Обогащение полезных ископаемых

ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ (а. beneficiation, cleaning, соncentration, dressing, enrichment, preparation, separation, washing; н. Rohstoffaufbereitung; ф. preparation des mineraux utiles, enrichissement des mineraux utiles, traitement des mineraux utiles, lavage des mineraux utiles, соncentration des mineraux utiles; и. beneficio de fosiles utiles, соncentracion de minerales, separacion de fosiles utiles, enriquecimiento de fociles utiles, elaboracion de minerales, tratamiento de minerales, preparacion de fosiles utiles) — совокупность процессов и методов концентрации минералов при первичной переработке твёрдых полезных ископаемых. При обгащении полезных ископаемых возможно получение как окончательных товарных продуктов (известняк, асбест, графит и др.), так и концентратов, пригодных для дальнейшей технически возможной и экономически целесообразной химической или металлургической переработки. Обогащение полезных ископаемых — важнейшее промежуточное звено между добычей полезных ископаемых и их использованием. В основе теории обогащения полезных ископаемых лежит анализ свойств минералов и их взаимодействий в процессах разделения — минералургия. Обогащение полезных ископаемых позволяет использовать комплексные и бедные руды; удешевить добычу полезных ископаемых применением высокопроизводительных способов сплошной выемки из массива, снизить транспортные расходы, т.к. часто перевозятся только концентраты, а не вся масса добытого сырья.

Обогащение полезных ископаемых существует с глубокой древности как способ извлечения золота путём промывки золотоносных песков и как операция подготовки руд к плавке (см. горное дело).

В России зарождение обогащения полезных ископаемых связано с выделением золота из руд. В 1760 на р. Исети построена первая обогатительная фабрика для извлечения золота. В 1763 М. В. Ломоносовым в труде "Первые основания металлургии или рудных дел" дано описание обогатительных процессов. Его современники И. И. Ползунов, К. Д. Фролов построили несколько механизированных (с приводом от водяных колёс) обогатительных фабрик, оборудованных оригинальными машинами для промывки руд. В 19 в. возникли магнитные и электростатические обогащения полезных ископаемых, а затем флотация (об истории разных способов обогащения полезных ископаемых см. в соответствующих статьях).

В зависимости от минерального состава и содержания полезных минералов, размеров вкраплений определяется обогатимость полезных ископаемых и выбирается схема обогащения полезных ископаемых, которая состоит из ряда последовательных процессов. Самая общая схема обогащения полезных ископаемых включает "разъединение" минералов, т.е. высвобождение их из сростков, что достигается дроблением и измельчением полезных ископаемых и "разделения" минералов собственно процессами обогащения. Обычно вначале проводится рудоподготовка, которая состоит из дробления, грохочения, а также усреднения материала. Дробление проводится в несколько стадий, между которыми можно выделять готовый продукт. Дроблёный продукт может подвергаться предварительному обогащению в тяжёлых средах или методами радиометрии, сортировки для удаления разубоживающих пород. Измельчение проводится для раскрытия руды, после которого минералы концентрируются гравитацией, магнитным обогащением или флотацией. Мельницы работают в цикле с классификатором для выделения продуктов нужной крупности.

К обогащению полезных ископаемых относятся различные методы разделения минералов по физическим свойствам: прочности, форме, плотности, магнитной восприимчивости, электропроводности, смачиваемости, адсорбционной способности, поверхностной активности, но без изменения их агрегатно-фазового состояния, химического состава, кристаллохимической структуры.

При разной плотности разделяемых минералов применяются многообразные методы гравитационного обогащения, использующие различие в скорости движения частиц в водной или воздушной среде под действием гравитационных или центробежных сил. К этим методам относятся: отсадка, обогащение в тяжёлых средах, концентрация на столах (см. концентрационный стол), обогащение на шлюзах. Различие в физико-химических свойствах поверхностей разделяемых минералов лежит в основе флотации. Если минералы обладают различной магнитной восприимчивостью, то их разделяют магнитной сепарацией. При различии в электрических свойствах (электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, способности заряжаться при трении) минералы разделяют электрической сепарацией.

Различие зёрен минералов по крупности, форме, хрупкости и коэффициенту трения позволяет разделить их по этим признакам. Наиболее распространены гравитационные, флотационные и магнитные методы. При наличии в полезных ископаемых загрязняющих примесей (главным образом глинистых) в схему обогащения включают промывку. Разделение минералов может осуществляться по нескольким свойствам путём применения различных комбинаций процессов в одном аппарате (комбинированный процесс) или в ряде последовательно расположенных аппаратов (комбинированная технологическая схема). Комбинированные обогатительные схемы включают обычно в качестве первичного процесса гравитационные, а затем магнитные или флотационные. Такие схемы типичны для смешанных железных (гравитационно-магнитная), марганцевых (гравитационно-флотационная) и редкометальных руд (гравитационно-магнитная).

К наиболее распространённым комбинированным обогатительным процессам относятся флотогравитационные: флотация на концентрационных столах (отделение крупных сульфидов от касситерита), флотоотсадка (обогащение редкометалльных руд). Известны также магнитогидродинамическая и магнитогидростатическая сепарация, классификация в магнитном поле, флотация в магнитном поле.

Если обогатительными методами или их комбинацией не удаётся получить кондиционные концентраты, применяется комбинация с различными видами доводок гидрометаллургии. Доводка проводится выщелачиванием вредных компонентов из концентратов, например фосфора или кремнезёма из железных, марганцевых, вольфрамовых концентратов. Удаление вредных компонентов возможно также термической обработкой. Например, обжигом карбонатитовых руд можно существенно повысить концентрацию полезных компонентов за счёт удаления CO₂. Обжиг позволяет изменить магнитные свойства минералов (магнетизирующий обжиг окисленных железных руд) для последующей магнитной сепарации. Известны примеры применения обжига для изменения флотируемости минералов (фосфориты). Специфическая схема, включающая пирометаллургию и флотацию, используется при переработке медно-никелевых руд: они плавятся на медно-никелевый файнштейн, состоящий из искусственных сульфидных минералов, который затем измельчается и разделяется флотацией на медный и никелевый продукты. Другой оригинальной схемой переработки медно-никелевых руд является коллективно-селективная флотация с получением никельпирротиновых концентратов, которые подвергаются автоклавно-окислительному выщелачиванию с последующей флотацией серы и сульфидов.

К комбинированным обогатительно-гидрометаллургическим процессам относятся ионная флотация, электрофлотация, процесс Мостовича. В результате обогащения полезных ископаемых получают один или несколько концентратов и отходы — хвосты. Полученные в результате применения мокрых методов обогащения полезных ископаемых концентраты подвергаются обезвоживанию. Крупнозернистые продукты обычно обезвоживают на грохотах и дренированием с последующей сушкой. Мелкозернистые продукты вначале сгущают (см. сгущение), затем фильтруют и сушат.

Обогащение полезных ископаемых позволяет существенно увеличить концентрацию ценных компонентов. Содержание тяжёлых цветных металлов меди, свинца, цинка в рудах составляет 0,3-2%, а получаемых концентратов 20-70%. Концентрация молибдена увеличивается от 0,1 — 0,05% до 47-50%, вольфрама — от 0,1-0,2 до 45-65%, зольность угля снижается от 20-35 до 8-15%. В задачу обогащения полезных ископаемых входит также удаление вредных примесей минералов (мышьяк, сера, кремний и др.). Извлечение ценных компонентов в концентрат в процессах обогащения полезных ископаемых от 60 до 95%.

Главные направления развития обогащения полезных ископаемых: совершенствование отдельных процессов обогащения и применение комбинированных схем с целью максимального повышения качества концентратов и извлечения полезных компонентов из руд; увеличение производительности отдельных предприятий путём интенсификации процессов и укрупнения оборудования; повышение комплексности использования полезных ископаемых с извлечением из них ценных компонентов и утилизацией отходов (чаще всего для производства строительных материалов); автоматизация производства. Одна из важных задач — сведение к минимуму загрязнения окружающей среды за счёт использования оборотной воды и более широкого применения сухих методов обогащения. Масштаб использования полезных ископаемых непрерывно возрастает, а качество руд систематически ухудшается. Снижается содержание в рудах полезных минералов, ухудшается их обогатимость, возрастает зольность углей. Всё это предопределяет дальнейшее увеличение роли обогащения полезных ископаемых в промышленности.