CC BY
43
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Фатьянов Альберт Васильевич - член.-корр. РАЕН, доктор технических наук, профессор кафедры “Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья”,
Никитина Людмила Георгиевна - кандидат технических наук, декан Горного факультета Горного института,
Никитин Сергей Владимирович - кандидат технических наук, проректор,
Читинский государственный университет.
-------------------------------- © А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина,
С.В. Никитин, 2007
УДК 622.7
А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина, С.В. Никитин
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ РУД, СВЯЗАННЫЕ С ФИЗИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ РАЗДЕЛЕНИЯ МЕЛКИХ И ТОНКИХ ЧАСТИЦ
Гранулометрический состав руд вовлекаемых в эксплуатацию в последние десятилетия значительного количества месторождений и размеры вкраплений в них минеральных частиц весьма разнообразны, а эффективность их переработки зависит в первую очередь от характера вкрапленности ценных компонентов, физико-химических свойств минералов, способа подготовки рудного материала к процессам обогащения, технологической схемы и вида применяемых аппаратов и др., определяющих степень первичного и вторичного ошламования руды. В связи с постоян-
ным снижением технологических показателей пути повышения извлечения минералов из руд подобного типа различны и связаны с внедрением новых более рациональных технологических схем и аппаратурного оформления для эффективного обогащения такого труднообогатимого и тонкодисперсного минерального сырья, содержащего мелкие и тонкие частицы. Традиционно применяемые технологии и оборудование, рассчитанные на обогащение более крупновкрапленных руд, становятся малоэффективными, т.к. приводят к увеличению потерь ценных компонентов. К примеру, на отдельных предприятиях извлечение олова, тантала и ниобия в концентраты снизилось до 35-42 %. По данным [1] только в США около 13 фосфатов, 1/6 меди, 1/10 общего количества железа потеряны со шламами. С тонкими классами потеряна и половина олова, добываемого в Боливии, 20 % мировых запасов вольфрама теряется из-за несовершенства методов извлечения ценных компонентов из шламовой части руд. По данным В.А. Чантурия и Г.В. Седельнико-вой при обогащении россыпей, содержащих до 60-90 % мелкого и тонкого золота, его потери составляют до 50 % [2]. По данным Г.С.Андреева, С.Я. Горюшкиной и В.П Неберы они составляют ещё большую величину. Возможные увеличения потребности в переработке тонкодисперсного сырья остро ставят вопрос о необходимости поиска новых вариантов технологических решений, способных хотя бы сохранить показатели обогащения на уровне достигнутых.
Развитие теории и практики разделения мелких и тонких частиц достигнуто благодаря работам известных отечественных учёных: М.Ф. Аникина, И.И. Блехмана, А.Д. Богатова, М.В. Богдановича, В.А. Глембоцкого, О.В. Замятина, И.Н. Исаева, В.И. Кармазина, Б.В. Ки-зельватера, А.Г. Лопатина, Н.Ф. Олофинского, И.Н. Плаксина, В.И. Ревнивцева, О.Н. Тихонова, В.Н. Шохина и других. Теоретическими исследованиями в области разделения мелких и тонких частиц занимались и такие известные зарубежные учёные как Р.А. Багнольд, Р.О. Берт, А.М. Годэн, Р.Х. Мозли, Ф.Б. Митчел, Э.А. Рейхерт, И.Р. Частон и многие другие.
При разделении мелких и особенно тонких минеральных частиц любым методом обогащения возникают ряд серьёзных проблем технического и технологического характера, связанных с физическими особенностями их разделения и определяющих не только
вид применяемой технологии, но и конструктивные варианты разделительных аппаратов.
С уменьшением крупности минеральных вкраплений появляется необходимость увеличения степени раскрытия сростков, которая возрастает с уменьшением крупности частиц. Технологические показатели разделения минералов растут с увеличением степени раскрытия сростков, но технические способы осуществления этого процесса многократно усложняются. Существуют теоретические возможности контроля этого процесса. Например, А. Г одэн предлагает формулу для определения доли раскрытых сростков по размерам вкраплений минералов и измельчённых продуктов
R(X, у) = (1 - Хр, (1)
y
где Rfc^) - доля раскрытых сростков; х - размер вкраплений минеральных частиц; у - крупность измельчённых частиц.
По Л.А. Барскому [3] степень раскрытия сростков определённого класса крупности - dj + 0 возможно определить, исходя из выражения
R(dj) = R(x, У )\Ту (dj) - 7Х (dj)], (2)
где ух и уу - соответственно интегральные функции распределения раскрываемого минерала по классам крупности в продукте измельчения и по вкрапленности в исходном продукте.
Выражение в квадратных скобках означает долю ценного компонента крупностью более чем dj , перешедшего после измельчения в класс крупности - dj + 0.
В процессе анализа физических особенностей разделения минеральных частиц с уменьшением их крупности необходимо учитывать и то обстоятельство, что в процессе рудоподготовки при уменьшении массы частиц одновременно очень резко возрастает их удельная площадь поверхности. Например, Р.О.Берт приводит цифровые материалы, определяющие этот процесс, и показывает, что при измельчении зерна объёмом 1 см3 до частиц размером 1 мкм общая площадь поверхности увеличится в 108 раз, а масса зерна уменьшится в 1012 раз [4]. Эти характеристики непосредственно сыграют основную роль при выборе метода обогащения и конструкции аппаратов для его осуществления.
Важным фактором выбора технологии обогащения является теоретический прогноз минимальной крупности минеральных час-
тиц, при котором возможно получение достаточно большой величины извлечения полезного ископаемого и достижение экономической оправданности применяемого метода. Прогнозные расчёты при этом должны быть подтверждены экспериментально, т.к. с развитием техники величина минимально возможного размера частиц для каждого метода меняется. Например, ещё сравнительно исторически недавно считали, что нижним пределом крупности материала для гравитационного метода является размер 0,074 мм. Однако, в настоящее время теоретически доказано и технологически подтверждено, что этот предел может быть значительно снижен за счёт разработки новых подходов к решению проблемы обогащения тонкодисперсных руд или за счёт интенсификации традиционных процессов на основе наложения центробежных, волновых, магнитных, электрических и других полей. Решение этой проблемы весьма актуально в связи с тем, что гравитационные процессы позволяют значительно упростить решение экологических проблем, появляется возможность использовать эти процессы в комбинации с другими.
Исходя из теоретических разработок можно утверждать, что разделение минеральных смесей представляет собой процесс разъединения в силовом поле исходного материала на несколько конечных продуктов, различающихся друг от друга по физическим свойствам. На эффективность разделения влияют интенсивность взаимодействия минерального сырья с силовым полем, время взаимодействия, степень раскрытия сростков, гранулометрический состав исходного материала и распределение ценных компонентов по классам крупности.
Интенсивность взаимодействия минеральных частиц с силовым полем зависит от их размеров и плотности. С уменьшением крупности она возрастает для электрических и волновых полей и уменьшается для центробежных. Объясняется это тем, что многие физические свойства частиц в различных силовых полях определяются величиной удельной поверхности, которая возрастает с уменьшением их размеров. К примеру, в центробежном поле ускорение частицы пропорционально площади поверхности и обратно пропорционально массе Л ЕаГ
А=иг- (3)
где Е - напряжённость электрического поля; о - поверхностная плотность заряда; S = 4п г2 - площадь поверхности частицы; т = 4/
3 пртГ - масса частицы; рт - плотность частицы; г - радиус частицы.
Подставляя перечисленные значения в уравнение (3), получим выражение зависимости ускорения частицы от радиуса
а = ^ (4)
Артг
У магнитных частиц зависимость между интенсивностью взаимодействия с силовым полем и размерами частиц значительно сложнее. Для однодоменной частицы отношение магнитного момента к массе частицы имеет максимальное значение. С увеличением размеров частиц в них образуется несколько доменов, магнитные моменты которых образуют замкнутую конфигурацию [5] и чётко проявляется зависимость результирующего магнитного момента от размеров частиц. Если размеры частицы превышают на два-три порядка размер однодоменной области, то результирующий магнитный момент, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов доменов увеличивается, а удельный момент (отношение магнитного момента к массе) растёт. Если же частица состоит из нескольких доменов, то даже в сильных полях её удельный магнитный момент не изменяется. Поэтому разделение частиц крупностью 5-20 мкм в псевдодоменной области, т.е. в области нескольких доменов, малоэффективны.
Процесс сепарации рудного материала, представленного огромным количеством дискретных частиц, взаимодействующих между собою, протекает по вероятностным закономерностям, а показатели обогащения являются функциями этих закономерностей. Вероятностно-статистические методы анализа при гравитационном обогащении применялись Е.А. Непомнящим, О.Н. Тихоновым, Э.Э. Рафалес-Ламарком и другими учёными. В этих работах процессы гравитации рассматриваются как детерминированные, связанные с движением частиц в поле силы тяжести с учётом сопротивления среды, а с другой стороны как случайные, хаотическое перемещение которых связано с их случайными столкновениями. Для описания процесса в гравитационных аппаратах авторы использовали известное уравнение массопереноса Колмогорова * (»
где В - коэффициент, характеризующий перемещение частиц вследствие гравитационной силы и сопротивления среды; W -плотность вероятности перемещения частиц в слое, толщиной dx; С
- коэффициент перемещения частиц вследствие воздействия случайных процессов.
Общее решение дифференциального уравнения массопереноса чрезвычайно сложно, однако оно достаточно просто может использоваться для исследования процессов в гравитационной области, связанных с анализом необходимых для неё закономерностей зависимостей коэффициента квазидиффузии от размера частиц.
Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц показали [6], что коэффициент диффузии тонких шарообразных частиц равен Т
Д = -—, (6)
ожцг
где Т - температура среды; ц - коэффициент динамической вязкости.
Так как в данном случае применяются гидродинамические параметры, то это выражение справедливо для частиц, крупнее броуновских.
Коэффициент квазидиффузии для относительно крупных частиц в силовом поле был вычислен Я.Б. Зельдовичем и А.Д. Мышкиным и имеет более сложный вид, но также обратнопропорционален размерам частицы [7]. Возрастание коэффициентов квазидиффузии и диффузии с уменьшением размера частиц приводит к усилению неупорядоченности движения, поэтому детерминированная часть гравитационного разделения ослабевает, а вероятностная -усиливается.
В общем случае при исследовании параметров турбулентного потока двухфазной системы установлено, что коэффициент диффузии твёрдых частиц в жидкости зависит от соотношения масштабов турбулентности и крупности частиц.
В обогащении вопросами квазидиффузии занимался О.Н. Тихонов [8]. Он установил зависимости изменения плотности распределения квазидиффундирующих частиц в пространстве для длительных промежутков времени. Полученные им графики являются ничем иным, как особыми (автомодельными) решениями уравнения диффузии при различном времени t > 0. Эти графики имеют вид колоколообразных кривых, хорошо известных в теории вероятностей и исполь-
зуемых для описания законов распределения Гаусса. Усиление вероятностно-статистической составляющей движения с уменьшением размера частиц увеличивает диффузионные эффекты рассеяния и соответственно взаимного засорения концентратов и хвостов, наблюдаемое во всех обогатительных аппаратах со стеснёнными условиями в зоне разделения. Таким образом, размер частиц определяет характер движения не только единичных зёрен, но и их совокупностей.
Отсюда возникает ещё одно из требований, которым необходимо руководствоваться при конструировании аппаратов для разделения мелких и тонких частиц и выборе оптимальной плотности исходной пульпы - учёт зависимости коэффициента квазидиффузии от размеров частиц. Особенно актуально это требование при разработке конструкций разделяющих устройств для тонких частиц.
Существенное влияние на разделение тонкоизмельчённых минералов оказывают поверхностные явления, особенно при крупности разделяемых частиц 20 мкм и менее. Связано это, как отмечено выше, с тем, что при тонком измельчении резко увеличивается удельная поверхность частиц и при этом основную роль начинают играть когезионно-адгезионные явления [9]. Проявляется явление неселективной коагуляции шламистых материалов за счёт закрепления мелких и тонких частиц на поверхности более крупных. Усиливаются явления слипания и последующего закрепления образующихся искусственных "сростков" минералов на деталях и стенках разделительных аппаратов. Результатом являются снижение качества концентратов и потери извлечения ценных компонентов с отвальными продуктами обогащения.
Граничный размер частиц, ниже которых адгезионные силы начинают превышать силы тяжести, возможно определить, исходя из баланса действующих на них сил
F = F
а т
Ыо =-----1—, откуда (7)
6ж1 цр
, 6Ка
d = 3 -----, (8)
\ЩрТ
где Fа - молекулярная сила адгезии; Fm - сила тяжести; К - безразмерный коэффициент, учитывающий условия контакта; о - по-
верхностное натяжение частицы на границе с окружающей средой; g - ускорение свободного падения.
К примеру, расчёты, выполненные для кварца, показывают, что минимальный размер частиц этого минерала, при котором возможно его эффективное отделение от других, составляет 40 мкм. Более тонкие частицы активно слипаются за счёт сил адгезии. Этот процесс наблюдается в случае разделения минералов мелких и тонких частиц при любых методах обогащения полезных ископаемых.
Наличие в пульпе тонких и коллоидных частиц существенно меняет вязкость дисперсной системы и в связи с этим физикохимические свойства дисперсионной среды, в которой осуществляется разделение минералов. По этой причине в некоторых случаях обогащение невозможно без предварительного обесшламливания, т.е. удаления в голове процесса тонких классов. К сожалению, иногда только таким способом достигается возможность получения кондиционных концентратов при достаточно приемлемом извлечении в них ценных компонентов.
На процесс разделения мелких и тонких частиц существенное влияние оказывают электрокинетические характеристики и кажущаяся вязкость дисперсионной среды, определяемые изменением рН пульпы или другими причинами. Насколько серьёзно влияние этого процесса можно судить по примеру, приведённому Ф.Б. Митчелом. Он показал, что при повышении рН от 6,0 до 8,0 вязкость пульпы снижается от 123 до 5,7 П.
На поведение тонких минеральных частиц существенное влияние оказывает применение поверхностноактивных веществ, которые наряду с регулированием пенообразующей или собирательной способности дисперсной системы могут регулировать и значение рН, что благоприятно сказывается на оптимизации процесса обогащения.
Существенную, а часто и определяющую роль при разделении минеральных смесей играют переходные процессы. Зарядка и разрядка, поляризация и деполяризация минеральных зёрен, намагничивание и размагничивание происходят в течение определённого времени и характеризуются процессами релаксации.
Значения постоянных времени зарядки и разрядки в зависимости от проводимости и размеров частиц приведены в работе А.И. Месеняшина [10]. Он показал существенную зависимость постоянной времени от размеров частиц. Выполненные им расчёты для
частиц проводимостью 10" 12 ом -1 м-1 позволили утверждать, что при уменьшении частиц от 1 мм до 10 мкм постоянная времени увеличивается от 0,05 до 2 с.
Для электрической сепарации предельные размеры разделяемых частиц определяются адгезионными силами и нижней границей разделения является крупность 30-40 мкм. Эффективность обогащения при дальнейшем уменьшении крупности частиц резко падает.
Разделение тонких частиц магнитными методами также малоэффективно, т.к. образование полидоменных флокул при разделении минералов этим методом приводит к захватыванию большого количества примесей. Постоянная времени намагничивания тонких частиц и релаксации очень сильно зависит от крупности минеральных частиц и температуры [11].
Эффективность флотации определяется вероятностью столкновения минеральной частицы с пузырьком воздуха и вероятностью сохранения образовавшегося комплекса "частица-пузырёк" для подъёма его в пенный слой. Этот процесс зависит от размеров минеральных частиц. Существуют критические размеры частиц, кинетическая энергия которых недостаточна для разрыва гидрат-ной оболочки и последующего закрепления на пузырьке воздуха, поэтому они сносятся омывающими пузырёк воздуха потоками и не закрепляются на нём [12]. Критические размеры таких частиц можно определить по формуле [13]
С, = 1,225 /-рР (9)
V ЩРт - р)
где R - радиус пузырька воздуха; и - кинематическая вязкость жидкости; и - скорость встречи пузырька и частицы; рт и р - плотность твёрдого и жидкости соответственно.
При R = 0,5 мм, рт = 2500 кг /м3 в неподвижной воде расчётный критический размер частицы, способной закрепляться на пузырьке воздуха, составляет dкр = 55 мкм. Вероятность закрепления на пузырьке воздуха частицы меньшего размера будет мала. Для снижения критического диаметра применяют специальные конструкции флотационных машин, совершенствуют реагентный режим, применяют воздействия различными силовыми полями и т.д. В работе [14], например, показано, что с использованием вибрационных воздействий на пульпу с частотой ю = 20 рад/с увеличивается ско-
рость встречи минеральной частицы с пузырьком воздуха и критический размер её уменьшается до 30 мкм.
На процесс флотации тонких частиц заметное влияние оказывает явление турбулизации пульпы, которое препятствует сохранению образовавшегося комплекса "минерал - пузырёк" и в конечном итоге понижает вероятность флотационного извлечения минералов ценных компонентов. Обмен импульсом между жидкостью и газовой фазой приводит к появлению волновых движений на поверхности пузырька. Вероятность удержания частицы определяется резонансными свойствами системы "частица - пузырёк" и обусловлена сложением собственных колебаний пузырька и частицы. Резонансная частота пузырька определяется по формуле Миннаерта [15]
(10)
где у - показатель адиабаты газа пузырька; Р0 - давление газа в пузырьке; рт - плотность газа в пузырьке.
Резонансная частота частицы определяется её размерами. Вычисленное значение критического размера частицы составляет 3 мкм.
Для извлечения тонких частиц ещё меньших размеров, находящихся в ионной форме используют ионную флотацию.
Знание и учет физических особенностей разделения минеральных частиц поможет правильно выбрать направления разработки технологии разделения мелких и тонких частиц и конструирования обогатительных устройств.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шишкова Л.М. Повышение эффективности обогащения тонкодисперсных руд и шламов / Л.М. Шишкова, В.П. Кузнецов // Лабораторные и технологические исследования минерального сырья. - М.: Обзор ВИЭМС МГП «Г еоинфор-мация», 1991.
2. Чантурия В.А. Развитие золотодобычи и технологии обогащения золотосодержащих руд и россыпей / В.А. Чантурия, Г.В. Сидельникова // Горный журнал. - 1997, № 5. - С. 4-9.
3. Барский Л.Н. Обогатимость минеральных комплексов / Л.Н. Барский, Л.М. Данильченко. - М.: Недра, 1977. - 240 с.
4. Берт Р.О. Технология гравитационного обогащения // - М.: недра, 1990.
- 574 с.
5. Наготат. Магнетизм горных пород // - М.: Мир, 1965. - 346 с.
6. Ландау Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц // - М.: Наука, 1986. - 730 с.
7. Зельдович Я.Б. Элементы математической физики / Я.Б. Зельдович, А.Д. Мышкин // - М.: Наука, 1973. -351 с.
8. Тихонов О.Н. Закономерности эффективного разделения минералов в процессах обогащения полезных ископаемых // - М.: Недра, 1984. - 208 с.
9. Глембоцкий В.А. Основы физико-химии флотационных процессов // -М.: Недра, 1980. - 472 с.
10. Месеняшин А.И. Электрическая сепарация в сильных полях // - М.: Недра, 1978. - 174 с.
11. Яновский Б.М. Земной магнетизм // - Л.: Изд-во Ленинград. ун-тета, 1978.
- 590 с.
12. Дерягин Б.В. Микрофлотация, водоочистка, обогащение / Б.В. Дерягин, С.С. Духин, Н.Н. Рулев // - М.: Химия, 1986. - 112 с.
13. Новые физические методы обогащения полезных ископаемых. Под. ред. В.И. Ревнивцева. - Л.: Механобр, 1983. - 120 с.
14. Краснов Г.Д. Флотация в условиях вибрационных воздействий/ Г.Д. Краснов, Т.Г. Томов, В.И. Лифшиц // Новые физические методы обогащения полезных ископаемых. - Л.: 1983. - С. 104-112.
15. Красильников В.А. Введение в физическую акустику / В.А. Красильников, В.в. Крылов // -М.: Наука, 1989. - 386 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Фатьянов Альберт Васильевич - член.-корр. РАЕН, доктор технических наук, профессор кафедры “Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья”,
Никитина Людмила Георгиевна - кандидат технических наук, декан Г орного факультета Г орного института,
Никитин Сергей Владимирович - кандидат технических наук, проректор,
Читинский государственный университет.
------------------------------ © А.В. Фатьянов, К.А. Никифоров,
С.А. Щеглова, 2007
УДК 622.7
А.В. Фатьянов, К.А. Никифоров, С.А. Щеглова
РОЛЬ ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДЫ ВО ФЛОТАЦИИ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
