«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Металлургия и минералургия

Металлургия является древнейшим промыслом. В гробницах древних индусов и финикиян обнаружено холодное оружие из стали, возраст которого около 4000 лет. Очевидно, технологический процесс выплавки железа из богатых железных руд был освоен еще на заре цивилизации… Руду смешивали с восстановителем, например древесным углем, и нагревали. Окислы восстанавливались до металла, и из его расплава формовали готовое изделие. Если примесей в руде немного, то добавлением (шихтовкой) некоторых компонентов можно получить шлак, который легче металла и всплывает на поверхность расплава. Например, кварц можно сплавить с известью и получить легкоплавкий CaSiO3.

Выплавка металлов из руд получила название «металлургия» (от греч. «эрго» — работа, дело). Отрасль промышленности, вырабатывающая железо, марганец и хром, — черная металлургия. Производство 70 других металлов, в том числе меди, алюминия, цинка, свинца, никеля, золота, относится к цветной металлургии.

С помощью того же греческого корня образуется слово «галургия» — выработка солей (по-гречески «гало») галогенидов — фтора, хлора, брома и йода. В основе галургии лежат процессы растворения и кристаллизации солей NaCl, КСl, NaF, NaBr и др.

Для металлургии самым важным свойством руд и минералов является химический состав. Например, сульфиды железа малопригодны для плавки, так как сера делает хрупким и ломким и чугун, и сталь. Слишком дорого обходится выплавка чугуна и из руды, в которой содержание железа менее 30–40 %. Такие руды, прежде чем пустить на плавку, необходимо «обогатить» — отобрать из них железные минералы и отбросить пустую породу. Об этом знали еще древние металлурги. «Плавить негодную руду вместе с годной невыгодно, — писал в середине XVI в. Агрикола. — Поскольку природа рождает металлы по большей части не в чистом виде, а в смешанном с землями, загустелыми растворами и камнями, необходимо эти ископаемые по возможности отделить еще до плавки».

Разделение природных смесей на минералы, основанное на различии их физических и химических свойств, можно назвать, используя тот же греческий корень, минералургией.

Большинство минералов различаются по внешнему виду. Но внешний вид — цвет, блеск, форма кристаллов, спайность, зернистость — играет самую незначительную роль в сортировке минералов. Разнообразие других физических и физико-химических свойств минералов не менее велико, чем внешние признаки. Такие свойства, как плотность, электропроводность, магнитная проницаемость, смачиваемость водой, жиром, ртутью и другие, используются в различных аппаратах для сортировки минералов.

Минералы, обладающие близкими свойствами, например плотностью, в этих аппаратах собираются вместе, в один продукт. Этот продукт, называемый концентратом, богаче ценным минералом, чем исходная руда. Произошло частичное обогащение руды. Продукт, обедненный ценным минералом, состоящий в основном из пустой породы, получил название «хвосты».

Если в концентрат с минералами, близкими по плотности, входят минералы с различной электропроводностью, то можно провести дальнейшее обогащение — разделение минералов по электропроводности. Так, используя различные физические свойства, можно получать все более и более богатые концентраты.

Но минералы— это еще не чистые металлы, а их химические соединения, которые можно разрушить только химическими методами. Этим занимаются металлурги, применяющие растворы кислот и солей или высокие температуры для выделения металлов из концентратов.

Граница между физикой и химией минералов — это граница между минералургией и металлургией. Разумеется, эта граница, как и вообще все границы в науке и технике, весьма условна. Она стирается все больше и больше, как и граница между современной физикой и химией. Все теснее переплетаются между собой смежные отрасли науки и техники. Они не могут существовать друг без друга — физика и химия, мипералургия и металлургия.

Разделение компонентов по их свойствам (плотности, магнитной восприимчивости, электрической проводимости, смачиваемости и т. д.) основано на создании градиента концентрации, т. е. расслоении частиц минералов, ионов или молекул в жидкой или газовой средах, а также их концентрировании на границах раздела фаз: жидкость-газ; твердое тело — жидкость. «Растаскивание» частиц различных минералов, их размещение в различных зонах обогатительных аппаратов производится с помощью силовых полей: магнитных, электрических, гравитационных, адсорбционных и т. д. Комбинированная переработка осуществляется при использовании нескольких свойств с применением сочетания полей в одном аппарате (комбинированный процесс) или в ряде последовательно расположенных аппаратов (комбинированная технологическая схема). Комбинированное обогащение минерального сырья производится без изменения фазового и химического состава входящих в руду минералов, т. е. в результате сочетаний обогатительных методов. Комбинированные обогатительные схемы обычно включают в качестве первичного процесса гравитационный (обогащение в тяжелых суспензиях, отсадку, обогащение в винтовых сепараторах, на шлюзах и т. д.), а затем магнитную сепарацию или флотацию. Такие схемы обогащения типичны для железных (гравитация — магнитная сепарация), марганцевых (гравитация-флотация) и редкометальных руд (гравитация — магнитная или электрическая сепарация — флотация).

Если обогатительными методами или их комбинацией не удается получить кондиционные концентраты, применяется гидро- или пирометаллургическая доводка. Гидрометаллургическая доводка — это выщелачивание вредных компонентов из черновых концентратов, например фосфора или кремнезема из железных, марганцевых, вольфрамовых концентратов. Комбинированные схемы, в которых последовательно применяются различные методы, позволяют наиболее полно извлекать ценные компоненты из минерального сырья; комбинированные процессы дают наиболее высокую чистоту концентратов.

Технологию переработки соответствующих руд, схему минералургии определяют история образования месторождения, химия и физика процессов кристаллизации рудного тела — как говорят геологи, генезис месторождения — и связанный с этим парагенез минералов и элементов. Более того, генезис руды определяет концентрацию минералов, их взаимное прорастание, вкрапленность, а следовательно, схему рудоподготовки, последовательность методов обогащения, всех технологических операций.

По существу, природные и технологические процессы подчиняются одним и тем же физическим и химическим законам с той разницей, что в природе они могут протекать тысячелетиями до установления термодинамического равновесия, а в технологических процессах время зависит от производительности аппаратов.

Различным генетическим типам месторождения присущи определенные процессы природной концентрации элементов и минералов.

Гравитационные свойства минералов играют решающую роль при образовании осадочных месторождений — россыпей всех видов. Магматические процессы являются некоторым аналогом пирометаллургических, по происходят при высоких давлениях. К собственно магматическим относятся процессы непосредственной кристаллизации минералов из магмы.

Концентрация элементов в природе связана главным образом с процессами гравитации, выщелачивания, фильтрации, осаждения, сорбции, сублимации (возгонки), плавления и кристаллизации. Эти процессы имеют определенные технологические аналоги, но их значение существенно различно в геологии и минералургии.

Из большого числа известных в природе минералов в промышленных месторождениях встречаются лишь несколько сот. Для технологии обогащения руд представляют интерес минералы, содержащие ценные компоненты, и минералы вмещающих пород. Таких минералов (не считая разновидностей) насчитывается около 250.

При переработке минерального сырья существенны не только отдельные свойства минералов, но и их сочетания, а также крупность частиц. Далее мы покажем, какие физические свойства можно использовать при обогащении смеси минералов, в каком диапазоне крупности «работают» те или иные обогатительные процессы и аппараты.