Флотация крупнозернистого материала полезных ископаемых

В настоящее время многочисленными исследованиями в лабораторных и промышленных условиях установлено, что наибольшую скорость флотации имеют частицы среднего размера, а крупные и тонкие частицы обладают пониженной флотируемостью.

Верхний предел эффективно флотируемых частиц в машинах механического и пневмомеханического типа обычно не превышает 0,1-0,2 мм при плотности >4000 кг/м3 и 0,2-0,3 мм при меньшей плотности.

Анализ потерь металлов в хвостах и разноименных концентратах, полученных на фабриках цветной металлургии, показывает, что крупные и тонкие классы являются одним из основных источников потерь. На них приходится 50 % всех потерь Cu, Pb и Zn в отрасли. При этом крупными условно называют частицы размером > 74—100 мкм, тонкими < 10 мкм, так как в большинстве случаев при обогащении руд цветных металлов именно с указанных размеров (по сравнению с частицами средней крупности) начинается падение извлечения.

По данным многих исследователей, плохая флотируемость крупных частиц обусловлена трудностями их закрепления и удержания на пузырьках, а также недостаточной подъемной силой пузырьков в условиях интенсивного перемешивания пульпы во флотомашинах. Вероятность устойчивого закрепления крупных частиц на пузырьках значительно меньше, чем частиц среднего размера, что объясняется резким возрастанием сил отрыва для крупных частиц при их закреплении на пузырьках и подъеме в пенный слой. Согласно расчетам Шульце сила отрыва, действующая на пузырьке диаметром 2 мм, при увеличении частиц с 50 до 500 мкм возрастает более чем в 400 раз.

Вероятность закрепления и удержания крупных частиц на пузырьках увеличивается из-за повышения силы и скорости прилипания частиц к пузырьку, уменьшения силы отрыва и упрочнения контакта частиц с пузырьком. Отмеченное также относится к сросткам полезных минералов с минералами породы, обычно присутствующим в крупных классах измельченной руды.

На флотацию крупных частиц положительно влияют увеличение расхода собирателя, применение сочетаний ионогенных собирателей с углеводородами, уменьшение интенсивности перемешивания пульпы и использование по возможности более мелких пузырьков, но еще обладающих достаточной подъемной силой.

Экспериментально установлено, что при флотации крупных частиц глубина камеры не должна быть большой, так как при большой ее глубине возможно появление перегруженных пузырьков. Глубина машины может быть увеличена, если направлять поток пульпы снизу вверх.

Перефузка мелких пузырьков может быть уменьшена из-за введения некоторого количества крупных пузырьков.

Результаты исследований позволили сформулировать некоторые требования к флотомашинам для крупных частиц. Эти флотационные машины обеспечивают получение значительных количеств относительно мелких пузырьков размером, например, 0,5 мм и некоторой части пузырьков размером 1—1,5 мм. Они обладают минимально возможным перемешиванием и имеют сравнительно неглубокие камеры или камеры с восходящими потоками пульпы. Требование минимально возможного перемешивания наряду с обеспечением равномерного распределения крупных частиц в камере во флотационных машинах с горизонтальным движением пульпы можно совместить лишь путем создания соответствующей внутрикамерной циркуляции. При ее организации следует отдать предпочтение флотационным машинам, в которых минерализация пузырьков осуществляется в восходящих потоках пульпы, способствующих подъему минерализованных пузырьков в пену.

Из импеллерных флотомашин этим требованиям в большей степени удовлетворяют флотомашины ОАО «Механобр» и Гидромашобогащения с циркуляцией через стакан и с кипящим слоем, созданной институтом ГИГХС. Флотомашины с циркуляцией через стакан в настоящее время широко внедряются на фабриках цветной металлургии. Флотомашины с кипящим слоем получили распространение при обогащении калийных солей и фосфатов.

Из пневматических машин этот принцип используется в машине, созданной институтом Армниипроцветмет и ИОТТ. В половине камер этой машины, предназначенной для флотации крупных частиц, осуществлены восходящие потоки пульпы.

Перспективно для флотации крупных частиц применение машин пенной сепарации. В настоящее время эти машины используются для извлечения алмазов, флотации марганцевых руд и других видов минерального сырья.

Пенная сепарация является процессом разделения частиц минералов при их прохождении сверху вниз сквозь слой движущейся пены, образованной на поверхности аэрированной жидкости. При этом гидрофобизиро-ванные частицы выносятся потоком пены в концентрат; камерный продукт удаляют в хвосты. Разделение основано на различной скорости прохождения частиц через пену, которая обусловлена главным образом неодинаковыми свойствами поверхности частиц. В этом основное сходство пенной сепарации с флотацией. Частицы с гидрофильной поверхностью сильнее втягиваются в пену, чем с гидрофобной, и поскольку несущая способность пены для них меньше, то проходят они ее значительно быстрее. Слабее задерживаются они и у нижней границы пены и в аэрированной жидкости. Этот принцип разделения оказался особенно эффективным для зерен минералов, которые крупны для пенной флотации и потому плохо или совсем не флотируют, но мелки для гравитационных процессов.

При пенной сепарации успешно флотируются зерна сильвина крупностью 3—4 мм, фосфорита — до 1,5 мм, марганцевых минералов и сульфидов тяжелых металлов — до 2 мм, угля — до 10 мм и алмазов — до 2 мм, то есть в 5—7 раз крупнее, чем при флотации из объема пульпы.

Время разделения минералов в пенном слое зависит от скорости выпадения из пены гидрофильных частиц, причем крупные выпадают за 1—2 с, а мелкие — за 7—10 с и более. Этим определяется большая производительность пенной сепарации на крупнозернистом материале.

Для извлечения крупных и тяжелых частиц в пенный продукт питание, подаваемое на пену, не должно быть обводненным.

При пенной сепарации наибольшая селективность разделения крупных частиц достигается на границе воздух—пена; тяжелые частицы, прошедшие пену сверху вниз, вновь в пену не возвращаются; повышенная концентрация крупных частиц на границе пены с подпенным слоем является в основном следствием обычной флотации из объема пульпы.

По аналогии с пленочной флотацией извлечение крупных частиц при пенной сепарации происходит по гистерезисному механизму. В связи с этим реагенты, используемые при сепарации крупных частиц, должны, как и в случае пленочной флотации, гидрофобизировать поверхность частиц, повысить явление трудноподвижности периметра трехфазного контакта на границе воздух—вода и не быть по возможности поверхностно-активными.

По аналогии с пенной флотацией извлечение мелких частиц при пенной сепарации происходит по капиллярному механизму. В этом случае реагенты должны гидрофобизировать поверхность частиц, снизить величину гистерезиса смачивания и быть достаточно поверхностно-активными. Это обеспечивает в динамических условиях необходимую прочность контакта частица—пузырек.

Поскольку для извлечения крупных и мелких частиц требуются различные реагенты и несколько различные условия их разделения, питание пенной сепарации необходимо предварительно классифицировать. Поэтому проводя раздельное кондиционирование, крупнозернистый и несколько обезвоженный материал подавать на пену сепаратора, а необезвоженный мелкозернистый материал после его обработки соответствующими реагентами — в объем камеры сепаратора.

Применение пенной сепарации позволяет удалить основную массу пустой породы в крупнозернистом состоянии, вывести в товарный концентрат крупновкрапленные рудные минералы в начале процесса, удалить из процесса измельченные крупнозернистые хрупкие минералы, повысить качество товарных концентратов в результате обогащения крупнозернистых шламов.

Наиболее эффективна пенная сепарация в сочетании с обычной пенной флотацией, поскольку каждый из этих процессов имеет следующие достоинства: при сепарации извлекают сравнительно крупные частицы полезных минералов, а при флотации — труднофлотируемые частицы, переходящие в пенный продукт лишь после длительной обработки во флотационных камерах. Пенной сепарацией обогащают руды, в частности гpyбоизмельченные, в начале процесса с последующей флотацией хвостов сепарации. Сепарация эффективна и для обогащения Песковой фракции флотационных хвостов. Перспективно использование сепарации при доводке различных промпродуктов (гравитационных и флотационных).

Лабораторная установка для пенной сепарации (рис. 4.67) состоит из контактного сосуда вместимостью 5 л с насосом, распределителя пульпы и машины с площадью пенного слоя 275 см2. Насос и распределитель пульпы подают в машину материал не крупнее 2 мм при содержании твердого в пульпе <60 % с заданным расходом. Проходя зафузочную коробку, пульпа распределяется по всей ширине машины и затем тонким слоем поступает на пенный слой. Флотационноспособные минералы остаются на пене и выносятся с ней из машины через разфузочный лоток. Нефлотирующиеся частицы проходят через пенный слой и собираются в нижней части камеры машины. Пенный слой создают, пропуская воздух через диспергаторы — резиновые трубки с наколотыми отверстиями. Концы диспергаторов с одной стороны машины подсоединены к коллектору, в который по трубопроводу, снабженному расходомером и регулирующим клапаном, воздух подается от компрессора.

Эксперименты на установке проводят в следующей последовательности.

1. Заливают машину водой, содержащей вспениватель.

2. Устанавливают распределитель пульпы так, чтобы при работе насоса вся пульпа из распределителя возвращалась в контактный сосуд.

3. Включая насос, загружают в контактный сосуд пульпу и добавляют реагенты; перемешивают пульпу заданное время (3—5 мин).

4. За 1 мин до окончания перемешивания добавляют в контактный сосуд вспениватель, а также начинают подавать воздух в коллектор машины.

5. Устанавливают распределитель пульпы на подачу ее в машину с заданным расходом и начинают отсчет времени сепарации.

За окончание сепарации принимают момент освобождения контактного сосуда от пульпы.

6. Отсоединяют от распределителя пульпы питающий шланг и направляют его в приемник вместимостью 3—4 л, промывают контактный сосуд и насос 2—3 порциями воды по 0,4—0,5 л; воду из приемника декантируют, а материал осторожно смывают в загрузочную коробку работающей машины.

Хороший слой пены образуется при концентрации вспенивателя (соснового масла, Т-80 и др.) в камере машины и в жидкой фазе пульпы 30—50 мг/л и при расходе воздуха 0,8—1,1 м3/ мин на 1 м2 пенного слоя. Расход ксантогената обычно меньше, чем при пенной флотации. Для флотации крупных частиц полезных минералов и их сростков с несульфидными минералами дополнительно с ксантогенатом применяют аполярные реагенты.

Выход пенного продукта и его качество регулируют расстоянием от места загрузки материала до лотка для выгрузки концентрата. Это расстояние изменяется перемещением загрузочной коробки по стенкам камеры. Чем ближе коробка к лотку, тем выше выход концентрата. Выход концентрата снижается с увеличением пенного слоя. Для поднимают разгрузочный лоток с порогом. Перекрывая часть диспергаторов без снижения общего расхода воздуха, его можно перераспределить по длине машины. Перекрыв нижние диспергаторы в правой половине машины, увеличивается расход воздуха в зоне загрузки материала. Производительность машины рассчитывают в тоннах в час (т/ч) на 1 м ширины пенного слоя, исходя из массы исходного материала и продолжительности сепарации. Лабораторные испытания обычно проводят при производительности 1—3 т/ч на 1 м ширины пенного слоя.

Опыты по оптимизации технологического режима пенной сепарации проводят на лабораторных установках (рис. 4.68). Конструкция установки позволяет испытывать руды как на разовых навесках, так и в непрерывном режиме. При испытаниях в непрерывном режиме получают более достоверные результаты.

Техническая характеристика лабораторной установки пенной сепарации приведена ниже:

Процедура исследований обогатимости проб на разовых навесках и в непрерывном режиме одна и та же (рис. 4.69). Только в непрерывном режиме установку обеспечивают пульподелителем для выделения необходимого потока пульпы и подачи его в кондиционер. В этом случае полупромышленные испытания проводят непосредственно на действующих обогатительных предприятиях.

Исходную лабораторно-технологическую пробу квартуют до навесок массой 0,3—1 кг и измельчают обычно в стержневых мельницах периодического действия.

Учитывая, что время пребывания гидрофобизированных частиц в аппарате не превышает 10 с, а период минерализации пузырьков в зоне подачи материала в пену еще меньше, процессу кондиционирования пульпы уделяют максимальное внимание. Для извлечения частиц повышенной крупности применяют добавки вязких аполярных реагентов — масел (мазут, нигрол, веретенное масло и т.д.). Поэтому реагентные смеси эмульгируют. Время кондиционирования пульпы, как правило, не превышает 3 мин.

Поскольку перемешивание крупнозернистых пульп требует специфических условий, используют барабанные смесители. Перемешивание осуществляют в плотных пульпах (50—70 % твердого по массе).

По завершении кондиционирования пульпу подают в камеру пенного сепаратора. Предварительно ее заполняют раствором реагента-вспенивателя и обеспечивают необходимую аэрацию путем подачи сжатого воздуха в аэраторы.

Опыты проводят как при разовой подаче материала в пенный слой (когда в течение нескольких секунд получают конечные продукта обогащения), так и при многократной сепарации в пенном слое камерного продукта. В последнем случае сжатый воздух подают в аэраторы камеры сепарации и эрлифта. Первый способ обычно применяют для обогащения обесшламленного материала оптимальной крупности, второй — для недостаточно обесшламленного.

Применение пенной сепарации ограничивает разрушение пены при использовании некоторых аполярных собирателей (например, керосина), что приводит к прекращению собственно пенной сепарации и замене ее подобием пленочной флотации. Избежать этого нежелательного явления удается отмывкой, иногда многократной, избытка реагентов из пульпы перед сепарацией.

В процессе исследований также целесообразно варьировать следующие параметры: расход твердого и пульпы; плотность и гранулометрический состав питания; время кондиционирования и расход реагентов; аэрацию и толщину пенного слоя; условия подачи материала в пену и скорость пеносъема.

Продукты обогащения подвергают ситовому, гравитационному и минералогическому анализам.

Основные пути интенсификации процесса пенной сепарации: оптимизация гранулометрического состава питания и параметров трехфазной пены путем рационального составления реагентных композиций; использование вязких аполярных масел; совершенствование параметров аэрации (способы генерации пузырьков, управления их дисперсностью и физико-химическими характеристиками поверхности раздела фаз жидкость — газ); энергетическая активация реагентов, пульпы; применение режимов селективной флокуляции частиц минеральных компонентов для сепарации руд с высоким содержанием ценных компонентов в тонкозернистых фракциях.

По результатам исследований вещественного состава пробы, оптимизации режимов ее измельчения (вскрытия минералов), кондиционирования и обогащения определяют место пенной сепарации в технологии переработки испытываемой руды.

Оптимизацию реагентных режимов производят общими приемами, включающими повышение (в 2—5 раз) расхода обычных реагентов и дополнительное использование аполярных собирателей (от мазута до керосина, нередко их смесей, например смесь автола с керосином в соотношении 1:1).

При флотации с ксантогенатами проводят его электрохимическое окисление (до 15—20 %) вместо добавления аполярного собирателя. Образующийся диксантогенид в ряде случаев действует эффективнее добавки аполярного собирателя.

Положительно на флотации крупных частиц сказывается использование активированных водных дисперсий воздуха. При флотации сульфидных агрегатов проводят сернокислотную обработку пульпы (до pH 1,5—2,5). Образующаяся при этом на минералах пленка серы значительно повышает гидрофобность поверхности. Подаваемый вслед за этим ксантогенат благодаря быстрым адсорбции на минерале и съему пены не успевает разложиться. После кислотной обработки перед подачей собирателя повышают щелочность пульпы до pH 6—8 (скачок pH). Кислотная обработка весьма эффективна при использовании лежалых проб.

В ряде случаев кислотная обработка, применение сульфидизаторов (восстановителей) и другая реагентная обработка заменяется электрохимическим воздействием на флотационные системы.

В заключение испытаний целесообразно выполнить технико-экономическое сравнение рекомендуемой технологии с другими альтернативными техническими решениями.

Флотогравитация представлена двумя видами процессов: флотогравитация на концентрационном столе и флотоотсадка.

Выделение гидрофобных частиц (как правило, сульфидных минералов) на концентрационном столе производится пленочной флотацией, так как создать устойчивое пенообразование с извлечением в пену крупных частиц в конечном счете не удается. Главное условие успешного проведения пленочной флотации — тщательное кондиционирование материала с реагентами и подача его на поверхность раздела фаз вода — воздух, причем многократная подача частиц из объема пульпы на эту поверхность значительно повышает эффективность разделения. Лучшими являются аппараты конструкции Уралмеханобра, имеющие не только специальные рифли для вывода материала на поверхность, но и диспергаторы-аэраторы для перемешивания расслоившихся по плотности зерен материала и подачи тем самым тяжелых сульфидных минералов на поверхность раздела фаз вода — воздух с обеспечением контакта их с атмосферным воздухом. Разработаны конструкции лабораторных аппаратов, а на основе двухдечного концентрационного стола и промышленный аппарат. Аппараты данной конструкции обогащают сульфидсодержащий материал крупностью до -3 мм, но производительность их сравнительно невелика и сравнима с удельной производительностью концентрационных столов. Поэтому в основном их применяют в операциях доводки черновых концентратов.

Флотоотсадка совмещает в себе элементы отсадки, пенной сепарации и флотации из объема пульпы. Ее используют в основном при обогащении горно-химического сырья. На железных и никелевых рудах флотоотсадка повышает крупность обогащаемого материала с -0,3 до -1 мм, скорость флотации железных минералов возрастает в 8 раз, а никелевых — в 16 раз. Проведены успешные испытания извлечения флотоотсадкой наиболее тяжелых и труднофлотируемых сульфидов-арсенидов, в основном арсенопирита. Извлечение свободных зерен арсенидов составило: крупностью -1+0,63 мм более 9S %, -0,63+0,35 мм около 99 %. При этом мелкие зерна извлекаются в пенный продукт, а крупные — в камерный (подрешетный). В этом заключается ограниченность применения флотоотсадки, так как она непригодна для эффективного разделения тяжелых гидрофобных (сульфиды) и гидрофильных (например, касситерит) минералов.

Производительность флотоотсадки позволяет использовать ее и в основных обогатительных операциях; имеются случаи использования и флотогравитации (на винтовых сепараторах) в основных операциях.

Лабораторная флотоотсадочная машина представляет собой отсадочную машину, дополненную хвостовой камерой, желобом для пенного продукта и резиновыми диспергаторами (рис. 4.70). Машина легко регулируется. Поднимая или опуская загрузочную коробку, материал подают на пенный слой или ниже. В первом случае флотационное обогащение будет осуществляться по принципу пенной сепарации. Высоту флотационной зоны регулируют перемещением вверх или вниз лотка с порогом для выгрузки мелкой фракции хвостов. Необходимый выход пенного продукта устанавливают изменением расхода воздуха и положения порога на желобе для пенного продукта. Как и в машине для пенной сепарации, условия флотационного обогащения изменяют перераспределением воздуха по длине камеры.

Испытания флотоотсадочной машины начинают с установления режима отсадки. Из порций руды массой не менее 4 кг готовят пульпу и подают ее в машину через контактный сосуд с насосом или вручную. После установления оптимального режима отсадки определяют реагентный режим и условия работы машины в качестве флотационного аппарата. Обычно в лабораторных условиях режимные условия следующие:

В случае отсутствия в лаборатории флотоотсадочной машины эффективность флотоотсадки оценивают по результатам двух последовательных операций: пенной сепарации и гравитационного обогащения хвостов сепарации на отсадочной машине или концентрационном столе. Выход гравитационного концентрата не превышает 3—5 %. Повышенное содержание полезного компонента в гравитационном концентрате по сравнению с хвостами пенной сепарации явится основанием считать флотоотсадку перспективным способом обогащения для исследуемого материала.

Определяя место и роль флотоотсадки в технологии обработки золото- и серебросодержащих руд, необходимо учитывать следующие факты.

Флотоотсадка эффективна в замкнутом цикле измельчения для извлечения крупного золота в гравитационный концентрат, сульфидов и мелкого золота в пенный продукт. На флотоотсадку в этом случае направляют материал крупностью -4 мм, флотационные реагенты — в мельницу. Использование флотоотсадки в циклах измельчения наиболее приемлемо при обработке руд флотацией.

Флотоотсадкой успешно обогащают песковые фракции хвостов основного процесса обработки. В этом случае флотоотсадка является контрольной операцией, обеспечивающей извлечение труднофлотируемых частиц и частиц «гравитационной» крупности, в том числе и золота.

По сравнению с пенной сепарацией флотоотсадка более сложна в эксплуатации и является источником дополнительного обводнения пульпы.

Флотация в кипящем слое наиболее полно реализует все требования к образованию и сохранению флотокомплексов с крупными гидрофобными частицами.

Принцип действия флотационных машин с кипящим слоем (КС) существенно отличается от принципа действия машин механического типа. Устройство флотационной машины с кипящим слоем показано на рис. 4.71 (вместимость камеры машины 3 л, масса навески 1 кг). Камеры машины КС разделены горизонтальной решеткой на два отделения: аэрации (нижнее) и минерализации (верхнее). При флотации обеспечивается циркуляция лишь части пульпы — маточного раствора, поступающего через горизонтальную щель в верхней части шпицкастена по специальному желобу под импеллер. Таким образом, в машине КС через импеллер, статор и решетку циркулирует пульпа с небольшим содержанием твердых частиц, что улучшает условия диспергирования воздуха и снижает износ импеллера и статора. В данном случае блок импеллер—статор действует в основном как аэратор, а не как песковый насос.

Горизонтальная решетка (живое сечение отверстий 12—18 %) служит для преобразования турбулентных потоков в ламинарные. Ламинарные потоки, восходящие в отделении минерализации, обеспечивают взвешенное состояние твердых частиц (кипящий слой), что создает благоприятные условия для минерализации пузырьков воздуха и ценообразования.

В верхней части камеры вертикальные ламинарные потоки пульпы преобразуются в горизонтальные и направляются к пенному порогу, что обеспечивает эффективный пеносъем. Частицы пустой породы, а также отдельные крупные гидрофобные частицы, выпадающие в зоне шпицкастена из горизонтальных потоков пульпы и пены, сползают по наклонной плоскости обратно в кипящий слой. Последнее обстоятельство, а именно многократное попадание частиц в зону минерализации, особенно благоприятно для флотации крупных частиц сульфидных минералов, обладающих значительной (до 7000 кг/м3) плотностью и низкой флотационной активностью (например, арсенопирит). Флотация крупных частиц во флотационной машине обеспечивается вследствие:

- улучшения условий аэрации;

- повышения концентрации пузырьков воздуха и твердых частиц в зоне минерализации из-за увеличения плотности пульпы, не циркулирующей через блок импеллер—статор;

- снижения абсолютной и относительной скорости пузырьков воздуха и витающих твердых частиц в зоне минерализации, причем твердые частицы в одной из фаз своего движения имеют одинаковую с пузырьками воздуха траекторию;

- всплывания минерализованных пузырьков под действием восходящих ламинарных потоков;

- горизонтального движения верхних слоев пульпы и пены к разгрузочному порогу;

- многократного контакта частиц с пузырьками воздуха.

Преимущество флотационной машины КС перед машинами механического типа с точки зрения механизма процесса заключается в увеличении вероятности столкновения твердых частиц с пузырьками воздуха, улучшении условий их прилипания из-за увеличения продолжительности контакта на целый порядок при замене упругого удара (при обычной флотации) скольжением, а также улучшении условий для сохранения образовавшихся флотокомплексов. Для флотации сульфидных минералов, обладающих повышенной плотностью, чрезвычайно важно многократное попадание частиц в зону минерализации, что выгодно отличает машины КС от пенных сепараторов.

При флотации сульфидных минералов в машине КС для улучшения гидродинамических параметров работы необходима достаточная высота верхней горизонтальной щели А (см. рис. 4.71) и минимальная — нижней части желоба Б, подводящего маточный раствор. Это необходимо для увеличения объема циркулирующего маточного раствора, что позволяет перевести тяжелые частицы сульфидных минералов в кипящий слой и исключить оседание случайно попавших в маточный раствор частиц на дно желоба.

Подготовка материала к флотации имеет большое значение, особенно при применении специальных аппаратов (флотогравитация, пенная сепарация, флотация в КС). Необходимо качественно кондиционировать материал с реагентами. При этом агитаторы барабанного типа позволяют кондиционировать более плотные пульпы, а импеллерного типа — руды с минералами, склонными к окислению.

Весьма важной является предварительная классификация по крупности, так как часто тонкие частицы неселективно переходят в пену. Поэтому перед флотацией руды крупнее 0,2 мм ее предварительно классифицируют по зерну 0,2 (0,1) мм; крупный материал направляют в соответствующий аппарат, мелкий — в машину механического типа. Для разделения по крупности одинаково успешно применяют как гидравлическую, так и ситовую классификацию.