Стадии исследования руд на обогатимость
1.1 Стадии исследования руд на обогатимость
При исследовании на обогатимость разрабатываются технологические схемы, режимы, методы обогащения полезных ископаемых; определяются показатели обогащения; совершенствуются технологические схемы и режимы обогащения на действующих фабриках с целью снижения потерь в процессе обогащения, повышения качества концентратов, снижения их себестоимости; испытывается аппаратура и новые конструкции машин; выясняются механизм действия и влияние отдельных факторов, определяющих процесс обогащения или работу того или иного агрегата, машины и др.
Исследование руд на обогатимость, изыскание методов комплексного использования сырья, разработка эффективной и экономичной схемы обогащения являются сложнейшей задачей со многими неизвестными, требующей внимательного сопоставления многих, часто противоречивых данных и постановки многочисленных экспериментов. Трудность такого исследования связана с тем, что обогащению подвергается комплекс разнородных минералов. Минералы имеют разновидности и различные составы даже в пределах одного месторождения. При этом необходимо учитывать комплексное обогащение с получением нескольких концентратов или получение концентрата различных по свойствам минералов, но содержащих один и тот же ценный элемент.
В процессах обогащения всегда существует определенная вероятность того, что даже при четком различии свойств разделяемых частиц некоторая часть их попадает не в свой продукт, и, следовательно, происходит загрязнение концентрата чужеродными частицами и недоизвлечение ценного минерала.
Обычно, чем выше качество концентрата, тем меньше извлечение ценного минерала, тем ниже производительность и выше стоимость процесса обогащения. Технико-экономические показатели обогащения связаны между собой сложными зависимостями, выявление которых также входит в задачу исследования обогатимости. В результате исследования на обогатимость получают необходимые технологические и экономические данные для проектирования фабрики.
Исследование обогатимости включает подготовку пробы к исследованиям, изучение вещественного состава пробы (ситовый, химический, спектральный и минералогический анализы), определение крупности прорастания, выбор способов обогащения и испытания по выбранным способам, выбор схемы обогащения и контрольные опыты по схеме, составление и оформление отчета.
Учитывая ограниченные возможности экспериментальной проверки схем обогащения, предварительный выбор способов и схем по минералогическим данным является важной составной частью исследования. Существующие методы обогащения обусловливают большое число вариантов схем, отличающихся операциями и их последовательностью.
В исследованиях на обогатимость едва ли возможен анализ влияния всех факторов на процесс. В подавляющем большинстве случаев известны только качественные характеристики и зависимости, многие из которых имеют экстремальный характер, например в одном диапазоне с увеличением концентрации реагена может увеличиваться флотируемоть минерала, а в другом – уменьшаться.
Вместе с тем наличие полиэкстремальных зависимостей в обогатительных процессах – явление достаточно редкое. В связи с этим в исследованиях на обогатимость целесообразно применение статистических методов планирования экспериментов.
При использовании
экспериментально-
Предварительные исследования, включающие минералогический, фракционный, гранулометрический анализы, а также некоторые определения физических свойств минералов, позволяют, наметить схему исследования на обогатительных аппаратах.
Все исследование на обогатимость можно разбить на ряд последовательных стадий, каждая из которых преследует определенную в какой-то степени самостоятельную цель, хотя и взаимосвязанную с другими стадиями.
Целью первой стадии является выделение максимального количества пустой породы при минимальной степени измельчения каким-либо простым и дешевым способом. Эта стадия обусловлена содержанием в добытой горной массе значительного количества породы, практически не содержащей ценных минералов. Особенно большое значение это имеет при использовании высокопроизводительных методов добычи (открытые методы разработки, системы с массовым обрушением), а также при добыче россыпей.
Считается, что отвальные хвосты первой стадии обогащения должны содержать полезного компонента не больше, чем отвальные хвосты в случае отсутствия такого предварительного обогащения. Однако экономически оправданы и более богатые хвосты первой стадии, так как высокая степень концентрации в этой стадии не только удешевляет всю переработку, но и позволяет в последующих стадиях, перерабатывающих обогащенный продукт, достигать более высокого извлечения.
На первой стадии чаще всего применяют гравитационные методы обогащения (в тяжелых суспензиях, отсадку и др.), иногда магнитную сепарацию, коллективную флотацию сульфидов, а в последнее время бактериальное выщелачивание.
Целью второй стадии (иногда она бывает первой) является подготовка сырья к последующему обогащению – максимальное раскрытие ценных минералов с учетом возможности применения тех или иных методов обогащения. При этом следует учитывать, с одной стороны, потери с тонкими классами (шламами) при тонком измельчении, с другой – размеры вкраплений ценных минералов. Кроме измельчения подготовительная стадия может включать магнетизирующий, сульфатизирующий или другой вид обжига, кондиционирование пульпы перед флотацией (аэрация, обдирка, обработка реагентами).
В этой стадии достигается максимальная обогатимость исходного сырья теми методами, которые будут применены в следующей третьей стадии.
Третья стадия исследования включает определение оптимального режима обогащения для получения чернового концентрата. Целью этой стадии является получение максимального извлечения всех ценных компонентов. В соответствии с этой целью определяются параметры работы обогатительных аппаратов, реагентный режим основной флотации и т.п.
В четвертой стадии выясняется возможность получения конечных продуктов заданного качества (кондиционных концентратов), определяется вид и режим доводочных операций, выясняется необходимость и возможность использования химических и металлургических методов переработки промпродуктов.
На пятой стадии исследования отрабатывается схема: выбирается количество перечистных и контрольных операций, определяется целесообразность выделения и способы переработки промежуточных продуктов. Эти исследования не всегда можно осуществить в лабораторных условиях. Иногда их проводят на полупромышленных установках или действующих фабриках.
Последняя (шестая) стадия – технико-экономическое исследование – предусматривает сравнение вариантов по технологическим и экономическим показателям, а иногда и испытание некоторых (комбинированных) вариантов схем.
Необходимо заметить, что четких правил выбора технологических схем пока не существует. Правильность выбора зависит от опыта исследователя. Вот почему на последней стадии целесообразно привлечение широкого круга специалистов для консультации, изучение опыта переработки руд аналогичного состава и анализ различных методов переработки минерального сырья.
Специфичность каждого месторождения не позволяет заранее определить схему обогащения любой руды. Кроме того, развитие техники обогащения полезных ископаемых часто позволяет в новом исследовании на обогатимость использовать нетрадиционные подходы к выбору схем и методов концентрации тех или иных минералов.
4.1 Физические основы методов
Спектроскопические методы исследования основаны на взаимодействии исследуемого вещества с электромагнитным излучением при различных частотах. При взаимодействии излучения с веществом происходит ослабление интенсивности первоначального потока при отражении, рассеянии и поглощении. По уменьшению плотности потока можно определить форму, размер материала среды и его природу.
Отражение и поглощение излучения веществом носит селективный характер, т.е. степень ослабления потока зависит от длины волны. Селективность взаимодействия лучистой энергии с веществом используется для изучения его состава и характера связи между составляющими его атомами и молекулами.
Поглощение кванта энергии «hν» веществом происходит вследствие перехода электрона из основного состояния в возбужденное. В зависимости от величины кванта энергии могут происходить различные энергетические переходы в веществе. Величина кванта энергии характеризуется его частотой «ν» или длиной волны «λ», т.к. h =const
Е = hν = hс/ λ, (1)
где с – скорость света.
Чем больше частота или меньше длина волны излучения, тем больше энергия кванта. При облучении γ–лучами энергия которых в среднем составляет 107 эВ, а область длин волн соответствует 10-8–10-11 см, происходят изменения в энергетическом состоянии ядер.
Рентгеновские лучи (энергия ~105 эВ, длина волны 10-8-10-6 см) возбуждают переходы с ближайших к ядру электронных оболочек. Ультрафиолетовое и видимое (энергия ≈10 эВ, длина волны 10-6-10-4 см) излучение при поглощении веществом переводит внешние электроны из основного в возбужденное состояние, а инфракрасное (энергия ~10-1 эВ, длина волны 10-4-10-2 см) вызывает переходы в колебательных и вращательных уровнях атомов в молекуле.
Химические свойства молекул и активных центров на поверхности твердого тела, на которых происходит адсорбция, определяются свойствами внешних электронов. Энергетические уровни, на которых находятся внешние электроны, в отдельных молекулах или конденсированных фазах (жидкостях, твердых телах) чувствительны к межмолекулярному взаимодействию. Соответствующие изменения происходят также в структуре колебательных спектров атомов в молекуле. Поэтому изучение межмолекулярных взаимодействий перспективно методами ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) спектроскопии.
Исследуя поглощение электромагнитных волн в этом диапазоне, можно изучить энергоемкие процессы, например, хемосорбцию (4,2∙105 Дж/моль), менее энергоемкие, например физическую адсорбцию, гидратацию ионов и поверхностей (4,2 – 2,2∙103 Дж/моль), а также более тонкие процессы, связанные с ориентацией и постепенным образованием (застройкой) адсорбционных слоев, изменение энергии в ходе которых незначительно (0,4–20∙103 Дж/моль).
В настоящее время УФ и видимая спектроскопия в меньшей степени применяются для изучения адсорбционных слоев, чем, например, ИК спектроскопия. Однако эти методы применимы для определения физико-химических свойств флотационных реагентов в растворах и, в частности, их остаточной концентрации.
Связь электронных спектров поглощения с химическим строением молекул. Поглощение в области 1000 - 10000 Ǻ обусловливается изменением в электронном состоянии молекулы. Согласно этому, спектры поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях получили название электронных.
У молекул, содержащих только простые связи, электронный спектр поглощения находится в области длин волн короче 1600 Ǻ; у простейших молекул, имеющих кратные (двойные или тройные) связи, спектр поглощения находится в области ниже 2400 Ǻ, а те молекулы, которые содержат атомы с неподеленными парами электронов (N, О, S, галоиды и др.), - в области длин волн короче 3500 Ǻ. Как видно, наблюдается определенная корреляция с энергиями связи.
Структура электронного спектра однозначно характеризуется положением электронных уровней в молекуле и непосредственно связана с ее электронным строением.
Молекулярные орбитали бывают связывающие, несвязывающие и разрыхляющие. Энергия связывающих меньше энергии исходных атомных орбиталей, энергия несвязывающих орбиталей не меняется при образовании из атомов, а разрыхляющей – увеличивается.
Несвязывающая орбиталь электронов молекулы, обозначающаяся символом п, локализована на отдельном атоме, тогда как орбитали σ и π охватывают обычно два или более атомов в молекуле. Интенсивность полос в электронных спектрах определяется вероятностью перехода молекулы из одного энергетического состояния в другое.
Каждый электронный уровень имеет набор колебательных υ и вращательных j уровней. Вращательным спектрам соответствует энергия перехода порядка 4 – 40 Дж/моль, и они находятся в далекой инфракрасной и микроволновой областях.
Колебательные спектры связаны с изменением колебательной энергии и для большинства молекул проявляются в средней и ближней инфракрасной областях (1 – 40 мкм). Соответствующая энергия переходов составляет 4 – 40∙103 Дж/моль.
Электронные спектры возникают в результате переходов между электронными уровнями и наблюдаются в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях (120–1000 нм). Энергия переходов составляет более 4∙105 Дж/моль. При поглощении такой энергии одновременно происходит изменение в колебательном и вращательном состояниях. Поэтому электронные спектры состоят из широких полос, на которых видна колебательная структура
6.4 Методы электрической сепарации
Электрические методы обогащения основаны на различных способах зарядки частиц минералов и разделении их в электрическом или магнитном поле.
К свойствам минералов, определяющим их электрический заряд и разделяемость, относятся: электропроводность, диэлектрическая проницаемость, электризация трением (трибоадгезионный эффект), контактный потенциал и пироэлектрический эффект. Кроме того, существуют пьезоэлектрический эффект, униполярная (детекторная) проводимость кристаллов, которые пока не используются в процессах обогащения.
Электросепараторы применяются для разделения смеси сухих минералов на составляющие компоненты, а также для разделения по крупности (электроклассификация).
Методы электрической сепарации: электростатический (электро-татическое поле; частицы заряжаются контактным или индукционным способом); коронный (поле коронного разряда; частицы заряжаются ионизацией); диэлектрический (электростатическое поле; незаряженные частицы разделяются под действием пондеромоторных сил); комбинированные: коронно-электрический (поле коронного разряда и электростатическое поле; частицы заряжаются ионизацией и другими способами); коронно-магнитный {поле коронного разряда и магнитное поле; частицы заряжаются ионизацией); трибоадгезионный (частицы заряжаются за счет трибоэлектрического эффекта, адгезии и др.).
Лабораторная установка по электростатическому обогащению включает:
стандартную высоковольтную установку, применяемую в рентгеновских аппаратах с пультом управления, обеспечивающую возможность создания напряжения до 40-0 кВ, и опытный сепаратор, на котором можно в широких пределах изменять основные параметры, определяющие процесс электростатического обогащения.
Для минералогического анализа, например при анализе шлихов или классов ситового анализа различных продуктов, можно использовать устройство (рисунок 1) состоящее из медной пластинки 1 размером 90×120 мм, по углам которой наклеены эбонитовые изоляторы 2 размером 15×15 мм и высотой 4-5 мм. На изоляторы накладывается эбонитовая пластинка 3 того же размера, что и медная. На эбонитовой пластинке для ее зарядки наклеена медная сетка 4, не доходящая до краев на 5 мм. На медную пластинку насыпают слой зерен испытуемого материала, накрывают эбонитовой пластинкой, сетку которой соединяют с кондуктором электрофорной машины, и, вращая круг машины, заряжают сетку и эбонитовую пластинку до потенциала, при котором хорошо проводящие зерна начнут притягиваться к пластинке. После этого прибор отсоединяют от электрофорной машины, не касаясь медной сетки и кондуктора, и осторожно снимают эбонитовую пластинку с приставшими к ней зернами, не задевая при этом медной сетки, чтобы не разрядить ее при снятии. Опыт можно повторить несколько раз, пока не будут разделены все зерна.
Рисунок 9 – Схема устройства для электростатического разделения минералов
Для подготовки материала к электросепарации в зависимости от характеристики исходного материала и условий его обработки могут применяться: сушка, обеспыливание, классификация по крупности, обработка поверхностно-активными веществами и др.
Подсушка обрабатываемого материала устраняет влияние влажности атмосферного воздуха, стабилизирует поведение сепарируемых частиц и обеспечивает свободное перемещение их в сепараторе под влиянием механических и электрических сил.
Воздушно-сухой материал пропускают через плоскую электропечь, которая монтируется на распределительном лотке сепаратора. В этом случае после прохождения через лоток материал нагревается примерно до 30-40°С.
Можно пользоваться также сушильными шкафами (термостатами). При этом обрабатываемый материал, перемешивая, нагревают 7-10 мин.
Если различие в электропроводности компонентов обрабатываемых материалов небольшое, на процесс сепарации положительное влияние может оказывать предварительная их классификация по крупности. При этом чем уже классификация частиц, тем легче и по более простой схеме они сепарируются. Кроме крупности исходного материала на процесс сепарации влияет также разница в плотности. При наличии компонентов с большой плотностью исходный материал, в случае обогащения его на барабанных электросепараторах, измельчается обычно до крупности не более 3 мм.
Различные сыпучие материалы можно обеспыливать и классифицировать на коронных барабанных и камерных сепараторах.
Эффективность сепарации в меньшей степени определяется свойствами самих минералов (веществ) и в большей – состоянием их поверхности. Естественное состояние последней можно изменить, например очисткой поверхности частиц и удалением с них некоторых составных частей или образованием поверхностных пленок с помощью реагентов, селективно действующих на различные вещества. Если при очистке поверхности частиц удаляемые составные части не могут улетучиваться, рассеиваться или сошлифовываться, то для очистки требуется перемешивание в пульпе.
Обрабатывать поверхностно-активными и пленкообразующими веществами можно как при сухом (газообразном), так и влажном (в виде раствора) состоянии. В этом случае необходима последующая сушка обработанного материала.
Поверхность основных пегматитов обрабатывают фтористоводородной кислотой и фтористоводородной солью (от 100 г/т и более). Минералы, загрязненные железными соединениями, можно протравливать серной кислотой или гидросульфитом цинка.
7.4 Метод крутого восхождения
Выбор преобладающих факторов и оценка их значимости по коэффициентам регрессии линейной модели позволяет спланировать последующие эксперименты для достижения оптимальной области кратчайшим способом.
Кратчайшее расстояние к максимуму (минимуму) непрерывной однозначной функции отклика из любой точки определяется градиентом – прямой, перпендикулярной изолиниям параметра оптимизации (см. рисунок 2).
где df/dX1 – частная производная функции отклика по i-му фактору;
– единичные векторы в направлении координатных осей факторного пространства.
Оценками частных производных df/dX1 являются коэффициенты линейной регрессии bi, и, следовательно, для движения по градиенту необходимо изменять факторы пропорционально их коэффициенту регрессии и в ту сторону, в которую указывает знак коэффициента. Для этого вычисляется произведение коэффициентов на интервале варьирования bi ΔXi, и фактор с максимальным произведением принимается за базовый biδ. Для него выбирают шаг варьирования Δxiδ. Пропорционально базовому определяются шаги по другим факторам
где Δxi – новый шаг варьирования для i-го фактора.
Шаговый процесс движения по поверхности отклика продолжается до тех пор, пока исследователь не попадет в «почти стационарную область», где линейное приближение оказывается уже недостаточным
При переходе через оптимум (по другую сторону холма) значение параметра оптимизации вновь должно ухудшаться. Таким образом, определяется оптимальная область.
Базовый шаг варьирования определяется на основе тех же соображений, что и первоначальный интервал варьирования. Для облегчения расчетов шаги обычно округляют.
На расчет градиента не оказывает влияния b0. Для качественных факторов на двух уровнях либо фиксируется лучший уровень, либо градиент реализуется дважды для каждого уровня в отдельности. Незначимые факторы стабилизируются на любом уровне в интервале ±1. Если нет специальных соображений, то выбирают нулевой уровень. Если же по экономическим соображениям, например, выгодно поддерживать нижний уровень, то выбирают его. В движении по градиенту эти факторы не участвуют.
Движение к оптимуму по градиенту возможно и в случае получения неадекватной модели. В эксперимент могут быть включены и некоторые факторы, коэффициенты при которых оказались незначимыми, но которые важны по технологическим соображениям, так как причины незначимости коэффициентов регрессии могут зависеть от неверного выбора интервалов варьирования
Если значимость некоторых эффектов взаимодействия оказалась выше, чем соответствующих линейных эффектов, возможна переформулировка факторов. Например, при флотации взаимодействие факторов (плотность пульпы×расход ксантогената) оказалось выше, чем каждого из этих факторов. Ясно, что решающим фактором является остаточная концентрация реагента в жидкой фазе пульпы, которая и должна планироваться и регулироваться в последующих экспериментах
