Графо-аналитическая трактовка процесса разделения минералов методом рентгенорадиометрической сепарации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.7

Поляков Олег Анатольевич Oleg Polyakov

ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ

GRAPHIC ANALYTICAL TREATMENT OF MINERALS SEPARATION BY X-RAY RADIOMETRIC

Рассмотрены вопросы методического обеспечения исследования процессов рентгенорадиометри-ческой сепарации — новой высокоэффективной, экологически чистой технологии обогащения руд и техногенного сырья. Рассмотрена контрастность руд как эффективный признак покусковой сепарации. Дан сравнительный анализ теоретических и практических показателей обогащения методом рентгенорадиометрической сепарации. Представ -лена номограмма для классификации крупнокусковых фракций полезных ископаемых по теоретической обогатимости в зависимости от ряда показателей извлечения ценного компонента

Ключевые слова: контрастность руды, рудо-подготовка, рентгенорадиометрическая сепарация, крупнокусковый концентрат, графоаналитический метод, номограмма

There was considered the methodical support of X-radio metric separation processing investigation. It is a new highly effective non-polluting technology of mineral dressing and man-caused raw materials. The article describes the contrast of ores as an effective sign of separation. There is a comparative analysis of theoretical and practical indicators of enrichment by X-radio metric separation. The article presents anemogram to classify lumpy mineral fractions on theoretical wash ability. It depends on a recovery of valuable components indicators number

Key words: contrast of ore, ore-preparation, X-radio metric separation, lump concentrate, semigraphical method, nomograph

Теоретические исследования радиометрической обогатимости и ее реализации в виде крупнокускового обогащения сурьмяных руд позволили разработать комплекс технологических решений, существенно повышающих технологические и экономические показатели переработки.

Оценка обогатимости новых или ревизуемых золото-сурьмяных месторождений требует исследования возможности применения предварительного обогащения на стадии процессов добычи (радиометрическая контрольная сортировка — РКС) и

дробления ( радиометрическая сепарация — РС) [8, 9, 11, 12]. К методам предварительного обогащения относят обогащение в тяжелых суспензиях (ОТС), отсадку и крупнокусковую (до 300 мм) магнитную сепарацию, радиометрическую сепарацию. Возможности этих процессов обычно исследуются при оценке радиометрической обогатимости.

Цель предварительного радиометрического обогащения — максимальное использование неравномерности распределения минералов в недрах по одному или

нескольким компонентам в разных величинах элементарного объема: от нескольких кубометров (РКС — самосвал, вагонетка) до 20...30 мм (РС) и 5...1 мм (ОТС, турбо-циклонирование, отсадка).

Согласно разработанным методикам в области радиометрического обогащения, эффективность радиометрического и других способов разделения крупнокусковых руд зависит от природных свойств руды, техногенных факторов и уровня аппаратурного развития техники [2, 6].

Контрастность руды — неравномерность распределения полезного компонента в элементарных объемах горной массы, выраженная в форме среднего относительного отклонения содержания полезного компонента в этих объемах, определяется по формуле [3]

М =

(1)

а

где М — показатель контрастности;

а — среднее содержание полезного компонента в выборке;

С. — содержание полезного компонента в 1-м элементарном объеме;

у — доля г-го элементарного объема в выборке;

п — количество элементарных объемов в выборке.

Первоначально понятие контрастности сформулировано для кусковой руды. Широкое применение этого свойства и простое математическое его определение побудило исследователей характеризовать этим свойством и руду в недрах, т.е. оценивать прогнозную контрастность.

Способ оценки контрастности руды наиболее широко используется на крупнокусковом материале размером 20...150 мм. Исследования проведены на многих типах месторождений. Показано, что руды цветных металлов, в том числе и комплексные, контрастны или высококонтрастны. Информация о контрастности руды на стадии дробления с другими факторами позволяет достаточно точно определить возможные технологические показатели РС и других

крупнокусковых методов обогащения.

Оценка прогнозной контрастности руды ( коэффициент вариации содержания) в недрах производится по результатам анализа рядовых проб. Эти результаты позволяют определить контрастность в больших элементарных объемах, соизмеримых с объемом вагонетки, самосвала, блока, и оказать влияние на выбор технологии предварительного обогащения и на проектирование горных работ.

Контрастность руды в недрах обычно ниже, чем покусковая, в связи с увеличением элементарного объема, характеризуемого рядовой геологической пробой. При отработке рудного участка она повышается из-за дезинтеграции, снижения размеров элементарных объемов и технологии горных работ.

Величина показателя контрастности М может изменяться от 0 (все элементарные объемы одинаковы) до примерно двух (полезный компонент при бесконечно низком среднем содержании раскрыт и находится в бесконечно малом объеме). Предложена следующая формула статистического фазового раскрытия руды [1]:

Е |СА, "а а|у,

Ь = *

Е СА, "аАУ]

(2)

где Ь — степень статистического фазового раскрытия, доли ед.;

с А — содержание фазы А в г-м фактическом элементарном объеме (куске);

аА — среднее содержание фазы А в выборке, %;

с4 — содержание фазы А в¡-м элементарном объеме раскрытой руды (сА = 1, сА= 0), доли ед.;

у — массовая доля ¡-го элементарного объема раскрытой руды (¡=1 или ¡=2 в двухфазной системе), доли ед.

Величина Ь изменяется от 0 (все элементарные объемы одинаковы) до 1 (полезные минералы и порода раскрыты и находятся в разных элементарных объемах).

Различие между показателями М и Ь заключается в следующем. В показателе

М сумма отклонений содержания ценного компонента относится к среднему содержанию его в выборке. В показателе L сумма отклонений содержания ценного минерала относится к максимально возможной сумме отклонений содержания ценного минерала при полном его раскрытии.

Основная задача обогащения методом РРС — раскрытие и разделение минералов. Увеличение массовой доли полезных минералов до долей единицы оказывает влияние на максимальное значение М, но не влияет на L.

л о о

Связь между массовой долей полезных минералов, степенью статистического фазового раскрытия и показателем контрастности изучена математически и графоаналитически. Она выражается уравнением

М = 2(1 )L, (3)

Данными авторами проведен анализ уравнения (3) при исследовании руд с любым значением М. Графически оно выражается поверхностью, частью гиперболического параболоида, сечением которого плоскостями с параметрами М, соответствующими представленной классификации, и переносом образующихся прямых на вертикальную плоскость получена номограмма, связывающая а , Lи М при любых значениях показателей. Номограмма, представленная на рис. 1, показывает, что предельное значение М для руд, содержащих 50 % полезного минерала (антимонита с ам=0,5), даже при полном раскрытии не может превысить 1. Номограмма раскрывает классификацию любых руд по контрастности с учетом накопленного опыта. Чем выше L, тем эффективнее воз-

где М — показатель контрастности;

ам — среднее содержание фазы А в выборке, %;

Ь — степень статистического фазового раскрытия, доли ед.

В рудах со значением ам^0 (руды урана, редких, благородных металлов, алмазов) уравнение (4) фактически принимает вид

М«2L. (4)

При этом величина М пропорциональна степени статистического фазового раскрытия. Разработано несколько классификаций руд по контрастности, из которых наиболее близки предложения В.А. Мокро-усова и Л.Ч. Пухальского [4, 6]. С учетом накопленного опыта последних лет В.А. Мокроусов и Л.Ч. Пухальский представили классификацию в следующем виде (см. таблицу).

можное разделение руды на конечные сорта — породу и богатую руду при низком выходе промежуточного сорта. Повышение М при этом увеличивает коэффициент обогащения высшего сорта.

Процессы разделения методом рентге-норадиометрической сепарации наиболее наглядно моделируются графически в координатах «выход-содержание». Так как произведение этих величин является количеством металла ( сурьмы) , то уравнение материального баланса можно представить суммой площадей (рис. 2)

Б! = + Бз =ук-р + (1 -ук)-е = 1 -а, (5)

где е — содержание ценного компонента в хвостах.

Классификация руд по контрастности с малым значением а

Группа

Показатель контрастности

М

Коэффициент вариации содержания V, %

Коэффициент обогащения

Коб> %

Выход концентрата ук, %

Извлечение в концентрат

£к> %

Неконтрастные

Низкоконтрастные

Контрастные

Высококонтрастные

Особоконтрастные

<0,4 0,4-0,7 0,7-1,1 1,1-1,5 > 1,5

<40 40-120 120-350 350-1000 > 1000

1

1,1-1,3 1,3-2 2-4 >4

100 75-90 50-75 25-50 <25

100 90-95

92-96

93-97 95-99

Содержание извлекаемого минерала (минералов), доли ед.

Рис. 1. Номограмма для классификации крупнокусковых фракций полезных ископаемых по теоретической обогатимости в зависимости от содержания извлекаемых минералов (ам), степени раскрытия (Ц и показателя контрастности (М)

100 Выход, %

Рис. 2. Баланс минералов при обогащении: а) зависимость качества и извлечения от выхода; б) зависимость эффективности от выхода концентрата

При идеальном процессе, если е = 0, S3=0, S1=S2, то ук = а, р = утах=1 и прямоугольник S1 поворачивается на 90° вверх вокруг центра квадрата а- ук. На этом же графике можно изобразить и извлечение, которое обычно достигает 100 % в точке у = 1, но при е = 0 — в точке ук.

Часто бывает необходимо выход, качество и извлечение взаимосвязать в виде одного критерия, характеризующего эффективность обогащения. Его тоже можно найти в графике «Р-у». В качестве такого критерия используем относительный прирост качества при данном выходе концентрата.

Эффективность обогащения наглядно показана на рис. 2 в виде площади, соответствующей произведению прироста содержания полезного компонента (Р- а) на выход концентрата ( у), и пунктирной кривой Количество сурьмы в исходном концентрате и хвостах на диаграмме соответственно равно площади 100 а, и (100- у)и. Для того, чтобы исключить влияние а на эффективность обогащения, определяем площадь на единицу а

у • (р - а) _ у • р

а

а

у _ 8 - у

(6)

8 - у

л =-у • (7)

8 - у

ид I ид

При легкообогатимой руде идеальное извлечение равно 100 %, содержание сурьмы в концентрате равно 100 % и в хвостах — нулю, поэтому выход концентрата равен содержанию сурьмы в исходном а и

8-У--100 %.

100 -а _

(8)

и отнесем ее к величине такой же площади при идеальном обогащении, то есть

Эффективность обогащения в данном случае используется для общей сравнительной технической оценки обогащения данного исходного материала (руд сурьмяных месторождений Восточного Забайкалья) различными способами или для оценки обо-гатимости различных типов и сортов руд по одной заданной технологии с применением методов рудоподготовки.

Оптимизация в этих случаях достигается при n ^ max. Если значение n ^ 0,5 — обогащение считают эффективным, а при n ^ 0,75 — весьма эффективным; при П < 0,25 — процесс не эффективен (следует либо лучше раскрыть сростки, либо применить подходящий метод обогащения).

На рис. 2 приведен баланс ценного компонента и показатели обогащения при исходном материале, содержащем наряду с мономинеральными частицами некоторое

количество (20 %) сростков ценного ком- ны в ряд с нисходящим содержанием цен-

понента с породой. ного минерала (линии СР на рис. 3) (бога-

По своим свойствам сростки могут тая — рядовая — бедная руда). быть разделены на фракции и расположе-

ук, %

I 0

10

20 30 410 560 (50 70 80

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,

100

90

i V

показ ически атели е

\ } \ VV — Теоретические показатели

и \ Ч V

0

\\ \\ ___£ Л

> V \\ N

-- Ns4

V. ^О-Г

к

0 10 20 30 40 50 60 "70 80

80 70 60 50 40 30 20

fy», %

13, %

в — содержание Sb в концентрате; 0 — содержание Sb в хвостах; 8к — извлечение Sb в концентрат; 8 — извлечение Sb в хвосты;

хв

Ук — выход концентрата; Ухв — выход хвостов.

Рис. 3. Теоретические и практические показатели обогащения методом рентгенорадиометрической сепарации

Если принять, что при обогащении граница разделения проходит в точке К, то в концентрат должны быть выделены частицы с содержанием сурьмы ( ценного минерала) больше 50 %, то есть зерна ценного минерала плюс богатые сростки (выход концентрата ук будет равен у+у1), а среднединамическое содержание ценного минерала в нем Рк определится как высота трапеции, площадь которой равна сумме площадей у-р и у1'Р1

гР + Ух

Рк

(9)

У + У1

Отсюда находим содержание ценного компонента в хвостах по балансу и извлечение 8

0 = 100'а~Ук-Рк . .Р . (10)

х 100 -ук ' а

Кривые обогатимости «выход-содержание» строятся по данным фракционного анализа, при котором минерал, содержащий сурьму, извлекают небольшими фракциями при ступенчатом повышении извлекающей силы в специальном регулируемом анализаторе.

По кривым обогатимости можно определять наилучшие из возможных показателей, поскольку они получены на основании точного лабораторного анализа. Эти показатели являются теоретическими или потенциально возможными. В отличие от них показатели обогащения, полученные

на концентрирующих аппаратах — рентге-норадиометрическом сепараторе, являются практическими, или реальными. На рис. 3 приведено сопоставление теоретических и практических показателей на кривых обо-гатимости у-Рк ; у-9; у-Ек; у-Ехв на примере руд Нарин-Кундуйского (Илинского) проявления (поля) Тыргетуй-Жипкошинской зоны, из которого следует, что последние понижены: меньше выход концентрата при том же качестве [7].

Эксплуатационные показатели, получаемые на фабриках при длительной работе (то есть реализуемые показатели) хуже реальных. В этом случае выход еще меньше вследствие недостаточно оптимальной и надежной работы цепи аппаратов, колеблемости качества сырья, неэффективности выбранных технологических схем рудопод-готовки и пр.

Первые положительные результаты по применению рентгенорадиометрической сепарации сурьмяных руд (РРС) получены в 2006 г. при освоении первой очереди Жипкошинского месторождения в процессе разработки технологиии для кусковой сепарации богатой сурьмяной руды классов крупности —50 + 20 и —150 + 50 мм (среднее содержание Sb — 13,8 %) [5]. Из руды с таким содержанием сурьмы методом РРС получены товарный концентрат, промпро-дукт и отвальные хвосты с содержанием сурьмы соответственно 50...52 %, 7...10 %, 0,1...0,3 %.

Рентгенорадиометрическая сепарация (РРС) — новая высокоэффективная, экологически чистая технология обогащения руд и техногенного сырья (отвалы забалансовых и некондиционных руд и пр.) , использующая современное технологическое оборудование для покусковой сепарации — рентгенорадиометрические сепараторы [10, 13].

Для приблизительного определения потенциальных, а по ним — реальных показателей обогащения необходимо пользоваться данными о содержании минерала в сырье амин, теоретически возможным содержанием металла в минерале В и в концентрате

1 1 тмин 1

Р , и о величине коэффициентов перехода

от теоретического к реальному разделению в долях от теоретического значения. Тогда выход концентрата теоретический

Y Е ® мин ;

(11)

соответственно практический (реальный)

Y

Y = k -у =

I V V 1т

_ ' р

Yi

•Y т .

(12)

Содержание металла в концентрате теоретическое:

ЕР,

(13)

а.

Содержание металла практическое (реальное):

Р.

Рр = kВ -Рт ' где kВ =

р т

(14)

Соответственно извлечение металла (сурьмы) в концентрат теоретическое 8 =100 % и практическое 8 =к 100.

т 1 р 8

Для первых приемов сепарации, когда сурьмяная руда не полностью подготовлена к обогащению и часть полезных минералов находится в сростках, необходимо учитывать снижение содержания за счет разубоживания концентратов сростками и поэтому

Рр =а + к р- к е(р т -а). (15)

Если кр и к8 равны единице, то Рр= Рт — обогащение идеальное; если кр и к8 равны нулю, то Рр=а — обогащение не происходит.

Показатели обогащения зависят от минералогического состава: чем больше лег-коизвлекаемого минерала, тем больше извлечение и качество.

Следует подчеркнуть, что понятия об эффективности обогащения и кривых обо-гатимости взаимосвязаны между собой: первое зависит от состава, второе инвариантно составу.

Картину раскрытия лучше всего рассматривать в трехосной диаграмме ( рис. 4). Для точки А — координаты п1, т1, "Ц. По трем осям в линейном масштабе отклады-

ваются выхода чистых зерен полезного минерала, сростков и чистых зерен отходов. Чтобы руду хорошо обогащать, надо иметь область, близкую к линии 1п. Если сростки раскрыть не удается (область т), то смесь

(химсоединения) вообще необогатима механическими методами — надо применять химико-металлургические методы концентрации.

а)

п (рудные зерна) ш.

Степень /измельчения >10

III

"Л>0,75

"Л=0,5-0,75

"Л=0,25-0,5

п,

^тепень измельчения II >10

"Л<0,25

100

1 (нерудные зерна)

1+ш

11

Степень измельчения <1.0

ш

(сростки)

б)

1 -нерудные зерна

п - рудные зерна

¡г

<и

¡г

-с

<и

а «

-с

<и

а

<и

5

т

Рис. 4. Диаграммы раскрытия: а) трехосная; б) треугольная призма 1 - легкообогатимая сурьмяная руда; 2 - труднообогатимая сурьмяная руда

1

К линии п1 подходят руды Тыргетуй-Жипкошинской зоны Тыргетуйского месторождения и Дылбыркейского проявления (поля), Итака-Дарасунской зоны, тп- руда Балей-Шахтаминской зоны (ртуть) Балей-ский пояс, где наблюдается химическая связь между элементами. Для руд такого типа эффективность п^0,25:

-П=0,25...0,5 — трудная обогатимость (бедные прожилково-вкрапленные руды в джаспироидах с Ра = 1,5...3 %) развиты на всех участках;

-П=0,5...0,75 — средняя обогатимость (рядовые прожилково-вкрапленные руды в джаспироидах с рйЬ = 3...15 %) развиты на всех участках;

-П=0,75 — легкая обогатимость (богатые антимонит-кварцевые руды с РЙЬ = 15...30 % и более) составляют около 25 % всех запасов.

При улучшении раскрытия точки на диаграмме будут перемещаться от т к линии - т1. Верхняя кривая III — более богатые руды. Для их раскрытия и обогащения применяются простые технологические схемы. Нижняя II — бедные руды, они требуют более сложных технологических схем при обогащении.

Кривые раскрытия минералов в зависимости от степени их измельчения располагаются в треугольной призме (рис. 4), что позволяет наглядно видеть раскрываемость различных руд (по характеру изгиба кривой и ее расстоянию от линии Ш; чем оно меньше, тем лучше раскрыты минералы).

Представленные на рис. 4 кривые 1 и 2 позволяют сделать вывод, что руда 1 — лег-кообогатимая разность (выпуклая кривая), а руда 2 — труднообогатимая разность (вогнутая кривая) . К легкообогатимым можно отнести руды участка Восточный Солоне-ченского месторождения, среднее содержание сурьмы до 22,39 %, а также Западного и Восточного участков Жипкошинского месторождения с содержанием сурьмы до 19,58 и 18 % соответственно.

Характеризовать соотношение выхода сростков и содержания рудного минерала в них можно по кривым, представленным на рис. 5 (метод В.Н. Куделина и Ю.Г. Гер-шойга).

При увеличении содержания прямоп-ропорционально выходу, характеристика будет — прямая линия. В других случаях зависимость может характеризоваться выпуклой или вогнутой линией.

Бедные

сростки.

хвосты

Р,% 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

Концентрат,

богатые

сростки

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 У, %

Рис. 5. Соотношение выхода сростков (у) и содержание в них рудного минерала (в)

Таким образом, используя данные гра-фо-аналитической трактовки процесса разделения минералов, можно прогнозировать качество концентрата и извлечение от выхода продуктов обогащения, а следователь-

но, управлять процессами рудоподготовки (дробление, грохочение, РРС) и в зависимости от показателей эффективности обогащения дифференцированно перерабатывать сурьмяные руды различных сортов.

Литература

1. Лагов Б.С. Особенности оценки контрастности руд с высоким абсолютным содержанием полезных компонентов: сб. докл. V конф. по рудничной радиометрии и автоматическим методам сортировки руд. М., 1974. Т. IV. С. 33-36.

2. Лагов Б.С., Башлыкова Г.В., Лагов П.Б. Определение контрастности руд в недрах — новая методика, новые возможности // Материалы международного совещания. Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья. «Плаксинские чтения». Чита: РАН, 2002. С. 23-28.

3. Мокроусов В.А. Контрастность руд, её определение и использование при оценке обогати-мости. Вып. 1. М.: Госкомиздат, 1960. С. 316-319.

4. Мокроусов В.А., Лилеев В.А. Радиометрическое обогащение нерадиоактивных руд. М.: Недра, 1979. 192 с.

5. Павленко Ю.В., Поляков О.А. Роль рудоподготовки при геолого-технологической оценке месторождений Восточно-Забайкальской сурьмяной провинции. Чита: Экспресс-издательство, 2012. 152 с.

6. Пухальский Л.Ч. Теория контрастности урановых руд. М.: Атомиздат, 1963. 126 с.

7. Пат. 123689 Российская Федерация, МПК В 03 В 7/00. Поточная линия переработки сурьмяных золотосодержащих руд / В.П. Мязин, О.А. Поляков, Б.М. Дашин, А.В. Мязин, М.Ю. Субботин; патентообладатели ООО «Хара-Шибирьский сурьмяной комбинат», ФГБОУ ВПО «За-бГУ». № 2012125436/03; заявл. 19.06.2012; опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1. 2 с.

8. Сергеенко Е.Н. Применение радиометрической сепарации для переработки сурьмяных руд Восточного Забайкалья // Материалы международного совещания. Современные проблемы обогащения и глубокой комплексной переработки минерального сырья Ч. 1 «Плаксинские чтения». Владивосток: РАН, 2008. С. 113-116.

9. Соложенкин П.М. Инновационные технологии переработки золото-сурьмяных материалов (на примере извлечения сурьмы и золота из хвостов Сарылахской обогатительной фабрики) // Материалы международного совещания. Современные проблемы обогащения и глубокой комплексной переработки минерального сырья. Ч. 1 «Плаксинские чтения». Владивосток: РАН, 2008. С 229-232.

10. Соложенкин П.М., Бондаренко Е.В. Комплексное использование сурьмяных руд Забайкальского края // Материалы III международной научно-практической конференции, посвященной году планеты Земля и 85-летию Республики Бурятия. Улан-Удэ: Правительство Республики Бурятия, 2008. С. 277-279.

11. Татарников А.П., Асонова Н.И., Балакина И.Г. и др. Современное состояние и основные направления развития технологии покусковой сепарации руд цветных и редких металлов // Материалы международного совещания. Инновационные процессы в технологиях комплексной, экологически безопасной переработки минерального и нетрадиционного сырья. «Плаксинские чтения». Новосибирск: РАН, 2009. С. 107-111.

12. Башлыкова Т.В. [и др.] Технологические аспекты рационального недропользования: Роль технологической оценки в развитии и управлении минерально-сырьевой базой страны / под науч. ред. Ю.С. Карабасова. М.: МИСИС, 2005. 576 с.

13. Федоров Ю.О. Пособие по рентгенорадиометрической сепарации [Электронный ресурс]. Режим доступа: Шр://-^^^га^8.ги/ш1о-аг11с1е.Ыт1?81=10. Загл. с экрана.

Коротко об авторе_

О.А. Поляков, министр промышленности и энергетики Забайкальского края о.а.ро1уакоу@тшргот.е-7аЬ.ги.

Научные интересы: обогащение полезных ископаемых, исследование процессов рентгенорадиометрической сепарации при подготовке сурьмяных руд к обогащению

_Briefly about the author

O. Polyakov, Minister of Industry and Power system department, Zabaikalsky Krai

Scientific interests: mineral dressing, scientific substantiation and methodical support and hardware development of X-radio metric separation processing (for antimonies ore-preparation)