Гравитационное обогащение

ГРАВИТАЦИОННОЕ ОБОГАЩЕНИЕ полезных ископаемых (а. gravity separation, gravity соncentration; н. Gravitationsaufbereitung; ф. соncentration gravimetrique, preparation gravimetrique; и. соncentracion gravimetrica) — разделение минералов по плотности в поле силы тяжести или центробежных сил для отделения пустой породы и получения концентрата.

При гравитационном обогащении используется сила земного притяжения (откуда и название метода); иногда дополнительно привлекают поля центробежных сил или электромагнитные — при магнитогидростатической и магнитогидродинамической сепарации. Наряду с различиями в плотности, в процессах гравитационного обогащения используют также различия в размерах и форме частиц, шероховатости их поверхности и в других физико-химических свойствах (смачиваемость водой, склонность к коагуляции и флокуляции).

Основные факторы разделения при гравитационном обогащении — динамические и статические воздействия сред (воздуха, воды, суспензий). Впервые теория гравитационного обогащения была предложена немецким учёным П. Риттингером (1867). Существенное развитие она получила в работах русских учёных Г. Я. Дорошенко (1876), С. Г. Войслава (1884), В. А. Гуськова (1908), а также Р. Ричардса (США, 1908), Й. Финкеи (Венгрия, 1920), советских исследователей Г. О. Чечотта (1924) и особенно П. В. Лященко (1940). Современная теория гравитационного обогащения создана в 60-х гг. советскими учёными Э. Э. Рафалес-Ламаркой, Н. Н. Виноградовым и др.

Гравитационное обогащение рассматривается как процесс установления равновесия и достижения минимума потенциальной энергии системой частиц, находящихся в поле сил тяжести в состоянии неустойчивого равновесия. Скорость гравитационного разделения оценивается по понижению центра тяжести взвеси, а его эффективность — по убыли потенциальной энергии смеси. В основе расчётов гравитационного обогащения лежит определение относительных скоростей перемещения частиц, отличающихся плотностью, размерами и формой в средах различной плотности и вязкости. Большинство формул для скорости свободного падения одиночных частиц v0 можно выразить как:

v_o = kdⁿ(d-D)^m/D,

где k, n, m — переменные, экспериментально определяемые величины;

d — размер частиц;

d и D — плотность частицы и среды соответственно.

Для наиболее мелких частиц учитывается влияние вязкости среды m:

vo = kdⁿ(d-D)^m/m.

При достаточно большой разнице скоростей падения частиц происходит следующее их разделение: частицы большей плотности располагаются в придонной части, а меньшей — в верхних слоях. При таком подходе необходимо, чтобы частицы имели относительно близкие размеры (иначе крупные зёрна с малым dл будут падать с такой же скоростью, как и малые зёрна большой плотности dт). Параметры равнопадаемости зёрен учитываются коэффициентом равнопадаемости.

е = d_лⁿ/d_тⁿ = (d_т-D)^m/(d_л-D)^m.

Однако на практике часто происходит разделение частиц в различных гравитационных аппаратах главным образом по плотности, а не по размеру. Расхождение теории и практики в ряде случаев устраняется введением понятия т.н. стеснённого падения частиц, при котором частицы перемещаются группой. С достаточной точностью скорость стеснённого падения рассчитывается по формуле Лященко:

v_cт = v_om^l,

где m — коэффициент разрыхления;

l — показатель степени, зависящий от характеристик частиц и аппарата.

Однако в этом случае не учитываются закономерности взаимного сцепления частиц и среды.

Гравитационное обогащение осуществляется в воздушных и жидких (вода, органические жидкости, водные суспензии) средах.

Сухое (т.е. пневматическое) гравитационное обогащение не требует обезвоживания продуктов обогащения, что особенно важно для районов с суровым климатом. Применяется также при комбинированном гравитационном обогащении с сухой магнитной и электрической сепарацией.

Мокрое гравитационное обогащение по характеру взаимного движения обогащаемых частиц и сред, в которых происходит их разделение, подразделяют на следующие виды: в неподвижной или горизонтально перемещающейся среде, имеющей плотность, промежуточную по сравнению с разделяемыми частицами (обогащение в тяжёлых средах, магнитогидродинамическая и магнитогидростатическая сепарация); в тяжёлой среде, движущейся по круговой или винтовой траектории (тяжелосредные циклоны, центробежные сепараторы); в потоке, текущем по наклонной плоскости (желоба, шлюзы, конусные концентраторы); в потоке, текущем по нисходящей винтовой плоскости или жёлобу (винтовые сепараторы и винтовые шлюзы).

Гравитационное обогащение производится по схемам, предусматривающим предварительную подготовку материала, его первичное (грубое) обогащение и заключительную доводку (рис. 1).

Наиболее характерный подготовительный процесс — промывка дроблёных руд или дезинтегрированных песков или эфелей россыпных месторождений. При промывке удаляются шламы (менее 0,1 мм для руд и 0,5-2 мм для углей и лёгких минералов), которые затрудняют гравитационное обогащение вследствие увеличения вязкости сред и загрязнения всех продуктов обогащения. Внедряется предварительное усреднение руд, особенно на крупных фабриках. Для большинства руд редких металлов используются схемы с предварительной классификацией материала по крупности на грохотах и камерных классификаторах.

Для первичного обогащения крупных фракций полезных ископаемых (250-300 мм) широко применяются обогащение в тяжёлых средах и отсадка, для средних по крупности — винтовые сепараторы, а для мелких фракций (2-0,1 мм) — конусные концентраторы, шлюзы и желоба различных типов. Концентрационные столы используются в основном для заключительных операций доводки черновых концентратов до кондиционного содержания в сочетании с другими методами обогащения (главным образом магнитными и электрическими). Выделенные в начале процесса шламы чаще всего обогащают флотацией, для тяжёлых минералов разрабатываются способы обогащения на вибрационных шлюзах.

Типовой схемой обогащения углей трудной и средней обогатимости является схема с использованием колёсных сепараторов и магнитной регенерации суспензий (рис. 2).

Существенной частью таких схем является предварительная отмывка шламов на вибрационных или дуговых грохотах и автоматизация регулировки плотности суспензии. Для средних и мелких классов углей применяют схемы гравитационного обогащения с использованием пневматических отсадочных машин, однако последние вытесняются сепарацией в тяжелосредных гидроциклонах.

Характерной для обогащения сульфидных руд тяжёлых цветных металлов является схема с конусным сепаратором в начале процесса (рис. 3) для выделения основной массы породных хвостов, а обогащение мелких классов флотацией является одновременно и регенерацией галенитовой суспензии.

Такие схемы с тяжёлыми суспензиями широко применяют также для обогащения нерудных строительных материалов, фосфоритов, руд чёрных металлов, редких и благородных металлов, алмазов (только в США — свыше 1 млрд. т в год полезных ископаемых), в особенности при большой производительности фабрик. Определённые перспективы имеет применение аэросуспензий (с получением сухих продуктов).

Схемы с предварительной дезинтеграцией и промывкой для удаления глин наиболее широко применяют при обогащении россыпей благородных и редких металлов, алмазов (рис. 4).

Первичное обогащение осуществляется на шлюзах, вашгердах с трафаретами, ленточных шлюзах с автоматическим сполоском (золото, платина и др.), конусных концентраторах (титан, цирконий), винтовых сепараторах и винтовых шлюзах (фосфатные пески). Для мелких фракций минералов (менее 0,1 мм, а для угля и лёгких минералов менее 2 мм) хорошо зарекомендовали себя мелкие многодечные вибрационные шлюзы с автоматическим сполоском (например, шлюзы Бартлес — Мозли), которые позволяют в 2-3 раза повысить извлечение тяжёлых минералов из мелких фракций (например, касситерита из хвостов молибденовой флотации фабрики "Клаймакс", США). Схемы с отсадкой применяются для материалов крупностью 0,1-50 мм (для угля и лёгких минералов 0,5-180 мм) и являются ведущим способом обогащения угля, марганцевых и железных руд. Основной недостаток гравитационного обогащения — низкое среднее извлечение полезных ископаемых в концентраты (80-85%).

Совершенствование гравитационного обогащения связано с созданием крупных единичных агрегатов (например, отсадочных машин), многоярусных концентрационных столов, конусных концентраторов и мелких шлюзов, а также с применением различных физических и физико-химических воздействий на обогащаемый материал и среду. Так, например, при отсадке используются гидравлически или пневматически создаваемые программируемые по форме (прямоугольные, зигзагообразные и др.), частоте и амплитуде пульсации. При этом облегчается автоматизация управления отсадкой. Вязкость тяжёлых сред снижается путём наложения вибраций, добавками реагентов-пептизаторов и др. При отмывке от шламов применяют сочетание пептизаторов и селективных флокулянтов для последующего выделения сфлокулированных минералов из общей массы шламов путём гидроциклонирования и других видов гидравлической классификации. Используют также реагенты-гидрофобизаторы и подачу воздуха (во флотогравитационных аппаратах, например для отделения сульфидов от других тяжёлых минералов). Для повышения комплексности использования сырья гравитационное обогащение комбинируют с другими методами обогащения; широко применяют гравитационно-флотационные, гравитационно-магнитные схемы (например, для лежалых отвальных продуктов и хвостов текущего обогащения оловянных, вольфрамовых руд).

Автоматизация процесса гравитационного обогащения проводится для поддержания в заданных пределах количества и плотности питания аппаратов, подачи воды или других сред, разгрузки продуктов. Качество продуктов и руды контролируется путём автоматизированного отбора проб и анализа их на рентгеноспектральных приборах. Применяется также непрерывный анализ непосредственно в потоке пульп, влажных и сухих продуктов.

Гравитационное обогащение — древнейший метод обогащения полезных ископаемых. В 14-15 вв. были созданы аппараты для гравитационного обогащения, явившиеся прототипом современных. Первое систематизированное описание методов гравитационного обогащения сделано Г. Агриколой (16 в.), одно из первых научных обоснований предложено М. В. Ломоносовым. В 19 — начале 20 веков гравитационное обогащение широко применялось практически для всех видов полезных ископаемых. Гравитационное обогащение — основной метод обогащения углей, сланцев, россыпей золота, касситерита, вольфрамита, рутила, ильменита, циркона, монацита, танталита, колумбита и др., а также один из равноценных методов обогащения руд чёрных металлов (Fe, Mn, Cr), редких металлов (пирохлоровых, литиевых, бериллиевых), а также фосфатов, алмазов и других неметаллических полезных ископаемых.

Гравитационными методами обогащается свыше 4 млрд. т в год, т.е. половина от общего количества обогащаемых полезных ископаемых, вследствие таких преимуществ метода, как дешевизна, простота аппаратуры, возможность разделения различными методами частиц широкого диапазона крупности (от 0,1-2 до 250-300 мм), сравнительная лёгкость очистки сбросных вод и осуществления замкнутого водоснабжения фабрик.