7.5. Обладнання для хімічних, термохімічних та комбінованих методів збагачення
Хімічні й термохімічні процеси використовуються для переробки й збагачення важкозбагачуваної мінеральної сировини. Загальною їхньою ознакою є використання поряд з механічними операціями збагачення хімічного перетворення, що супроводжується зміною фізичних, фізико-хімічних властивостей і хімічного складу матеріалу.
Устаткування для хімічних методів збагачення.
З хімічних (гідрометалургійних) процесів збагачення найчастіше використовуються вилуговування, осадження, сорбція й екстракція. Вони засновані на селективному розчиненні коштовних компонентів руди або їхніх шкідливих домішок водяними розчинами хімічних реагентів. Іноді при цьому утворюються інші хімічні сполуки, легко відокремлювані від порожньої породи.
Хімічні методи збагачення з розчиненням корисних мінералів широко застосовуються для руд кольорових металів (молібденових, марганцевих, золотовмісних, алюмінієвих, свинцевих, ніобієвих й ін.).
Підготовчою операцією гідрометалургійного процесу є подрібнення вихідного матеріалу до оптимальної крупності. Ступінь подрібнення визначається експериментально для кожного типу руди й знаходиться звичайно в межах 0,074-0,2 мм. Подрібнення здійснюється для поліпшення доступу розчинника до рудних мінералів і прискорення процесу розчинення в результаті збільшення активної поверхні мінералів.
Основна операція - вилуговування мінералів. Це селек-тивне розчинення одного або декількох компонентів. Під час цієї операції корисні компоненти (або шкідливі домішки) переходять у розчин. Залежно від характеру процесу може бути як просте (фізичне), так і хімічне розчинення.
В якості розчинників застосовуються залежно від природи мінералів кислоти (сірчана, соляна, азотна), луги (сода, їдкий натр) і інші реагенти (ціанід, аміак, солі амонію й ін.). Концентрація розчинників може коливатися в широких межах, а добування металів у розчин досягати 98-99% при незначному розчиненні супутніх мінералів. Збільшення швидкості процесу забезпечується підвищенням температури розчину, застосуванням різних добавок, накладенням магнітних й електричних полів й інших впливів. Важкодобувні компоненти попередньо переводять у легкорозчинні шляхом окисного або відбудовного випалу, сплавлення або спікання із содою, вапном, фторсилікатами.
Вилуговування може здійснюватися:
- чановим способом при перемішуванні пульпи в чанах механічними мішалками або (і) стисненим повітрям;
- автоклавним способом з нагріванням пульпи в посудинах під тиском;
- просочуванням розчинника через нерухомий шар руди, що може при цьому перебувати в штабелі, у ємності, або безпосередньо в гірничій виробці. Це найдешевший спосіб вилуговування, що застосовується для кускового матеріалу (+3 мм). При дрібнішому матеріалі швидкість просочування незначна й ефективність процесу знижується. Підземне вилуговування застосовується для добування руд з покинутих виробок.
Наступна операція процесу – відділення розчину від твердої речовини - здійснюється шляхом згущення або фільтрування. Згущення пульпи здійснюється в ставках, чанах і згущувачах. Фільтрування - у вакуум-фільтрах різних конструкцій.
Нарешті, остання операція - виділення металу з розчину. Застосовуються наступні способи:
- осадження. Використовуються електроліз, відновлення до металу й інші способи. Здійснюється в конусах, барабанах, жолобах, чанах, ваннах, апаратах киплячого шару й ін.;
- сорбція металів з розчинів за допомогою синтетичних іонообмінних смол, здатних поглинати іони металу. Застосовуються колони із сорбентами;
- екстракція іонів металів з розчинів органічними рідинами. Для екстракції використовуються змішувачі, відстійники, колони, відцентрові екстрактори.
Надалі, у зв'язку з погіршенням якості сировини й підвищенням вимог до якості продукції, слід очікувати поширення використання хімічних процесів у збагаченні корисних копалин.
Устаткування для термохімічних способів збагачення.
Термохімічні способи збагачення передбачають різні види випалу, застосовувані при переробці руд, метою яких є дисоціація (розкладання) мінералу, окислювання або відновлення металу, зміна властивостей або хімічного складу матеріалу для наступного використання інших способів збагачення.
Випалом називається термічний процес взаємодії твердих і газоподібних речовин (або тільки твердих) без утворення рідких фаз із метою зміни хімічного складу випалювального матеріалу.
Застосовується для попередньої підготовки руд і концентратів перед гідрометалургійним переділом або в схемах збагачення.
Відомі різні види випалу - випал з термічною дисоціацією мінералів, що витягаються, окисний, відбудовний, спікальний випал. У результаті процесів здійснюється розкладання з'єднань металів до їхніх водорозчинних окисів з наступним видаленням їх водою, переведення немагнітних і слабомагнітних окислів металів у сильномагнітні з подальшою магнітною сепарацією, перетворення одних з'єднань в інші з метою використання флотаційних і гравітаційно-флотаційних способів збагачення.
Термохімічні процеси широко застосовуються для збагачення руд кольорових і чорних металів.
Наприклад, для підвищення технологічних показників магнітної сепарації слабомагнітних мінералів руд чорних металів на збагачувальних фабриках застосовують магнетизуючий, відбудовний або відновно-окисний випали.
Магнетизуючий випал – процес термічної обробки окислених залізних і карбонатних марганцевих руд з метою переведення немагнітних і слабомагнітних мінералів у магнітні. Штучно отримані магнетит і маггеміт мають магнітну сприйнятливість, що незначно поступається магнітної сприйнятливості природних мінералів.
Відбудовний випал – відновлення гематиту й перетворення його в магнетит.
Відновно-окисний випал – відновлення гематиту до магнетиту й наступне окислювання до магнітного різновиду маггеміта.
Використовуються різні види палива (відновлювачів): тверді - кокс, антрацит, буре вугілля; газоподібні - доменні, генераторні, коксові, природний гази; рідкі - продукти перегонки нафти.
Крім зміни хімічного складу при випалі залізних руд і концентратів відбуваються зміни їхніх фізичних властивостей і зниження маси в результаті випару вологи. При цьому видаляються летучі речовини й шкідливі домішки: цинк, сірка, двоокис вуглецю, що приводить до поліпшення якості продуктів і підвищення вмісту в них заліза. Крім того, відбуваються спікання й окускування тонких і дрібних часток у великі агрегати, що дозволяє використовувати в доменному процесі тонкоподрібнені концентрати й колошниковий пил.
Наприклад, на збагачувальній фабриці ЦГОКа перед збагаченням руду обпалюють при температурі 800°С у відбудовній атмосфері СО. При цьому гематит переходить у магнетит за реакцією:
3Fe2O3+CO
2Fe3O4+CO2.
При цьому співвідношення СО2 і СО регулюють так, щоб магнетит надалі не перетворювався в слабомагнітний закис заліза за реакцією
Fe3O4+3СО 3Fe+CO2.
Звичайно дотримуються співвідношення CO2/CO = 2
Отриманий магнетит може бути легко й ефективно витягнутий постійними магнітами.
В якості устаткування для випалу застосовуються різні печі: багатоподові механічні, барабанні обертові, шахтні, для випалу в киплячому шарі й у зваженому стані, а також конвеєрні машини стрічкового типу (агломераційні машини).
На рис. 7.7 наведена схема трубчастої обертової печі, що складається з горизонтального барабана 1, футеро-ваного вогнетривкою цеглою й установленого під кутом 2-3º, опорних пристроїв, привода 6, топкової (розванта-жувальної) 4 і газовідвідної (завантажувальної) 3 головок.
Обертовий від привода на роликах барабан має усередині пороги й лопати для перемішування матеріалу й забезпечення кращого контакту матеріалу з газами.
Руда спочатку підігрівається в окисній атмосфері, потім, у наступній зоні, відновлюється газом до магнетиту, а в останній зоні охолоджується зустрічним потоком холодного газу. Обпалена руда вивантажується в холодильник для зниження температури.
Рис. 7.7. Трубчаста обертова піч:
1 - обертова піч; 2 – барабанний холодильник; 3, 4 – головки відповідно завантажувальна й розвантажувальна; 5 – отвір для відхідних газів; 6 – привод печі; 7 – вузол завантаження руди
З газами, що відходять, уноситься значна кількість пилу (до 10-12% маси завантажуваної руди), тому гази обов'язково спрямовуються на пиловловлення.
Діаметр обертових печей може досягати 5 м , довжина - 150 м.
Трубчасті обертові печі широко використовуються для відбудовного випалу мідних руд, магнетизуючого випалу руд чорних металів.
Останній процес виконується також у шахтних печах. У таких конструкціях через шар матеріалу, що рухається вниз, просмоктуються назустріч йому повітря й гарячі гази. Крупність матеріалу для забезпечення гарної газопроникності повинна бути в межах 10-50 мм.
Шахтна піч являє собою металеву камеру, футеровану вогнетривкою цеглою. По висоті піч має пережим, що розділяє її на дві частини: верхню - зону нагрівання й нижню - зону відновлення руди.
Руда в піч надходить із завантажувального бункера самопливом. Матеріал нагрівається у верхній частині печі теплом згоряння коксодоменного газу в топкових камерах. Руда відновлюється свіжим газом, що подається з низу печі через спеціальний розподільник, закритий зверху відбійником.
Печі відрізняються порівняно малою добовою продуктивністю (до 300-400 т) через властиву їм нерівномірність розподілу газу й пов'язану з нею нерівномірність випалу по перетині, що обмежують діаметр печі (звичайно він не перевищує 3 м).
Для інтенсифікації окислювально-відновлювальних процесів широко застосовується випал у киплячому шарі.
У печах киплячого шару здрібнена руда або концентрат підтримуються в псевдозрідненому стані газом, що надходить через численні отвори в газорозподільних решітках. При цьому завдяки безперервному перемішуванню матеріалу процеси, що відбуваються при випалі, значно інтенсифікуються й продуктивність таких печей істотно вище продуктивності багатоподових і барабанних конструкцій.
Устаткування для комбінованих методів збагачення.
Комбіновані способи збагачення засновані на використанні розходжень у декількох технологічних властивостях поділюваних мінералів (змочуваності й густині, густині й електромагнітних властивостях).
Процес флотогравітації заснований на розходженні фізико-хімічних властивостей поверхні й різниці густин поділюваних мінералів. Таким чином, він являє собою комбінацію гравітаційного й флотаційного методів збагачення. У процесі флотогравітації на поверхні пульпи утворюється плівка, навантажена мінеральними флотованими частками, так само як і при плівковій флотації. Нефлотовані частки розділяються за густиною.
Перевагою флотогравітації перед пінною флотацією є можливість збагачення грубозернистого матеріалу (0,1-3 мм).
Вихідний матеріал - густа пульпа, що містить не менше 50% твердого й флотаційні реагенти. Мінеральні частки утвоюють із повітрям аерофлокули.
Устаткування для флотогравітації - концентраційні столи з додатковими пристосуваннями, гвинтові сепаратори, рідше - стрічкові шлюзи й відсаджувальні машини.
При здійсненні процесу на концентраційних столах важливо забезпечити вихід великих флотованих часток у положення плівкової флотації. Для поліпшення контакту часток з атмосферним повітрям на деках столів передбачають різні пристрої-контактори у вигляді будь-яких перешкод, розташованих паралельно нарифленням у завантажувальній частині стола. Долаючи ці бар'єри, тверді частки вступають у контакт із повітрям, переходять у положення плівкової флотації й сходять із деки стола в місці звичайного розвантаження шламів. Нефлотовані зерна розділяються за густиною, утворюючи віяло продуктів, як і на звичайному концентраційному столі.
Подача повітря забезпечується через отвори трубок, розташованих уздовж деки над поверхнею стола, у вигляді водоповітряної емульсії, одержуваної в ежекторному пристрої, або шляхом диспергування повітря.
При використанні для флотогравітаційного процесу гвинтового сепаратора пульпа аеруєтся бризкалами. Флотовані частки разом з бульбашками повітря спливають на поверхню й транспортуються до зовнішнього борта жолоба, де потрапляють в уловлювачі з розвантажувальними патрубками. Важкі нефлотовані мінерали залишаються у внутрішнього борта жолоба й розвантажуються через відповідні отвори, а легкі - наприкінці жолоба.
Стрічковий шлюз для флотогравітації має вигляд похилого короткого стрічкового конвеєра. Пульпа аерується шляхом ежекторної дії тонких струменів води, що подаються на стрічку зрошувачем. Контакт мінералів з повітрям здійснюється за допомогою щитків і прутків, які перемішують і направляють потік на стрічці. Частки, що спливають, розвантажуються в бічний жолоб.
Флотовідсаджувальна машина являє собою різновид діафрагмової відсаджувальної машини, у якої є спеціальний диспергувальний пристрій для рівномірного насичення всього обсягу камери дрібними бульбашками повітря.
На решеті завдяки пульсації потоків води відбувається розшаровування матеріалу за густиною. Великі частки проходять через шар постелі й концентруються в підрешітних відділеннях машини. Дрібні й тонкі частки виносяться на поверхню пульпи.
До комбінованих способів збагачення можна віднести також магнітогідродинамичну сепарацію (МГД-сепара-цію), описану в главі 4.
Основні правила техніки безпеки.
Апарати для гідрометалургійних процесів збагачення діляться на обладнання низького тиску (реактори й вилуговувачі) та обладнання високого тиску (автоклави, ректори й вилуговувачі). Останні обладнуються контрольно-вимірною апаратурою та приладами безпеки у відповід-ності до вимог Правил устрою та безпечної експлуатації сосудів, що працюють під тиском. Без цих приладів експлуатація автоклавів заборонена. Відстань між сусідніми автоклавами у лінії має бути не менше 1 м. На верхній робочій площадці автоклавної установки монтують повітряний душ. Проби автоклавної суспензії повинні відбиратися пробовідбірниками, що виключають можливість прориву перегрітої рідини.
До роботи на автоклавах допускаються тільки ті особи, що мають права на обслуговування апаратів високого тиску. Завантажувати або розвантажувати автоклав вручну дозволяється не менше, ніж двом робітникам.
При негерметичності фланцевих з'єднань або сальникових ущільнень, у випадку аваріі, при відкритті автоклаву необхідно зупинити подавання пари в колектор та знизити тиск в автоклаві до атмосферного. Робота всередині автоклаву дозволяється тільки за умови відключення його за допомогою надійних заглушок від усіх комунікацій, промивання водою, продування парою для видалення газів та охолодження до 40оС.
При завантаженні сировини й реагентів у вилуговувач необхідно виключити можливість потрапляння крапель розчину на робітників. Тверді речовини перед завантаженням у реактор подрібнюють до потрібної крупності. При заповненні реакторів та вилуговувачів розчином необхідно обов'язково залишати вільний простір в реакторі 30-50 см, а у вилуговувачі – 15-20 см.
Запускати у роботу реактор дозволяється тільки при роботі системи вентиляції. При відключенні вентиляції необхідно негайно перекрити усі вентилі й зупинити реактор.
Перед оглядом, чищенням або ремонтом апаратів для гідрометалургійних процесів необхідно звільнити їх від розчину, перекрити живильні газові трубопроводи, розібрати електросхему приводу мішалки, вивісити на пускові кнопки плакат «Не вмикати – працюють люди» та здійснити провітрювання апарату. Роботи усередині апарату повинні вестися минимум двома робітниками, один з яких має знаходитися біля установки й надати негайну допомогу у разі необхідності. Для освітлення апарата всередині дозволяється користуватися тільки переносними лампами напругою 12 В.
Місця інтенсивного виділення газів обладнаються місцевими вентиляційними системами. Обладнання вентиляційних систем від апаратів, в яких можливе виділення високих концентрацій вибухо- та вогненебезпечних речовин, повинно бути у вибухонебезпечному виконанні.