«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Урожай гравитационного поля

Пласты угля в Земле в значительной степени перемешаны со сланцевыми, глинистыми и другими породами. Кроме того, в процессе добычи в уголь попадает порода из оконтуривающих угольный пласт слоев — лежачего и висячего боков. Эти бесполезные примеси целесообразно удалить до попадания угля в топку, да и перевозить их нет смысла. Эта так называемая внешняя зольность может быть отделена методами обогащения полезных ископаемых в отличие от внутренней зольности, связанной с самим угольным веществом аналогично золе, остающейся после сгорания древесины.

Плотность угля составляет 1,2–1,35 г/см3, а вмещающих горных пород — 1,8–2. На этом различии основано их разделение в гравитационном поле. Разница в плотности здесь значительно меньше, чем у золота и вмещающих пород, поэтому и гравитационные аппараты для обогащения углей более сложны. Существует множество механических способов разделения минералов по плотности, объединяемых названием «гравитационное обогащение полезных ископаемых». В качестве среды гравитационного поля используются вода, воздух, тяжелые жидкости, суспензии, жидкий электролит, помещенный в скрещенные электрическое и магнитное поля. Среды характеризуются реологическими параметрами: плотностью, вязкостью, предельным сопротивлением сдвигу, устойчивостью и др. Свойства среды оказывают влияние на скорость перемещения разделяемых частиц и эффективность разделения.

Условно минералы делят на три группы: легкие (до 3 г/см3), куда входит и уголь, средние (3–4 г/см3) и тяжелые (более 4 г/см3). Плотность минералов зависит от химического состава и типа кристаллической структуры. В последнюю группу входят, как правило, минералы, содержащие тяжелые металлы. Наибольшая плотность у самородных элементов — золота, серебра и минералов группы платины.

По закону Архимеда на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Но минералов легче воды не существует. Известны некоторые растворы и жидкости с высокой плотностью, например хлорэтан (1,58), бромоформ (2,9), тетрабромэтан (3), ртуть (13,6). Но применение этих жидкостей в больших масштабах обходится дорого. Есть другой способ создания тяжелой среды для разделения минералов — получение суспензий.

Тонкоизмельченный порошок какого-либо тяжелого вещества, например ферросилиция, минералов галенита, магнетита, пирита или барита, размешивают в воде. При достаточной степени измельчения порошок оседает не сразу, а долгое время находится во взвешенном состоянии. Взвесь тем устойчивее, чем больше тонких частиц находится в ней.

Если вынуть из воды твердое тело, оно будет мокрым, т. е. на его поверхности остается тонкая пленка воды, потому что между молекулами воды и поверхностью твердого тела существует взаимодействие, сцепление более прочное, чем между молекулами воды. Благодаря этому взаимодействию вода образует как бы оболочку вокруг каждой твердой частицы, попавшей в нее. Эта оболочка, более плотная, чем остальной объем воды, обладает повышенной вязкостью, так как сцепление молекул воды в пей увеличивается под влиянием твердого тела, вернее его энергетического поля. Когда твердых частичек в воде много и толщина водных пленок на них близка к расстоянию между частичками, вся вода связана в эти плотные поверхностные пленки. Вязкость воды сильно возрастает, она препятствует быстрому оседанию тонких частиц суспензии. Суспензия становится устойчивой. В ней тонут только очень крупные и тяжелые по сравнению с суспензированным порошком частицы.

Плотность такой суспензии — величина промежуточная между плотностями воды и порошка. Можно приготовить достаточно устойчивую суспензию с плотностью 3 г/см3 и выше, что вполне достаточно для разделения многих минералов. Частицы разделяемых минералов должны быть крупнее, чем частицы, из которых приготовлена суспензия.

Сепаратор для разделения в суспензии представляет собой конусообразный сосуд с мешалкой, в который непрерывно поступают суспензия и руда. С поверхности суспензии сгребаются всплывшие, а со дна конуса удаляются потонувшие куски. Теперь остается только отмыть куски руды от налипших частиц суспензии. Это легко сделать, так как они имеют различные размеры и могут быть разделены на грохотах. Магнетит и ферросилиций можно отделить электромагнитом. Из отмытых частиц снова приготовляется суспензия, так что она почти не расходуется в процессе обогащения.

Схема обогащения с тяжелых суспензиях

Обогащение в тяжелых суспензиях широко применяется при переработке дешевых полезных ископаемых (угля, стройматериалов, фосфоритов и руд черных металлов) или бедного сырья (руд цветных и редких металлов). Основные преимущества метода заключаются в способности эффективно перерабатывать исходное сырье крупностью от 2–5 до 300 мм, а иногда даже до 1200 мм при высокой производительности (до 600—1000 т/ч) с получением отвального продукта, содержащего незначительное количество ценных компонентов, а также в возможности разделения сырья на продукты при незначительной разности в плотности (±0,003 г/см3). Кроме того, этот метод обогащения дешев, требует незначительных расходов электроэнергии, воды, утяжелителя и небольшой численности обслуживающего персонала; процесс легко поддается автоматизации. Основным недостатком этого метода является необходимость отмывки исходного материала от глинистых частиц.

В качестве утяжелителя обычно используется гранулированный ферросилиций, магнетит или его смесь с ферросилицием, реже барит, пирит, песок, а также другие компоненты. Плотность суспензий регулируется автоматически.

В тяжелой суспензии обогащается прежде всего уголь, имеющий меньшую плотность (1,4) по сравнению с сопровождающим его сланцем (2,0) и пиритом (5,0).

Свинцовые руды, содержащие крупные вкрапления тяжелого свинцового блеска (галенита), могут обогащаться в тяжелой суспензии, приготовленной из того же тонкоизмельченного галенита. В тяжелых суспензиях могут обогащаться и многие другие руды, например вольфрамовые, оловянные, железные, марганцевые, свинцово-цинковые, медные, флюоритовые.

Применение суспензий позволяет выделить сразу, на первой стадии обогащения, большую часть пустой породы, что важно при высокопроизводительной, валовой добыче полезных ископаемых. Процесс обогащения в тяжелых суспензиях получает все большее распространение. Появились усовершенствованные аппараты, сочетающие процесс разделения в суспензии с разделением под действием центробежных сил в гидроциклоне. При этом увеличивают различие в массе частиц разделяемых минералов и разделение проходит более эффективно.

На основе современной физико-химической механики разработана теория нового метода повышения эффективности разделения в дисперсных системах с помощью низкочастотной вибрации. На углеобогатительных фабриках это позволило повысить производительность тяжелосредных сепараторов и снизить содержание золы в концентратах.

Существуют и другие, более универсальные способы разделения минералов по плотности. Наиболее распространен процесс, называемый отсадкой, в котором попеременно используются подвижность легких частиц и большая скорость падения в водной среде тяжелых минералов.

Отсадочная машина

В отсадочной машине у поверхности воды имеется подстилка — лежащий на решете слой крупных частиц магнетита или другого минерала с промежуточной для разделяемых минералов плотностью. Эта подстилка называется «постелью». Бывают также отсадочные машины о решетом без постели.

В первой стадии цикла отсадки восходящая струя воды успевает только взрыхлить слой постели и чуть приподнять легкие минералы. Затем восходящая струя сменяется нисходящей. В этот момент вниз через постель и решетку устремляются тяжелые минералы. При этом нижние частицы успевают проскочить под решетку. Их место занимают частицы, лежавшие повыше. За ними следуют легкие минералы, но они не успевают проникнуть глубоко в постель: новый восходящий поток воды снова подбрасывает их над постелью и они смываются боковой струей воды, вместе с которой поступает на отсадку свежая руда. Слив отсадочной машины — легкий продукт, т. е. обогащенный уголь. В случае обогащения руд, наоборот, тяжелый концентрат собирается на дне отсадочного конуса. Он накапливается при каждом импульсе. Постель служит своеобразным клапаном, пропускающим тяжелые и задерживающим легкие минералы.

Быстро и тяжело «дышит» отсадочная машина. Частички руды, подпрыгивая в постели, постепенно перемещаются к разгрузочному концу. Секрет пульсаций несложен. В боковой стенке камеры машины имеется диафрагма или поршни, попеременно сжимающие воду в камере и втягивающие ее обратно. Чем чаще пульсации, тем более тонкие частицы минералов можно подвергать отсадке. Для разделения частиц крупностью меньше 1 мм число импульсов должно достигать 3000 в минуту.

В некоторых отсадочных машинах под слоем воды качается само решето: поднимаясь, оно создает нисходящий, а опускаясь — восходящий поток воды. На этом принципе основана и самая примитивная отсадка — промывка на решете: его, наполнив измельченной рудой, встряхивали в бочке с водой.

Отсадка — самый распространенный и эффективный метод гравитационного обогащения. Одна из последних моделей отсадочной машины ОМ-24 имеет площадь постели 24 м2 и может перерабатывать 400–650 т угля в час.

Частицы размером менее 1 мм уже не могут обогащаться гравитационными методами. Земное притяжение для таких частиц слишком незначительно, и они очень медленно опускаются в водной среде. Здесь вступают в действие другие силы — поверхностные, власть которых увеличивается с уменьшением размеров частиц и, следовательно, с увеличением их удельной поверхности (приходящейся на единицу массы).

Обогащение в струе воды по плотности было известно давно. Промывка в желобах, на шлюзах из бараньих шкур, отсадка на решете — все эти способы мало изменялись на протяжении более чем тысячелетнего существования, вплоть до XIX в.

Когда проблема обогащения руд стала весьма актуальной, начали искать научное объяснение и пути совершенствования этих процессов. Француз Пернолэ в 1851 г. открыл законы падения рудных частиц в воде. Затем Борн описал их движения в восходящей струе воды. Узатис, Иордан, Спара, Риттингер, Ричардс, а за ними советские ученые Г. О. Чечотт и П. В. Лященко создали научные основы гравитационного обогащения полезных ископаемых.

В 50—60-х годах были проведены фундаментальные работы, основанные на принципах классической механики, по изучению процессов отсадки и других гравитационных методов обогащения (И. М. Верховский, В. И. Классен, Н. Н. Виноградов, Э. Э. Рафалес-Ламарка, Б. В. Кизевальтер, В. Н. Шохин, Г. Д. Краснов и др.). Зарождение процесса обогащения в тяжелых средах связано с именем Е. А. Слепцова, предложившего его в 1926 г. применительно к углю.