Впервые описания процессов обогащения полезных ископаемых встречается в еще в труде Георгиуса Агриколы «12 книг о металлах», как малозначительная операция между добычей руды и её плавлением. С развитием технологий, в особенности из-за замены ручной добычи механической, обогащение превратилось в большое научное направление. Такой рост вызван «неразборчивостью добывающих машин, захватывающих полезные ископаемые вместе с пустой породой.

Также в мире наблюдается истощение легкодоступных и богатых месторождений, поэтому разрабатываются более бедные – что, в свою очередь, повышает сложность обработки и увеличивает долю породы в добытом материале.

Вышеописанные обстоятельства приводят к тому факту, что исходный материал после добычи представляет собой смесь полезного ископаемого с пустой породой в разных пропорциях и сочетаниях. Наиболее частые случаи – кусковые (уголь, щебень, марганец и т. д.), зернистые или россыпные (золото, титан, драгоценные камни и т. д.), вкрапленные (железо, серебро и т. д.) и когда химические элементы находятся в единой кристаллической структуре (металлы).

Следует обратить внимание, что целевое полезное ископаемое обычно находится в природе в окисленном состоянии (связано с кислородом), поэтому методы восстановления (плавка, химическое восстановление, электролиз и т. д.) невозможны без предварительного удаления пустой породы.

Обогащение полезных ископаемых осуществляется с помощью различия в природных свойствах минералов (плотность, крупность, магнитная способность, поверхностные свойства, форма, цвет и т. д.). Обычно для процессов выбирается наиболее яркое, контрастное отличие.

Процессы обогащения делятся на три основные группы: подготовительные, процессы непосредственно обогащения и вспомогательные.

Первая группа включают в себя операции дробления, измельчения, классификации, шихтования, брикетирования. При этом происходят изменения в величине частиц. Во второй – меняется содержание ценного компонента. Вспомогательные операции необходимы для того, чтобы обогащенное полезное ископаемое и его отходы было удобно перевозить и использовать.

Полезные ископаемые обычно имеют черный цвет (уголь, железная руда), а порода – серый или белый, поэтому частицы обозначены соответственно.

Глава 1. Подготовительные процессы

Подготовительные процессы в зависимости от особенностей полезного ископаемого могут осуществляться на разном оборудовании, но преследуют четыре главные цели:

– дробление и измельчение предназначены для «раскрытия» (разрушения) материала, когда он представляет собой «сросток» (единый камень) с другим минералом (породой), минерал разрушают до такого состояния, когда частицы породы и ценного компонента становятся отделены друг от друга;

– классификация нужна для облегчения дробления материала методом изъятия уже разрушенных частиц из процесса, а также разделения материала на крупные и мелкие продукты, обогащаемые впоследствии разными способами в случае «кускового» полезного ископаемого, т. е. размер частиц которого могут изменяться от нуля до метра;

– шихтование применяется на больших фабриках для повышения однородности исходного материала на фабрику, что дает повышение качества конечного продукта;

– обдирка является операцией для отделения налипших частиц одного минерала от частиц другого или удаления «корки» минерала, образованным его же окисленным (ржавым) поверхностным слоем.

1.1. Дробление

В зависимости от размеров частиц, полезные ископаемые условно делят на: кусковые (больше 3 мм), зернистые (от 0,2 мм до 3 мм), тонкие (от 0 до 0,2 мм). Кусковые и зернистые могут подразделяться на крупные, средние и мелкие. Для подразделения тонких минералов просто указывают размер частиц.

Процессы дробления и измельчения не имеют определенного разграничения. Условно считается, что дробление – для более крупного материала, а измельчение для более мелкого, или для второй стадии процесса.

Также обычно у операций дробления нет свободно двигающихся мелющих тел.

Отношение крупности материала до и после дробления или измельчения характеризует интенсивность разрушения, называется «степенью измельчения» и обозначается «і».

1.1.1. Конусная дробилка

Применяют для руд высокой прочности.

Рис. 1.1. Принцип работы конусной дробилки.

Принцип работы конусной дробилки похож на растирание специй или мака в ручной ступе.

Дробилка состоит (рис. 1.1) из дробящего конуса, совершающего сложное движение, наподобие полета Земли вокруг Солнца и неподвижного внешнего конуса. В месте, где дробящий конус приближается к неподвижному происходит сжатие материала и его последующее разрушение, на противоположной стороне – выгрузка уже дробленного продукта.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Различают конусные дробилки для крупного, среднего и мелкого дробления. Конструктивно отличаются только размерами. Крупность помола регулируется зазором между конусами.

1.1.2. Щёковая дробилка

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Принцип работы щековой дробилки аналогичен раздавливанию чеснока в ручной чесночнице.

Дробилка состоит (рис. 1.2) из неподвижной и качающейся (подвижной) стальных пластин (щёк). Когда подвижная щека приближается к неподвижной происходит сжатие материала и его последующее разрушение, а когда щёки раздвигаются – происходит разгрузка дробленного продукта.

Щековая дробилка работает с порционной загрузкой исходного и выгрузкой дробленного материала.

Различают щековые дробилки с одной или двумя подвижными щеками. Конструктивно отличаются способом движения щёк. Крупность помола регулируется зазором между щёками.

Щеки могут двигаться разным способом. Только щековая дробилка со сложными качания дробящих щек может применяться для разрушения строительных железобетонных конструкций (фонарный столб), так как железные арматурные конструкции проходят вдоль разрушающих бетон щек, не ломая дробилку.

Рис. 1.2. Принцип работы щековой дробилки.

1.1.3. Валковая дробилка

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Дробилка состоит (рис. 1.3) из неподвижного и подвижного валков, вращающихся навстречу друг другу. Когда частица попадает между валками происходит сжатие материала и его последующее разрушение, если попадается слишком прочная частица подвижный валок смещается на пружине для предотвращения застревания или поломки.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Различают валковые дробилки с одной или двумя подвижными валками. Конструктивно отличаются размерами и наличием зубьев. Крупность помола регулируется зазором между валками.

Рис. 1.3. Принцип работы валковой дробилки.

1.1.4. Дробилка самоизмельчения

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Принцип работы ротора дробилки самоизмельчения похож на садовую вращающуюся «поливалку».

Дробилка состоит (рис. 1.4) из ротора и неподвижного корпуса.

Исходный материал разделяется на два потока, один пускается по стенкам бочкообразного корпуса, а другой с помощью ротора с высокой скоростью «выстреливает» из центра к стенкам. В результате происходит удар материала о материал и его последующее разрушение.

Дробилка самоизмельчения работает в непрерывном режиме.

Конструктивно дробилки самоизмельчения отличаются геометрией и скоростями движения материала. Крупность помола регулируется скоростью вращения ротора.

Рис. 1.4. Принцип работы дробилки самоизмельчения.

1.1.5. Роторная и молотковая дробилки

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Дробилки состоит (рис. 1.5) из ротора и неподвижного корпуса. Ротор у роторной дробилки представляет собой неподвижно закрепленные на валу ряды стержней (пальцев). Конструкция молотковой дробилки аналогична, за исключением того, что стержни (молотки) подвижно крепятся с помощью нескольких звеньев цепи.

Когда частица попадает под удар пальца или молотка в дробилках происходит её разрушение.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Крупность помола регулируется скоростью вращения ротора.

Рис. 1.5. Принцип работы роторной и молотковой дробилок.

Технологически роторная и молотковая дробилки отличаются интенсивностью разрушения: в случае необходимости мелкого дробления материала малой прочности обычно применяют первую; если есть нежелание переизмельчить материал, применяют молотковую. Так как удар в роторной дробилке наносится весом пальца и инерцией вращения вала, а в молотковой – исключительно весом молотка.

1.1.6. Разрушение перепадом температур

Применяется для минералов высокой прочности.

Рис. 1.6. Принцип разрушения перепадом температур.

Суть метода заключается в нагреве вещества в печи или трением частиц минерала друг о друга, с последующим резким охлаждением водой с температурой, близкой к нулю. При нагреве происходит расширение кристаллической структуры минерала, а при резком охлаждении – кратное ослабление прочности, образование трещин и разрушение.

1.1.7. Вакуумное разрушение

Применяется для минералов с пустотами внутри частиц (губкообразные или трещиноватые) и не высокой прочности.

Рис. 1.7. Принцип вакуумного разрушения.

Процесс разрушения проходит в два этапа: сначала в прочный герметичный контейнер загружается минерал и накачивают воздух для повышения давления, кратно больше атмосферного. Для выравнивая давления внутри пор минерала и давлением внутри контейнера выдерживают несколько часов. На втором этапе – контейнер резко открывают, при этом происходит резкий перепад давления между внутренними порами минерала и атмосферным, в результате чего полезное ископаемое разрывает изнутри.

Данный метод дорог в применении и подходит только для малой доли полезных ископаемых.

1.2. Измельчение

Измельчение является ключевым процессом в целом ряде производств: строительство, пищевая промышленность, химическое производство. В горном деле применяется на конечных операциях разрушения материала.

1.2.1. Струйная мельница

Условная технологическая задача: измельчить «песок» в «муку».

Рис. 1.8. Принцип работы струйной мельницы.

Применяют для материалов средней и высокой прочности, так как для малопрочного материала характерна деформация при ударе без разрушения и слипание частиц.

Принцип работы струйной мельницы можно представить как если два фена (только воздух несет еще и частицы песка) направить навстречу друг другу.

Струйная мельница состоит (рис. 1.8) компрессора (двух), создающего мощный, транспортирующий материал, поток воздуха, воздуховодов и камеры измельчения. Струи и частицы сталкиваются «в лоб» и происходит процесс разрушения материала.

Струйная мельница работает в непрерывном режиме.

Конструктивно данные мельницы отличаются геометрией и скоростями движения материала. Могут конструктивно иметь два соударяющихся потока или одни поток, бьющийся об отбойную плиту.

Крупность помола регулируется скоростью движения воздуха.

1.2.2. Шаровая мельница

Применяют для любых материалов. Является основным измельчающим процессом.

Принцип работы шаровой мельницы можно представить в виде лежащей на боку бочке, если в нее положить камешки и железные шары (мелящие тела), а после столкнуть бочку с горы. Вращение от спуска передастся шарам, и они будут разрушать камешки.

Шаровая мельница состоит (рис. 1.9) привода, цилиндрического и лежащего на боку корпуса, устройства досыпки новых мелящих тел. Процесс разрушения может происходить в трех режимах: каскадном, когда мелящие тела перекатываются без полета по «днищу» корпуса, водопадном, в случае появления участка полета и смешанном.

При каскадном режиме разрушение происходит за счет истирания материала мелющими телами. При водопадном – добавляется к истиранию момент удара мелющими телами при падении.

В качестве мелящих тел могут использоваться металлические или керамические шары, полнотелые «бочонки», подобранные куски прочной породы.

Шаровая мельница обычно работает в периодическом режиме.

Рис. 1.9. Принцип работы шаровой мельницы.

Конструктивно данные мельницы отличаются размерами, геометрией и вариантами загрузки и выгрузки материала.

Принцип действия и конструкция шаровых мельниц отличается от стержневых только тем, что стержни в соответствующих мельницах жестко закреплены вдоль оси вращения корпуса.

Данные аппараты обычно используются в цикле (в паре) с классифицирующим устройством, обычно гидроциклоном или спиральным классификатором для контроля качества измельченного продукта. Материал больше требуемой крупности (обычно 20–30 %) направляется обратно в мельницу, таким образом, замыкая цикл.

Крупность помола регулируется скоростью вращения и подборкой мелющих тел.