1. Обогащение медно-никелевых руд

Вследствие значительной материалоемкости цветная металлургия ориентируется главным образом на сырьевые базы. При этом обогаще­ние непосредственно «привязано» к местам добычи руд цветных и ред­ких металлов.

Руды цветных металлов отличаются крайне низким содержанием по­лезных компонентов. Типичные руды, используемые для производства меди, свинца, цинка, никеля, олова, имеют всего несколько процентов, а иногда и доли процента основного металла.

Руды сульфатных медно-никелевых месторождений, являющиеся источником меди, никеля и благородных металлов, генетически и пространственно связаны с рудами основных и ультраосновных пород.

Медь встречается в природе в виде сульфидных соединений, окисных соединений и самородной чистой меди. До 80% всей добываемой меди получают из сульфидных руд и только 15% меди добывают из окисленных руд и примерно 5 % из самородной меди.

Медистые пириты содержат 60—90% пирита FeS₂ и 1%—3% меди. Колчеданные руды содержат до 3% меди и небольшое количество цинка, свинца и никеля. Все комплексные медные руды, содержащие цинк, свинец, никель и другие металлы, перед плавкой предварительно обогащают.

Флотационное обогащение медных руд основано на том, что не все составные части руды одинаково хорошо смачиваются водой, поэтому те частицы руды, которые не смачиваются водой, могут быть отделены от пустой породы. Не смачивающиеся частицы руды вместе с пузырьками продуваемого воздуха поднимаются вверх в виде пены. Для лучшего образования пены добавляют разные масла и другие вещества, образующие на поверхности части пленки, которые с воздухом переходят в пену.

Флотационный метод позволяет использовать для промышленных целей бедные руды. Богатые медные концентраты, полученные флотацией, содержат 45—30% меди.

Многосернистые богатые руды и многосернистые концентраты подвергают обжигу. Руды после обогащения или обжига поступают в плавку для приготовления расплава сульфидов меди и железа, называемого медным штейном.

Производство никеля из руд включает несколько стадий переработки сы­рья с получением на каждой из них соответствующего полупродукта. На большинстве предприятий, производящих никель, такими полупродуктами являются никелевый концентрат или никелевый файнштейн. Они направляются на окислитель­ный обжиг для возможно более полного удаления серы из материала пе­ред последующей переработкой его на анодный металл.

В результате обогащения образуются отходы производства - отвальные хвосты –пустые и слабоминерализованные породы, железные минералы, в которых содержание ценного компонента ниже, чем в исходном сырье. Хвосты представляют собой частицы пустой породы, получающиеся в результате механической переработки руд и углей (дробления, измельчения, классификации, флотации, магнитной сепарации и др.). С развитием техники все больше отвальные хвосты поддаются повторному извлечению из них нужных веществ.

2. Основные процессы и механизмы обогащения руды

Эффективная рудоподготовка обеспечивает высокие технологические показатели при обогащении. Грохочение и классификацию принято называть предварительными операциями при разделении материала перед дроблением и измельчением, и поверочными – после осуществления этих операций. Число стадий и наличие грохочения в процессе дробления обусловливается экономической целесообразностью, т.е. необходимостью достичь нужной крупности при наименьших затратах.

Дробление — процесс разрушения кусков руды, угля и другого твёрдого материала с целью получения требуемой крупности (более 5 мм), гранулометрического состава или степени раскрытия минералов. Количество стадий дробления зависит от начальной и требуемой крупности дробления.

Дробление основано на действии внешних сил — сжатии, растяжении, изгибе или сдвиге, которые проявляются в максимальной степени в ослабленных сечениях куска, вызванных дефектами его структуры (размером и формой), слоистостью, пористостью и трещиноватостью. Для процессов дробления наиболее важные характеристики — прочность (крепость) и дробимость кусков.

По виду реализации методов дробления его делят на механическое (наиболее распространённое), пневматическое, или взрывное, электрогидравлическое, электроимпульсное, электротермическое, аэродинамическое, по способу воздействия на материал — на статическое и динамическое. Статические способы механического дробления — раздавливание, раскалывание, излом — проводят в щёковых, конусных и валковых дробилках. Динамические способы дробления — удар, истирание (роторные дробилки), раскалывание, раздавливание (стержневые дробилки-дезинтеграторы).

Процесс дробления обычно соединяют с предварительным грохочением, когда весь исходный материал сначала поступает на грохот, а в дробилку направляются лишь крупные куски, подрешётный продукт грохота уходит далее, минуя дробилку. Существуют открытый и замкнутый циклы дробления. 

При открытом цикле дробления продукт проходит через дробилку только один раз, при замкнутом — продукт из дробилки поступает на грохот, недостаточно раздробленные куски вновь направляются в дробилку, а мелкие — на последующую обработку. При замкнутом цикле дробления улучшается качество продукта (гранулометрический состав однороден), снижается расход энергии и износ частей дробилки. В зависимости от требуемой крупности готового продукта для получения высокой степени дробления применяют последовательно несколько стадий дробления: при дроблении руд цветных металлов, как правило, 2, 3 или 4, руд чёрных металлов и угля - 2 или 3 стадии. 

Дополнительно может применяться измельчение – уменьшение размера частиц материала до крупности менее 3 мм. Процесс может проходить как в водной среде, так и в сухом виде. Перед обогащением обычно применяют мокрое измельчение, т.к. сам процесс обогащения обычно проходит в водной среде. Измельчение проводят в мельницах: аэродинамических (струйных) – без мелющих тел; механические – с мелющими телами (стержни, шары, кусковая руда и т.д.). На обогатительных фабриках обычно применяются механические мельницы.

Грохочение — процесс разделения (сортировки) сыпучих материалов по крупности частиц (кусков) на грохотах. Грохочение представляет собой предварительную обработку рудного материала, не требующую его механического разрушения, комбинируется, как правило, с дроблением.

По технологическому назначению различают грохочение: вспомогательное, в том числе предварительное — отделение мелких классов исходного материала, которые нецелесообразно направлять в дробилку (при дроблении в открытом цикле); контрольное или поверочное — отделение мелких классов дроблёного материала (при дроблении в замкнутом цикле); совмещённое (предварительное и контрольное), когда обе операции совмещены в одну (при дроблении в замкнутом цикле); подготовительное — выделение продуктов различных классов крупности с целью раздельной обработки, обусловленной требованиями технологии на рудоуглеобогатительных и брикетных фабриках; самостоятельная или механическая сортировка — получение готовых продуктов (сортов), отправляемых потребителю; обезвоживающее — с целью обезвоживания и обесшламливания (для удаления массы воды, содержащейся в исходном материале, как правило, в руде после её промывки) или для отделения суспензии от конечных продуктов (при сепарации в тяжёлой среде и аналогичных операциях), а также преимущественно в угольной промышленности — избирательное (разделение угля на различные классы, отличающиеся не только по крупности, но и по качеству). 

По последовательности выделения классов крупности грохочение разделяют от крупного к мелкому, от мелкого к крупному, а также комбинированное. По характеру движения исходного материала на просеивающих поверхностях грохота выделяют грохочение: на неподвижных, частично подвижных, подвижных и вращающихся грохотах.

Классификация — процесс разделения (сепарации) измельчённых материалов в жидкой или воздушной среде на основе различия в скоростях падения (оседания) частиц разного размера, формы и  плотности. Цель — получение продуктов различного гранулометрического состава и плотности. Для данного процесса применяются классификаторы: механические, гидравлические, пневматические, гидроциклоны и т.д.

Классификацию применяют для обеспечения оптимальной крупности продуктов при последующей обработке, в том числе перед гравитационным обогащением и флотацией, а также для аналитических целей. Крупность разделяемых частиц обычно от 1 мм до 40 мкм. Материал крупнее 3 мм (при обогащении угля -крупностью до 13 мм) подвергается классификации редко. 

По технологическому назначению классификацию разделяют: на самостоятельную, или окончательную, — для отделения крупнозернистого материала от илистых и глинистых частиц, получения готовых продуктов, сортность которых определяется крупностью; подготовительную — для разделения тонкозернистых материалов на отдельные классы крупности перед их обогащением гравитационными или флотационными процессами. При измельчении выделяют классификацию: предварительную — отделение крупных частиц для последующего их измельчения; контрольную, или поверочную, — выделение крупных частиц (песков) из измельчённого материала для последующего их доизмельчения в замкнутом цикле; совмещённую — предварительную и контрольную (поверочную), когда обе операции объединены в одну при измельчении в замкнутом цикле. 

В зависимости от среды, в которой происходит разделение частиц, различают мокрую (гидравлическую) и сухую (пневматическую) классификацию. Преимущество первой — возможность классификации обводнённых материалов и суспензий, а также лучшее разделение слипшихся частиц при добавках пептизаторов. Классификация в воздушной среде применяется для сухих материалов. 

По принципу разделения выделяют классификацию гравитационную (с разделением частиц в поле силы тяжести) и центробежную (с разделением в поле центробежных сил). 

Теория классификации основана на изучении и количественном описании перемещения частиц в жидкой или воздушной среде. Различие в скоростях падения частиц определяет процесс разделения. Эффективность классификации зависит от распределения жидкой фазы по продуктам классификации, неравномерности скоростей потока и его турбулентности по сечению классификатора, формы и плотности частиц, а также конструктивных параметров классификаторов. Трудность классификации возрастает с уменьшением размера частиц. Очень тонкие (менее 10 мкм) частицы сильнее слипаются друг с другом. Для чёткого разделения тонких частиц необходимо их разобщить добавлением реагентов, предотвращающих слипание тонких частиц друг с другом.

Флотация — процесс разделения мелких твёрдых частиц (главным образом минералов) в водной суспензии (пульпе) или растворе, основанный на избирательной концентрации (адсорбции) частиц на границах раздела фаз в соответствии с их поверхностной активностью или смачиваемостью. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз (обычно газа и воды) и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. 

Флотация — один из основных методов обогащения полезных ископаемых, применяется также для очистки воды от органических веществ (нефти, масел), бактерий, тонкодисперсных осадков солей и др. Помимо горно-перерабатывающих отраслей промышленности флотация используется в пищевой, химической и других отраслях для очистки промышленных стоков, ускорения отстаивания, выделения твёрдых взвесей и эмульгирования веществ и т.п. Широкое применение флотации привело к появлению большого количества модификаций процесса по различным признакам. 

Наибольшее распространение приобрела пенная флотация. В процессе пенной флотации обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха, образуя пенный слой, устойчивость которого регулируется добавлением пенообразователей. Разнообразные способы образования газовых пузырьков и комбинации этих способов соответствуют различным типам флотационных машин. Соединение камер флотационных машин в определённой последовательности с направлением потоков пенных и камерных продуктов на перефлотацию, доизмельчение, перечистную или контрольную флотации составляет схему флотации, которая позволяет получить концентрат требуемого качества при заданном извлечении полезного компонента. Концентрат может быть получен пенным (прямая флотация) или камерным продуктом (обратная флотация); в последнем случае флотации подвергается пустая порода. 

На флотацию влияют ионный состав жидкой фазы пульпы, растворённые в ней газы (особенно кислород), температура и плотность пульпы. На основе изучения минералого-петрографического состава обогащаемого полезного ископаемого выбирают схему флотации, реагентный режим и степень измельчения, которые обеспечивают достаточно полное разделение минералов. Лучше всего флотацией разделяются зёрна размером 0,1-0,04 мм. Более мелкие частицы разделяются хуже, а частицы мельче 5 мк ухудшают флотацию более крупных частиц. Отрицательное действие частиц микронных размеров уменьшается специфическими реагентами.

Совершенствование процесса флотации идёт по пути синтеза новых видов флотационных реагентов, конструирования флотационных машин, замены воздуха другими газами (кислород, азот), а также внедрения систем управления параметрами жидкой фазы флотационной пульпы. Благодаря флотации вовлекаются в промышленное производство месторождения тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых.

Фильтрование в обогащении полезных ископаемых — гидромеханический процесс разделения двухфазных пульп с применением пористой перегородки (фильтра), задерживающей твёрдую и пропускающей жидкую фазу; сопровождается образованием осадка (кека) до перегородки и фильтрата за фильтровальной перегородкой.

Цели фильтрования: разделение пульпы (отделение твёрдых частиц от жидкости); сгущение пульпы (увеличение содержания в пульпе твёрдых частиц путём удаления через фильтровальную перегородку определённой части жидкости); осветление жидкости (уменьшение содержания в пульпе твёрдых частиц, преимущественно тонких взвесей). 

На обогатительных предприятиях наиболее распространено разделительное фильтрование, связанное с образованием осадка. 

Фильтрование проводят в фильтрах. Если фильтрование происходит под воздействием разности давления по обе стороны фильтровальной перегородки, создаваемой вакуум-насосом, то используются вакуум-фильтры; если под действием механического усилия или разности давления, создаваемой воздушным компрессором, применяются фильтр-прессы; если под воздействием центробежного поля, создаваемого при вращении ротора аппарата, — фильтрующие центрифуги.

Промышленное фильтрование — малопроизводительный и дорогостоящий процесс; затраты на фильтрование пульп составляют до 20% всех затрат на обогащение. 

Сгущение — процесс повышения концентрации вещества в пространстве, например, твёрдого компонента в пульпе вследствие осаждения твёрдых частиц в гравитационном, центробежном или комбинированном поле с одновременным удалением (сливом) слоя очищенной воды.

В горном деле сгущение — процесс выделения части жидкой фазы из пульпы (суспензии) под действием сил тяжести, центробежных сил, магнитного поля с целью получения сгущенного продукта (осадка) и как можно более чистой жидкой фазы.

На обогатительных фабриках сгущение — операция подготовки шламов с целью придания им необходимой густоты перед дальнейшей обработкой (обогащением, обезвоживанием), а также получения оборотной воды. Обогащение используют для обезвоживания продуктов при обогащении полезных ископаемых, в гидрометаллургическом, химическом и других производствах.

Для реализации сгущения используют отстойники-гидроклассификаторы, радиальные и цилиндрические сгустители, гидроциклоны, пластинчатые сгустители.

В результате сгущения получают очищенную воду и сгущенный продукт. Образование агрегатов часто осуществляется на основе использования коагулянтов и флокулянтов.

Коагулянты (хлорид кальция и др.) нейтрализуют электрические заряды тонких частиц, флокулянты адсорбируются на частичках и способствуют образованию механических связей между ними и, как следствие, — агрегатов (флокулянтов). Использование флокулянтов более эффективно, поскольку оно интенсифицирует процесс осаждения в 4-6 раз.

Сепарация – процесс разделения материалов за счет различных физических свойств обломков: крупности частиц, плотности, магнитной восприимчивости, электропроводности, диэлектрической проницаемости и т.д. Проводится в сепараторах: винтовых, пневматических, электромагнитных и т.д.

Выбор способа сепарации зависит от процентного состава и свойств разделяемой смеси и составляющих её компонентов, степени соответствия желаемых свойств получаемых продуктов от последствий разделения и свойств компонентов. Сепарация, как правило, происходит не только по главному признаку, который отличает компоненты в смеси, а по целому ряду свойств. Процессы сепарации различаются от внешних условий и аппарата, в котором происходит разделение. В современном производстве для различных целей и смесей применяется разнообразные способы сепарации: сепарация по массе (инерционная), размеру, упругости, трению, воздушная сепарация, электрическая, магнитная, пенная, радиометрическая. Набор способов сепарации отражается на конфигурации сепараторов.