CC BY
53
[
Проф. В.В. Кармазин, д.т.н., П.А. Сыса, В.А. Малахов, В.А. Солоденко,
A.Л. Колосов, Московский государственный горный университет,
B.П. Мязин, Читинский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МАГНИТНО-ФЛОКУЛЯЦИОННЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЗОЛОТОНОСНЫХ, РТУТЬСОДЕРЖАЩИХ ПЕСКОВ, КАК ОСНОВА ПРИРОДООХРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Важным преимуществом процессов обогащения руд в магнитных и электрических полях является малая зависимость их от среды, в которой происходит разделение, что позволяет легко сочетать их с другими процессами в различных технологических схемах.
Высокий уровень разделяющих сил в таких электромагнитных и комбинированных полях дает возможность не только повысить извлечение минералов из мелких классов, но и увеличить производительность сепараторов, что в сочетании с относительно низкой стоимостью последних улучшает их технико-экономические показатели. И, наконец, магнитные, электрические и комбинированные методы являются экологически чистыми и в некоторых случаях способны попутно решать проблемы охраны природы.
Относительно новым процессом магнитного обогащения является магнитоадгезионная сепарация, основанная на использовании энергии свободных полюсов при контактных взаимодействиях частиц-магнетиков, в частности при их флокуляции.
Впервые явление магнитной флокуляции, относящееся к магнитоадгезионным процессам, изучено и использовано на практике в России [1]. Более 60-ти лет тому назад К.Н.Лымарь в институте «МЕХАНОБР» впервые количественно оценил влияние магнитной флокуляции на сепарацию железных руд.
Магнитно-флокуляционные методы получили широкое применение в процессах обогащения руд черных, редких, цветных и благородных металлов, при дешламации, обезвоживании, селективной флоку-
ляции окисленных железных руд, и в последние годы, при извлечении мелкого золота [2].
В процессе магнитной флокуляции из множества частиц-магнетиков, каждая из которых имеет два полюса, образуется единый агрегат - флокула, имеющий всего два полюса, т.е. общее количество полюсов уменьшается и магнитостатическая энергия (энергия свободных полюсов) снижается, превращаясь в работу флокуляции или сепарации. При формировании в минеральной пульпе флокулы образуются преимущественно из магнитных частиц (сростков, «золота в рубашке", слабомагнитных минералов). Кроме того, они же механически захватывают и немагнитныечастицы. Последнее обстоятельство уже использовали при извлечении золота в промышленных условиях [2,3].
За последние годы массовая доля золота в отрабатываемых песках снизилась более чем на четверть, средняя крупность золота - в 2,5-3 раза. В промышленное освоение в большинстве случаев передаются россыпи, а также техногенные месторождения с преобладанием золота крупностью 0,25-0 мм, причем "бортовое" содержание составляет уже 0,5 г/м2 и менее.
Анализ минерально-сырьевой базы россыпного золота и платиноидов показывает, что удержать достигнутый уровень его извлечения без коренного совершенствования техники и технологии обогащения песков невозможно [4].
Одной из наиболее перспективных технологических схем улавливания мелкого золота из песков
магнетитосодержащих россыпей является магнитофлокуляционная переработка эфелей, получаемых при гравитационном обогащении таких песков на гидрошлюзах.
Как уже отмечалось, явление магнитной флокуляции достаточно известно, и исследования по его использованию в этом направлении ведутся более десяти лет, однако ошибочные представления о механизме работы сфлокулированного слоя в потоке не позволяли получить устойчивый практический успех. При этом, как правило, в лабораторных опытах достигали весьма высоких результатов, которые плохо воспроизводились в практических условиях.
В Московском государственном горном университете, Читинском государственном техническом университете, в НТЦ «Алмаз-золото-прогресс» и на предприятиях бывшего Роскомдрагмета проводили лабораторные, полупромышленные и промышленные исследования по магнитофлокуляционному улавливанию мелкого золота из отвальных хвостов эфелей при отработке магнетитсодержащих россыпных месторождений.
Установлено, что основным условием применимости данного метода является наличие в
исходной пульпе магнетита в количестве не менее 500 г на 1 г золота. Оптимальная крупность магнетита составляет -1+0,01 мм с преобладанием класса -0,1 мм, причем присутствие крупных классов или шламов лишь незначительно снижает эффективность процесса.
Важно знать форму и природу уносимого с потоком мелкого и тонкого золота. Иногда при отра-
ботке техногенных месторождений оно присутствует в хвостах в виде диспергированной амальгамы, однако и она имеет ярко выраженные магнитные и ферромагнитные свойства за счет растворения техногенного скрапа, поэтому полностью задерживается в слое магнетита [5].
Амальгамационная технология получила широкое внедрение на объектах золотодобычи и была господствующей до тех пор, пока не было вскрыто негативное влияние ртути на безопасность и жизнедеятельность обслуживающего персонала. В итоге в 1988 году было принято запрещающее постановление Главалмаззолотом СССР о применении ртути в технологическом процессе из-за ее токсичных свойств.
Расход ртути, по данным практики, в 1937 г. составлял на бегунных фабриках Советского Союза 6 - 10 г/т, а при повышенном пемзовании ртути вследствие пользования кислыми рудничными водами вызывало потерю ртути на Аскольдской фабрике (в 1925 г.) до 160 г/т и на одной из бегунных фабрик Алтайзолота (в 1933 г.) до 400 г/т. Учитывая некоторые особенности добычи благородных металлов из россыпных месторождений, можно только предположить
о существовавших потерях [1]. В настоящее время в отвалах
золотодобывающих регионов накоплены десятки тон ртути (амальгамы).
Это особенно опасно в связи с тем, что такие отвалы находятся в основном у истоков бассейнов рек, впадающих в Амур, Лену и
Байкал. Уже сейчас рыбные
запасы этих рек, флора и фауна их бассейнов страдают от ртутного заражения, а появление цианидов ртути станет их гибелью.
Наиболее опасно присутствие в отвалах свободной ртути, которая переходит в растворимые соединения и коллоидную форму,
распространяясь по бассейнам рек во все водоемы. Уже в настоящее время лососевые рыбы и их икра в бассейнах Амура, рек Магаданской обл. и др. отличаются повышенным
содержанием ртути. Особенно опасные токсины возникают при повторном выщелачивании ртутьсодержащих отвалов цианидами. Цианистая ртуть является высокотоксичным и устойчивым соединением, убивающим флору и фауну.
Необходимость доизвлечения золота из отвалов определяется только экономическими требованиями ( «золото не должно быть дороже золота» ), но при этом важно учитывать интересы землепользователей и охраны
окружающей среды и попутно извлекать ртуть.
Основные потери, как правило, связаны с тонким плавучим золотом пластинчатой формы,
частицы которого вследствие большого коэффициента гидродинамического сопротивления в потоках не оседают, а при
попадании в пульпу масел эти золотинки плавают и в неподвижной воде (пленочная флотация).
Тонкое золото может быть потеряно при промывке в ледовопородных агрегатах плохо размо-роженых золотосодержащих песков, что особенно характерно для условий Крайнего Севера. Эти агрегаты, обладая повышенной плавучестью, уносятся потоком воды в хвосты. Таким образом, плохая оттайка исходных песков может приводить к огромным потерям золота как мелких, так и крупных классов, на которые рассчитана применяемая технология. Однако присутствие в этих агрегатах магнитных примесей и в этом случае резко повышает извлечение золота в магнетитовый слой, сформированный магнитным полем. Глубина потоков в гидрошлюзах типа ПГШ достигает 300400 мм при высоте "порожков" до 100 мм. Создавая в донной части шлюза магнитную систему (с полюсами чередующейся полярности в виде порожков такой же высоты), имеющую напряженность поля на поверхности Но>120 кА/м, можно создать, регулируя шаг полюсов, на расстоянии 100-150 мм от полюса магнитное поле с напряженностью Нх не менее 15-20 кА/м. Указанное значение
напряженности соответствует области максимальной удельной магнитной восприимчивости (%тах) магнетита. Вследствие этого слой "магнетитового меха" будет иметь достаточно длинные пряди, простирающиеся до центральной части потока в шлюзе.
Как известно, в магнитных системах с чередующейся полярностью напряженность убывает с увеличением расстояния от поверхности полюсов по экспоненциальному закону
Нх = Ное ~ас 15,0 кА/м, (1) где х - расстояние от поверхности полюса, м; С = ^ - коэффициент неоднородности поля, 1/м; £ - шаг полюсов, м.
Прочность магнетитовых прядей (Стфд) в таких полях достигает 0,6 кГ/см2, что исключает возможность их срыва потоком, по крайней мере, на расстоянии до 60-80 мм от поверхности полюса по условию уравнения (1). При сильных механических воздействиях кончики прядей могут отрываться и закрепляться снова на очердном полюсе.
Мелкое и тонкое золото механически эффективно захватывается при фильтрации потока сквозь магнетитовый слой, и, кроме того, магнитными силами поля, достигающими в поровых каналах
магнетита значений- 1,6 -10 кА/м2
И все же основным механизмом захвата мелкого и тонкого золота сфлокулированным слоем является изменение этим слоем гидромеханического режима потока. В шлюзах типа ПГШ скорость потока достигает нескольких метров в секунду, что соответствует развитой турбулентности ^е>>10000). При этом в эпюре скоростей (рис.1) по вертикали преобладает турбулентное ядро, а зона (высота) пристеночного ламинарного слоя несколько увеличена трафаретами и ковриком 5 (кривая!) в сравнении с гладким днищем.
Формирование сфлокулированно-го слоя магнетита значительно увеличивает высоту ламинарного слоя Д (кривая 2), в котором ско-
Рис.1. Эпюры скоростей потока пульпы в промышленном гидрошлюзе при турбулентном режиме с ламинарностью в придонном слое за счет стандартных ковриков и трафаретов (1) и за счет магнетитового меха (2), и при ламинарном режиме.
рость осаждения золотин возрастает в тысячи раз [6], и обеспечивает захват мелкого и тонкого золота.
Соотношение ширины ламинарного слоя Д /5 с флокулами Д и без них 5 показывает, во сколько раз возрастает извлечение мелких классов золота в придонном слое. Учитывая, что размеры элементов турбулентности (вихрей в потоке шлюза)
а = ^еЦ)/(ир),
(2)
где Re - критерий Рейнольдса;
Ц - динамический коэффициент вязкости; и - скорость потока
пульпы; р - вязкость пульпы; то при и =1-2 м/с они достигают нескольких долей метра, и можно говорить об интенсивном турбулентно-диффузионном массопере-носе в турбулентном ядре основного потока шлюза. Время жизни этих вихрей соответствует длине их свободного пробега до распада вихря - это доли метра, и на это расстояние каждый вихрь способен перебросить сотни грамм пульпы. Такой характер массопереноса гарантирует быстрое попадание золотин в слой магнетита.
Применительно к нашему случаю общие закономерности ма-ссопереноса в центральный участок потока (турбулентное ядро) можно описать уравнением турбу-
лентной диффузии в силовом поле (уравнение Энштейна-Фоккера -Планка):
йС _ ^У2С - ^мех ^ й а
(3)
где С - объемная концентрация золота в пульпе; - коэффициент турбулентной диффузии в пульпе; Кмех - равнодействующая механических сил в единице объема пульпы; Ямаг - равнодействующая магнитных сил в единице объема пульпы; а- коэффициент сопротивления среды пульпы движению твердого тела, учитывающий динамическую и магнитную вязкость; V - оператор Гамильтона
^555
V =-----1----1--; t - время.
5х 5у 5г
Роль Ямаг в уравнении (3) возрастает в нижних слоях центральной части потока, где существенно влияние магнитного поля. В верхних слоях потока в
шлюзе Ямаг —— 0 и уменьшается а за счет магнитной компоненты, поэтому целесообразно создавать ниспадающие потоки вертикального массопереноса, чтобы обеспечить всей пульпе попадание в зону захвата магнитных и тяжелых частиц в ламинарном придонном слое. В этом случае нас интересует массоперенос в направлении вертикальной оси 2, и уравнение 3
становится более удобным для практического использования.
йС ^ 52С Ямех + Ямаг 5С
__ ТЛ-1 мех маг
й 52'2 а 52
(4)
Вертикальный турбулентный массоперенос "сверху вниз", который можно увеличить специальными неподвижными лопастями, резко увеличивает вероятность попадания золотин в слой сфлокулированного магнетита.
По заданию бывшего Роском-драгмета и НТЦ "Алмаз-золото-прогресс" в Научно-техническом центре "Горнообогатительные модульные установки" при МГГУ были проведены лабораторные и промышленные исследования, подтвердившие результаты теоретических расчетов. Проверку основных конструктивно-технологических параметров магнитофлокуля-ционных концентратов проводили в лабораториях МГГУ и ЧГТУ и в промышленных условиях в старательской артели "Горняк" (участок Джермоготай), на Поляр-нинском ГОКе и др. На этой основе в НТЦ МГГУ спроектированы, а на Малаховском экспериментальном заводе изготовлены два концентратора-приставки маг-нит-флокуляционных (КПМФ) (рис.2), рассчитанных на переработку эфельных хвостов промышленных гидрошлюзов типа ПГШ-50 или ПГШ-75.
Суть разработанного в НТЦ МГГУ магнитофлокуляционного концентратора, защищенного заявкой на патент РФ № 97118442 и патентом РФ № 2064844,
состоит в том, что в промывочном гидрошлюзе, состоящем из коробчатого корпуса с рабочей плоскостью, снабженной трафаретами, в корпусе на трафаретах размещен слой дисперсного магнетита, а под корпусом установлена магнитная система.
Слой магнитоактивного материала образует постель, улавливающую тонкое золото и отторгающую крупный материал, который вместе с легкой фракцией проскальзывает поверх постели.
Чтобы удержать постель в рабочей зоне от выноса водными потоками, под корпусом шлюза установлена магнитная система из постоянных магнитов. Тонкие частицы золота из-за большого удельного веса передвигаются в придонной части потока пульпы, и потому «щетки» магнетитовых флокул наталкиваются на постель, резко задерживаются на ней, а поскольку постель состоит из дисперсных частиц, проваливаются в промежутки между этими частицами и удерживаются в ней. Для обеспечения съемки золота корпус и магнитный элемент выполнены с возможностью поворота в разные стороны. С этой же целью, чтобы облегчить высвобождение концентрата, днище корпуса и трафареты выполнены из магнитонейтрального материала.
Концентратор представляет собою двухсторонний шлюз, способный переворачиваться для сполоска, на что уходит 3-5 мин. Магнитное поле и слой флокул поддерживаются постоянно только на верхней деке (днище шлюза).
На рис. 3 показана работа концетратора в качестве основного шлюза после гидровашгерда с отверстиями - 10 мм. Контейнерный нижний сполоск проводится на размагниченной нижней деке без остановки концентратора.
Промышленные испытания опытной партии из двух концентраторов КПМФ проведены в промывочный сезон 1997 года в старательской артели "Тунгир" Читинской области и на участках
Амурского КНИИ ДВО РАН в Амурской области. Основная
задача испытаний базового
варианта этой конструкции - максимальное доизвлечение золота из эфелей текущей добычи, а также
принципиальная технологическая схема обогащения рис. 4.
Используя основные разделительные признаки золотосодержащей амальгамы, становится возможным подойти к решению
совершенствование его по итогам сезона работы. Эта задача была достигнута. Извлечение золота в промышленных условиях удалось повысить на 20-30%, а замеченные в процессе испытаний недостатки конструкций КПМФ устранены при переработке конструкторской документации. Новая модель КПМФ-3 свободна ото всех замеченных недостатков, в частности от главного - уплотнения магнетитового слоя в процессе работы. Следует отметить, что в магнитный (магнетитовый) шлих, кроме мелкого золота и амальгам попадают все золотины, содержащие вкрапления железа, платиноиды и другие магнитные примеси.
Для утилизации золотосодержащей амальгамы и улавливания тонкого золота нами предлагается
более эффективных вариантов создания экологически чистых технических средств.
Схема обогащения предусматривает извлечение тонкого золота и утилизацию золотосодержащей амальгамы с применением гравитации, трибоадгезионной сепарации и магнитной сепарации (в поле высокой напряженности). Также в схеме применены все известные способы обогащения.
После отделения золотосодержащей амальгамы в ШОУ, ее направляют на дальнейшую переработку с использованием термических методов путем дестилляции в специальных ретортах. В настоящее время известно множество оригинальных конструкций печей для выделения ртути и золота из амальгамы [6].
I уровень
Рыхлые отложения (отвалы и шламохранилища)
(Р
Дезинтеграция и грохочение
I -30(40)+10 Магн^офлокуляционное выделение золота и золотосодержащей амальгамы при обогащении на шлюзах
+30(40)
-30(40)+10 -10
Г
Магнитно-гравитационное доизвлечение ^олота^^олотосодержащеи^шальгам^^
-7+2
+7
Отсадка
Г
Хвосты
Конь
ентрат
Лур-в-нь-
(обогащение на ШОУ)
Сухая центробежная магнитная сепарация (Н=120кА) (X)
Маг уитная фр-ция
Трибоадгезионная сепарация
Немагнитная фр-ция
(АиЩ^вд) 1
Магнитная гсепарация^Н=^^00^^^
(АыЩ2)
Аи
Немагнитная фр-ция МГС-сепараци^
(X)
Хв
II уровень
Аи
Терм
т
4
мическая обработка амальгамы
и свободной ртути
В отвал
~1У уровень" (ТС)
Рис. 4. Рекомендуемая схема обогащения для техногенных россыпных ртуть- и золотосодержащих месторождений
Таким образом, на основе выполненных работ и количественной оценки содержания ртути в техногенных месторождениях установлено, что современная технология не удовлетворяет требованиям экологической безопасности. В районах отработки техногенных месторождений создается сложная экологическая ситуация. С помощью систем анализа золотосодержащей амальгамы выявлены перспективные подходы комплексного решения задачи по повышению извлечения золотосодержащей амальгамы и утилизации ртути в технологическом процессе при отработке техногенных месторождений.
Единственным условием
применимости этого процесса является - 81>0,5 , т.е. извлечение золота в пески первого циклона должно быть больше 50% [8, 9].
В этом случае после п приемов гидроциклонирования извлечение будет приблизительно равно:
еп = 1 - е
-кпт
(5)
где k и т - коэффициенты сепарации, устанавливаемые экспериментальным путем.
Применение противоточных и комбинированных каскадов (до 10 ступеней) из мультициклонов 1530 мм с необходимым набором сменных песковых насадок при обогащении весьма бедных проб из илоотстойников Полярнинского
ГОКа (б ~ 0,15 г/т) позволило получить черновой концентрат, содержащий 0,1% Аи, при извлечении 75-80%. Крупность золотинок в этих илах составляла -20 мкм, причем преобладающее количество зерен приходилось на крупность -10мкм. После отработ-тки технологических режимов на стендовой установке производи-
тельностью 1 м /ч-собирается из тех же элементарных циклонов установка на 50 м3/ч для промышленных испытаний на Полярнин-ском ГОКе.
Наиболее тонкое золото:
классы - 5 мкм и вплоть до коллоидной крупности, в лабораториях НТЦ МГГУ извлекают методом электрофореза, используя собственные заряды частиц.
Осадительный электрод установки выполнен в виде металлической сетки, покрытой фильтротканью. Накопленный металл извлекается из золы после сжигания фильтро-ткани, поэтому такая технология позволяет повысить степень
концентрации до 10 тысяч. Тем не менее, процесс предъявляет высокие требования к подготовке исходного материала и стабильности ионного состава пульпы, поэтому процесс не вышел из стадии стендовых испытаний.
Не менее важной, с практической точки зрения, является и проблема шлиходоводки, нерешенность которой ведет к повторным потерям тонкого золота.
В области шлиходоводки российские золотодобытчики уже отдали предпочтение магнитогравитационным комплексам типа "Шлих", которые предлагает научно-производственная фирма "Геос", работающая совместно с Северо-Кавказским государственным технологическим университетом при НТЦ МГГУ. Проводятся исследования по совершенствованию процесса магнитожидкостной сепарации с наложением центробежных и других сил. Фирма «Геос» производит оборудование для промышленного обогащения серых шлихов крупностью -10 мм с содержанием золота на уровне
0,1% и более, а также для выделения свободного золота в виде чистого металла. Сепарационный комплекс «Шлих» состоит из виброгрохота, гидроконцентратора, сушильной печи, магнитного и магнитожидкостного сепараторов, составляющих технологическую линию, одна часть которой работает мокрым способом, а другая - сухим.
Одним из перспективных направлений совершенствования магнитных и магнитожидкостных сепараторов, применяемых для доводки золотосодержащих шлихов, является использование в конструкции аппаратов постоянных магнитов из высококоэрцитивных редкометалльных сплавов.
Применение данного оборудования позволяет без амальгамации извлекать от 70 до 95% свободного золота из отходов ручной или механической обработки шлихов, а также из труднообогатимых промподуктов, содержащих пирит, касситерит, гранат, ильменит,
галенит и пр. Компактность, небольшая металло- и энергоемкость аппаратов позволяют эксплуатировать их в полевых условиях, что обеспечивает малым предприятиям завершенность технологического цикла добычи золота.
В 1995-1997 годах фирмой «Геос» изготовлены и переданы потребителям 28 комплектов типа «Шлих». Оборудование успешно эксплуатируется на золотодобывающих объектах Якутии, Чукотки, Магаданской, Амурской, Иркутской областях, Хабаровского края и Хакассии. Промышленные испытания показали возможность извлечения драгметаллов в 95%-ные по золоту концентраты практически из всех испытанных продуктов. Таким образом, технологическая и экономическая эффективность созданного оборудования при
обогащении золотосодержащих шлихов сомнения не вызывает.
Для доизвлечения тонкого и связанного золота промпродукты первичной шлиходоводки и
магнетит после доизмельчения следует подвергать цианированию, так как сам магнетит содержит
вкрапления золота. Как уже
отмечалось, все сказанное здесь о золоте относится и к платиноидам, а некоторые процессы используются при обогащении алмазов и др.
В заключении следует отметить, что одним из важнейших направлений преодоления экономических проблем промышленности драгметаллов и камней является отказ от рутинной технологии, рассчитанной на практически исчезнувшую категорию крупнозернистого сырья. Необходимо переходить к новым наукоёмким процессам и аппаратам, новой технологии, обеспечивающей извлечение весьма тонких классов драгметаллов, очистку песков от техногенной ртути и
положить конец многократной дорогостоящей переработке техногенных отвалов по "новым", более низким бортовым содержаниям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Деркач В.Г., Копычев П.А.
Специальные методы обогащения полезных ископаемых . М.,
Металлургиздат, 1956г.
2. Кармазин В.В., Закиева Н.И.
Технологические возможности
магнито-флокуляционной сепарации тонких классов золота из руд россыпных месторождений. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ, выпуск 4. М.,
1995г.
3. Karmazin V.V. Teoretical assessment of technological potential of magnetic and electrical separation. «Magnatic and Electrical Separation» V. 8. 1997 OPA.
4. Моисеенко В.Г., Эйриш Л.В.
Золоторудные месторождения
Востока России. Владивосток,
«Наука», 1996г.
5. Плаксин И.Н. Металлургия благородных металлов. М., Металлургиздат. 1932г., с. 42-47.
6. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные методы обогащения. М., «Недра», 1984г.
7. Кизивальтер Б.В. Теоретические основы гравитационных
процессов обогащения. М., «Недра», 1979г.
8. Лопатин А.Г. Применение
короткоконусных гидроциклонов в качестве высокопроизводительных гравитационных аппаратов для обогащения золотосодержащих руд и песков. «Цветная металлургия»,
№21, 1967г.
9. Ткачук Д.М. Обобщенный
случай функционирования
противоточного каскада
гидроциклонов. «Химическая
промышлен-ность», №5, 1997г.
10. Гусев И.Н., Гусева Е.И.,
Зайчик Л.И. Модель осаждения частиц из турбулентного
газодисперсного потока в каналах с поглащающими стенками. « Механика жидкости и газа» № 1, 1992г.
© В.В. Кармазин, П.А.Сыса, В.А. Малахов,
В.А. Солоденко, А.Л. Колосов, В.П. Мязин
