях руды крупностью 0,5—15 мм. Нижний предел крупности обогащаемого материала определяется не только возможностью его непосредственного разделения в тяжелых суспензиях, но также условиями регенерации суспензии и подготовкой материала к обогащению, так как с уменьшением крупности частиц значительно возрастает стоимость вспомогательных операций. Кроме того, с уменьшением крупности частиц резко снижается производительность применяемой аппаратуры.

Основным условием эффективного обогащения в тяжелых суспензиях является наличие относительно крупных минеральных агрегатов, отличающихся по плотности и вкрапленности ценных компонентов. При этом допустимая разница в плотности разделяемых компонентов составляет 0,2 (желательно 1).

Сущность процесса расслоения материала в тяжелой суспензии уподобляют его разделению в тяжелых жидкостях, особенно если размеры частиц утяжелителя и обогащаемого материала сильно отличаются друг от друга. В этом случае суспензия рассматривается как однородная среда по отношению к движущемуся в ней телу. Как и в жидкости, расслоение зерен происходит под действием архимедовой силы, зависящей исключительно от плотности суспензии, называемой эффективной плотностью. Для шарообразных частиц выталкивающая сила определяется по формуле

где G — величина выталкивающей силы, Н;

d — диаметр шарообразной частицы, см;

А — плотность суспензии, г/см3;

b — плотность минеральной частицы, г/см3;

g — ускорение свободного падения, см/с3.

При A — b > 0 частица всплывает, при A — b < 0 частица тонет. Если A — b = 0, частица находится во взвешенном состоянии.

Основными свойствами тяжелых суспензий, применяемых в практике обогащения, являются плотность, вязкость и устойчивость.

Плотность суспензии определяется соотношением утяжелителя и воды в единице объема, иначе говоря, концентрацией утяжелителя в воде. Плотность тяжелой суспензии можно оцределить по формуле

где m — объемная концентрация утяжелителя в суспензии, доли единицы;

b1 — плотность утяжелителя, г/см3.

Из формулы следует, что плотность суспензии увеличивается не только с увеличением концентрации утяжелителя, но и с увеличением его собственной плотности. Иными словами, плотность суспензии в основном зависит от вида применяемого утяжелителя. Любой утяжелитель должен обладать достаточно высокой плотностью, чтобы можно было приготовить суспензию при минимальной его объемной концентрации, а также должен отличаться химической инертностью и устойчивостью к истиранию. Из утяжелителей широкое применение в практике обогащения нашли тонкоизмельченные природные минералы — галенит (плотность 7,5 г/см3), магнетит (плотность о г/см3), барит (плотность 4,3 г/см3) и кварц (плотность 2,65 г/см3), а также ферросилиций, представляющий собой искусственный сплав железа с кремнием (плотность 6,5 г/см3).

Объемная концентрация утяжелителя в суспензии, как следует из последней формулы

При одной и той же объемной концентрации утяжелителя т (например, при m = 0,25) плотность суспензии из галенита равна 2,63 г/см3, из магнетита — 2 г/см®, из барита — 1.82 r/см3, из кварцевого песка — 1,4 г/см3, из ферросилиция — 2,38 г/см3.

Установлено, что эффективная плотность суспензии не превышает половину плотности утяжелителя, из которого она приготовлена, в противном случае вследствие увеличения вязкости суспензия теряет свойства текучести и не может быть использована для обогащения.

Плотность суспензии определяет возможность и точность разделения в ней рудных компонентов, поэтому в процессе обогащения необходимо ее поддерживать постоянной. Постоянство плотности во многом зависит от устойчивости суспензии, т. е. от ее способности не расслаиваться и сохранять постоянство концентрации утяжелителя во всем объеме (в различных по высоте слоях). Различают агрегативную и кинетическую устойчивость суспензии.

Под агрегативной устойчивостью суспензии понимают способность частиц сохранять свои размеры, не слипаясь. Под кинетической устойчивостью суспензии понимают способность суспензии поддерживать диспергированные частицы во взвешенном состоянии. Увеличение агрегативной устойчивости приводит к увеличению и кинетической устойчивости. Применяющиеся в обогащении суспензии представляют собой кинетически неустойчивые системы, в которых частицы утяжелителя в спокойных условиях сравнительно быстро выпадают в осадок. С уменьшением размера частиц утяжелителя и увеличением его объемной концентрации (при постоянной плотности суспензии) скорость осаждения частиц снижается, а устойчивость суспензии возрастает, однако одновременно возрастает и вязкость ее. Наиболее распространенные способы повышения устойчивости суспензии — механическое перемешивание, создание восходящих потоков, добавка коллоидов (глины) и специальных реагентов — пептизаторов. Последние одновременно уменьшают вязкость.

Плотность суспензии регулируется изменением концентрации утяжелителя. Количество сухого утяжелителя Q и воды W, необходимое для приготовления суспензии заданной плотности и объема, можно рассчитывать по формулам:

где V — объем суспензии, м3;

b1 и A — плотность соответственно утяжелителя и суспензии, т/м3.

При движении минеральных частиц в тяжелой суспензии существенное влияние оказывает сопротивление вязкости ее. Поскольку в диапазоне применяющихся в обогащении плотностей суспензии ведут себя подобно жидкостям, представления о вязкости жидкостей условно переносятся на тяжелые суспензии. Вязкостью жидкости (или ее внутренним трением) называется свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее слоев относительно друг друга; вязкость в жидкостях обусловлена наличием сил притяжения между молекулами. Под вязкостью суспензии имеют в виду ее свойство оказывать сопротивление движению в ней частиц утяжелителя и минеральных зерен; помимо внутреннего трения слоев жидкости друг о друга за счет молекулярного притяжения, вязкость суспензии во многом зависит от трения частиц утяжелителя между собой. Вязкость суспензий определяется принятыми для жидкостей способами, например по скорости истечения суспензии через капилляр. Поскольку такие определения не характеризуют полностью вязкостные свойства суспензий, а носят условный характер, вязкость суспензий иногда называют кажущейся, или эффективной. Она выражается обычно в относительных единицах и представляет собой отношение вязкости суспензии к вязкости воды. Практически кажущаяся вязкость суспензии, например, из ферросилиция крупностью 60%—0,07 мм примерно равна 6—7 при плотности суспензии 3,2 г/см3 и 3—3,5 при плотности суспензии 2,6 г/см3. Практически вязкость суспензии зависит от концентрации и дисперсности утяжелителя, так как от этих факторов зависит расстояние между отдельными частицами. Чем больше объемная концентрация утяжелителя, тем меньше расстояние между частицами и тем больше сила притяжения частиц и сила молекулярного взаимодействия и соответственно вязкость суспензии. В суспензии с концентрацией утяжелителя более 25% по объему или при наличии глинистых примесей более 4% объема утяжелителя появляются механические связи между частицами утяжелителя. При достаточно большой дисперсности утяжелителя его частицы сближаются настолько, что могут вступить во взаимодействие между собой. В результате вязкость суспензии резко повышается, что отрицательно влияет на процесс обогащения.

С технической точки зрения в зависимости от сопротивления сдвигу т0 суспензии делят на три группы — бесструктурные (т0 = 0), слабоструктурные (т0 менее 3 Н/м2) и структурные (т0 более 3 Н/м2). В промышленных условиях применяются слабоструктурные и структурные суспензии. Максимальная эффективность разделения достигается в тяжелых суспензиях, имеющих T0 < 3 Н/м2.

Стабильные результаты обогащения получаются при постоянной вязкости суспензии, которая может изменяться не только при изменении концентрации и дисперсности утяжелителя, по и вследствие загрязнения суспензии рудными зернами и шламами. Например, галенит, применяемый в качестве утяжелителя, отличается хрупкостью, вследствие чего сильно истирается и шламуется, изменяя тем самым первоначальную вязкость суспензии.

Обычно вязкость регулируют путем регенерации суспензии (обесшламливание и очистка от загрязняющих примесей) и добавки в процесс необходимого количества свежей суспензии. В ряде случаев для повышения вязкости суспензии добавляют более крупный, а для понижения — более тонкий утяжелитель. Однако регулирование вязкости суспензии только путем изменения гранулометрического состава утяжелителя не является эффективным. Перспективными являются физико-химические методы, основанные на применении добавок небольших количеств реагентов-пептизаторов (по аналогии с флотацией). Повышая гидратированность поверхности частиц утяжелителя и увеличивая их смачивание водой, реагенты-пептизаторы предотвращают взаимодействие отдельных частиц между собой и, как следствие, предупреждают структурообразование, снижают вязкость суспензии и ее сопротивление сдвигу, повышают устойчивость тонкодисперсных суспензий и улучшают условия обогащения. Установлено, что с применением в процессе обогащения реагентов-пептизаторов повышается эффективность последующей регенерации утяжелителя, в частности снижаются безвозвратные потери его за счет улучшения отмывки от продуктов разделения.

При использовании в качестве утяжелителей магнетита и барита из реагентов-пептизаторов эффективны жидкое стекло, гексаметафосфат натрия и др.

Вязкость суспензии возрастает с увеличением плотности суспензии и объемной концентрации утяжелителя, причем скорость изменения вязкости резко увеличивается при переходе из области нивкой в область высокой вязкости. При чрезмерно высокой вязкости снижается текучесть суспензии, и она становится непригодной для процесса обогащения. По этой причине плотность суспензии не может быть больше половины плотности утяжелителя, из которого она приготовлена. Для получения маловязких и одновременно достаточно устойчивых суспензий применяются утяжелители определенного гранулометрического состава и, как отмечено, реагенты-пептизаторы.

При обогащении в тяжелых суспензиях скорость движения разделяемых минеральных зерен зависит, при прочих равных условиях, от их размера и эффективной плотности (разности плотности зерен и среды). Чем выше крупность и эффективная плотность зерен, тем больше скорость погружения или всплывания их. Так как в верхних слоях суспензии одновременно происходит как всплывание, так и погружение минеральных зерен различной плотности, движение самой среды ускоряет движение одних и замедляет движение других зерен. Действие восходящего и нисходящего потоков суспензии в первую очередь влияет на поведение мелких частиц. С уменьшением размера зерен обогащаемого материала, особенно если плотность зерен мало отличается от плотности суспензии, скорость их перемещения в тяжелых суспензиях резко снижается. При этом снижается эффективность процесса и производительность аппаратов.

Увеличить скорость расслоения минеральных зерен в суспензии можно путем снижения ее вязкости — как основного сопротивления движению мелких частиц (при сохранении требуемой плотности) или путем замены гравитационного поля центробежным. Под влиянием центробежных сил, превышающих во много раз гравитационные силы, возрастает скорость движения минеральных зерен и создаются условия для обогащения мелкого материала.

В качестве аппаратов, в которых разделение происходит в поле действия центробежных сил, можно использовать гидроциклоны и центрифуги.

В гидроциклоне смесь обогащаемого материала и суспензии, подаваемая под давлением по тангенциально расположенному патрубку, получает вращательное движение и под действием центробежных сил расслаивается: частицы, плотность которых выше плотности суспензии, прижимаются к стенкам гидроциклона. Вращаясь вместе с суспензией, эти частицы сползают вниз и разгружаются; частицы, плотность которых меньше плотности суспензии, вытесняются к оси гидроциклона во внутренний вращающийся слой и удаляются через сливной патрубок.

Процесс обогащения в гидроциклоне с применением тяжелых суспензий широкого распространения в промышленности пока не получил, главным образом, по техническим причинам (трудность подготовки руды и регенерации суспензии, износ гидроциклонов, большие потери утяжелителя и пр.), однако в принципе этот процесс может быть эффективным для разделения тонких минеральных зерен. Например, при обогащении в гидроциклонах в тяжелой суспензии плотностью 2,3 г/см3 ильменито-цирконовых песков крупностью -1 + 0,1 мм извлечение ильменита и циркона в песковую фракцию превышает 90% при выходе этой фракции около 35%.

При обогащении в тяжелых суспензиях в большинстве случаев может разделяться неклассифицированный материал, обычно только требуется отделение мелких классов, обогащаемых другими методами.