Почти все металлы и другие неорганические материалы, которые использовались, встречаются в виде соединений, составляющих минералы, составляющие земную кору. Силы и процессы, сформировавшие земную поверхность, сконцентрировали эти полезные ископаемые в самых разных количествах. Когда эта концентрация достаточно велика, чтобы минерал можно было экономично разрабатывать и извлекать, месторождение называют рудой или рудным телом. Однако даже в этом случае минералы обычно не доступны в форме с чистотой, необходимой для немедленной переработки в желаемый конечный продукт. В своей работе шестнадцатого века по переработке полезных ископаемых Агрикола (1950) писал: «Природа обычно создает металлы в нечистом состоянии, смешанные с землей, камнями и затвердевшими соками, необходимо отделить большую часть этих примесей от руд, насколько это возможно. быть, прежде чем они будут переплавлены».
Ценные полезные ископаемые должны быть сначала отделены от тех, которые не представляют промышленной ценности, которые называются рудная порода. Под переработкой руды понимается эта начальная обработка добытого материала для получения минерального концентрата достаточно высокого качества для дальнейшей удовлетворительной переработки в чистый металл или другой конечный продукт. Различные характеристики минералов, составляющих руду, используются для их отделения друг от друга с помощью различных физических методов, которые обычно оставляют химический состав минерала неизменным. (Обработка угля специально рассмотрена в статье «Угольнообогащение»)
Дробление и измельчение
Размер частиц материала, поступающего на обогатительную фабрику, будет зависеть от используемой операции добычи и типа руды, но он будет относительно большим. Измельчение, постепенное уменьшение размера частиц кусковой руды, осуществляется по двум причинам: для уменьшения материала до более удобного размера и для высвобождения ценного компонента из отходов в качестве первого шага к его эффективному разделению и извлечению. На практике измельчение обычно состоит из дробления более крупного материала с последующим дроблением материала до более мелких размеров путем его переворачивания во вращающихся сталелитейных мельницах.
Дробление
Невозможно перейти от очень крупных кусков к тонкому материалу за одну операцию или с использованием одной машины. Таким образом, дробление, как правило, представляет собой сухую операцию, которая, как правило, имеет место в стадиях, обозначенных как первичная, вторичная и третичная.
Первичные дробилки измельчают руду с размера от 1.5 м до 100–200 мм. Такие машины, как щековые и гирационные дробилки, прикладывают усилие разрушения к крупным частицам, разрушая руду путем сжатия.
В щековой дробилке руда попадает в клиновидное пространство между неподвижной и подвижной дробильной плитой. Материал зажимается и сжимается до тех пор, пока он не сломается и не высвобождается, а затем снова зажимается дальше вниз, когда челюсти открываются и закрываются, пока он, наконец, не выйдет через зазор, установленный внизу.
В гирационной дробилке длинный шпиндель несет тяжелый конический измельчающий элемент из твердой стали, который перемещается эксцентрично с помощью нижней опорной втулки внутри дробильной камеры или кожуха. Относительное движение дробящих граней создается за счет вращения эксцентрично установленного конуса относительно внешней камеры. Обычно эта машина используется там, где требуется высокая пропускная способность.
Вторичное дробление уменьшает размер частиц до 5-20 мм. Конусные дробилки, валки и молотковые мельницы являются примерами используемого оборудования. Конусная дробилка представляет собой модифицированную гирационную дробилку с более коротким шпинделем, который не подвешен, а опирается на подшипник под днищем. Валковая дробилка состоит из двух горизонтальных цилиндров, вращающихся навстречу друг другу, валки втягивают руду в зазор между ними и после одного захода выгружают продукт. Молотковая дробилка представляет собой типичную дробилку ударного действия. Измельчение осуществляется с помощью резких ударов, наносимых на высокой скорости молотками, прикрепленными к ротору в рабочем пространстве.
Шлифовальные
Измельчение, последний этап измельчения, выполняется во вращающихся цилиндрических стальных емкостях, известных как барабанные мельницы. Здесь минеральные частицы уменьшаются до размера от 10 до 300 мкм. В мельницу добавляют мелющую среду, такую как стальные шары, стержни или гальку (предварительно отсортированные куски руды, намного большие, чем исходный материал), чтобы руда измельчалась до желаемого размера. Применение камешков называется самоизмельчение. Если тип руды подходит, можно использовать рядовое измельчение (ROM). В этой форме самоизмельчения весь поток руды из шахты подается непосредственно в мельницу без предварительного дробления, при этом крупные куски руды действуют как мелющая среда.
Мельница обычно загружается дробленой рудой и мелющими средами чуть менее чем наполовину. Исследования показали, что разрушение, вызванное фрезерованием, представляет собой сочетание удара и истирания. Мельничные футеровки используются для защиты корпуса мельницы от износа и, благодаря своей конструкции, для уменьшения проскальзывания мелющих тел и улучшения подъемной и ударной части измельчения.
Существует оптимальная крупность, до которой необходимо измельчить руду для эффективного выделения и извлечения ценного компонента. Недоизмельчение приводит к неполному освобождению и плохому извлечению. Переизмельчение увеличивает сложность разделения, помимо использования избытка дорогостоящей энергии.
Разделение по размерам
После дробления и измельчения продукты обычно разделяются просто по размеру. Основная цель состоит в том, чтобы произвести исходный материал соответствующего размера для дальнейшей обработки. Крупногабаритный материал перерабатывается для дальнейшего измельчения.
Экраны
Просеивание обычно применяется к довольно грубому материалу. Его также можно использовать для получения достаточно однородного размера сырья для последующей операции, где это требуется. Гризли представляет собой серию тяжелых параллельных брусьев, установленных в раме, которая отсеивает очень грубый материал. Барабан представляет собой наклонное вращающееся цилиндрическое сито. За счет использования нескольких секций сит разного размера можно одновременно производить продукты нескольких размеров. Можно использовать множество других экранов и комбинаций экранов.
Классификаторы
Классификация – это разделение частиц по скорости их осаждения в жидкости. Эффективно используются различия в плотности, размере и форме. Классификаторы используются для разделения крупнозернистого и мелкозернистого материала, тем самым фракционируя крупные фракции. Типичным применением является управление процессом измельчения в замкнутом цикле. Хотя разделение по размерам является основной целью, некоторое разделение по типу минерала обычно происходит из-за различий в плотности.
В спиральном классификаторе грабельный механизм поднимает более крупные пески из резервуара для шлама для получения чистого продукта без шлама.
Гидроциклон использует центробежную силу для ускорения скорости осаждения и эффективного разделения мелких частиц. Суспензию вводят с высокой скоростью по касательной в сосуд конической формы. За счет вихревого движения более быстро оседающие, более крупные и тяжелые частицы движутся к внешней стенке, где их скорость наименьшая, и оседают вниз, а более легкие и мелкие частицы движутся к зоне пониженного давления вдоль оси, где они уносится вверх.
Концентрация Разделение
Разделение концентрата требует различения частиц либо как частиц ценного минерала, либо как частиц пустой породы и их эффективного разделения на концентрат и хвостовой продукт. Цель состоит в том, чтобы добиться максимального извлечения ценного минерала с качеством, приемлемым для дальнейшей переработки или продажи.
Сортировка руды
Самый древний и простой метод концентрирования — визуальное выделение частиц и удаление их вручную. Ручная сортировка имеет современные аналоги в ряде электронных методов. В фотометрических методах распознавание частиц основано на разнице в отражательной способности разных минералов. Затем активируется поток сжатого воздуха, чтобы удалить их с движущейся ленты материала. Различная проводимость различных минералов может быть использована аналогичным образом.
Разделение тяжелой среды
Разделение тяжелой среды или плотной среды - это процесс, который зависит только от разности плотностей минералов. Он включает введение смеси в жидкость с плотностью, находящейся между плотностью двух разделяемых минералов, при этом более легкий минерал всплывает, а более тяжелый тонет. В некоторых процессах он используется для предварительного концентрирования минералов перед окончательным измельчением и часто используется в качестве этапа очистки при обогащении угля.
Тяжелые органические жидкости, такие как тетрабромэтан, который имеет относительную плотность 2.96, используются в некоторых приложениях, но в промышленных масштабах обычно используются суспензии тонкоизмельченных твердых веществ, которые ведут себя как простые ньютоновские жидкости. Примерами используемого материала являются магнетит и ферросилиций. Они образуют маловязкие, инертные и стабильные «флюиды» и легко удаляются из суспензии магнитным способом.
Сила тяжести
Естественные процессы разделения, такие как речные системы, привели к образованию россыпных отложений, в которых более тяжелые более крупные частицы были отделены от более легких более мелких. Гравитационные методы имитируют эти естественные процессы. Разделение происходит за счет движения частицы под действием силы тяжести и сопротивления жидкости, в которой происходит разделение.
За прошедшие годы было разработано много типов гравитационных сепараторов, и их постоянное использование свидетельствует об экономической эффективности этого типа сепарации.
В кондуктор слой минеральных частиц приводится во взвешенное состояние («псевдоожижается») пульсирующим потоком воды. По мере стекания воды обратно между каждым циклом более плотные частицы опускаются ниже менее плотных, и в период стекания мелкие частицы и особенно более мелкие более плотные частицы проникают между промежутками между более крупными частицами и оседают ниже в слое. По мере повторения цикла степень разделения увеличивается.
Встряхивающие столы обрабатывать более тонкий материал, чем приспособления. Стол состоит из плоской поверхности, слегка наклоненной спереди назад и от одного конца к другому. Деревянные канавки делят стол продольно под прямым углом. Корм поступает по верхнему краю, а частицы уносятся вниз потоком воды. При этом они подвержены несимметричным колебаниям вдоль продольной или горизонтальной оси. Более плотные частицы, которые имеют тенденцию задерживаться за канавками, перемещаются по столу за счет вибрации.
Магнитное разделение
Все материалы подвержены влиянию магнитных полей, хотя для большинства этот эффект слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Однако, если один из минеральных компонентов смеси обладает достаточно сильной магнитной восприимчивостью, это можно использовать для его отделения от других. Магнитные сепараторы подразделяются на малоинтенсивные и высокоинтенсивные, далее на сепараторы сухого и мокрого питания.
Сепаратор барабанного типа состоит из вращающегося немагнитного барабана, содержащего в своей оболочке неподвижные магниты переменной полярности. Магнитные частицы притягиваются магнитами, прикрепляются к барабану и выводятся из магнитного поля. Мокрый высокоинтенсивный сепаратор (КАМУС) карусельного типа состоит из концентрической вращающейся матрицы из железных шариков, проходящей через сильный электромагнит. Остатки суспензии выливаются в матрицу, где работает электромагнит, и магнитные частицы притягиваются к намагниченной матрице, в то время как основная масса суспензии проходит и выходит через базовую решетку. Сразу за электромагнитом поле меняется на противоположное, и поток воды используется для удаления магнитной фракции.
Электростатическая сепарация
Когда-то широко использовавшееся электростатическое разделение было в значительной степени вытеснено появлением флотации. Однако он успешно применяется к небольшому количеству минералов, таких как рутил, для которого другие методы оказываются затруднительными и где проводимость минерала делает возможным электростатическое разделение.
Метод использует различия в электропроводности различных минералов. Сухой корм вносится в поле ионизирующего электрода, где частицы заряжаются за счет ионной бомбардировки. Проводящие частицы быстро отдают этот заряд заземленному ротору и выбрасываются из ротора под действием центробежной силы. Непроводники теряют свой заряд медленнее, остаются цепляться за заземляющий провод электростатическими силами и переносятся в пункт сбора.
флотация
Флотация — это процесс разделения, в котором используются различия в физико-химических свойствах поверхности разных минералов.
Химические реагенты, называемые собирателями, добавляются в пульпу и избирательно реагируют с поверхностью ценных минеральных частиц. Образующиеся продукты реакции делают поверхность минерала гидрофобной или несмачиваемой, так что она легко прикрепляется к воздушному пузырю.
В каждой ячейке контура флотации пульпа перемешивается, а в систему распределяется введенный воздух. Гидрофобные минеральные частицы прикрепляются к пузырькам воздуха и при наличии подходящего пенообразователя образуют на поверхности устойчивую пену. Он постоянно переливается по бокам флотационной камеры, неся с собой минеральную нагрузку.
Флотационная установка состоит из блоков соединенных между собой ячеек. Первый концентрат, полученный в блоке грубой очистки, очищается от нежелательных компонентов пустой породы в блоке очистки и, при необходимости, повторно очищается в третьем блоке ячеек. Дополнительный ценный минерал может быть собран в четвертом банке и переработан в более чистые банки, прежде чем хвосты будут окончательно выброшены.
удаление воды
После большинства операций необходимо отделить воду, используемую в процессах разделения, от полученного концентрата или от пустой пустой породы. В засушливых условиях это особенно важно, так как вода может быть переработана для повторного использования.
Отстойник состоит из цилиндрической емкости, в которую пульпа подается в центре через питающий колодец. Он размещается под поверхностью, чтобы свести к минимуму нарушение осевших твердых частиц. Осветленная жидкость переливается через стенки бака в желоб. Радиальные рычаги с лезвиями сгребают осевшие твердые частицы к центру, откуда они удаляются. В суспензию могут быть добавлены флокулянты для ускорения скорости осаждения твердых веществ.
Фильтрация – это удаление твердых частиц из жидкости с получением лепешки концентрата, которую затем можно высушить и транспортировать. Распространенной формой является вакуумный фильтр непрерывного действия, типичным для которого является барабанный фильтр. Горизонтальный цилиндрический барабан вращается в открытом резервуаре, нижняя часть которого погружена в пульпу. Корпус барабана состоит из ряда отсеков, покрытых фильтрующим материалом. Внутренняя оболочка с двойными стенками соединена с клапанным механизмом на центральном валу, который позволяет создавать вакуум или давление. К участку, погруженному в пульпу, прикладывают вакуум, втягивая воду через фильтр и формируя на ткани корку концентрата. Вакуум обезвоживает осадок один раз из суспензии. Непосредственно перед тем, как секция снова входит в суспензию, прикладывается давление, чтобы сдуть осадок. Дисковые фильтры работают по тому же принципу, но состоят из ряда дисков, прикрепленных к центральному валу.
Утилизация хвостов
Лишь небольшая часть добытой руды состоит из ценных минералов. Остаток представляет собой пустую породу, которая после переработки образует хвосты, подлежащие утилизации.
Двумя основными соображениями при удалении хвостов являются безопасность и экономичность. Есть два аспекта безопасности: физические соображения, связанные с отвалом или плотиной, на которой размещены хвостохранилища; и загрязнение отходами, которое может повлиять на здоровье человека и нанести ущерб окружающей среде. Хвосты должны быть утилизированы наиболее экономически эффективным способом, соответствующим требованиям безопасности.
Чаще всего хвостохранилища сортируются, а крупная фракция песка используется для строительства плотины на выбранном участке. Затем мелкая фракция или шлам перекачивается в пруд за стеной плотины.
Если в сточных водах присутствуют токсичные химические вещества, такие как цианид, может потребоваться специальная подготовка основания плотины (например, с использованием пластиковой пленки) для предотвращения возможного загрязнения грунтовых вод.
Насколько это возможно, вода, извлеченная из плотины, повторно используется для дальнейшего использования. Это может иметь большое значение в засушливых регионах и все чаще требуется законодательством, направленным на предотвращение загрязнения подземных и поверхностных вод химическими загрязнителями.
Куча и на месте Выщелачивание
Большая часть концентрата, полученного при переработке руды, далее перерабатывается гидрометаллургическими методами. Ценные металлы выщелачиваются или растворяются в руде, и разные металлы отделяются друг от друга. Полученные растворы концентрируют, а затем извлекают металл с помощью таких стадий, как осаждение и электролитическое или химическое осаждение.
Многие руды имеют слишком низкое содержание, чтобы оправдать затраты на предварительное обогащение. Отходы могут также содержать определенное количество металла. В некоторых случаях такой материал может быть экономично переработан вариантом гидрометаллургического процесса, известного как кучное или отвальное выщелачивание.
Кучное выщелачивание было внедрено в компании Rio Tinto в Испании более 300 лет назад. Вода, медленно просачивающаяся через кучи низкосортной руды, окрашивалась в синий цвет из-за растворенных солей меди, возникающих в результате окисления руды. Медь извлекали из раствора путем осаждения на железный лом.
Этот базовый процесс используется для кучного выщелачивания оксидов и сульфидов низкосортных материалов и отходов по всему миру. После создания кучи или свалки материала подходящее солюбилизирующее средство (например, раствор кислоты) наносится путем разбрызгивания или затопления верхней части кучи, а раствор, который просачивается на дно, извлекается.
Хотя кучное выщелачивание давно и успешно практикуется, лишь сравнительно недавно была признана важная роль некоторых бактерий в этом процессе. Эти бактерии были идентифицированы как железоокисляющие виды. Тиобациллы феррооксиданс и сероокисляющие соединения Тиобациллы тиооксиданс. Железоокисляющие бактерии получают энергию за счет окисления ионов двухвалентного железа в ионы трехвалентного, а бактерии, окисляющие серу, за счет окисления сульфида в сульфат. Эти реакции эффективно катализируют ускоренное окисление сульфидов металлов до растворимых сульфатов металлов.
На месте выщелачивание, иногда называемое добычей раствором, фактически является разновидностью кучного выщелачивания. Он заключается в закачивании раствора в заброшенные шахты, обрушившиеся выработки, удаленные выработанные участки или даже целые рудные тела, если показано, что они проницаемы для раствора. Горные породы должны поддаваться контакту с выщелачивающим раствором и необходимому доступу кислорода.