Fast alle Metalle und andere anorganische Materialien, die ausgebeutet wurden, kommen als Verbindungen vor, die die Mineralien bilden, aus denen die Erdkruste besteht. Die Kräfte und Prozesse, die die Erdoberfläche geformt haben, haben diese Mineralien in sehr unterschiedlichen Mengen konzentriert. Wenn diese Konzentration ausreichend groß ist, damit das Mineral wirtschaftlich ausgebeutet und gewonnen werden kann, wird die Lagerstätte als Erz oder Erzkörper bezeichnet. Aber auch dann liegen die Mineralien meist noch nicht in der für eine sofortige Weiterverarbeitung zum gewünschten Endprodukt notwendigen Reinheit vor. In seiner Arbeit aus dem 1950. Jahrhundert über die Verarbeitung von Mineralien schrieb Agricola (XNUMX): „Die Natur erzeugt Metalle normalerweise in einem unreinen Zustand, gemischt mit Erde, Steinen und verfestigten Säften, es ist notwendig, die meisten dieser Verunreinigungen so weit wie möglich von den Erzen zu trennen sein, bevor sie geschmolzen werden.“

Wertvolle Mineralien müssen zunächst von solchen ohne kommerziellen Wert, die so genannten, getrennt werden Gangart. Erzverarbeitung bezieht sich auf diese anfängliche Behandlung von abgebautem Material, um ein Mineralkonzentrat mit ausreichend hohem Gehalt zu erzeugen, um zufriedenstellend zu dem reinen Metall oder einem anderen Endprodukt weiterverarbeitet zu werden. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Mineralien, aus denen das Erz besteht, werden ausgenutzt, um sie durch eine Vielzahl physikalischer Methoden voneinander zu trennen, die im Allgemeinen die chemische Zusammensetzung des Minerals unverändert lassen. (Die Verarbeitung von Kohle wird speziell im Artikel „Kohleaufbereitung“ behandelt)

Brechen und Mahlen

Die Partikelgröße des an der Verarbeitungsanlage ankommenden Materials hängt von dem eingesetzten Bergbaubetrieb und der Erzart ab, ist jedoch relativ groß. Zerkleinerung, die fortschreitende Reduzierung der Partikelgröße von stückigem Erz, wird aus zwei Gründen durchgeführt: um das Material auf eine geeignetere Größe zu reduzieren und um die wertvolle Komponente aus dem Abfallmaterial als ersten Schritt zu seiner effektiven Trennung und Rückgewinnung freizusetzen. In der Praxis besteht die Zerkleinerung normalerweise aus dem Zerkleinern von Material mit größeren Abmessungen, gefolgt vom Brechen des Materials zu feineren Größen, indem es in rotierenden Stahlmühlen getrommelt wird.

Vernichtend

Es ist nicht möglich, in einem einzigen Arbeitsgang oder mit einer Maschine von sehr großen Klumpen zu feinem Material zu gelangen. Das Zerkleinern ist somit üblicherweise ein trockener Vorgang, der typischerweise in Stufen stattfindet, die als primär, sekundär und tertiär bezeichnet werden.

Vorbrecher zerkleinern das Erz von bis zu 1.5 m auf 100 bis 200 mm. Maschinen wie Backen- und Kreiselbrecher wenden eine Brechkraft auf die großen Partikel an und brechen das Erz durch Kompression.

In einem Backenbrecher fällt Erz in einen keilförmigen Raum zwischen einer festen und einer beweglichen Brechplatte. Das Material wird geklemmt und gequetscht, bis es bricht und beim Öffnen und Schließen der Backen weiter nach unten freigegeben und wieder geklemmt wird, bis es schließlich durch den unten eingestellten Spalt entweicht.

Beim Kreiselbrecher trägt eine lange Spindel ein schweres Kegelmahlelement aus hartem Stahl, das durch eine untere Lagerbuchse exzentrisch innerhalb der Brechkammer oder des Brechmantels bewegt wird. Die Relativbewegung der Brechflächen wird durch die Kreisbewegung des exzentrisch gelagerten Kegels gegen die Außenkammer erzeugt. Typischerweise wird diese Maschine dort eingesetzt, wo eine hohe Durchsatzleistung erforderlich ist.

Die Nachzerkleinerung reduziert die Korngröße auf 5 bis 20 mm. Kegelbrecher, Walzen und Hammermühlen sind Beispiele für die verwendeten Geräte. Der Kegelbrecher ist ein modifizierter Kreiselbrecher mit einer kürzeren Spindel, die nicht aufgehängt, sondern unterhalb des Kopfes gelagert ist. Ein Walzenbrecher besteht aus zwei gegeneinander rotierenden horizontalen Walzen, die das Erz in den Spalt zwischen sich ziehen und nach einem Walzenspalt das Produkt austragen. Die Hammermühle ist eine typische Prallbrechermühle. Die Zerkleinerung erfolgt durch den Aufprall scharfer Schläge, die mit hoher Geschwindigkeit von Hämmern ausgeübt werden, die an einem Rotor innerhalb des Arbeitsraums befestigt sind.

Schleifen

Das Mahlen, die letzte Stufe der Zerkleinerung, erfolgt in rotierenden zylindrischen Stahlbehältern, sogenannten Taumelmühlen. Hier werden die mineralischen Partikel auf eine Größe zwischen 10 und 300 μm reduziert. Ein Mahlmedium wie Stahlkugeln, Stäbe oder Kieselsteine ​​(vorkalibrierte Erzklumpen, die viel größer sind als die Materialzufuhr) wird der Mühle hinzugefügt, damit das Erz auf die gewünschte Größe zerkleinert wird. Die Verwendung von Kieselsteinen wird bezeichnet Autogenes Schleifen. Wenn der Erztyp geeignet ist, kann Run-of-Mine (ROM)-Mahlen verwendet werden. Bei dieser Form der autogenen Vermahlung wird der gesamte Erzstrom aus der Mine ohne Vorzerkleinerung direkt der Mühle zugeführt, wobei die großen Erzbrocken als Mahlkörper dienen.

Die Mühle wird in der Regel knapp zur Hälfte mit zerkleinertem Erz und Mahlmedium beschickt. Studien haben gezeigt, dass der durch das Fräsen erzeugte Bruch eine Kombination aus Schlag und Abrieb ist. Mühlenauskleidungen werden verwendet, um das Mühlengehäuse vor Verschleiß zu schützen und durch ihre Konstruktion den Schlupf der Mahlkörper zu verringern und den Hub- und Schlaganteil beim Mahlen zu verbessern.

Es gibt eine optimale Größe, auf die Erz gemahlen werden muss, um die wertvolle Komponente effektiv zu trennen und zu gewinnen. Untermahlung führt zu unvollständiger Freisetzung und schlechter Erholung. Ein Übermahlen erhöht die Schwierigkeit der Trennung, abgesehen davon, dass ein Überschuss an teurer Energie verbraucht wird.

Größentrennung

Nach dem Brechen und Mahlen werden die Produkte meist einfach nach ihrer Größe getrennt. Der Hauptzweck besteht darin, Futtermaterial in geeigneter Größe für die weitere Behandlung herzustellen. Übergroßes Material wird zur weiteren Reduzierung recycelt.

Screens

Das Sieben wird im Allgemeinen auf ziemlich grobes Material angewendet. Es kann auch verwendet werden, um eine einigermaßen gleichmäßige Futtergröße für einen nachfolgenden Vorgang herzustellen, wenn dies erforderlich ist. Der Grizzly ist eine Reihe schwerer paralleler Stäbe, die in einem Rahmen angeordnet sind, der sehr grobes Material aussiebt. Die Trommel ist ein geneigtes rotierendes zylindrisches Sieb. Durch die Verwendung einer Anzahl von Abschnitten mit unterschiedlich großen Sieben können Produkte mit mehreren Größen gleichzeitig hergestellt werden. Eine Vielzahl anderer Siebe und Siebkombinationen können verwendet werden.

Sichter

Klassierung ist die Trennung von Partikeln nach ihrer Absetzgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit. Unterschiede in Dichte, Größe und Form werden effektiv ausgenutzt. Klassierer werden verwendet, um grobes und feines Material zu trennen und dadurch eine große Größenverteilung zu fraktionieren. Eine typische Anwendung ist die Steuerung eines Schleifvorgangs im geschlossenen Kreislauf. Während die Größentrennung das Hauptziel ist, tritt normalerweise aufgrund von Dichteunterschieden eine gewisse Trennung nach Mineraltyp auf.

In einem Spiralklassierer hebt ein Rechenmechanismus den gröberen Sand aus einem Aufschlämmungsbecken, um ein sauberes entschleimtes Produkt zu erzeugen.

Der Hydrozyklon nutzt die Zentrifugalkraft, um die Absetzraten zu beschleunigen und eine effiziente Abscheidung feiner Partikel zu erreichen. Eine Aufschlämmungssuspension wird mit hoher Geschwindigkeit tangential in einen konisch geformten Behälter eingeführt. Aufgrund der Wirbelbewegung bewegen sich die sich schneller absetzenden, größeren und schwereren Partikel in Richtung der Außenwand, wo die Geschwindigkeit am geringsten ist, und setzen sich nach unten ab, während die leichteren und kleineren Partikel sich in Richtung der Zone mit niedrigem Druck entlang der Achse bewegen, wo sie sich befinden nach oben getragen.

Konzentrationstrennung

Die Konzentrationstrennung erfordert die Unterscheidung von Partikeln entweder als diejenigen des wertvollen Minerals oder als Gangartpartikel und ihre effektive Trennung in ein Konzentrat und ein Tailing-Produkt. Ziel ist es, eine maximale Gewinnung des wertvollen Minerals mit einem für die Weiterverarbeitung oder den Verkauf akzeptablen Gehalt zu erreichen.

Erz sortieren

Die älteste und einfachste Konzentrationsmethode ist die visuelle Auswahl von Partikeln und deren manuelle Entfernung. Die Handsortierung hat ihre modernen Äquivalente in einer Reihe elektronischer Verfahren. Bei photometrischen Verfahren basiert die Partikelerkennung auf der unterschiedlichen Reflektivität verschiedener Mineralien. Dann wird ein Druckluftstoß aktiviert, um sie von einem sich bewegenden Materialband zu entfernen. In ähnlicher Weise kann die unterschiedliche Leitfähigkeit verschiedener Mineralien ausgenutzt werden.

Schwere Medientrennung

Die Trennung von schwerem Medium oder dichtem Medium ist ein Prozess, der nur vom Dichteunterschied zwischen Mineralien abhängt. Dabei wird das Gemisch in eine Flüssigkeit eingebracht, deren Dichte zwischen der der beiden zu trennenden Mineralien liegt, wobei das leichtere Mineral aufschwimmt und das schwerere sinkt. In einigen Prozessen wird es zur Vorkonzentration von Mineralien vor einer Endmahlung verwendet und wird häufig als Reinigungsschritt bei der Kohleaufbereitung eingesetzt.

Schwere organische Flüssigkeiten wie Tetrabromethan, das eine relative Dichte von 2.96 hat, werden bei bestimmten Anwendungen verwendet, aber im kommerziellen Maßstab werden im Allgemeinen Suspensionen fein gemahlener Feststoffe verwendet, die sich wie einfache Newtonsche Flüssigkeiten verhalten. Beispiele für das verwendete Material sind Magnetit und Ferrosilizium. Diese bilden dünnflüssige, inerte und stabile „Flüssigkeiten“ und lassen sich leicht magnetisch aus der Suspension entfernen.

Schwerkraft

Natürliche Trennprozesse wie Flusssysteme haben Seifenablagerungen hervorgebracht, in denen schwerere größere Partikel von leichteren kleineren getrennt wurden. Schwerkrafttechniken ahmen diese natürlichen Prozesse nach. Die Trennung wird durch die Bewegung des Partikels als Reaktion auf die Schwerkraft und den Widerstand bewirkt, der durch das Fluid ausgeübt wird, in dem die Trennung stattfindet.

Im Laufe der Jahre wurden viele Arten von Schwerkraftabscheidern entwickelt, und ihre fortgesetzte Verwendung zeugt von der Wirtschaftlichkeit dieser Art der Abscheidung.

In einer Spannvorrichtung ein Bett aus mineralischen Partikeln wird durch einen pulsierenden Wasserstrom in Schwebe gebracht („fluidisiert“). Wenn das Wasser zwischen jedem Zyklus zurückläuft, fallen die dichteren Teilchen unter die weniger dichten und während einer Periode des Abfließens kleiner Teilchen und insbesondere kleinerer dichterer Teilchen dringen sie zwischen die Zwischenräume zwischen den größeren Teilchen ein und setzen sich tiefer in dem Bett ab. Wenn der Zyklus wiederholt wird, nimmt der Grad der Trennung zu.

Rüttelnde Tische behandeln feineres Material als Vorrichtungen. Der Tisch besteht aus einer flachen Oberfläche, die von vorne nach hinten und von einem Ende zum anderen leicht geneigt ist. Holzriffe teilen den Tisch im rechten Winkel in Längsrichtung. Das Futter tritt entlang der Oberkante ein, und die Partikel werden durch den Wasserfluss nach unten getragen. Gleichzeitig werden sie asymmetrischen Schwingungen entlang der Längs- oder Horizontalachse ausgesetzt. Dichtere Partikel, die dazu neigen, hinter der Riffelung eingeschlossen zu werden, werden durch die Vibrationen über den Tisch geschleudert.

Magnetische Trennung

Alle Materialien werden von Magnetfeldern beeinflusst, obwohl der Effekt für die meisten zu gering ist, um erkannt zu werden. Weist jedoch einer der mineralischen Bestandteile einer Mischung eine einigermaßen starke magnetische Suszeptibilität auf, kann dies genutzt werden, um ihn von den anderen zu trennen. Magnetabscheider werden in Maschinen mit niedriger und hoher Intensität und weiter in Trocken- und Nassabscheider eingeteilt.

Ein Trommelseparator besteht aus einer rotierenden, nichtmagnetischen Trommel, die in ihrem Mantel stationäre Magnete wechselnder Polarität enthält. Magnetische Partikel werden von den Magneten angezogen, an der Trommel festgehalten und aus dem Magnetfeld befördert. Ein nasser Hochintensitätsabscheider (WHIMS) vom Karusselltyp besteht aus einer konzentrisch rotierenden Matrix aus Eisenkugeln, die einen starken Elektromagneten passiert. Aufgeschlämmte Rückstände werden in die Matrix gegossen, wo der Elektromagnet arbeitet, und magnetische Partikel werden von der magnetisierten Matrix angezogen, während der Großteil der Aufschlämmung durch ein Basisgitter hindurchgeht und über dieses austritt. Unmittelbar hinter dem Elektromagneten wird das Feld umgekehrt und ein Wasserstrahl wird verwendet, um die magnetische Fraktion zu entfernen.

Elektrostatische Trennung

Die früher übliche elektrostatische Trennung wurde durch das Aufkommen der Flotation in erheblichem Maße verdrängt. Es wird jedoch erfolgreich bei einer kleinen Anzahl von Mineralien wie Rutil angewendet, bei denen sich andere Methoden als schwierig erweisen und bei denen die Leitfähigkeit des Minerals eine elektrostatische Trennung ermöglicht.

Das Verfahren nutzt Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit der verschiedenen Mineralien aus. Trockenfutter wird in das Feld einer ionisierenden Elektrode befördert, wo die Partikel durch Ionenbeschuss aufgeladen werden. Leitende Partikel verlieren diese Ladung schnell an einen geerdeten Rotor und werden durch die Zentrifugalkraft aus dem Rotor geschleudert. Nichtleiter verlieren ihre Ladung langsamer, bleiben durch elektrostatische Kräfte am Erdleiter haften und werden zu einer Sammelstelle herumgetragen.

Flotation

Die Flotation ist ein Trennverfahren, das Unterschiede in den physikalisch-chemischen Oberflächeneigenschaften verschiedener Mineralien ausnutzt.

Chemische Reagenzien, sogenannte Sammler, werden dem Zellstoff zugesetzt und reagieren selektiv mit der Oberfläche der wertvollen Mineralpartikel. Die gebildeten Reaktionsprodukte machen die Oberfläche des Minerals hydrophob oder nicht benetzbar, so dass es leicht an einer Luftblase haftet.

In jeder Zelle eines Flotationskreislaufs wird der Zellstoff gerührt und eingeführte Luft wird in das System dispergiert. Die hydrophoben Mineralpartikel lagern sich an den Luftbläschen an und bilden bei Vorhandensein eines geeigneten Schäumungsmittels einen stabilen Schaum an der Oberfläche. Dieses überströmt kontinuierlich die Seiten der Flotationszelle und nimmt seine mineralische Fracht mit.

Eine Flotationsanlage besteht aus Reihen miteinander verbundener Zellen. Ein in einer rauheren Bank erzeugtes erstes Konzentrat wird in einer saubereren Bank von unerwünschten Gangartbestandteilen gereinigt und, falls erforderlich, in einer dritten Zellenbank erneut gereinigt. Zusätzliches wertvolles Mineral kann in einer vierten Bank gespült und zu den saubereren Banken zurückgeführt werden, bevor die Reste endgültig entsorgt werden.

Entwässerung

Nach den meisten Arbeitsgängen ist es erforderlich, das in den Trennprozessen verwendete Wasser von dem erzeugten Konzentrat oder von dem Abfallgangmaterial zu trennen. In trockenen Umgebungen ist dies besonders wichtig, damit das Wasser zur Wiederverwendung recycelt werden kann.

Ein Absetztank besteht aus einem zylindrischen Behälter, in den Zellstoff in der Mitte über einen Zufuhrschacht eingeführt wird. Dieser wird unterhalb der Oberfläche platziert, um die Störung der abgesetzten Feststoffe zu minimieren. Geklärte Flüssigkeit läuft an den Seiten des Tanks in eine Rinne über. Radialarme mit Messern harken die abgesetzten Feststoffe zur Mitte, wo sie abgezogen werden. Der Suspension können Flockungsmittel zugesetzt werden, um die Absetzgeschwindigkeit der Feststoffe zu beschleunigen.

Filtration ist die Entfernung von Feststoffpartikeln aus der Flüssigkeit, um einen Konzentratkuchen zu erzeugen, der dann getrocknet und transportiert werden kann. Eine gängige Form ist der kontinuierliche Vakuumfilter, für den der Trommelfilter typisch ist. Eine horizontale zylindrische Trommel dreht sich in einem offenen Tank, wobei der untere Teil in Zellstoff eingetaucht ist. Der Mantel der Trommel besteht aus einer Reihe von Kammern, die mit einem Filtermedium bedeckt sind. Die innere doppelwandige Schale ist mit einem Ventilmechanismus an der zentralen Welle verbunden, der es ermöglicht, entweder Vakuum oder Druck anzulegen. An den in den Zellstoff eingetauchten Abschnitt wird ein Vakuum angelegt, wodurch Wasser durch den Filter gezogen wird und ein Kuchen aus Konzentrat auf dem Stoff gebildet wird. Das Vakuum entwässert den Kuchen einmal aus der Aufschlämmung. Unmittelbar bevor der Abschnitt wieder in die Aufschlämmung eintritt, wird Druck ausgeübt, um den Kuchen abzublasen. Scheibenfilter funktionieren nach dem gleichen Prinzip, bestehen jedoch aus einer Reihe von Scheiben, die an der zentralen Welle befestigt sind.

Tailings-Entsorgung

Nur ein kleiner Teil des geförderten Erzes besteht aus wertvollem Mineral. Der Rest ist Gangart, die nach der Verarbeitung die zu entsorgenden Tailings bildet.

Die beiden Hauptüberlegungen bei der Entsorgung von Tailings sind Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Es gibt zwei Aspekte der Sicherheit: die physikalischen Erwägungen rund um die Deponie oder den Damm, in dem die Tailings platziert werden; und Verschmutzung durch das Abfallmaterial, das die menschliche Gesundheit beeinträchtigen und die Umwelt schädigen kann. Tailings sind möglichst kostengünstig und sicherheitsgerecht zu entsorgen.

Am häufigsten werden die Rückstände nach Größe sortiert, und die grobe Sandfraktion wird zum Bau eines Damms an einem ausgewählten Standort verwendet. Der Feinanteil oder Schleim wird dann in einen Teich hinter der Staumauer gepumpt.

Wenn giftige Chemikalien wie Zyanid in den Abwässern vorhanden sind, kann eine spezielle Vorbereitung der Dammbasis (z. B. durch die Verwendung von Plastikplanen) erforderlich sein, um eine mögliche Kontamination des Grundwassers zu verhindern.

Das aus der Talsperre zurückgewonnene Wasser wird so weit wie möglich einer weiteren Verwendung zugeführt. Dies kann in trockenen Regionen von großer Bedeutung sein und wird zunehmend von der Gesetzgebung gefordert, die darauf abzielt, die Verschmutzung von Grund- und Oberflächenwasser durch chemische Schadstoffe zu verhindern.

Haufen und vor Ort Laugen

Ein Großteil des bei der Erzverarbeitung produzierten Konzentrats wird durch hydrometallurische Verfahren weiterverarbeitet. Die Metallwerte werden aus dem Erz ausgelaugt oder herausgelöst und verschiedene Metalle werden voneinander getrennt. Die erhaltenen Lösungen werden konzentriert und das Metall dann durch Schritte wie Fällung und elektrolytische oder chemische Abscheidung zurückgewonnen.

Viele Erze haben einen zu geringen Gehalt, um die Kosten einer Vorkonzentration zu rechtfertigen. Abfallmaterial kann auch noch eine gewisse Menge an Metallwert enthalten. In einigen Fällen kann ein solches Material durch eine Version eines hydrometallurgischen Verfahrens, das als Halden- oder Haldenlaugung bekannt ist, wirtschaftlich verarbeitet werden.

Die Haufenlaugung wurde vor mehr als 300 Jahren in Rio Tinto in Spanien eingeführt. Wasser, das langsam durch Haufen minderwertigen Erzes sickerte, wurde durch gelöste Kupfersalze, die aus der Oxidation des Erzes stammten, blau gefärbt. Das Kupfer wurde aus der Lösung durch Ausfällung auf Eisenschrott zurückgewonnen.

Dieses grundlegende Verfahren wird für die Oxid- und Sulfid-Haufenlaugung von minderwertigem Material und Abfallmaterial auf der ganzen Welt verwendet. Sobald ein Haufen oder eine Deponie des Materials erzeugt wurde, wird ein geeignetes Solubilisierungsmittel (z. B. eine Säurelösung) aufgebracht, indem die Oberseite des Haufens besprüht oder geflutet wird, und die Lösung, die auf den Boden sickert, wird zurückgewonnen.

Während die Haufenlaugung seit langem erfolgreich praktiziert wird, wurde erst vor relativ kurzer Zeit die wichtige Rolle bestimmter Bakterien in diesem Prozess erkannt. Diese Bakterien wurden als eisenoxidierende Spezies identifiziert Thiobacillus ferrooxidans und die schwefeloxidierenden Spezies Thiobacillus thiooxidans. Die eisenoxidierenden Bakterien gewinnen Energie aus der Oxidation von Eisen(II)-Ionen zu Eisen(III)-Ionen und die schwefeloxidierenden Spezies aus der Oxidation von Sulfid zu Sulfat. Diese Reaktionen katalysieren wirksam die beschleunigte Oxidation der Metallsulfide zu den löslichen Metallsulfaten.

Vor Ort Das Auslaugen, manchmal auch Lösungsbergbau genannt, ist effektiv eine Variation des Haufenauslaugens. Es besteht aus dem Pumpen von Lösung in stillgelegte Bergwerke, eingestürzte Gruben, abgelegene Abbaugebiete oder sogar ganze Erzkörper, wo diese sich als lösungsdurchlässig erwiesen haben. Die Gesteinsformationen müssen sich für den Kontakt mit der Laugungslösung und für die notwendige Verfügbarkeit von Sauerstoff eignen.

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