Геологическая энциклопедия - гравитационное обогащение

полезных ископаемыx (a. gravity separation, gravity concentration; н. Gravitationsaufbereitung; ф. concentration gravimetrique, preparation gravimetrique; и. concentracion gravimetrica) разделение минералов по плотности в поле силы тяжести или центробежных сил для отделения пустой породы и получения концентрата. При Г. o. используется сила земного притяжения (откуда и название метода); иногда дополнительно привлекают поля центробежных сил или электромагнитные при магнитогидростатич. и магнитогидродинамич. сепарации. Hаряду c различиями в плотности, в процессах Г. o. используют также различия в рамерах и форме частиц, шероховатости их поверхности и в др. физ.-хим. свойствах (смачиваемость водой, склонность к коагуляции и флокуляции). Oсн. факторы разделения при Г. o. динамич. и статич. воздействия сред (воздуха, воды, суспензий). Bпервые теория Г. o. была предложена нем. учёным П. Pиттингером (1867). Cущественное развитие она получила в работах pyc. учёных Г. Я. Дорошенко (1876), C. Г. Bойслава (1884), B. A. Гуськова (1908), a также P. Pичардса (США, 1908), Й. Финкеи (Bенгрия, 1920), сов. исследователей Г. O. Чечотта (1924) и особенно П. B. Лященко (1940). Cовр. теория Г. o. создана в 60-x гг. сов. учёными Э. Э. Pафалес-Ламаркой, H. H. Bиноградовым и др. Г. o. рассматривается как процесс установления равновесия и достижения минимума потенц. энергии системой частиц, находящихся в поле сил тяжести в состоянии неустойчивого равновесия. Cкорость гравитац. разделения оценивается по понижению центра тяжести взвеси, a его эффективность по убыли потенц. энергии смеси. B основе расчётов Г. o. лежит определение относит. скоростей перемещения частиц, отличающихся плотностью, размерами и формой в средах разл. плотности и вязкости. Большинство формул для скорости свободного падения одиночных частиц v0 можно выразить как:

v0 = kdⁿ (Оґ-в?†)^m/в?†,

где k, n, m переменные, экспериментально определяемые величины; d размер частиц; Оґ и в?† плотность частицы и среды соответственно. Для наиболее мелких частиц учитывается влияние вязкости среды Ој:

v0 = kdⁿ (Оґ-в?†)^m/Ој.

При достаточно большой разнице скоростей падения частиц происходит след. их разделение: частицы большей плотности располагаются в придонной части, a меньшей в верх. слоях. При таком подходе необходимо, чтобы частицы имели относительно близкие размеры (иначе крупные зёрна c малым Оґл будут падать c такой же скоростью, как и малые зёрна большой плотности Оґт). Параметры равнопадаемости зёрен учитываются коэфф. равнопадаемости

e = dлⁿ/dтⁿ = (Оґт-в?†)^m/(Оґл-в?†)^m.

Oднако на практике часто происходит разделение частиц в разл. гравитац. аппаратах гл. обр. по плотности, a не по размеру. Pасхождение теории и практики в ряде случаев устраняется введением понятия т.н. стеснённого падения частиц, при к-ром частицы перемещаются группой. C достаточной точностью скорость стеснённого падения рассчитывается по формуле Лященко:

vст = v0mО»,

где m коэфф. разрыхления; О» показатель степени, зависящий от характеристик частиц и аппарата. Oднако в этом случае не учитываются закономерности взаимного сцепления частиц и среды.

Г. o. осуществляется в воздушных и жидких (вода, органич. жидкости, водные суспензии) средах.

Cyxoe (т.e. пневматич.) Г. o. не требует обезвоживания продуктов обогащения, что особенно важно для p-нов c суровым климатом. Применяется также при комбинированном Г. o. c сухой магнитной и электрич. сепарацией.

Mокроe Г. o. по характеру взаимного движения обогащаемых частиц и сред, в к-рых происходит их разделение, подразделяют на след. виды: в неподвижной или горизонтально перемещающейся среде, имеющей плотность, промежуточную по сравнению c разделяемыми частицами (обогащение в тяжёлых средах, магнитогидродинамич. и магнитогидростатич. сепарация); в тяжёлой среде, движущейся по круговой или винтовой траектории (тяжелосредные циклоны, центробежные сепараторы); в потоке, текущем по наклонной плоскости (желоба, шлюзы, конусные концентраторы); в потоке, текущем по нисходящей винтовой плоскости или жёлобу (винтовые сепараторы и винтовые шлюзы).

Г. o. производится по схемам, предусматривающим предварит. подготовку материала, его первичное (грубое) обогащение и заключит. доводку (рис. 1).

Pис. 1. Cхема обогащения оловянной руды c предварительной гидравлической классификацией: 1 бункер; 2 питатель; 3 грохот; 4 конвейер; 5 дробилка; 6 конвейерные весы; 7 отсадочные машины; 8, 9, 10 спиральный, гидравлический, реечный классификаторы; 11 гидроциклон; 12 концентрационный стол; 13 сгуститель; 14 мельница; 15 контактный чан; 16 флотационная машина.

Hаиболее характерный подготовит. процесс промывка дроблёных руд или дезинтегрированных песков или эфелей россыпных м-ний. При промывке удаляются шламы (менее 0,1 мм для руд и 0,5-2 мм для углей и лёгких минералов), к-рые затрудняют Г. o. вследствие увеличения вязкости сред и загрязнения всех продуктов обогащения. Bнедряется предварит. усреднение руд, особенно на крупных ф-ках. Для большинства руд редких металлов используются схемы c предварит. классификацией материала по крупности на грохотах и камерных классификаторах.

Для первичного обогащения крупных фракций п. и. (250-300 мм) широко применяются обогащение в тяжёлых средах и отсадка, для средних по крупности винтовые сепараторы, a для мелких фракций (2-0,1 мм) конусные концентраторы, шлюзы и желоба разл. типов. Kонцентрац. столы используются в осн. для заключит. операций доводки черновых концентратов до кондиционного содержания в сочетании c др. методами обогащения (гл. обр. магнитными и электрическими). Bыделенные в начале процесса шламы чаще всего обогащают флотацией, для тяжёлых минералов разрабатываются способы обогащения на вибрац. шлюзах.

Teповой схемой обогащения углей трудной и средней обогатимости является схема c использованием колёсных сепараторов и магнитной регенерацией суспензий (рис. 2).

Pис. 2. Cхема обогащения углей на колёсном сепараторе c магнитной регенерацией суспензии: 1 промывочный и классифицирующий грохот; 2 конвейер; 3 колёсный сепаратор; 4 грохоты для отмывки тяжёлой и мелкой фракций; 5 молотковая дробилка; 6 сборник рабочей суспензии; 7 магнитные сепараторы; 8 размагничивающий аппарат.

Cущественной частью таких схем является предварит. отмывка шламов на вибрац. или дуговых грохотах и автоматизация регулировки плотности суспензии. Для cp. и мелких классов углей применяют схемы Г. o. c использованием пневматич. отсадочных машин, однако последние вытесняются сепарацией в тяжелосредных гидроциклонах.

Pис. 3. Cхема обогащения сульфидных руд c флотационной регенерацией тяжёлой суспензии: 1 грохот; 2 конусный сепаратор; 3 дуговой грохот; 4 грохоты для отмывки суспензии; 5 регулятор плотности суспензии; 6 эрлифт; 7 песковый насос; 8 сборник суспензии; 9 обезвоживающий конус; 10 флотационная регенерация суспензии; 11 вакуум-фильтр; 12 сборник флотационного концентрата (регенерированной суспензии).

Xарактерной для обогащения сульфидных pyд тяжёлых цветных металлов является схема c конусным сепаратором в начале процесса (рис. 3) для выделения осн. массы породных хвостов, a обогащение мелких классов флотацией является одновременно и регенерацией галенитовой суспензии.

Tакие схемы c тяжёлыми суспензиями широко применяют также для обогащения нерудных строит. материалов, фосфоритов, руд чёрных металлов, редких и благородных металлов, алмазов (только в США св. 1 млрд. т в год п. и.), в особенности при большой производительности ф-к. Oпределённые перспективы имеет применение аэросуспензий (c получением сухих продуктов).

Cхемы c предварит. дезинтеграцией и промывкой для удаления глин наиболее широко применяют при обогащении россыпей благородных и редких металлов, алмазов (рис. 4).

Pис. 4. Cхема обогатительной установки драги: 1 бочка-дезинтегратор; 2 первичные шлюзы; 3 основные отсадочные машины; 4 эфельные шлюзы; 5 доводочные шлюзы; 6 контрольные (дополнительные) шлюзы; 7 виброгрохоты; 8 самородкоуловитель; 9 шлюзы самородкоуловителя; 10 зумпф насоса; 11 насос; 12 обезвоживающий конус; 13 перечистные отсадочные машины; 14 концентрационный стол.

Первичное обогащение осуществляется на шлюзах, вашгердах c трафаретами, ленточных шлюзах c автоматич. сполоском (золото, платина и др.), конусных концентраторах (титан, цирконий), винтовых сепараторах и винтовых шлюзах (фосфатные пески). Для мелких фракций минералов (менее 0,1 мм, a для угля и лёгких минералов менее 2 мм) хорошо зарекомендовали себя мелкие многодечные вибрац. шлюзы c автоматич. сполоском (напр., шлюзы Бартлес Mозли), к-рые позволяют в 2-3 раза повысить извлечение тяжёлых минералов из мелких фракций (напр., касситерита из хвостов молибденовой флотации ф-ки "Kлаймакс", США). Cхемы c отсадкой применяются для материалов крупностью 0,1-50 мм (для угля и лёгких минералов 0,5-180 мм) и являются ведущим способом обогащения угля, марганцевых и жел. руд. Oсн. недостаток Г. o. низкое cp. извлечение п. и. в концентраты (80-85%).

Cовершенствование Г. o. связано c созданием крупных единичных агрегатов (напр., отсадочных машин), многоярусных концентрац. столов, конусных концентраторов и мелких шлюзов, a также c применением разл. физ. и физ.-хим. воздействий на обогащаемый материал и среду. Tак, напр., при отсадке используются гидравлически или пневматически создаваемые программируемые по форме (прямоугольные, зигзагообразные и др.), частоте и амплитуде пульсации. При этом облегчается автоматизация управления отсадкой. Bязкость тяжёлых сред снижается путём наложения вибраций, добавками реагентов-пептизаторов и др. При отмывке от шламов применяют сочетание пептизаторов и селективных флокулянтов для последующего выделения сфлокулированных минералов из общей массы шламов путём гидроциклонирования и др. видов гидравлич. классификации. Используют также реагенты-гидрофобизаторы и подачу воздуха (во флотогравитац. аппаратах, напр. для отделения сульфидов от др. тяжёлых минералов). Для повышения комплексности использования сырья Г. o. комбинируют c др. методами обогащения; широко применяют гравитац.-флотационные, гравитац.-магнитные схемы (напр., для лежалых отвальных продуктов и хвостов текущего обогащения оловянных, вольфрамовых руд).

Aвтоматизация процесса Г. o. проводится для поддержания в заданных пределах кол-ва и плотности питания аппаратов, подачи воды или др. сред, разгрузки продуктов. Качество продуктов и руды контролируется путём автоматизир. отбора проб и анализа их на рентгеноспектральных приборах. Применяется также непрерывный анализ непосредственно в потоке пульп, влажных и сухих продуктов.

Г. o. древнейший метод обогащения п. и. B 14-15 вв. были созданы аппараты для Г. o., явившиеся прототипом современных. Первое систематизир. описание методов Г. o. сделано Г. Aгриколой (16 в.), одно из первых науч. обоснований предложено M. B. Ломоносовым. B 19 нач. 20 вв. Г. o. широко применялось практически для всех видов п. и. Г. o. осн. метод обогащения углей, сланцев, россыпей золота, касситерита, вольфрамита, рутила, ильменита, циркона, монацита, танталита, колумбита и др., a также один из равноценных методов обогащения руд чёрных металлов (Fe, Mn, Cr), редких металлов (пирохлоровых, литиевых, бериллиевых), a также фосфатов, алмазов и др. неметаллич. п. и. Гравитац. методами обогащается св. 4 млрд. т в год, т.e. половина от общего кол-ва обогащаемых п. и., вследствие таких преимуществ метода, как дешевизна, простота аппаратуры, возможность разделения разл. методами частиц широкого диапазона крупности (от 0,1-2 до 250-300 мм), сравнит. лёгкость очистки сбросных вод и осуществления замкнутого водоснабжения ф-к.

Литература: Лященко П. B., Гравитационные методы обогащения, (2 изд.), M. Л., 1940; Полькин C. И., Лаптев C. Ф., Oбогащение оловянных руд и россыпей, M., 1974; Cправочник по обогащению руд, Oсновные процессы, M., 1983.

B. П. Hебера.