CC BY
55
© П.И. Пилов, Л.Ж. Горобец, Л. А. Цыбулько, 2005
УДК 622.7
П.И. Пилов, Л.Ж. Горобец, Л.А. Цыбулько ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОСТРУЙНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ СУЛЬФИДНЫХ РУД
Семинар № 19
роблема повышения извлечения цен-
ж. Л. ных металлов из сульфидных руд является весьма актуальной. Например, общее извлечение молибдена в гидрометаллургической технологии не превышает 90 %, что обусловлено низким извлечением сульфидного молибдена - на уровне 20.. .40 %. При измельчении концентратов, содержащих тугоплавкие металлы, важное практическое значение имеет установление эффективного режима механической обработки, обеспечивающего повышенный энергетический потенциал поверхности измельченных частиц, что способствует интенсификации процесса их автоклавного содового выщелачивания. Разработка принципиально новых технических решений по измельчению технологически упорных руд актуальна и важна для решения проблемы вовлечения в переработку руд с тонкодисперсным распределением и низким содержанием благородных металлов.
Измельчение - это заключительная стадия процесса разрушения в деформируемом твердом теле, которая развивается в активных локальных зонах в критическом состоянии вещества на стадии авторезонанса. Длительность авторезонанса определяет относительный объем образующихся тонкодисперсных фракций. Прирост свежеобразованной поверхности измельченного продукта определяется величиной критической плотности энергии разрушения, характеризующей энергетический порог диспергирования, при переходе через который высвобождается накопленная энергия с образованием новой активированной поверхности [1, 2].
С учетом теории строения вещества по В.Б. Алесковскому потенциальную способность материала к механоактивации предлагается выявлять по параметру дисперсности - приросту АБ/У удельной поверхности Б/У диспергированного продукта. С параметром дисперсности
Б/У связано содержание поверхностных активных функциональных групп атомов А в общем количестве В структурных единиц остова вещества: А / В « Б / У « (Т1 ((! - характерный размер тонко-дисперсных частиц). Параметр АБ/У зависит от энергетических свойств материала, проявляющихся в значениях поверхностной энергии у, КПД диспергирования Пд
илокальной плотности энергии ШАУ при дис-перги-ровании: АБ/У и (ШУ Пд) / У, АБ/У и (Шау 8у пд) / у.
С позиций энергоемкости измельчения согласно теории наиболее эффективны жесткие, импульсные нагружения с высокой скоростью и частотой соударений частиц, так как ускоряют накопление энергии в активированных структурных дефектах и запуск авторезонанс-ного механизма разрывов межатомных связей [3-5]. Управление эффектами диспергирования возможно путем изменения таких режимных параметров, как скорость деформации 8 , длительность Т накачки тела энергией и локальная плотность энергии ШАУ, достигаемая в процессе измельчения.
Исследования показали, что диспергирование с высокой плотностью энергии (ШАУ и ШУ) в актах разрушения частиц реализуется в устройствах газодинамического типа. Это газоструйные, аэродинамические и вихревые мельницы, исследование которых показало улучшение подготовки руд к обогащению по сравнению с измельчением в традиционных барабанных мельницах [6-8]. Эти положительные эффекты обусловлены тем, что в режимах динамической импульсной обработки при скорости соударений частиц 0,3-0,5 км/сек в веществе действуют напряжения порядка сотен МПа и деформации на уровне единиц и десятков процентов. В результате структура трудновскры-ваемых упорных руд разуплотняется по меж-
зерновым границам минералов с преимущественным сохранением целостности полезных минералов. При этом достигается раскрытие минералов без избыточного измельчения с повышением качества обогащенного концентрата.
Газоструйный способ измельчения обеспечивает в наибольшей мере термодинамическую обработку частиц по сравнению с известными способами измельчения полезных ископаемых. Для организации процесса динамической импульсной обработки материала высоким давлением и высокими деформациями в способах и устройствах газоструйного измельчения используется энергия рабочего газа (энергоносителя) путем превращения его потенциальной энергии в кинетическую энергию измельчаемых частиц. В актах разрушения и процессе циркуляции измельчаемого материала по тракту газоструйной установки дополнительно также используется тепловая энергия рабочего газа с температурой 400-600 оС, передаваемая частицам в процессе их разгона и пневмотранспорта. В работе [9] Москалева А.Н. обоснована определяющая роль термоциклического воздействия (термоудара), увеличивающего зону необратимого разупрочнения пород при их разрушении (за счет смены деформаций сжатия и растяжения).
Изменение скорости соударений частиц в зоне помола (несколько сотен м/с) в процессе газоструйного измельчения достигается изменением температуры и давления энергоносителя. Расчетами установлено, что подогрев воздуха на 200 оС обеспечивает прирост скорости истечения примерно на 30 %. Период взаимных соударений частиц (время накачки энергией) в процессе струйного измельчения соизмерим со временем их разрушения, что согласно теории приводит к интенсивному развитию ав-торезонансных процессов их разрушения, то есть к интенсификации стадии диспергирования [1]. Длительность авторезонансной стадии саморазрушения определяет степень диспергирования и уровень механоактивации измельченных частиц.
Результаты исследований и испытаний новых способов и устройств струйного измельчения показали, что энергоемкость технологического передела уменьшается, степень раскрытия ценных минералов повышается при подготовке к обогащению полезных ископаемых, достигаются улучшенные технологические свойства измельченных продуктов [10, 11].
Опыт исследований [12] показал, что с экономической точки зрения также целесообразно использовать газоструйный способ измельчения для повышения реакционной способности ценных минералов перед обогащением руд и гидрометаллургической переработкой концентратов.
Полезность и эффективность использования газоструйного способа тонкого измельчения сульфидного минерального сырья установлена экспериментальными исследованиями. Исследование газоструйного измельчения мо-либдо-шеелитовых концентратов Тырныауз-ского вольфрам-молибденово-го комбината позволило раскрыть положительную роль термомеханической активации при выщелачивании. Оценка эффективности подготовки сульфидного сырья к обогащению с использованием технологии газоструйного измельчения проводилась путем сравнения с показателями традиционного измельчения в шаровой мельнице или в других измельчительных устройствах. Приведем результаты исследований эффектов газоструйного способа измельчения шеелитовых концентратов.
Концентрат флотационного обогащения вольфрамомолибденовых руд Тырныаузского месторождения содержал основной минерал -шеелит и молибденит в виде тонких включений в шеелите. В концентрате содержатся сульфиды в виде пирита, пирротина, халькопирита и сфалерита. В шеелитовом концентрате Приморского ГОКа шеелит содержится в свободной форме и в срастании с сульфидами. Концентраты измельчались в газоструйной мельнице до частиц менее 40 мкм.
Технологические свойства измельченных порошков оценивали по извлечению металлов при автоклавно-содовом выщелачивании в лаборатории Нальчикского гидрометаллургического завода (НГМЗ) при условиях выщелачивания, равнозначных производственному процессу. Исследовали сырье и продукты гидрометаллургического передела с различным содержанием металлов: кондиционный и черновой концентраты Тырныаузского ГОКа, пески гидроциклонов и кеки выщелачивания НГМЗ.
Температура энергоносителя Т и длительность термомеханической газоструйной обработки способствуют увеличению извлечения молибдена [7] в связи с окислением сульфидного молибдена и его дополнительным извлечением при выщелачивании как вольфрам-молибденового концентрата, так и более бед-
ного промпродукта гидрометаллургического передела (песков гидроциклона).
Рентгенометрические и химические анализы измельченных молибдо-шеелитовых продуктов показали, что при газоструйном измельчении содержание сульфидного молибдена по сравнению с продуктом шарового помола снижается в 2 раза, а в циркулирующей нагрузке (возврате) газоструйной мельницы сульфидного молибдена практически не наблюдается. С позиций достижения максимального извлечения Мо из сульфидного сырья целесообразно не превышать температуру энергоносителя в зоне помола более 400 оС. Исследованиями показано, что существует оптимальная величина удельной поверхности Буд, превышение которой не приводит к улучшению технологических свойств активированных порошков: для сырья Приморского ГОКа - = 0,2 м2/г, Тыр-
ныаузского ГОКа Буд = 0,3 м2/г, для продуктов НГМЗ - Буд ^ 0,25 м2/г.
При использовании высокотемпературного энергоносителя интенсифицируется процесс автоклавно-содового выщелачивания при переработке черновых шеелитовых концентратов Тырныаузской обогатительной фабрики, достигаются высокие показатели по извлечению вольфрама и сульфидного молибдена при температуре выщелачивания 225 оС. Так, извлечение сульфидного молибдена повышается с 40 % до 73 %; извлечение Мообщ возрастает на 6...7 % по сравнению с переработкой исходного концентрата и достигает 94.95,2 %; извлечение Ш03 составляет 99,1.99,9 % [13-15]. Доизмельчение чернового концентрата с 80 до 99 % класса менее 40 мкм и одновременное воздействие энергоносителя высокой температуры приводят к сокращению периода выщелачивания до 15.30 мин.
Для оценки энергетических свойств механически активированных продуктов (с размерами частиц менее 100 мкм) применена потенциометрическая методика [16]. Методика основана на использовании реакции сорбции ионов трехвалентного железа на поверхности тонкодисперсных частиц измельченного материала из системы ферро-ферри (раствор смеси солей железа сернокислого окисного и закисного). Изменение реакционной способности диспергированного вещества прослеживалось путем измерения потенциала системы ферро-ферри при адсорбции ионов трехвалентного железа на активных центрах исследуемого порошка. Средняя величина погрешности изме-
рения составляет 3 %. Все активированные продукты обнаружили тесную корреляционную связь извлечения молибдена при выщелачивании с параметром сорбционной активности порошков [1, 14].
Выгодные особенности газоструйной обработки сульфидного сырья (концентратов, отходов, промпродуктов) состоят в следующем [1215]:
- высокая степень извлечения вольфрама (8ю3 = 99,6.99,9 %) достигается при сокращении расхода соды на 20.25 %;
- извлечение общего молибдена из активированных черновых концентратов составляет
93.95 %, из неактивированных - = 77
%; извлечение вольфрама после газоструйной активации черновых концентратов составляет 99,5 %, тогда как из неактивированных -
8шо3 = 55,5 %;
- извлечение сульфидного молибдена из черновых концентратов увеличивается с
20.40 до 70.80 %;
- газоструйная активация кеков выщелачивания также обеспечивает повышение извлечения металлов на уровне: 8Мо = 51,7 %,
8цг0ъ = 95,5.98,4 % по сравнению с выщелачиванием того же продукта без активации - 8Мо = 43,7 % 5№0^ = 25,9 %; при этом
содержание металлов в осадке после выщелачивания составляет не более 0,05 %.
Способ газоструйной обработки молибде-нитовых концентратов (а.с. № 1338420) испытан в МНТК «Механобр» (Санкт-Петербург) с подтверждением сделанных выводов [15].
Для успешного обогащения сульфидного сырья Норильского ГМК необходима дисперсность менее 0,071 (0,044) мм, однако, при измельчении в барабанной мельнице реакционная способность этих фракций недостаточна для эффективного протекания процессов термического окисления, выщелачивания, осаждения металлов и др. Задача исследований состояла в установлении более эффективных режимов механоактивации сульфидных продуктов НГМК.
В пирротиновом концентрате преобладает пирротин, в подчиненных количествах содержится халькопирит, пентландит и кварц. Пир-ротиновый концентрат активировали при тем-
пературе энергоносителя = 300 оС; давлении -0,37 МПа. Измельчение сульфидного концентрата исходной крупностью 5.0 мм было проведено до 100% -0,04 мм в лабораторной газоструйной установке. Установлены следующие эффекты термомеханоактивации газоструйным измельчением при подготовке к выщелачиванию сульфидного сырья НГМК:
- возможность селективного выщелачивания пирротина и пентландита;
- частичное обессеривание пирротинового концентрата в процессе измельчения;
- ускорение автоклавно-окислительного выщелачивания в 1,5.2 раза.
Оценка физико-химических свойств активированных продуктов проведена в Красноярском филиале ИГД СО РАН [17]. Показано, что частичное обессеривание пирротинового концентрата происходит в процессе газоструйного измельчения. Разложение на 50 % активированного пирротина происходит за 13 мин, тогда как неактивированного - за 24 мин. Через 30 мин степень разложения пирротина составила для активированного продукта - 86,4 %, а исходного (неизмельченного) - 47,7 %. Переход сульфидной серы в элементарную происходит в активированном веществе в 1,9 раза интенсивнее, чем в исходном концентрате.
Одной из задач исследования было сравнение показателей рудоподготовки газоструйным методом медной и медно-никелевой руд, различающихся физико-механическими свойствами. При этом медная руда, отличающаяся повышенной прочностью (коэффициент крепости по шкале Протодьяконова - і = 16.17), представлена плотным песчаником массивной текстуры и различной зернистости - от тонкой до грубой. Сумма рудных минералов - 3 % от массы руды; в их число входит халькозин, борнит, халькопирит, галенит, сфалерит, малахит, пирит, окислы и гидроокислы железа.
Сплошная сульфидная медно-никелевая руда отличается пониженной прочностью (коэффициент крепости і = 6.8), содержит 10 % пентландита, пирротин, около 3 % магнетита, менее 10 % породообразующих минералов. Медьсодержащие минералы представлены разновидностями халькопирита. Крупность руд, подвергаемых измельчению, составляла менее 6 мм [ 13].
Газоструйное измельчение проводилось в лабораторной установке производительностью до 10 кг/ч с использованием в качестве энергоносителя сжатого воздуха под давлением 0,3
МПа, нагретого до температуры 500оС. Измельчение проводилось до содержания расчетного класса крупности, определяемого условиями обогащения: в диапазоне крупности - от
35.40 % класса - 0,07 мм до 100 % класса -0,04 мм.
Способность газоструйного способа к селективности измельчения минералов сульфидной медно-никелевой руды подтверждена концентрацией большей части металла (и 60 %) в легкофлотируемой фракции (20.70 мкм), тогда как при шаровом измельчении до 70 % металла содержится в труднообогатимой фракции менее 20 мкм.
На продуктах струйного и шарового измельчения медных и медно-никелевых руд были проведены сравнительные опыты по флотационному обогащению. Коэффициент концентрации меди для струйного измельчения составил К = р/а = 22,6, а для шарового К = р/а = 9,0, что объясняется более высокой селективностью струйного измельчения.
Известно [18, 19], что для повышения эффективности электровыщелачивания (альтернативный метод цианирования) золота из упорных сульфидных концентратов проводят термообработку при 450-500 оС (паровоздушный обжиг), что позволяет увеличить извлечение благородного металла на 3-5 %.
По аналогии с результатами термогазодинамической обработки сульфидного сырья Тырныаузского вольфрамомолибденового ГМК ставилась задача проверки возможности интенсификации гидрометаллургического передела и повышения извлечения сульфидного золота за счет действия высоких температур энергоносителя в процессе газоструйного измельчения и достижения аналогичного эффекта термомеханоактивации.
Прирост извлечения золота и других ценных металлов может быть достигнут в результате интенсивной механоактивации минералов путем высокоскоростного динамического разрушения вещества (скорость соударений частиц - сотни м/сек). При этом характерные размеры диспергированных частиц должны составлять единицы или десятки микрометров.
В согласии с научными положениями развивающейся теории измельчения [1, 2, 5] акт диспергирования реализуется в локальных зонах по достижении локальной плотности энергии ШАУ, величина которой сопоставима по порядку удельной энергии АНиспкр фазового перехода (испарения, сублимации) вещества в кри-
тическом состоянии: АНиспкр = WАУ. Из этого следует, что изменениям физико-химических свойств диспергированных минералов в процессе измельчения могут препятствовать или благоприятствовать природные (генетические) различия названных термодинамических свойств элементов, составляющих минералы.
В газоструйной установке минералы золотосульфидного сырья испытывают действие высоких давлений, деформаций и температур. При таком термодинамическом нагружении вещества достаточные различия критических температур (Тпл, Тисп) и удельных энергий фазовых переходов (плавления АНпл, испарения-сублимации АНисп,) составляющих решетку элементов стимулируют протекание в веществе фазовых переходов и химических реакций.
В результате измельчения видоизменяются физические свойства, структура и химический состав слагающих минералы элементов. Например, для некоторых элементов, входящих в кристаллическую решетку исследуемых сульфидных минералов эти термодинамические параметры известны [20]. Сравним их для серы, железа, мышьяка и золота; АНпл, кДж/моль: 1,718 (Б); 15,5(Бе); 12,77 (Аи); АНисп, кДж/моль: 90,75 (Б); 324,4 (Аи); Тпл, оС: 115,18 (Б); 1535 (Ее); 814 (Аз); 1063 (Аи); Тисп, оС: 444,6 (Б); 615 (Аз); 2700 (Аи). Приведенные значения позволяют считать перспективной апробацию газоструйного способа измельчения для разрушения решетки сульфидов с целью доизвлече-ния золота из диспергированных минералов.
В совместных работах Навоийского ГМК (г. Навои, Узбекистан) и Национального горного университета (г. Днепропетровск, Украина), направ-ленных на повышение извлечения ценных металлов из золотосодержащих руд, использована технология газоструйного доиз-
1. Горобец Л.Ж. Развитие научных основ измельчения твердых полезных ископаемых. Автореферат дисс. д-ра техн. наук: НГУ: Днепр-ск. - 2004. - 35 с.
2. Горобец Л.Ж. Новые представления о природе и механизме процесса измельчения // Обогащение полезных ископаемых: Научн.-техн. сб. - Днепр-ск. - 2003. -Вып. 18 (59). - С. 51-55.
3. Пилов П.И., Горобец Л.Ж., Гаевой В.В. О физических критериях формирования гранулометрии измельченных частиц // Обогащение полезных ископаемых: Научн.-техн. сб. - Днепр-ск. - 2003. - Вып. 18 (59). - С. 47-51.
4. Пилов П.И., Горобец Л.Ж., Гаевой В.В. Анализ характеристик крупности сыпучих материалов с позиций
мельчения сульфидных флотационных концентратов.
Сравнение показателей цианирования сульфидного концентрата, обработанного по известной традиционной технологии и газоструйным способом позволило сделать следующие выводы.
Результаты цианирования измельченных проб сульфидного концентрата, полученные в лаборатории Навоийского ГМК, показали, что применение газоструйного способа обработки в нагретых струях (с температурой 200-400 оС) способствует повышению извлечения благородных и ценных металлов (золота, серебра, меди, кобальта, цинка, никеля). Показатели переработки продуктов газоструйного измельчения значительно превосходят аналогичные для известной технологии: извлечение золота увеличивается с 53,2.49,4 % до 72,2.76,8 %. Содержание ценных металлов в жидкой фазе увеличивается по сравнению с исходным (необработанным) концентратом по золоту, серебру, меди, никелю в 1,5.2 раза, по кобальту - в 4.6 раз.
Эффект увеличения извлечения золота (в среднем 22.25 %) за счет обработки сульфидов в газодинамических потоках может составить технологическую основу для вовлечения в эксплуатацию забалансовых руд и повышения объема реализации готовой продукции на золо-тоизвлекательных комплексах по переработке золотосульфидных руд различных месторождений.
Результаты испытаний позволяют рекомендовать технологию газоструйного измельчения для интенсификации гидрометаллургических процессов активацией сульфидов различного минерального сырья.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
принципа автомодельности разрушения // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - К.: Техніка, 2003. -Вип. 15. - С. 136 - 142.
5. Горобец Л.Ж., Пилов П.И. Механизм и физические закономерности тонкого измельчения //Тонкоизмельченные и ультрадисперсные материалы в промышленности (производство и применение): Материалы 1-й междунар. научн.-практ. конф. -Санкт-Петербург: "ИВ", 2003.-С. 3-7.
6. Горобец Л.Ж. Газодинамическая технология измельчения материалов в режимах высоких давлений // ГИАБ. - 2000. - № 4. - С. 231-233.
7. Горобец Л.Ж., Горобец В.И., Цыбулько Л.А. Применение сухого самоизмельчения с целью получения
железорудного сырья для порошковой металлургии // Бюлл. ЦНИИТЭИ ЧМ. - 1975. - № 20(760). - С. 34-36.
8. Производство тонкодисперсных материалов в установках струйного измельчения /Пилов П.И., Горобец Л.Ж., Верхоробина И.В., Бредихин В.Е., Гришаков С.Н. //Тонкоизмельченные и ультрадисперсные материалы в промышленности (производство и применение): Материалы 1-й междунар. научн.-практ. конф. - Санкт-Петербург: "ИВА", 2003.-С. 18-22.
9. Москалев А.Н. Способы разупрочнения крепких горных пород. - К.: Наук. думка, 1988. - 204 с.
10. Горобец Л. Ж. Технологические преимущества струйного способа измельчения минерального сырья // Тез. докл. конф. «Интенсификация подготовительных магнитных и гравитационных процессов обогащения. -М., 1980. - С. 28-30.
11. Горобец Л.Ж. Технология микронизации порошков в режимах высокодинамичной обработки // Матер. комплекса научн. мероприятий стран СНГ. "Механическая обработка дисперсных (сыпучих) материалов и сред. - Одесса. - 1997. - С. 12-14.
12. Об эффективности использования струйного измельчения при подготовке руд и концентратов к обогащению и металлургической обработке / Бортников А.В., Телегин М.О., Беликов В.В., Горобец Л.Ж., Кучаев В. А.// Обогащение руд: 1996 - № 5.- С. 3-6.
13. Бортников А.В., Горобец Л.Ж., Беликов В.В. и др. / О влиянии режимов газоструйного измельчения на показатели переработки молибдо-шеелитовых концентратов // Обогащение руд. - 1989.- № 1. - С. 3-5.
14. Исследование механоактивации вольфрам-молибденсодержащего сырья в газоструйной мельнице / Горобец Л.Ж., Агноков Т.Ш., Мартыненко В.П. и др. // Цветные металлы. - 1988. -№ 7. - С.75-78.
15. Способ переработки молибденитсодержащих вольфрамовых концентратов: А.с. 1338420 СССР, МПК С 22Ь 61/02 / А.В. Бортников, В.В. Беликов, Л.Ж. Горобец и др. (СССР). - № 3810842; Заявлено 10.11.1984; Опубл. 15.05.1987, Бюл. № 3. - 4 с.
16. Исследование реакционной способности механически активированного кварцевого песка / Юрьевская И.М., Корсаков В.Г., Вдовина Т.Л. // Журн. прикл. химии. - 1986. - № 1. - С. 187-190.
17. Исследование возможности интенсификации некоторых гидрометал-лургических процессов активацией сульфидов в газоструйной мельнице: Отчет о НИР/ ИГД СО АН СССР. - Новосибирск - Днепропетровск. - 1988. -34 с.
18. Абдурахмонов С.А., Раимжанов Б.Р. Электрохимическое выщелачивание золота и серебра из руд / Горный вестник Узбекистана. - 1997. - № 1. - С. 59-60.
19. Кучерский Н.И., Мазуркевич А.П. Минеральносырьевые ресурсы Кызылкума - основа стабильной деятельности Навоийского горно-метал-лургического комбината / Горный вестник Узбекистана. - 1997. - № 1. - С. 18-20.
20. Таблицы физических величин: Справочник / Под редакцией И.К. Кикоина.- М.: Атомиздат, 1976. - 272 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Пилов Петр Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, первый проректор, Горобец Лариса Жановна - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,
Цыбулько Лариса Александровна - кандидат технических наук, доцент,
кафедра обогащения полезных ископаемых НГУ, Украина.
------4s
^------
------------------------------------------- © Ю.И. Тюря, 2005
УДК 622.779 Ю.И. Тюря
ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ПРИ СУХОМ ОБОГАЩЕНИИ
