Интенсификация процессов переработки минерального сырья воздействием наносекундных импульсов гидравлических ударов* Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

--------------------------------------------------- © Ф.Ф. Борисков, 2008

УДК [622.765.063+622.772+532.595.2]:621.373 +537.52 Ф. Ф. Борисков

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ *

Семинар № 12

^Г/'роме уменьшения концентрации

.ж\ ценных компонентов в рудах основные изменения минеральносырьевой базы нашей страны обусловлены также необходимостью вовлечения в переработку различных экологически опасных отходов производства со сложными структурными особенностями и вещественным составом (тонкая взаимная вкрапленность разных минералов в хвостах, высокая дисперсность и влажность шламов нейтрализации шахтных вод, расширенный изоморфизм компонентов и наличие стеклофазы в шлаках).

Ухудшение качества сырья повышает затраты энергии и др. ресурсов на его добычу и переработку. В обогатительном переделе доля дробильно-измельчительных отделений составляет более 50 % в структуре текущих затрат и капитальных вложений. Расход энергии достигает 70 %, а потери легированной стали - до 5,7 кг/т руды на абразивный износ измельчающих тел и футеро-вок при обогащении, например, железистых кварцитов [1].

Интенсификация процессов обогащения минерального сырья в России приобретает особую остроту в связи с обеспечением ее конкурентоспособности при выходе на мировой рынок. При вовлечении нашей страны в глобальную

экономическую систему часть балансовых запасов руд в ряде месторождений может перейти в категорию забалансового сырья, так как его добыча и переработка становится нерентабельной при существующих мировых ценах на конечную продукцию и использовании традиционных технологий [2]. Разработка и применение новых методов обогащения сырья, повышающих извлечение ценных компонентов и качество получаемых продуктов при снижении затрат энергии на их производство, является главным средством, направленным на обеспечение рентабельной работы горно-обогатительного производства в изменяющихся условиях.

К числу нетрадиционных методов дезинтеграции минерального сырья относятся:

1. Обработка сырья электрогидрав-лическим (ЭГ) ударом (эффект Л.А. Юткина), возникающем при пробое электрическим разрядом жидкости (в основном воды);

2. Электроимпульсное (ЭИ) воздействие разряда непосредственно на сырье

- метод, предложенный А.А. Воробьевым и Е.К. Завадовской для дробления, бурения и резанья горных пород, бетонов и др. материалов [3].

Обычные накопители энергии (высо-

* Материалы подготовлены к печати при поддержке гранта РФФИ № 04-05-96103.

ковольтные конденсаторы и др.) с механическими разрядниками вырабатывают импульсы с напряжением и ~ 3-105 В, током i ~ 5405 А, мощностью N ~ 1,540п Вт и длительностью t ~ 10-5 с. Расход энергии ei на один импульс составляет ~ 1,5 • 106 Втх (1,5406 Дж), т.е. ~ 0,42 кВт^ч (1 кВт^ч = 3,6 • 106 Вт-с).

ЭГ метод применялся для активации флотации галенита и сфалерита электродами типа острие-острие [4]. Значительный расход импульсов (имп) п = 1,2-109 на обработку 1 т минералов при е, = 0,8 Дж (0,8 Вт^с) приводит к затратам энергии Е, равным 267 кВт^ч /т сульфидов. Большая энергоемкость обработки сырья электрическими импульсами долгое время сдерживала применение ЭГ и ЭИ методов в обогатительном производстве.

Генераторы нового поколения, созданные в институте электрофизики (ИЭФ) УрО РАН на основе открытого в ИЭФ эффекта быстрого обрыва тока в полупроводниках (1992 г.), вырабатывают импульсы наносекундного диапазона длительности ^ ~ 10-9 с), с амплитудой напряжения до 250 кВ, частотой следования импульсов до 10 кГц и е, = 1

- 3 Дж = (2,78 - 8,34) -10-7 кВт*ч [3]. Уменьшение t с микро- до наносекунд-ного уровня позволяет в большей мере использовать незавершенную (стример-ную) стадию пробоя для формирования крутого фронта ударной волны в обрабатываемом сырье. Такая волна воздействует на частицы вначале напряжением сжатия ос, которое сменяется ор (растяжения), когда волна покидает частицу. Для горной массы предел прочности (Р) ор в 10 ^ 20 раз меньше Р ос, что приводит к повышению селективности раскрытия минералов преимущественно энергосберегающими ор по межзерно-вым границам, где силы сцепления ос-

лаблены природными дефектами (индукционные грани, дислокации и т.д.). Этот способ используется для получения нанопорошков резким сбросом высокого давления в камере их измельчения. Применение наносекундных импульсов минимизирует развитие дуговой стадии разряда и расход электроэнергии, так как ее поступление в импульс резко обрывается генератором в течение t ~ 10-9 с. Энергия импульсов расходуется более производительно, в основном, на дезинтеграцию сырья без существенного его нагревания, т.е. в нетепловом режиме [5].

Влияние наносекундных импульсов на разрушение сырья сопоставимо с микросекундными и др. импульсными воздействиями, если они характеризуются одинаковой N. Эффективное применение импульсных методов базируется на регулировании N, которую можно менять в широких пределах вариациями е, и t в соответствии с формулой:

N = ег / ^ (1)

Методология энергосбережения при использовании импульсов в процессах переработки минерального сырья в соответствии с (1) выражается зависимостью:

Е = п N ^ (2)

т.е. при t ^ 0 Е ^ 0, а снижение Е обеспечивается за счет уменьшения t при оп-ти- мальных значениях N и п. Так, импульс с t = 10-5 с воздействует на сырье N = 105 Вт, при t = 10-9 с мощность воздействия возрастает до 109 Вт при одинаковой величине ei = 1 Дж.

ИЭФ и ИГД УрО РАН применили ЭГ обработку ^ = 105 Вт) лежалых пирит-ных хвостов Учалинского месторождения (УМ) для извлечения в цианидный раствор золота, находящегося в виде тонкодисперсных включений в минералах (табл. 1).

Таблица 1

Влияние наноимпульсной ЭГ (єі = 1 Дж) обработки на извлечение золота из пиритных хвостов

Расход и-106, имп/т Извлечение в раствор золота, % Затраты энергии на обработку Хвостов, кВт^ч/т

- 17,0 0,0

3,0 37,3 0,8

6,0 50,9 1,7

9,0 70,9 2,5

12.0 81,2 3,3

15,0 87,1 4,2

Таблица 2

Влияние наноимпульсной ЭГ обработки на повышение концентрации водорастворимых форм металлов в водной фазе пульпы пиритных хвостов

Проба

Массовая доля металлов аж, мг/л и величина рН пульпы

До обработки После обработки

Медь Цинк Железо рН Медь Цинк Железо рН

1 270 160 117 3,1 304 330 234 2,6

2 786 3460 9050 2,9 830 3690 9790 2,4

ПДК* 0,1 1,0 0,5 6-8 0,1 1,0 0,5 6-8

ПК**, мг/л 50 50 100 - 50 50 100 -

Отношение аж/ПК 5,4-11,7 3,2-69,2 1,2-90,5 - 6,1-16,6 6,6-73,8 2,3-97,9 -

* Нормы предельно допустимой концентрации компонентов для воды водоемов санитарнобытового назначения.

** Промышленная концентрация металлов в водных растворах

Наноимпульсная ЭГ обработка пи-ритных хвостов УМ, обеспечивающая рост извлечения золота на 60 %, сопровождается увеличением содержания тонкого класса (-50 мкм) до 20 %, т.е. рост технологических показателей выщелачивания золота обеспечивается значительным повышением селективности раскрытия его включений в сульфидах (в основном в пирите) при воздействии на них электрических импульсов.

Образование озона в пульпе хвостов при ЭГ обработке, растворимость которого в воде в 10 раз больше, чем кислорода (0,04 О3 против 0,004 % О2 по массе), повышает скорость окисления сульфидных минералов и переход металлов в раствор [6]. Влияние импульсной ЭГ

обработки на выщелачивание металлов 5 % серной кислотой из лежалых хвостов УМ изучалось при соотношении в пульпе твердое: жидкое = 1:1, п = 9 -106 имп /т, еі = 1 Дж, Е = 2,5 кВт-ч /т (табл. 2).

Исходное содержание ионов в пульпе влияет на результаты выщелачивания металлов из хвостов после импульсной ЭГ обработки. В пробе 1 концентрация цинка и железа возрастает в 2 раза, меди

- на 12,6 %. Влияние импульсной обработки на пробу 2 с высоким исходным содержанием водорастворимых форм металлов снижается: массовая доля меди, цинка и железа повышается соответственно на 5,6; 6,6 и 8,2 %. В опытах с пробами 1 и 2 проявляется принцип

смещения равновесия (принцип Ле-Шателье, 1884 г.): высокое содержание ионов металлов в пульпе оказывает противодействие переходу их из пи-ритных хвостов в раствор при импульсной ЭГ обработке. Рост концентрации растворимых форм металлов и кислоты в водной фазе пульпы при обработке ее импульсами N =105 кВт обусловлен окислением сульфидов с образованием сульфатов. Дальнейшее повышение концентрации ионов в пульпе приводит к увеличению ее проводимости вплоть до короткого замыкания электродов, с помощью которых сырье обрабатывается импульсами. В этих условиях пробой пульпы электрическим разрядом отсутствует.

Воздействие электрических импульсов мощностью 3 • 105 Вт на лежалые пиритные хвосты УМ приводит к существенному снижению высокого исходного содержания металлов в их водной фазе: массовая доля меди уменьшается, например, с 325 до 0,1 мг/л; цинка - с 1900 до 59 мг/л при п = 7,5 -106 имп /т (ис-следования дополнительной пробы). Неприятный запах, характерный для сернистых соединений водорода с общей формулой Н^Х, был обнаружен органолептически при разгрузке пульпы хвостов, обработанной импульсами N = 3-105 Вт. За счет простых сульфидов (ZnS) наиболее вероятным является появление сероводорода (ВД и гидроксида цинка, за счет пирита (дисульфид железа) образуется, по-видимому, двусернистый водород H2S2 и гидроксиды железа.

Сернистые соединения водорода диссоциируют в воде с образованием сульфид-анионов S2-. В результате реакции S2- с ионами меди и цинка (Ме2 ) образуются сульфиды этих металлов (МеS) с низкой растворимостью в воде, которые выпадают в осадок.

Таким образом, наноимпульсная ЭГ обработка пульпы пиритных хвостов при увеличении мощности воздействия приводит к получению различных продуктов:

1. При N = 105 Вт содержание водорастворимых форм меди в пульпе повышается в 1,06 - 1,13, цинка - в 1,07 -2,06, железа - в 1,08 - 2,00 раза за счет интенсификации образования сульфатов при окисления сульфидов кислородом и озоном, который возникает при пробое пульпы электрическим разрядом;

2. При N = 3-105 Вт исходная высокая концентрация водорастворимых форм меди и цинка существенно снижается, так как катионы металлов осаждаются анионом S2-, который образуется при диссоциации в воде сернистых соединений водорода, возникающих при разложении сульфидов хвостов на H2SX и гидроксиды металлов.

Выявленные эффекты расширяют технологические возможности оптимизации переработки сульфидного сырья при использовании наносекундных ЭГ методов. Интенсификация окисления пиритных хвостов до сульфатов и разложение сульфидов на сернистые соединения водорода и гидроксиды металлов при увеличении ei (и N при t = const) позволяет получать из сульфидного сырья разные продукты. Высокая контрастность свойств получаемых продуктов (водорастворимые сульфаты, нерастворимые гидроксиды, газообразные сернистые соединения водорода) повышает перспективы повышения показателей селективного извлечения этих компонентов из пиритных хвостов.

Наносекундная ЭГ обработка (N = =105 кВт, n = 9 -106 имп /т, t = 10-8 с) использовалась для удаления вредной примеси фосфора из марганцевой руды (операция дефосфорации руд) [7]. При-

Таблица 3

Дефосфорация марганцевой руды наносекундной импульсной ЭГ обработкой

Методы дефосфора-ции руды Содержание фосфора в руде, % Длительность операций, мин Марганцевыт концентрат, фосфор, %

Об- жиг Импульсная обработка Выщела- чивание Содержа- ние Извлече- ние

Промывка, обжиг, охлаждение, измельчение руды и выщелачивание фосфора 0,176 80 0 15 0,097 56,1

Измельчение, импульсная ЭГ обработка пульпы и выщелачивание фосфора 0,285 0 1,5 15 0,037 13,0

менение предложенного способа обеспечивает уменьшение содержания фосфора в марганцевой руде с 0,285 % до

0,037 % - в концентрате, а дефосфора-ция руды традиционным методом -только с 0,176 до 0,097 %, т.е. на 43,1 % меньше при больших энергетических и временных затратах (табл. 3).

Дефосфорация марганцевой руды электрическими импульсами не только удаляет избыток примеси фосфора, вредной для ферромарганца, но позволяет также повысить комплексность использования сырья. Концентрация фосфора в азотной кислоте повышается оборотом технологического раствора. Продуктивный раствор азотной кислоты нейтрализуется известью и отправляется на переработку с целью получения комплексного фосфорно-азотного удобрения, или отдельных фосфорных и азотных удобрений при выделении этих компонентов в самостоятельные продукты [8]. Получение комплексного фосфорно-азотного удобрения производится на основе имеющегося раствора, выделяемого из пульпы марганцевого концентрата, что упрощает организацию данного производства и снижает затраты на процесс дефосфорации марганцевой руды.

Изучение влияния импульсов ЭГ ударов на последующую флотацию бы-

ло проведено в лаборатории Учалинской обогатительной фабрики на отвальных пиритных хвостах текущей переработки руды. Руда, поступающая на фабрику, характеризуется тонкими взаимными прорастаниями халькопирита, сфалерита, пирита и др. минералов. Раскрытие ценных минералов руд достигается при тонком измельчении сырья (до 100 % класса минус 74 мкм). Обогащение хвостов, с которыми потери меди достигают 0,3; цинка - 0,5 %, проводилось по схеме прямой флотации с получением за одну операцию медного продукта и вторичных камерных хвостов, состоящих из пирита и др. рудных и нерудных минералов. Механическое доизмельчение хвостов, которое обычно применяется для раскрытия минералов из сростков, было заменено ЭГ обработкой пульпы импульсами с t = 10-8 с, е1 = 1 Дж и разной величиной п (табл. 4).

Флотация сульфидов меди осуществлялась в известковой среде с применением ксантогената и аэрофлота. Результаты экспериментов показывают, что доизмельчение хвостов импульсной ЭГ обработкой, повышает извлечение меди в пенный продукт более чем в 1,7 раза. Слабое влияние ЭГ импульсной обработки на рН среды пульпы, стабильность которой сохраняет технологические свойства флотореагентов, позволя-

Таблица 4

Результаты флотации хвостов Учалинского ГОКа после наноимпульсной ЭГ обработки

Показатели Расход и, имп/т

0 3 106 9106

Выход пенного продукта, % 6,61 10,81 13,17

Извлечение меди в пенный продукт, % 18,29 27,75 31,7

Массовая доля меди в пенном продукте, % 0,81 0,77 0,71

рн 12,20 12,20 12,05

Таблица 5

Влияние кавитационной обработки медеплавильного шлака на его флотацию

Условия обработки Продукт Выкод, % Массовая доля, % Извлечение, %

шлака Медь Цинк Медь Цинк

Без применения им- Си^п концентрат 7,61 5,60 3,34 21,93 8,68

пульсов гидравлических Хвосты 92,37 1,73 2,89 78,97 91,32

ударов Шлак 100,0 2,02 2,92 100,0 100,0

С применением импуль- Си^п концентрат 25,85 4,46 3,84 54,65 32,19

сов гидравлических Хвосты 74,15 1,29 2,82 45,35 67,81

ударов кавитации Шлак 100,0 2,1 3,08 100,0 100,0

ет сделать предположение о том, что повышение извлечения меди было обусловлено ростом селективности раскрытия медьсодержащих минералов пирит-ных хвостов.

Кавитация также генерирует импульсы гидравлических ударов, развивающих давление до сотен МПа при захлопывании кавитационных пузырьков в течение времени, сопоставимого с нано-секундным диапазоном. Поэтому был сделан прогноз о сходстве механизма воздействия кавитационных и электро-гидравлических ударов на частицы сырья. Исследование влияния кавитационного доизмельчения на сырье проводилось при переработке шлака Средне-Уральс-кого медеплавильного завода (СУМЗ). Схема обогащения включала одну операцию флотации медь- и цинксодержащих минералов с получением коллективного Си^п концентрата пенным продуктом, хвостов - камерным.

Анализ результатов флотации показывает, что обработка шлака импульсами кавитационных гидравлических ударов в течение 5 мин повысила извлечение меди в 2,5; цинка

- в 3,7 раза (табл. 5). Содержание цинка в Си^п концентрате повысилось на 0,5 % (с 3,34 до 3,84 %), содержание меди - снизилось на 1,14 % (с 5,60 до 4,46 %).

Развитие схемы флотации включением межстадиальной кавитационной обработки, контрольных и перечистных операций открывает значи-тельные перспективы повышения по-казателей переработки шлака с извлечением гидрометаллургическим методом цинка, так как этот металл находится в шлаке в силикатной фор-ме и в стекле.

При ЭГ и ЭИ обработке сырья один электрический разряд формирует единичный импульс давления. Он затухает до другого пробоя сырья импульсом, который следует за первым. Кавитацион-

ная обработка характеризуется образованием в одно и тоже время большого количества кавитационных пузырьков в пульпе, захлопывание которых обеспечивает появление множества ударных волн и интерференцию их в жидкости. У волн, колебания которых совпадают по фазе, амплитуда давления повышается до двух раз больше, чем от одиночной волны. Прохождение этой мощной интерференционной волны через сростки приводит к повышению вероятности раскрытия сростков минералов ор, когда крутой пик сильной сжимающей нагрузки (ос) покидает частицы измельчаемого сырья.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Использование электрогидравли-ческих и кавитационных гидравлических ударов наносекундного интервала длительности приводит к увеличению технико-экономических показателей переработки сырья за счет повышения селективности раскрытия минералов в ру-

1. Справочник по обогащению руд: Обогатительные фабрики [Текст] / Г. И. Адушкин и др.; под ред. О. С. Богданова, Ю. Ф. Ненароко-мова. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Недра, 1984. - 358 с.

2. Чантурия В.А. Современные проблемы обогащения минерального сырья в России [Текст] / В.А. Чантурия // Горный журнал. -2005. - № 12. - С. 56 - 64.

3. Котов Ю. А. Комплексная переработка пиритовых отходов горно-обогатительных

комбинатов наносекундными импульсными воздействиями [Текст] / Ю. А. Котов и др. // ДАН. - 2000. - Т. 372. - № 5. - С. 654 - 656.

4. Леонов С. Б. Влияние электрических разрядов на флотацию сульфидных минералов [Текст] / С. Б. Леонов и др. // Совершенствование схем и режимов переработки медных и

дах и отходах производства;

2. Снижение энергозатрат на рудо-подготовку и выщелачивание сырья обеспечивается реализацией ор в процессах его разрушения, Р ор которого в 10-20 раз меньше Р ос;

3. Воздействие на сульфиды ЭГ импульсов с N = 105 Вт приводит к образованию водорастворимых сульфатов за счет окисления сульфидов, с N = 3 • 105 Вт - к разложению сульфидов на сернистые соединения водорода и гидроксиды металлов. Высококонтрастные свойства получаемых веществ позволяют эффективно разделять их в процессах переработки сульфидных продуктов;

4. Обработка медеплавильного шлака СУМЗа импульсами кавитационных гидравлических ударов, как и ЭГ метод, повышает селективность раскрытия минералов и приводит к росту извлечения флотацией меди и цинка в коллективный медноцинковый концентрат соответственно в 2,5 и 3,7 раз при содержании металлов в концентрате 4,46 и 3,84 %.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

медно-цинцинковых руд: сб. науч. тр. / Унипропромедь. - Свердловск, 1986. - С. 79-83.

5. Чантурия В. А. К теории дезинтеграции полидисперсных минеральных сред при нетепловом воздействии мощных электромагнитных импульсов [Текст] / В.А. Чантурия, И.Ж. Бунин, А.Т. Ковалев // V Конгресс обогатителей стран СНГ, посвящен 100-летию со дня рождения С. И. Полькина, проводится в год 75 - летия МИСис, V: сб. материалов: т. ^ / МИСис, Норильский никель. - М.: Альтекс, 2005. - С. 80 - 83.

6. Борисков Ф. Ф. Извлечение водоминерального сырья - «жидких руд» из лежалых пиритных хвостов Учалинского место-рждения импульсной электрогидравличес-кой обработкой [Текст] / Ф.Ф. Борисков, А.В. Чадченко // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: материалы

10-й юбилейной междунар. науч.-техн. конф. -Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2005. - С. 45- 50.

7. Пат. № 2212459 РФ, МКИ 7С 22 В 3/06, С 22 С 33/00 Способ дефосфорации минерального сырья [Текст] / Котов Ю.А., Смирнов Л.А., Борисков Ф.Ф. и др.; заявители и патентообладатели ОАО «Уральский институт ме-

таллов», Институт электрофизики УрО РАН. -№ 2001124892; заявл. 11. 09. 2001; опубл. 20. 09. 2003, Бюл. № 26 (ч. Ш). - С. 563.

8. Борисков. Ф. Ф. Импульсные и автогенные методы переработки сырья [Текст] / Ф. Ф. Борисков, В. Д. Алексеев. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2005. - 150 с. ЕШ

— Коротко об авторе -------------------------------------------------------------------

Борисков Ф.Ф. - старший научный сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук, институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 12 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент чл.-корр. РАН Л.А. Пучков.

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ГОРНЫХ ПРОЦЕССОВ НАН УКРАИНЫ

КОЛЬЧИК Евгений Иванович Геомеханическое обоснование устойчивости выемочных выработок при интенсивной отработке угольных пластов 05.15.02 д.т.н.