Выбор и обоснование выбора методов анализа и способов технологического испытания минерального сырья. [ 1, 3 ]

Из поступившей в лабораторию пробы руды после изучения паспорта пробы, ее макроскопического осмотра отбирают образцы для минералого-петрографических исследований и материал для химического и минералогического анализов. После тщательного изучения вещественного состава руды составляют схему подготовки пробы, намечают технологические процессы для исследований обогатимости и определяют виды и объемы анализов, которым следует подвергнуть материал пробы и продуктов обогащения

Подготовка пробы состоит из последовательных операций дезинтеграции (дробления и измельчения и пр.), классификации по крупности, перемешивания и сокращения, отбора навесок для технологических исследований и различных анализов. Подготовку проб производят по заранее разработанной схеме. На этапе технолого-минералогических исследований проводится текстурно-структурный анализ руд, определяется элементный, фазовый состав проб и выясняются особенности состава, физических и физико-химических свойств рудных и породообразующих минералов, тип сростков и характер их распределения по классам крупности, фракциям плотности и магнитной восприимчивости исходной и измельченной руды и пр. Для обеспечения пропорционального распределения кусков разной крупности в массе пробы, перед сокращением необходимо тщательно ее перемешать.

Выбор начальной операции схемы подготовки пробы определяется соотношением между минимальной массой представительной пробы и ее начальной массами.

Правильный выбор методов и технологических схем переработки минерального сырья может быть произведен и убедительно обоснован только с учетом результатов детального изучения его минералого-технологических характеристик, т.е. комплекса качественных и количественных параметров, характеризующих его. К этим параметрам относятся текстурно-структурные особенности, вещественный состав минерального сырья и свойства всех ценных и сопутствующих минералов и их совокупности.

Под вещественным составом минерального сырья понимают его элементный, фазовый (минеральный, химический) и гранулометрический состав.

Вещественный состав, текстурно-структурные особенности и свойства минерального сырья определяют технологию его переработки, т.к. дают информацию о его структуре, текстуре, элементном, фазовом (минеральном, химическом), гранулометрическом составе, физических, физико-механических, физико-химических и других свойствах всех ценных и сопутствующих минералов руды и руды как совокупности этих минералов, с учетом их взаимного влияния, характера распределения и прорастания.

Минералогический анализ.

В настоящее время существует целое научное направление, занимающееся изучением вещественного состава, структурных особенностей и свойств минерального сырья: технологическая минералогия. Становление технологической минералогии как самостоятельного научного направления связано прежде всего с именами Н.М. Федоровского и И.Н. Плаксина.

Комплекс приемов и методов, используемых в технологической минералогии, позволяет оценить качество минерального сырья, обеспечить его комплексную переработку, обосновать пути извлечения полезного компонента, оптимизировать технологический процесс путем направленного изменения свойств руды или минералов.

Необходимым условием получения всесторонней минералого-технологической информации о руде, обеспечивающей возможность разработки модели технологической схемы, прогнозирования показателей переработки руды, рациональное и эффективное проведение технологических исследований, является опережающее проведение технолого-минералогических работ. Технолого-минералогические исследования позволяют определить полный количественный элементный, фазовый и гранулометрический состав руды и минералов, оценить параметры раскрытия главных рудных минералов в стадиально дробленой руде, составить баланс распределения основных и попутных компонентов по минеральным фазам, определить технологические свойства разделяемых минеральных фаз и степень их контрастности. Полученная информация является основой разработки схемы рудоподготовки, принципиальной технологической схемы, определения теоретически возможного извлечения и неизбежных потерь полезных компонентов при обогащении, комплексного использования минерального сырья.

На этапе технолого-минералогических исследований проводится текстурно-структурный анализ руд, определяется элементный, фазовый состав проб и выясняются особенности состава, физических и физико-химических свойств рудных и породообразующих минералов, тип сростков и характер их распределения по классам крупности, фракциям плотности и магнитной восприимчивости исходной и измельченной руды и пр.

Гранулометрический анализ Процессу обогащения подвергаются полезные ископаемые, имеющие разную крупность. Для подготовки полезных ископаемых к процессу обогащения, и для самого процесса обогащения характеристика крупности частиц (гранулометрический состав) сырья имеет большое значение. Во-первых, по характеристике крупности материала определяется производительность дробильных аппаратов и качество грохочения или классификации. Во-вторых, по характеристике крупности (частиц отдельных минералов слагающих руду и их агрегатов) устанавливается начальная крупность и конечная тонкость помола, необходимая для освобождения полезных минералов друг от друга и от пустой породы. В-третьих, характеристика крупности определяет скорость сгущения и фильтрации, и, в конечном итоге, производительность обезвоживающего аппарата и содержание влаги в обезвоженных продуктах.

Основным способом определения гранулометрического состава пробы и продуктов измельчения и обогащения является ситовой анализ.

Ситовый анализ предусматривает рассев пробы на ситах с различными ячеек ручным или механическим способами. Различают сухой и мокрый ситовый анализы. Если не требуется особой точности, производят ситовый анализ сухого материала. Если нужно произвести ситовый анализ более точно, необходимо сначала отмыть шламы (-0.044мм), удаляя их через тонкое сито.

Для проведения ситового анализа используются грохоты, ситовые анализаторы и сита.

Результаты ситового анализа представляются в виде таблиц или графиков. Обычно в таблице дается выход каждого класса в весовых единицах (кг, г) и в процентах. Указывается частный выход - выход одного класса между двумя смежными ситами и суммарный выход - сумма выходов всех классов крупнее данного сита плюс данное сито.

Фазовый анализ.

Выяснение форм нахождения полезных компонентов в минеральном сырье необходимо для оценки возможности и путей их извлечения, качества получаемых продуктов, возможности комплексного использования сырья. Особенно важное значение это имеет для руд, в которых ценные элементы распределены по многим минеральным фазам.

Корректная оценка формы нахождения элемента осложняется при его низком содержании, высокой степени рассеяния и высокой дисперсности фазы, что в ряде случаев требует привлечения высокочувствительных и высокоразрешающих методов изучения минералов и горных пород. С корректной оценки формы нахождения элемента начинается фазовый анализ объекта. Однако этому предшествует элементный анализ пробы (спектральный полуколичественный в данном случае): прежде чем изучать форму нахождения элемента в анализируемой пробе необходимо установить наличие элемента в пробе, применив полуколичественный спектральный анализ для оценки набора объектов и порядка их содержания.

Оценив элементный состав пробы можно приступать к ее фазовому анализу, который проводится в четыре этапа:

- I этап - определение формы нахождения элементов в анализируемой пробе;

- II этап - диагностика минералов, как образуемых полезными (или вредными) элементами, так и минералов, содержащих эти элементы в форме структурной или неструктурной примеси;

- III этап - полный качественный фазовый анализ пробы, т.е. общей минеральной ассоциации, что необходимо для выбора методики последующего количественного фазового анализа и обеспечения правильности его результатов;

- IV этап - количественный фазовый анализ пробы, анализ полный, т.е. оценка содержания всех выявленных на III этапе фаз или частичный, т.е. на одну-две фазы. Выбор метода определяется объектом и требованием к точности результатов анализа.

Химический анализ.

Химический фазовый анализ, основанный на избирательном растворении минералов в специально подобранных растворителях, позволяет определять минеральные формы свинца, олова, молибдена, вольфрама, меди, цинка, серебра, железа, марганца и др. элементов. Анализ является количественным, но ему предшествует выполнение всех трех первых этапов фазового анализа: химический фазовый анализ решает задачу определения содержания фаз, выявленных и диагностированных предварительно другими методами анализа.

Рентгеноструктурный анализ.

Метод основан на индивидуальности дифракционного спектра каждой кристаллической фазы и зависимости интенсивности этого спектра в смеси от содержания фазы; обеспечивает выявление, диагностику и количественную оценку содержания всех раскристаллизованных фаз. Метод позволяет проводить полный качественный анализ, т.е. выявлять и диагностировать все кристаллические минеральные компоненты руды.

Магнито-гравитационный анализ.

Наиболее ярко в марганцевых рудах проявляются гравитационные и магнитные свойства. Для определения максимального эффекта обогащения выполняют магнито-гравитационный анализ мытой руды.

Гравитационный анализ представляет собой распределение анализируемого материала по фракциям заданной плотности. Метод основан на разделении смеси минеральных зерен в тяжелых жидкостях различной плотности. Его выполняют в целях выделения мономинеральных фракций, исследования вещественного состава сложных для минералогического изучения объектов, определения теоретически возможных технологических показателей при гравитационных методах обогащения, оценки эффективности применяемых технологических процессов, количественной оценки раскрытия минералов при различных режимах измельчения.

С учетом плотности выпускаемых тяжелых жидкостей разделение смесей минеральных зерен ограничивается плотностью 4270 кг/м³.

Гравитационный анализ выполняют на классифицированном на узкие классы крупности материале в диапазоне 3-0,01 мм.

Материал проб не должен содержать посторонних механических примесей металлического железа, свободной (активной) извести и других химических соединений, изменяющих состав тяжелых жидкостей. Перед анализом концентраты магнитного обогащения необходимо размагнитить.

Анализ в тяжелых жидкостях предусматривает выполнение подготовительных операций и собственно операций разделения. Подготовительные операции предусматривают предварительный минералогический просмотр продуктов с целью определения их пригодности для анализа (крупность, загрязнение, намагничиваемость) и выбор схемы разделения (способ деления, плотность жидкостей, последовательность операций)

Мелкие руды (крупностью менее 1 мм) подвергают сухому или мокрому магнитному анализу. Из общей пробы отбирают навеску для анализа и навеску для определения содержания общего железа. Оставшуюся часть пробы сохраняют на случай повторных определений. Конечная масса пробы для магнитного анализа зависит от содержания общего железа в исходной пробе.

Продукты разделения обезвоживают декантацией и высушивают в сушильном шкафу при (100±5) °С до постоянной массы. Магнит­ную фракцию анализируют на магнитофугальном анализаторе.

Продукты разделения взвешивают, рассчитывают их выход, квар­тованием отбирают пробы для химического анализа.

Расхождение между содержанием железа в исходной руде и сред­невзвешенным содержанием железа в продуктах анализа должно не превышать ±0,5%. В противном случае повторяют магнитный ана­лиз на дубликате, оставленном для этой цели.

Метод обеспечивает определения с погрешностью не более: по выходу 0,8%; содержанию железа 0,6%; извлечению железа 1,6%.

После проведённых анализов получили следующие результаты:

Исследуемая проба состоит из дезинтегрированного материала, преобладающая часть которого (порядка 70%) представлена песчано-глинистой массой. В состав последней входят кварц, гидрослюда, каолинит, находящиеся нередко в срастании с гидроксидами марганца и гидроксидами железа. Кусковая часть пробы неоднородна по физическим свойствам. Наряду с плотными кусками отмечаются достаточно легкие, глиноподобные, а также слабосцементированные, легко разламывающиеся руками куски, рассыпающиеся на отдельные рудные желвачки и мелкозернистую массу. Глиноподобные куски имеют буровато-черный цвет.

Плотные куски характеризуются бурым, буровато-черным цветом. Сложены они гидроксидами железа и марганца. Последние чаще всего представлены псиломеланом. Соотношение минералов марганца и железа самое разное. Редко отмечаются практически монометалльные обломки, в состав которых, кроме нерудных (преимущественно кварц), входят либо гидроксиды железа, либо гидроксиды марганца. По характеру распределения минеральных агрегатов в этих кусках можно выделить следующие текстуры: пятнистую, линзовидно-пятнистую, почковидную, колломорфную, прожилковую.

Основным рудным минералом является псиломелан, в подчиненном количестве присутствуют рамсделлит, пиролюзит, криптомелан. Кроме того, широким распространением пользуется гидрогетит. Нерудная часть представлена в основном кварцем, каолинитом, гидрослюдами, хлоритом. Текстуры руд: землистая, пятнистая, прожилковая, брекчиевая.

П с и л о м е л а н является основным рудным минералом. Он наблюдается преимущественно в виде скрытокристаллических, достаточно мягких, плохо полирующихся агрегатов, заполняющих межзерновые пространства между зернами кварца, а также пигментирующих скопления глинистых минералов. Кроме того, псиломелан, выполняя трещинки в выветрелых породах, слагает колломорфные выделения скрытокристаллического строения. На дифрактограммах устанавливаются типичные для минерала отражения (А⁰): 1.42; 2.19; 2.40.

Р а м с д е л л и т совместно с пиролюзитом слагает гнезда от десятых долей мм до 2х2 мм. Он представлен тонкопластинчатыми (L = 0.15-0.6 мм), иногда радиально-лучистыми агрегатами, характеризующимися отражательной способностью, близкой к пиролюзиту, и сильными эффектами анизатропии. Присутствие минерала в руде подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа. На дифрактограммах он диагностируется по отражениям (А⁰): 1.65; 2.58; 4.04.

П и р о л ю з и т совместно с псиломеланом и рамсделлитом выполняет пустоты в выветрелых породах, характеризуется тонкой кристалличностью и низкой (в темно-серых тонах) отражательной способностью, обусловленной примесью тонких сажистых агрегатов.

К р и п т о м е л а н слагает тонкие нитевидные (0.05-0.1 мм) прожилки в выветрелых, пигментированных гидрогетитом породах.

Г и д р о г е т и т имеет весьма широкое распространение. Отложение его происходило в несколько этапов. Наиболее ранняя генерация представлена скрытокристаллическим гидрогетитом, слагающим угловатой формы обломки размером до 2х2 мм, сцементированные песчано-глинистым материалом. Последний, в свою очередь, неравномерно пигментирован гидрогетитом более поздней генерации. Необходимо отметить, что близко-одновременно с гидрогетитом этого возраста, очевидно, отлагались и гидроксиды марганца, пигментирующие песчано-глинистый материал, образуя при этом сложные взаимопрорастания друг с другом и нерудными минералами. Еще позже гидрогетит выполнял пустоты и трещинки в ранее ожелезненных и омарганцованных вмещающих породах.

К в а р ц относится к основным нерудным минералам, слагающим продукты выветривания вмещающих пород, а также наблюдается в виде отдельных зерен размером 0.01-0.05 мм в скоплениях гидроксидов марганца и гидроксидов железа.

К а о л и н и т является существенной составляющей пробы. Он представлен скрытокристаллической и тонкочешуйчатой разностями, загрязненными гидрогетитом и гидроксидами марганца. Каолинит совместно с гидрослюдой и мелкими зернами кварца слагает массу, цементирующую обломки гидроксидов марганца и гидроксидов железа.

Х л о р и т представлен либо отдельными листоватыми частицами, либо радиально лучистыми агрегатами размером до 0.1 мм. По трещинкам спайности по хлориту развиваются гидроксиды марганца и гидрогетит. По данным рентгеноструктурного анализа этот минерал диагностируется как гониерит.

Г и д р о с л ю д а встречается в виде тонких пластинок в ассоциации с зернами кварца и каолинитом.

Таблица 2

Результаты полуколичественного спектрального анализа пробы, %

Элемент	Содержание	Элемент	Содержание
Si	10n	Sn	-
Al	10.0	Ge	-
Mg	1	Ga	3 10-3
Ca	5101	In	-
Fe	10n	Be	510-4
Mn	n	Sc	810-4
Ni	310-1	Ce	-
Co	210-2	La	-
Ti	>1	Y	810-3
V	110-1	Yb	810-4
Cr	5.10-2	Gd	-
Mo	310-3	U	-
W	-	Th	-
Zr	310-2	P	5101
Hf	-	Na	310-2
Nb	-	K	-
Ta	-	Li	310-2
Cu	810-2	Sr	310-3
Pb	110-2	Ba	810-2
Ag	410-4	Au	-
Sb	-	Pt	-
Bi	-	Hg	-
As	-	Tl	110-3
Zn	110-1	B	610-2
Cd	<110-3

Таблица 3

Химический состав исходной пробы, %

Элемент	Содержание
SiO2	47.25
Al2O3	11.70
Fe2O3 общ	14.50
FeO	<0.1
TiO2	0.60
P2O5	0.50
CaO	0.47
MgO	1.36
Na2O	0.11
K2O	0.78
Sобщ	<0.05
п.п.п.	11.78
MnO общ.	10.53
MnO2	11.50
MnO	-
H2O	2.48
Со	0.046
Ni	0.078
Zn	0.094
V2O5	0.029

Согласно схеме рудоподготовки материал пробы был подвергнут сухому грохочению на классы +10 и –10 мм. Выход класса +10 мм составляет 31.08%, класса –10 мм – 68.92%. Исходная проба на химический анализ компоновалась из этих классов согласно выходам. Дальнейшие исследования велись отдельно на материале класса крупности +10 мм (проба ЧГ-1) и –10 мм (проба ЧГ-2).

Материал проб ЧГ-1 и ЧГ-2 поступал на мокрую классификацию в отдельных циклах.

В п р о б е ЧГ-1 (табл.4) По минеральному составу класс крупности +10 мм представляет собой обломки гидроксидов марганца и гидроксидов железа с реликтами вмещающих пород. Поры, неровности на поверхности обломков заполнены глинистым веществом, нередко пропитанным гидроксидами марганца. Обломки микрослоистых пород имеют серый цвет.

Материал класса –10+5 мм представляет собой рудные обломки с реликтами вмещающих пород, налетами (по порам и неровностям на поверхности обломков) глинистых минералов, пропитанных гидроксидами железа. Около 10% обломков представлено выветрелыми породами.

По минеральному составу материал класса крупности –5+3 мм представлен на 80% рудными обломками, сложенными преимущественно гидроксидами марганца, которые находятся в тесном срастании с гидроксидами железа. Последние присутствуют в подчиненном количестве. Практически все обломки содержат либо реликты пород, либо глинистые минералы, пропитанные гидроксидами железа. В материале присутствуют 20% нерудных обломков, представленных в основном кварцем.

В материале класса крупности –3+1 мм По минеральному составу основная часть материала - это оруденелые обломки серого цвета. Рудная часть представлена гидроксидами марганца, в подчиненном количестве присутствуют гидроксиды железа. Примерно 30% обломков – это слабоожелезненные породы. Практически во всех обломках встречаются реликты вмещающих пород. По составу марганцевые минералы представлены в основном псиломеланом и рамсделлитом, в небольших количествах присутствуют криптомелан и пиролюзит.

По минеральному составу материал класса крупности –1+0.56 мм на 60% представлен рудными обломками, большая часть которых состоит из сростков гидроксидов марганца, железа и нерудных минералов, встречается небольшое количество относительно чистых гидроксидов марганца. Оставшаяся часть материала представляет собой кварц практически без признаков оруденения (20%), слабо оруденелые обломки вмещающих пород (15%) и обломки глинистого материала, интенсивно пропитанные гидроксидами железа (5%).

В материале класса крупности –0.56+0.25 мм соотношение рудных и нерудных обломков 1:1. Рудная часть представлена сростками гидроксидов марганца с гидроксидами железа и нерудными минералами, также наблюдается заметное количество относительно чистых обломков гидроксидов марганца. Нерудная часть материала сложена в основном кварцем и обломками вмещающих пород. Обломки вмещающих пород нередко в различной степени пигментированы гидроксидами железа. 40% нерудной части представлено глинистыми минералами.

Материал класса крупности –0.25+0.1 мм представлен в порядке убывания кварцем (основная составляющая), глинистыми минералами, железо-марганцевыми обломками с преобладанием гидроксидов марганца, мусковитом.

По минеральному составу материал класса крупности –0.1+0.044 мм на 80% представлен кварцем, на 10% рудными обломками гидроксидов марганца и железа, на 10% глинистыми минералами.

Таблица 4