Переработка полезных ископаемых — это процесс отделения коммерчески ценных минералов от руд в области извлекаемой металлургии . [1] В зависимости от процессов, используемых в каждом случае, его часто называют обогащением руды или измельчением руды .
Обогащение - это любой процесс, который улучшает (приносит пользу) экономической ценности руды путем удаления пустой породы , что приводит к получению продукта более высокого качества ( рудного концентрата ) и потока отходов ( хвостов ). Существует много различных типов обогащения, каждый шаг которых способствует концентрации исходной руды. Ключевым является понятие извлечения , массовой (или эквивалентной молярной) доли ценного минерала (или металла), извлеченного из руды и перенесенного в концентрат.
До появления тяжелой техники сырая руда дробилась с помощью молотов, которыми управляли вручную, этот процесс назывался « откалыванием ». В конце концов, были найдены механические средства для достижения этого. Например, штамповые мельницы использовались в Центральной Азии в окрестностях Самарканда еще в 973 году. Есть свидетельства того, что этот процесс использовался в Персии в ранний средневековый период . К XI веку штамповые мельницы широко использовались по всему средневековому исламскому миру , от исламской Испании и Северной Африки на западе до Центральной Азии на востоке. [2] Более поздним примером были корнуэльские штампы , состоящие из ряда железных молотов, установленных в вертикальной раме, поднятых кулачками на валу водяного колеса и падающих на руду под действием силы тяжести.
Обогащение железа было очевидно еще в 800 году до нашей эры в Китае с использованием кричной печи . [3] Кричная печь является первоначальной формой плавки и позволяла людям разводить огонь, достаточно горячий, чтобы расплавить оксиды в жидкость, которая отделяется от железа. Хотя кричная печь была быстро выведена из употребления с изобретением доменной печи , она все еще широко использовалась в Африке и Европе до начала второго тысячелетия. Доменная печь была следующим шагом в плавке железа, которая производила чугун в чушках . [4] Первые доменные печи в Европе появились в начале 1200-х годов вокруг Швеции и Бельгии, и только в конце 1400-х годов в Англии. Чугун, вылитый из доменной печи, имеет высокое содержание углерода, что делает его твердым и хрупким, что затрудняет его обработку. В 1856 году был изобретен процесс Бессемера , который превращает хрупкий чугун в сталь, более ковкий металл. [4] С тех пор было изобретено много различных технологий для замены бессемеровского процесса, таких как электродуговая печь , кислородно-конвертерное производство стали и железо прямого восстановления (DRI). [5]
Для сульфидных руд применяется другой процесс обогащения. Перед началом плавки из руды необходимо удалить серу. Обжиг является основным методом разделения, при котором древесина размещается на кучах руды и поджигается, чтобы помочь окислению. [6] [7]
Самые ранние практики обжарки проводились на открытом воздухе, позволяя большим облакам диоксида серы проноситься над землей, нанося серьезный вред окружающим экосистемам, как водным, так и наземным. Облака диоксида серы в сочетании с местной вырубкой лесов для древесины, необходимой для обжарки, усугубляли ущерб окружающей среде, [6] как это видно в Садбери , Онтарио и Inco Superstack . [7]
Самый простой метод отделения руды от пустой породы заключается в извлечении отдельных кристаллов каждой из них. Это очень утомительный процесс, особенно когда отдельные частицы малы. Другой сравнительно простой метод основан на различных минералах, имеющих различную плотность , заставляя их собираться в разных местах: металлические минералы (будучи более тяжелыми) будут выпадать из суспензии быстрее, чем более легкие, которые будут переноситься дальше потоком воды. Процесс промывки и просеивания золота использует оба этих метода. Различные устройства, известные как «связки», использовались для использования этого свойства. [ когда? ] Позже использовались более совершенные машины, такие как Frue vanner , изобретенный в 1874 году.
Другое исторически используемое оборудование включает в себя будку — желоб, используемый в некоторых обогатительных машинах, а также кив или киев — большую ванну, используемую для неравномерной осадки.
Обогащение может начинаться в самой шахте. Большинство шахт будут иметь дробилку в самой шахте, где происходит разделение руды и пустой породы, и как побочный эффект становится легче транспортировать. После дробилки руда будет проходить через дробилку или мельницу, чтобы превратить руду в мелкие частицы. Плотная сепарация (DMS) используется для дальнейшего отделения желаемой руды от горных пород и пустой породы. Это расслоит измельченный агрегат по плотности, что облегчит разделение. Где DMS происходит в процессе, может быть важно, дробилки или мельницы будут перерабатывать гораздо меньше пустой породы, если DMS происходит заранее. Это снизит износ оборудования, а также эксплуатационные расходы, поскольку будет проходить меньший объем. [8]
После стадии измельчения руда может быть дополнительно отделена от породы. Один из способов, которым это может быть достигнуто, — это использование физических свойств руды для ее отделения от остальной породы. Перед любым процессом физического разделения важно определить размер частиц руды для эффективного разделения. Это делается с помощью промышленных сит или классификаторов. [9]
Этими процессами являются гравитационное разделение , флотация и магнитное разделение . Гравитационное разделение использует центробежные силы и удельный вес руд и пустой породы для их разделения. [10] Магнитное разделение используется для отделения магнитной пустой породы от желаемой руды или, наоборот, для удаления магнитной целевой руды из немагнитной пустой породы. [11] DMS также считается физическим разделением.
Некоторые физические свойства руды не могут быть использованы для разделения, поэтому для отделения руды от породы используются химические процессы. Пенная флотация , выщелачивание и электролиз являются наиболее распространенными типами химического разделения. Пенная флотация использует гидрофобные и гидрофильные свойства для отделения руды от пустой породы. Гидрофобные частицы поднимутся на поверхность раствора для снятия. [12] [13] Изменения pH в растворе могут влиять на то, какие частицы будут гидрофильными. Выщелачивание происходит путем растворения желаемой руды в растворе из породы. [14] Электролиз не является основным методом разделения, но необходим для извлечения руды из раствора после выщелачивания.
Переработка полезных ископаемых может включать четыре основных типа технологических операций: 1) измельчение — уменьшение размера частиц; 2) сортировка по размеру — разделение частиц по размерам путем просеивания или классификации; 3) концентрирование путем использования физических и поверхностных химических свойств; и 4) обезвоживание — разделение твердой и жидкой фаз.
Во всех этих процессах наиболее важными соображениями являются экономические показатели процессов, которые диктуются сортом и извлечением конечного продукта. Для этого необходимо учитывать минералогию руды, поскольку она диктует объем необходимого освобождения и процессы, которые могут происходить. Чем меньше процессы частиц, тем выше теоретическое содержание и извлечение конечного продукта. Однако это становится трудно сделать с мелкими частицами, поскольку они препятствуют определенным процессам концентрации.
Измельчение — это уменьшение размера частиц материалов. Измельчение может проводиться как на сухих материалах, так и на пульпах. Дробление и помол — это два основных процесса измельчения. Дробление обычно проводится на рядовой [15] руде, в то время как измельчение (обычно проводимое после дробления) может проводиться на сухом или пульпированном материале. При измельчении уменьшение размера частиц осуществляется тремя типами сил: сжатие, удар и истирание. Силы сжатия и удара широко используются в операциях дробления, в то время как истирание является доминирующей силой при измельчении. Основным оборудованием, используемым при дроблении, являются щековые дробилки, конусные дробилки и конусные дробилки, тогда как стержневые и шаровые мельницы , обычно замкнутые с классификатором, обычно используются для измельчения на заводе по переработке минерального сырья. Дробление — это сухой процесс, тогда как измельчение обычно выполняется мокрым способом и, следовательно, является более энергоемким.
Сортировка — это общий термин для разделения частиц по размеру. Самый простой процесс сортировки — просеивание или пропускание частиц, подлежащих сортировке, через сито или несколько сит. Оборудование для просеивания может включать в себя грохоты, [16] стержневые сита, клиновидные сита, радиальные сита, банановые сита, многоярусные сита, вибрационные сита, тонкие сита, флип-флоп-сита и сита из проволочной сетки. Сита могут быть статическими (обычно для очень грубого материала) или могут включать в себя механизмы для встряхивания или вибрации сита. Некоторые соображения в этом процессе включают материал сита, размер отверстия, форму и ориентацию, количество частиц близкого размера, добавление воды, амплитуду и частоту колебаний, угол наклона, наличие вредных материалов, таких как сталь и дерево, и распределение размеров частиц.
Классификация относится к операциям по калибровке, которые используют различия в скоростях осаждения, проявляемых частицами разного размера. Оборудование для классификации может включать сортировщики руды , газовые циклоны , гидроциклоны , вращающиеся барабаны , граблинные классификаторы или псевдоожиженные классификаторы.
Важным фактором как в операциях измельчения, так и в операциях по калибровке является определение распределения размеров частиц обрабатываемых материалов, обычно называемое анализом размера частиц . Используется множество методов анализа размера частиц, и эти методы включают как офлайн-анализы, требующие взятия образца материала для анализа, так и онлайн-методы, которые позволяют анализировать материал по мере его прохождения через процесс.
Существует ряд способов увеличения концентрации желаемых минералов: в каждом конкретном случае выбранный метод будет зависеть от относительных физических и поверхностных химических свойств минерала и пустой породы. Концентрация определяется как число молей растворенного вещества в объеме раствора. В случае переработки минералов концентрация означает увеличение процентного содержания ценного минерала в концентрате.
Гравитационное разделение — это разделение двух или более минералов с различным удельным весом путем их относительного движения под действием силы тяжести и одной или нескольких других сил (таких как центробежные силы, магнитные силы, выталкивающие силы), одной из которых является сопротивление движению (сила сопротивления) вязкой среды, такой как тяжелая среда, вода или, реже, воздух.
Гравитационное разделение является одним из старейших методов обработки полезных ископаемых, но его применение пошло на спад с появлением таких методов, как флотация, классификация, магнитное разделение и выщелачивание. Гравитационное разделение восходит как минимум к 3000 году до нашей эры, когда египтяне использовали этот метод для разделения золота.
Необходимо определить пригодность процесса гравитационного обогащения перед его применением для обогащения руды. Для этой цели обычно используется критерий обогащения , обозначенный в следующем уравнении (где представляет собой удельный вес):
Хотя критерии концентрации являются полезным практическим правилом при прогнозировании возможности гравитационного концентрирования, такие факторы, как форма частиц и относительная концентрация тяжелых и легких частиц, могут существенно влиять на эффективность разделения на практике.
Существует несколько методов, которые используют разницу в весе или плотности частиц: [17]
Эти процессы можно классифицировать как разделение по плотности или гравитационное (весовое) разделение. При разделении в плотной среде создается среда с плотностью между плотностью частиц руды и пустой породы. При воздействии этой среды частицы либо всплывают, либо тонут в зависимости от их плотности относительно среды. Таким образом, разделение происходит исключительно за счет разницы в плотности и, в принципе, не зависит от других факторов, таких как вес или форма частиц. На практике размер и форма частиц могут влиять на эффективность разделения. Разделение в плотной среде может выполняться с использованием различных сред. К ним относятся органические жидкости, водные растворы или суспензии очень мелких частиц в воде или воздухе. Органические жидкости обычно не используются из-за их токсичности, трудностей в обращении и относительной стоимости. В промышленности наиболее распространенной плотной средой является суспензия мелких частиц магнетита и/или ферросилиция. Водный раствор в качестве плотной среды используется при переработке угля в виде промывки белкнапом, а суспензии в воздухе используются в районах с дефицитом воды, таких как районы Китая, где песок используется для отделения угля от минералов пустой породы.
Гравитационное разделение также называется относительным гравитационным разделением, поскольку оно разделяет частицы из-за их относительной реакции на движущую силу. Это контролируется такими факторами, как вес, размер и форма частиц. Эти процессы также можно классифицировать на процессы multi-G и single-G. Разница заключается в величине движущей силы разделения. Процессы multi-G позволяют разделять очень мелкие частицы (в диапазоне от 5 до 50 микрон) путем увеличения движущей силы разделения с целью увеличения скорости разделения частиц. В целом, процесс single-G способен обрабатывать только частицы, диаметр которых превышает приблизительно 80 микрон.
Из процессов гравитационного разделения спиральные концентраторы и кольцевые отсадки являются двумя наиболее экономичными из-за их простоты и использования пространства. Они работают по принципу разделения текучей пленки и могут использовать или не использовать промывочную воду. Спирали промывочной воды отделяют частицы легче, но могут иметь проблемы с захватом пустой породы с полученным концентратом.
Пенная флотация является важным процессом концентрации. Этот процесс может быть использован для разделения любых двух различных частиц и управляется поверхностной химией частиц. При флотации пузырьки вводятся в пульпу, и пузырьки поднимаются через пульпу. [19] В этом процессе гидрофобные частицы связываются с поверхностью пузырьков. Движущей силой этого прикрепления является изменение свободной энергии поверхности, когда происходит присоединение. Эти пузырьки поднимаются через пульпу и собираются с поверхности. Чтобы эти частицы могли прикрепиться, необходимо тщательно рассмотреть химию пульпы. Эти соображения включают pH, Eh и наличие флотационных реагентов. pH важен, поскольку он изменяет заряд поверхности частиц, а pH влияет на хемосорбцию собирателей на поверхности частиц.
Добавление флотационных реагентов также влияет на работу этих процессов. Самым важным добавляемым химикатом является собиратель. Этот химикат связывается с поверхностью частиц, поскольку является поверхностно-активным веществом . Главными соображениями в этом химикате являются природа головной группы и размер углеводородной цепи. Углеводородный хвост должен быть коротким, чтобы максимизировать селективность нужного минерала, а головная группа определяет, к каким минералам он присоединяется.
Пенообразователи являются еще одной важной химической добавкой к пульпе или пульпе, поскольку они позволяют образовывать стабильные пузырьки. Это важно, поскольку если пузырьки объединятся, минералы будут падать с их поверхности. Однако пузырьки не должны быть слишком стабильными, поскольку это препятствует легкой транспортировке и обезвоживанию образовавшегося концентрата. Механизм действия этих пенообразователей не полностью изучен, и проводятся дальнейшие исследования их механизмов.
Депрессанты и активаторы используются для селективного отделения одного минерала от другого. Депрессанты подавляют флотацию одного минерала или минералов, в то время как активаторы обеспечивают флотацию других. Примерами таких депрессантов являются CN − , используемый для подавления всех сульфидов, кроме галенита, и считается, что этот депрессант действует, изменяя растворимость хемосорбированных и физосорбированных собирателей на сульфидах. Эта теория возникла в России. Примером активатора являются ионы Cu 2+ , используемые для флотации сфалерита.
Существует ряд камер, которые можно использовать для флотации минералов. К ним относятся флотационные колонны и механические флотационные камеры. Флотационные колонны используются для более тонких минералов и, как правило, имеют более высокое содержание и более низкое извлечение минералов, чем механические флотационные камеры. Камеры, используемые в настоящее время, могут превышать 300 м 3 . Это делается потому, что они дешевле на единицу объема, чем меньшие камеры, но их не так легко контролировать, как меньшие камеры.
Этот процесс был изобретен в 19 веке в Австралии. Он использовался для извлечения концентрата сфалерита из хвостов, полученных с использованием гравитационного обогащения. Дальнейшие усовершенствования пришли из Австралии в виде ячейки Джеймсона , разработанной в Университете Ньюкасла, Австралия. Она работала с использованием погружающейся струи, которая генерирует мелкие пузырьки. Эти мелкие пузырьки имеют более высокую кинетическую энергию и, как таковые, их можно использовать для флотации мелкозернистых минералов, таких как те, которые производятся IsaMill.
Реакторы поэтапной флотации (SFR) разделяют процесс флотации на три определенных этапа на ячейку. Они становятся все более распространенными в использовании, поскольку требуют гораздо меньше энергии, воздуха и места для установки.
Существует два основных типа электростатических сепараторов . Они работают схожим образом, но силы, прикладываемые к частицам, различны, и эти силы — гравитация и электростатическое притяжение. Два типа — электродинамические сепараторы (или ролики высокого натяжения) или электростатические сепараторы. В роликах высокого натяжения частицы заряжаются коронным разрядом. Это заряжает частицы, которые впоследствии перемещаются по барабану. Проводящие частицы теряют свой заряд на барабане и удаляются из барабана с центростремительным ускорением. Электростатические пластинчатые сепараторы работают, пропуская поток частиц мимо заряженного анода. Проводники теряют электроны на пластине и оттягиваются от других частиц из-за индуцированного притяжения к аноду. Эти сепараторы используются для частиц размером от 75 до 250 микрон, и для эффективного разделения частицы должны быть сухими, иметь близкое распределение размеров и однородную форму. Из этих соображений одним из наиболее важных является содержание воды в частицах. Это важно, поскольку слой влаги на частицах сделает непроводники проводниками, поскольку слой воды является проводящим.
Электростатические пластинчатые сепараторы обычно используются для потоков, которые имеют небольшие проводники и грубые непроводники. Высоконатяжные ролики обычно используются для потоков, которые имеют грубые проводники и мелкие непроводники.
Эти сепараторы обычно используются для разделения минеральных песков , примером одного из таких заводов по переработке минералов является завод по переработке CRL в Пинкенбе в Брисбене, Квинсленд. На этом заводе циркон , рутил и ильменит отделяются от кремниевой жилы. На этом заводе разделение выполняется в несколько этапов с грубыми, очистными, очистными и повторными очистителями.
Магнитная сепарация — это процесс, в котором магнитно-восприимчивый материал извлекается из смеси с помощью магнитной силы. Этот метод разделения может быть полезен при добыче железа, поскольку он притягивается к магниту. В шахтах, где вольфрамит смешивался с касситеритом , например, на шахте South Crofty и East Pool в Корнуолле, или с висмутом, например, на шахте Shepherd and Murphy в Мойне, Тасмания, магнитная сепарация использовалась для разделения руд. На этих шахтах использовалось устройство, называемое магнитным сепаратором Уэзерилла (изобретено Джоном Прайсом Уэзериллом, 1844–1906)[1]. В этой машине сырая руда после прокалки подавалась на движущуюся ленту, которая проходила под двумя парами электромагнитов, под которыми под прямым углом к подающей ленте проходили дополнительные ленты. Первая пара электромагнитов была слабо намагничена и служила для отвода любой присутствующей железной руды. Вторая пара была сильно намагничена и притягивала вольфрамит, который является слабомагнитным. Эти машины были способны обрабатывать 10 тонн руды в день. Этот процесс разделения магнитных веществ от немагнитных веществ в смеси с помощью магнита называется магнитной сепарацией.
Этот процесс работает путем перемещения частиц в магнитном поле. Сила, испытываемая в магнитном поле, определяется уравнением f=m/kHdh/dx. где k=магнитная восприимчивость, H-напряженность магнитного поля, а dh/dx является градиентом магнитного поля. Как видно из этого уравнения, разделение может осуществляться двумя способами: либо через градиент в магнитном поле, либо через напряженность магнитного поля. Различные движущие силы используются в различных концентраторах. Они могут быть как с водой, так и без нее. Как и спирали, промывочная вода способствует разделению частиц, одновременно увеличивая увлечение пустой породы в концентрате.
Современная автоматизированная сортировка использует оптические датчики (видимый спектр, ближний инфракрасный, рентгеновский, ультрафиолетовый), которые могут быть соединены с датчиками электропроводности и магнитной восприимчивости, чтобы контролировать механическое разделение руды на две или более категорий на основе индивидуальной породы. Также были разработаны новые датчики, которые используют свойства материала, такие как электропроводность, намагниченность, молекулярная структура и теплопроводность. Сортировка на основе датчиков нашла применение при обработке никеля, золота, меди, угля и алмазов.
Обезвоживание является важным процессом в переработке полезных ископаемых. Целью обезвоживания является удаление воды, поглощенной частицами, что увеличивает плотность пульпы. Это делается по ряду причин, в частности, для того, чтобы обеспечить легкую транспортировку руды и концентратов, дальнейшую переработку и утилизацию пустой породы. Вода, извлеченная из руды путем обезвоживания, рециркулируется для работы завода после отправки на водоочистную станцию. Основные процессы, которые используются при обезвоживании, включают обезвоживающие сита, осаждение, фильтрацию и термическую сушку. Эти процессы становятся сложнее и дороже по мере уменьшения размера частиц.
Обезвоживающие сита работают, пропуская частицы через сито. Частицы проходят через сито, в то время как вода проходит через отверстия в сите. Этот процесс применим только для крупных руд, которые имеют близкое распределение размеров, поскольку отверстия могут пропускать мелкие частицы.
Седиментация происходит путем пропускания воды в большой сгуститель или осветлитель. В этих устройствах частицы оседают из пульпы под действием силы тяжести или центростремительных сил. Они ограничены поверхностной химией частиц и размером частиц. Чтобы помочь в процессе седиментации, добавляются флокулянты и коагулянты, чтобы уменьшить силы отталкивания между частицами. Эта сила отталкивания обусловлена двойным слоем, образованным на поверхности частиц. Флокулянты работают, связывая несколько частиц вместе, в то время как коагулянты работают, уменьшая толщину заряженного слоя на внешней стороне частицы. После сгущения пульпа часто хранится в прудах или водохранилищах. В качестве альтернативы ее можно закачивать в ленточный пресс или мембранный фильтр-пресс для переработки технологической воды и создания штабелируемого сухого фильтрационного кека или «хвостов». [20]
Термическая сушка обычно используется для мелких частиц и для удаления низкого содержания воды в частицах. Некоторые распространенные процессы включают вращающиеся сушилки, псевдоожиженные слои, распылительные сушилки, подовые сушилки и вращающиеся лотковые сушилки. Этот процесс обычно дорог в эксплуатации из-за потребности сушилок в топливе.
Многие механические заводы также включают гидрометаллургические или пирометаллургические процессы как часть извлекающей металлургической операции. Геометаллургия — это отрасль извлекающей металлургии , которая объединяет переработку минералов с геологическими науками. Это включает изучение агломерации нефти [21] [22] [23] [24]
Ряд вспомогательных операций по обработке материалов также считаются отраслью переработки полезных ископаемых, например, хранение (например, при проектировании бункеров), транспортировка, отбор проб, взвешивание, транспортировка шлама и пневматическая транспортировка.
Эффективность и действенность многих методов обработки зависят от предшествующих видов деятельности, таких как метод добычи и смешивания . [25]
В случае золота, после адсорбции на углероде, его помещают в раствор гидроксида натрия и цианида. В растворе золото вытягивается из углерода в раствор. Ионы золота удаляются из раствора на катодах из стальной ваты из электролиза. Затем золото отправляется на плавку. [14]
Литий трудно отделить от пустой породы из-за сходства минералов. Для отделения лития используются как физические, так и химические методы разделения. Используется флотация первой пены. Из-за сходства минералогии после флотации не происходит полного разделения. Пустая порода, которая обнаруживается вместе с литием после флотации, часто содержит железо. Флотационный концентрат проходит магнитную сепарацию для удаления магнитной пустой породы из немагнитного лития. [26]
EMC, Европейская металлургическая конференция, превратилась в самое важное сетевое деловое мероприятие, посвященное цветной металлургии в Европе. С самого начала цикла конференций в 2001 году во Фридрихсхафене она принимала некоторых из самых важных металлургов со всех стран мира. Конференция проводится каждые два года по приглашению Общества металлургов и горняков GDMB и в частности ориентирована на производителей металла, производителей установок, поставщиков оборудования и услуг, а также членов университетов и консультантов.
