8.2. Добування і підготовка сировини до переробки

До складу і властивостей сировини технологія ставить вимоги, визначені у державних стандартах (ДСТ) або технічних умовах (ТУ). Щоб сировина задовольняла ці вимоги, її часто відповідно обробляють і збагачують. Використання концентрованої сировини зменшує витрати палива, дає змогу ефективно використовувати теплоту реакції, застосовувати менші об'єми апаратури для переробки сировини і отримувати продукцію вищої якості.

Будь-яка мінеральна сировина складається з мінералів, які становлять її основу для певного технологічного процесу, і пустої породи. Щоб відділити корисні мінерали від домішок і перетворити звичайну руду на концентрат, руду збагачують. Метою збагачення є збільшення концентрації корисного мінералу у сировині видаленням з руди пустої породи. Завдяки збагаченню добуті концентрати мають стандартні, більш постійні й однорідні склад і властивості, ніж вихідна сировина, що дає змогу створювати сталий технологічний режим при її переробці. Якщо до складу мінеральної сировини входить ряд корисних компонентів, то при її збагаченні утворюються кілька різних концентратів. Наприклад, з уральського мідного колчедану добувають мідний, цинковий і піритний концентрати. Відходи після збагачення називаються хвостами. Відношення кількості добутого концентрату до кількості вихідної сировини, виражене у масових процентах, називається виходом концентрату. Відношення кількості корисного компонента у концентраті до кількості цього самого компонента у сировині називають ступенем вилучення. А відношення процентного вмісту корисного компонента у концентраті до процентного вмісту корисного компонента у сировині називають ступенем збагачення.

Основними операціями попередньої обробки сировини можуть бути: класифікація, або сортування, сировини за розмірами кусків; подрібнення породи; брикетування і спікання (агломерація); збагачення – гравітаційне, електромагнітне, флотаційне, хімічне, термічне тощо; зневоднення (згущення, фільтрація, сушка); відділення пилу. Залежно від умов застосовують усі операції чи тільки частину їх, або якусь їх комбінацію.

Класифікація сировини за розмірами кусків має велике практичне значення і провадиться за вимогами технології. Наприклад, після розділення на грохотах мідного колчедану на куски від 25 до 250 мм завбільшки і окремо на куски 25 мм у перетині перша група йде на виплавку міді у ватержакетних печах, а друга – у ванних. Класифікацію сировини за густиною і розмірами кусків здійснюють після подрібнення матеріалу. До розміру 35-40 мм у перетині куски подрібнюють на щокових дробарках. Більш тонкого подрібнення досягають на валкових дробарках, а зовсім тонкого розмелювання до стану борошна можна досягти у молоткових, кульових або вібраційних млинах.

Усі способи збагачення сировини ґрунтуються в основному на відмінності фізичних (іноді хімічних) властивостей корисних мінералів і пустої породи. При збагаченні руди за будь-якою схемою на всіх стадіях утворюється три продукти (див. схему): концентрат, відходи, проміжний продукт. Концентрат і відходи збирають окремо, а проміжний продукт підлягає подальшому збагаченню.

Для збагачення твердих матеріалів застосовуються в основному механічні способи: розсіювання на грохотах, гравітаційне розділення, електромагнітну і електростатичну сепарацію та флотацію. На збагачувальних фабриках, як правило, використовують послідовно кілька способів збагачення.

В основу механічних способів збагачення покладено такі фізичні властивості мінералів, як розміри і форму зерна, густину, характер поверхні, колір і блиск, магнітні властивості, електропровідність, властивість мінералу змочуватись або не змочуватись водою.

Найбільш поширеним сучасним способом збагачення є флотація, що застосовується на збагачувальних фабриках у величезних масштабах. Флотаційним способом розділяють на кілька фракцій поліметалічні сульфідні руди, відділяють апатит від нефеліну, збагачують кам'яне вугілля, численні мінерали при виробництві солей та ін. Флотаційне збагачення ґрунтується на різному відношенні поверхні мінералів до води. Гідрофобні мінерали 1 (рис. 8.1) не змочуються водою, спливають на поверхню води; мінерали 2, які водою змочуються (гідрофільні), поринають на дно.

До мінералів, що не змочуються, прилипають бульбашки повітря і разом з ними піднімаються на поверхню, утворюючи піну. Отже, для процесу флотації треба створити такі умови, щоб зерна мінералів і пустої породи, яку треба відокремити, неоднаково змочувались водою. Чим дрібніші часточки, тим більше відношення їх поверхні до об'єму (і маси) і тим сильніше відбувається змочування. Тому перед флотацією проводять тонке подрібнення мінералів до розміру часточок 0,1-0,3 мм у перетині. Дуже дрібні гідрофобні часточки спливають незалежно від їх густини. Таким чином, при флотації легше спливають більш важкі гідрофобні часточки корисного мінералу, ніж легкі гідрофільні часточки пустої породи.

Рис. 8.1. Змочування (2) і незмочування (1) поверхні мінералів водою під час флотації

Змочуваність часточок характеризується роботою адгезії W_{a Р–Т} (вода – мінерал)

W_{a P–T} = G_Р–Г + G_Т–Г – G_Р–Т,

де G_Р–Г, G_Т–Г, G_Р–Т – питома вільна поверхнева енергія на межі відповідних фаз. Для підсилення і прискорення флотації через суміш подрібненого мінералу з водою продувають знизу повітря. Проте динамічна піна, яка утворюється тільки внаслідок барботажу, легко руйнується. Тому для створення сприятливих умов флотації у пульпу вводять спеціальні флотореагенти. Так, для збільшення стійкості повітряних бульбашок і утворення стабільної піни на поверхні пульпи, у неї вносять піноутворювачі, тобто поверхнево-активні речовини, які утворюють адсорбційні плівки на поверхні бульбашок. Як піноутворювачі використовуються ефірні олії, деякі спирти, деревний і кам'яновугільний дьоготь.

Для підвищення гідрофобності часточок окремих мінералів у пульпу вводять колектори (збирачі), які сприяють зв'язуванню часточок мінералу з бульбашками повітря завдяки утворенню на поверхні часточок гідрофобної плівки. До таких флотореагентів належать олеїнова кислота, нафтенові кислоти, ксантогенати, дитіофосфати та ін. Деякі з них можуть бути і піноутворювачами.

Депресори, або подавлювачі, утруднюють спливання часточок, збільшуючи гідрофільність їхньої поверхні. До них належать луги, деякі солі лужних металів, сульфіти, ціаніди. До регуляторів, які створюють реакцію середовища, належать H₂SO₄ і її солі, вапно, сода та ін. Регулятори сприяють також дії інших флотореагентів. Іноді треба додавати вапно, луги, BaCO₃, FeSO₄, ZnSO₄ тощо для знешкодження дії флотаційних отрут, які трапляються у рудах, перешкоджають утворенню гідрофобних плівок на поверхні мінералів і цим роблять неможливою їх флотацію. До найшкідливіших флотаційних отрут належать солі важких металів, гумусові речовини, таніни. Для видалення флотаційних отрут з руди її перед флотацією промивають водою.

На рис. 8.2 наведено схему флотаційної машини з пневматичним перемішуванням суспензії. Повітря, що подається під тиском у трубу 1, через патрубки 2 надходить у відгороджений від камери простір, утворений перегородкою 3 у вигляді маленьких бульбашок, де перемішується з суспензією, перетворюючи її на піну, яка, у свою чергу, змішується з концентратом і спливає поверх не спіненої суспензії, перевалюється через борт жолоба 4 і подається далі на згущення, фільтрацію і сушіння. Якщо під час флотації у концентраті зосереджуються різні мінерали, а у хвостах – пуста порода, флотація називається колективною, або простою. Внаслідок багаторазової, вибіркової (селективної) флотації комплексної сировини послідовно утворюється ряд концентратів, у кожному з яких є один основний компонент. Флотація є одним з найкращих методів збагачення мінеральної сировини.

Флотацією розчинних мінералів заміняють складні і економічно невигідні методи галургії, які ґрунтуються на різній розчинності компонентів сировини. Середовищем для флотації розчинних солей служить насичений розчин солей, які входять до складу збагачуваної сировини. Солі розділяють за допомогою селективних флотореагентів і аерацією пульпи повітрям. Особливо важливе при цьому регулювання рН середовища за допомогою реагентів-регуляторів, яке сприяє ефективній дії реагентів-колекторів.

Рис. 8.2. Схема флотаційної машини з пневматичним перемішуванням суспензії: 1 – труба для подачі повітря; 2 – патрубки; 3 – перегородки; 4 – жолоб

Метод флотації тепер широко застосовують для добування КСl з сильвініту або карналіту, для збагачення апатитів і фосфоритів, бариту, магнезиту, вугілля, графіту, вапняків, піску, а також для очищення натурального каучуку, целюлози, йонітів, стічних вод.

На великих збагачувальних фабриках флотація відбувається як механізований безперервний процес. Продуктивність найбільших сучасних флотаційних фабрик досягає 100 тис. т руди на добу.

Найпростішим способом механічною збагачення є ручне рудорозбирання, яке полягає у відбиранні породи вручну за її зовнішніми ознаками – кольором, блиском, розміром і формою кусків або зерен. Для прискорення ручного рудо-розбирання застосовують стрічкові транспортери або столи, що обертаються з невеликою швидкістю.

Розсіювання (грохочення) матеріалів за величиною їхніх зерен застосовується тоді, коли порода складається з міцних і крихких мінералів. Крихкі породи подрібнюються легше, ніж міцні, і при просіюванні проходять крізь отвори решета. Грохочення здійснюється на грохотах різних систем і розмірів. Збагачення, яке ґрунтується на різниці характеру поверхні, полягає у тому, що зерна з гладенькою поверхнею переміщуються під дією зовнішньої сили швидше, ніж зерна з шорсткою поверхнею. Повітряне збагачення здійснюється у сепараторах.

Для збагачення, яке проводиться тертям з поверхнею, застосовують спіральні (гвинтові) сепаратори.

В основу електромагнітного збагачення покладено різну магнітну сприйнятливість мінералів, які входять до складу сировини. Частинки мінералу, що намагнічуються при проходженні через магнітне поле, відхиляються від свого попереднього шляху (рис. 8.3) і падають окремо від частинок, які не зазнають впливу магнітного поля.

Електростатичні сепаратори служать для розділення матеріалів, які мають різну електропровідність. Принцип їхньої конструкції подібний до електромагнітного сепаратора, але замість магніту встановлено електрод, сполучений з негативним полюсом випрямляча електричного струму. Частинки мінералів, які мають високу електропровідність, заряджаються негативно і відштовхуються у віддалений бункер, а діелектрики падають у бункер, розміщений під стрічкою транспортера. Так можна відділяти електропровідні мінерали від діелектричних порід: вапняків, силікатів, гіпсу.

Рис. 8.3. Схема дії електро­маг­нітного сепаратора: 1 – вихідна руда; 2 – елек­тромагніт; 3 – концентрат; 4 – відвал	Рис. 8.4. Схема мокрого гравітаційного збагачення: І, II, III – осаджувальні ка­мери; 1 – важка (крупнозерниста) фракція; 2 – середня фракція; 3 – легка (дрібно­зер­ниста) фракція

Гравітаційне або гідравлічне збагачення (мокре чи сухе) ґрунтується на різній швидкості осадження у рідині або газовому потоці зерен різних розмірів або різної густини.

Мокре збагачення найчастіше здійснюють у потоці води. В іншому випадку застосовують інертну рідину або сухе збагачення. Для сухого збагачення треба брати більш подрібнений матеріал сильніше, ніж для мокрого. Принципова схема мокрого гравітаційного збагачення наведена на рис. 8.4. Подрібнений і змішаний з водою матеріал (пульпа) подається у відстійник, розділений перегородками на три осаджувальні камери. Великі і важкі часточки осідають у камері І, середні – у камері II і найлегші – у камері III. Залежно від кількості осаджувальних камер можна добути будь-яку кількість фракцій. Осадження легких фракцій здійснюється внаслідок зменшення швидкості потоку та розширення відстійника.

Дуже ефективними є відцентрові гідравлічні класифікатори, робота яких ґрунтується на дії відцентрових сил.

Крім наведених методів збагачення застосовуються ще термічне збагачення, яке ґрунтується на різній плавкості мінералів, що входять до складу суміші.

Хімічні способи збагачення ґрунтуються на застосуванні різних реагентів, які вибірково розчиняють або утворюють сполуку з однією з речовин суміші; розчини збагачуються випаровуванням розчинника, донасиченням корисним компонентом, осадженням одного з комлонентів, або переведенням його у газоподібний стан і т.ін. Наприклад, Au і Ag можна вилучити за допомогою Hg, NaCN і KCN, мідь – H₂SO₄ або NH₃ і т. д.

Збагачення методом екстракції деяких компонентів суміші рідин широко застосовується у технології органічних речовин; газові суміші збагачуються або розділяються на окремі компоненти послідовною конденсацією газів, послідовною ректифікацією з попередньо-зрідженої суміші газів, абсорбційно-десорб­цій­ним і адсорбційно-десорбційним методами.