Совершенствование конструкций магнито-флокуляционных концентраторов для доизвлечения мелкого и тонкого золота из хвостов промывки золотосодержащих песков Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

© В.В. Кармазин, В.А. Измалков, В.А. Малахов, 2001

УДК 622:73

В.В. Кармазин, В.А. Измалков,

В.А. Малахов,

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ МАГНИТО-ФЛОКУЛЯЦИОННЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ ДЛЯ ДОИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕЛКОГО И ТОНКОГО ЗОЛОТА ИЗ ХВОСТОВ ПРОМЫВКИ ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ ПЕСКОВ

Анализ минерально-сырьевой базы россыпного золота и платиноидов показывает, что удержать достигнутый уровень его извлечения и решения природоохранных проблем без коренного совершенствования техники и технологии обогащения песков невозможно [1]. Эту задачу, совместно с другими творческими коллективами, решает НТЦ «Г орно-обогатительные модульные установки» МГГУ (Московского государственного горного университета).

В отличие от мировой практики, в промышленности России уже два века сохраняется тенденция преобладающей (85 %) разработки россыпных месторождений, для которых упомянутые проблемы являются главными [2]. Новый курс на реструктуризацию золотодобычи в сторону увеличения объёмов добычи рудного золота реализуется очень медленно.

Технология переработки (по сути промывки) золотосодержащих песков за прошлое столетие изменилась мало, однако сырьевая база значительно ухудшилась.

Положение ухудшается как резким снижением содержания золота в разработанных россыпях, так и уменьшение крупности золотин в питании: массовая доля золота в отрабатываемых песках снизилась в 7-8 раз, а 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, причём «бортовое» содержание составляет уже 0,5 г/т и менее. Это требует для поддержания или увеличения уровня добычи золота соответственного увеличения производительности по объему перерабатываемой пульпы, а последнее в столько же раз увеличивает потери мелкого и тонкого золота в эфельных хвостах.

Важно знать форму и природу уносимого с потоком мелкого и тонкого золота. Кроме самородного золота или платиноидов, встречаются и связанные формы:

сростки с кварцем, сульфиды, ар-сениды. Иногда при отработке техногенных месторождений оно присутствует в хвостах в виде диспергированной амальгамы, причем последняя имеет ярко выраженные магнитные и ферромагнитные свойства, за счет растворения техногенного скрапа.

Естественный нижний предел крупности частиц благородных металлов, извлекаемых гравитационными методами, определяется явлением равнопадаемости, изученном проф. П.В. Лященко ещё в 1940 г. [3]. Учитывая известную разность плотностей разделяемых благородных металлов и основной породы - кварца (2,6 г/см3) можно говорить о коэффициенте равнопадаемо-сти на уровне 7-8, т.е. золотины мельче 0^к будут уноситься потоком пульпы. Средний размер мелких зерен кварца составляет 0,05-0,1 мм, а значит 30 мкм можно считать теоретически возможным нижним пределом крупности зерен золота, извлекаемых гравитационными методами, это касается и частиц амальгамы.

Основные потери, как правило, связаны с тонким и плавучим золотом пластинчатой формы, частицы которого вследствие большого коэффициента гидродинамического сопротивления вообще не оседают в потоке при больших скоростях в гидрошлюзах глубокого наполнения (2-3 м/с). В принципе, благодаря эффекту Магнуса, эти частицы почти невозможно осадить и в шлюзах мелкого наполнения. С учетом сложившегося состава техногенной сырьевой базы и эфельных хвостов текущей добычи и на основании вышеизложенного можно утверждать, что гравитационные методы вообще не позволяют извлекать тонкое золото, такое золото уходит с водой.

Новые направления решения этой проблемы, упомянутой выше это, по сути не гравитационные или частично гравитационные (комбиниро-ванные) процессы, использующие силы и явления физической природы.

Магнитно-флокуляционные методы получили широкое применение в процессах обогащения руд черных, редких, цветных и благородных металлов, при дешламации, обезвоживании, селективной флокуляции окисленных железных руд и в последние годы, при извлечении мелкого золота [4].

Рис. 1. Эпюры скоростей потока пульпы в промышленном гидрошлюзе при турбулентном режиме с ламинар-ностью в придонном слое за счет стандартных ковриков и трафаретов (1) и за счет магнетитового меха (2), и при ламинарном режиме

В процессе магнитной флокуляции из множества частиц магнетита в поле постоянных магнитов, смонтированных под днищем шлюза, образуется на дне шлюза рыхлый слой «магнетитового меха», улавливающий свободное золото, «золото в рубашке», частицы амальгамы и тяжелых металлов. Последнее обстоятельство уже использовали при извлечении золота в промышленных условиях [5], однако ошибочные представления о механизме работы сфлокулированно-го 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. Так, например, в ряде публикаций (Тихонов

О.Н., Атанасов В., Атанасов А., Tailor C.H., Pached-jieff B., Nishkov I., Stoev S., Helfricht R., Bishofberger C. и др) отмечается весьма высокая эффективность процесса магнитно-флокуляционного извлечения мелкого золота. Начиная с 1995 г., НТЦ МГГУ занялся исследованием процесса МФК в лабораторных и промышленных условиях. Было установлено, что для применения МФК необходимо наличие в исходной пульпе магнетита в количестве не менее 500 г на 1 г золота. Оптимальная крупность магнетита составляет -1+0,01 мм, причем присутствие крупных классов или шламов лишь незначительно снижает эффективность процесса. В настоящее время его механизм достаточно хорошо изучен - основные составляющие показаны на схеме 1.

Г лубина потоков в гидрошлюзах типа ПГШ достигает 300-400 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 Ho > 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. Это значение напряженности соответствует области максимальной удельной магнитной восприимчивости (Хшек) магнетита. Вследствие этого слой "магнетито-вого 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, в зависимости от шага полюсов (формула Сочнева).

-сх

Нх = Но • е (1)

где Нх - напряженность поля на расстоянии х, кА/м; х

- расстояние от поверхности полюса, м; Но - напряженность поля на поверхности магнитов, кА/м; С = р / s - коэффициент неоднородности поля, 1/м; S - шаг полюсов, м .

Прочность магнетитовых флокул на разрыв Стфл можно оценить также на основе выражения энергии ферромагнетика в условиях потокосцепления.

Fфл = ^и / dx = ^(ВНУ)/dx = -0,5ВЖ = -0,5^Н 2S ;

°флк = 0,5 МН 2 (2)

Более точно эта величина определяется на основе тензора Максвелла для флокулы. Так, по продольной оси

афл = -0,5^ [(1 + К)/{1 + КЖ)2 - ¡] (3)

где К - магнитная восприимчивость флокулы; N -коэффициент размагничивания флокулы.

Расчет по формуле (3) для магнетитовых флокул (К »0,1) в полях современных сепараторов (Н = 80

кА/м) показывает, что прочность удлинения флокул (Х»2-4; N = 0,1-0,2) достигает 60 кПа, что согласуется с экспериментальными данными. Здесь N - коэффици-

ент размагничивания флокул, а X - формфактор флокулы (отношение длины к диаметру)

Очевидно, что такие флокулы вполне устойчивы и поэтому условия флокуляции определяют структуру и магнитные свойства не только суспензий, но даже чистых магнетитовых флокул. Предварительное магнитное структурирование перед изменением удельной магнитной восприимчивости по методу Гуи отражается на результатах измерений._________________

Удельная магнитная восприимчивость, см3/г В продольном магнитном поле (Н = 160 кА/м)

В поперечном магнитном поле (Н = 160 кА/м)

Без магнитного структурирования

Размеры флокулы определяются силами осевого сжатия (прочностью), которые с удлинением на краях флокулы снижаются. В неоднородных полях силы сжатия увеличены за счет градиента поля, поэтому флокулы укорочены. Размеры флокул колеблются от 2 до 1000 диаметров частиц, составляющих флокулы.

Прочность магнетитовых прядей (афЛ) в таких полях достигает 0,6 кг/см2, что исключает возможность их срыва потоком, по крайней мере, на растоянии до 60-80 мм от поверхности полюса [6]. При сильных механических воздействиях кончики прядей могут отрываться и закрепляться снова на очередном полюсе.

Мелкое и тонкое золото механически эффективно захватывается при фильтрации потока сквозь магне-титовый слой и кроме того, магнитными силами поля, достигающими в поровых каналах магнетита значений

- 1,6 -10 кА/м2, полностью извлекается «золото в рубашке», золотоносная магнитная амальгама, а также некоторые разновидности свзязанного золота, и платиноиды.

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 (Ке>>10000). При этом в эпюре скоростей вертикали преобладает турбулентное ядро, а зона (высота) пристеночного ламинарного слоя 8 несколько увеличена трафаретами и ковриком в сравнении с гладким днищем. Формирование сфлокулиро-ванного слоя магнетита значительно увеличивает высоту ламинарного слоя А, в котором скорость осаждения золотин возрастает в тысячи раз [3], и обеспечивает захват мелкого и тонкого золота (рис. 1).

Соотношение ширины ламинарного слоя с флокулами А и без них 8 показывает, во сколько раз возрастает извлечение мелких классов золота в придонном слое. Учитывая, что размеры элементов турбулентности а (вихрей в потоке шлюза) равны: а = (Ие •Ц)/(и •р), (4)

эффициент 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 массопереносе 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, где они оседают в ламинарном слое (преимущественно тяжелые минералы) или защемляются в порах магнетита, благодаря своему размеру и форме (стерический фактор).

Применительно к нашему случаю общие закономерности массопереноса в центральный участок потока (турбулентное ядро) можно описать уравнением турбулентной диффузии в силовом поле (уравнение Энштейна - Фоккера - Планка):

¿С К.мех + К-маг

= К V2 с - -

V С,

(5)

л а

где С - объемная концентрация золота в пульпе; Dt -коэффициент турбулентной диффузии в пульпе; Кмех -равнодействующая механических сил в единице объема пульпы; Кмаг - равнодействующая магнитных сил в единице объема пульпы; а - коэффициент сопротивления среды пульпы движению твердого тела, учитывающий динамическую и магнитную вязкость; V -дифференциальный оператор Г амильтона , t - время.

Роль Кмаг в уравнении (5) возрастает в нижних слоях центральной части потока, где существенно влияние магнитного поля. В верхних слоях потока в шлюзе Кмаг —— 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.

Вертикальный турбулентный массоперенос "сверху вниз", который можно увеличить специальными

неподвижными лопастями резко увеличивает вероятность попадания золотин в слой сфлокулированного магнетита.

В соответствии с формулой (6) извлечение золота можно приближённо определить в зависимости от длины шлюза по формуле:

е = 1 - Кс е -К(Ъ/5); (6)

где Кс - коэффициент сепарации, Кс = (Ямех+ Ямаг)/6; Ь - длина шлюза, и - скорость потока.

И трафареты, и коврики, и ворсистые покрытия, и

магнетитовый «мех» в конечном счете действует за счет увеличения высоты ламинарного слоя, что увеличивает скорость осаждения частиц в десятки и сотни раз. Однако, преимущества рыхлого, сфлокулирован-ного магнетитового слоя не только в его легкой регенерации, но и в комплексном эффекте действия целого механизмов (схема 1), среди которых важнейшими являются фильтрационный, и высокоградиентный. Последний основан на магнитном захвате мелких частиц золота, покрытых пленкой оксидов железа и обладающих, поэтому магнитными свойствами. Это, так называемое «золото в рубашке» постоянно присутствует в магнетит - содержащих рудах и особенно в отвалах, где после горных работ в песках остается много окисляющегося металлического скрапа. Гидроокислы железа благодаря его химическому сродству с золотом эффективно закрепляются на поверхности золота. В НТЦ МГГУ экспериментально было доказано существование обратного процесса осаждения тонкого металлического золота на металлическом железе. При перемешивании в течение 1-2 часов золотосодержа-

щих песков с чистой железной стружкой, оказалось, что содержание золота в железе (стружка отделялась магнитной сепарацией) выросло с нуля до 100-150 г/т. При длительном перемешивании содержание золота может достигать 5 кг/т и более. Изготовленные в НТЦ магнитные палеты, для улавливания стружки и металла непосредственно в разгрузочной части промывочных приборов 111 Ш-50 были испытаны в промышленных условиях на По-лярнинском ГОКе и позволили доизвлечь из хвостов десятки килограммов золота, часть которого была представлена ферромагнитными ртутными амальгамами.

Сам процесс магнитной флокуляции происходит за счет снижения магнитостатической энергии (энергии свободных полюсов, которых при флокулировании становится меньше), по этому условию из слоя магнетита выталкиваются крупные частицы диамагнитного кварца. В то же время мелкое золото, равнопадаемое по отношению к кварцу (Кр = 8 - 10), остается в поровых каналах магнетита и проходит на дно концентратора. Для реализации этого механизма необходимо обеспечить подвижность магнетитового слоя, например, воз-вратно-поступа-тельными движениями магнитов лотка и т.д.

Лабораторные, стендовые и промышленные испытания показали, что для увеличения извлечения золотин из потока и емкости извлекающего слоя необходимо учитывать (при прочих равных условиях) два конструктивно технологических параметра:

1. Применение индукционных решеток, контролирующих большую часть сечения потока в шлюзе.

2. Перемещение магнетитового слоя для очистки его от засорения легкими минералами.

Эти параметры в более ранних конструкциях не учитывались, что вызывало неустойчивость получаемых результатов. В новых конструкциях магнито-флокуляционных концентраторов, запатентованных НТЦ МГГУ, применяют ферромагнитные решетки и покрытие из ферромагнитной резины, а также подвижный магнетитовый слой, что на порядок увеличивает период накопления золота в слое магнетита.

Для реализации технологии магнитно-флокуляционной концентрации мелкого золота

и амальгамы при промывке золотосодержащих песков в т.ч. и техногенных в НТЦ начиная с 1996 г. разработан ряд конструкций, защищенных патентами РФ.

Общим для всех конструкций является наличие магнитной системы на основе блоков постоянных магнитов с чередующейся полярностью, осадительной поверхностью из немагнитного материала с магнитно - индукционной решеткой (трафа-ретами) и механизма, позволяющего перемещать магнитную систему относительно осадительной поверхности.

Первая промышленная модель КПМФ-1 была спроектирована СКБ НТЦ МГГУ по заказу Роскомд-рагмета (НТЦ «АлмаЗо-лотопрогресс») и изготовлена

в двух экземплярах (малая серия) на Малаховском экспериментальном заводе горного оборудования в 1996 г. Обе машины успешно прошли промышленные испытания и внедрены в А/С «Тунгир» (Читинская область) и прииск «Апрельский» (Амурская область). С тех пор эти машины работают и по настоящее время, непрерывно демонстрируя высокую надежность.

Более того, КПМФ-1 на практике показал возможность работать при перемывке старых отвалов в качестве самостоятельного агрегата, а не приставки (т.е. без основного шлюза) с хорошими технологическими показателями по золоту и платине (А/С «Тунгир»).

КПМФ-1 (концентратор приставка магнито-флокуляцион-ный) (рис. 2) представляет собой двухсторонний шлюз с четырьмя магнитными системами в виде полуцилиндров, вращающихся на осях в трубах (обечайках) из диамагнитной стали. Для смыва концентрата с осадительной поверхности, концентратор поворачивается на 180° вокруг продольной оси.

При этом магнитная система самоустанавливает-

ся в верхнем положении, поворачиваясь вокруг поперечной оси за счет системы противовесов. Важной особенностью данной конструкции является возможность накопления (концентрации) магнитного шлиха на одной стороне рабочей поверхности одновременно со сполоском (съемом) его с другой.

Опыт эксплуатации этих машин позволил устранить при переработке чертежей все недостатки конструкции, но главной проблемой осталась относительно высокая для старательских артелей стоимость КПМФ-1 (~30 тыс. долл. США).

СКБ НТЦ разработало облегченную и упрощенную модификацию -КПМФ-2, созданную по модульному принципу. Один модуль КПМФ-2 составлял четвертую часть КПМФ-1, а стоил в десять раз дешевле.

Эффективность сепарации и другие технологические характеристики КПМФ-2 по сравнению с КПМФ-1 не изменились.

Модуль КПМФ-2м (рис. 3) имеет одну магнитную систему аналогичную магнитной системе КПМФ-1, но в отличие от него - неподвижный, односторонний корпус (шлюз). Для съема шлиха (концентрата) магнитная система поворачивается на 180°, при этом осадительная поверхность размагничивается. При спо-лоске (съеме) подача питания прекращается и подается смывная вода.

Характерной особенностью конструкции концентратора КПМФ-3 (рис. 4) является плоская магнитная система, что позволило значительно увеличить площадь осаждения. Магнитная система установлена на понтоне, плавающем в емкости с водой. При съеме концентрата, вода из емкости выпускается, и понтон с магнитной системой опускается. После съема концентрата емкость вновь заполняется водой, и понтон всплывает и магнитная система подводится к

Технологические показатели концентратора - приставки магнитно-флокуляционной КПМФ - 5

Производительность^ твердому, м3/ч

Содержание Аи в пі

Содержание магнетит

и в маг штном шлихе, г/м

от исходного питания

Рис. 5

а в концентрате, кг/т

тании подаваемом на кон-

о концентрата, м

ах, г/м

ечение золота, в операции

%

15

0,2

20

10:1

675

0,04

0,05

67,5

5,95

осадительной поверхности. Данная

конструкция является элементом шлюза мелкого наполнения. КПМФ-3 был смонтирован и эксплуатируется на драге Соловьевского прииска в Амурской области.

Следующим вариантом в направлении совершенствования техники и технологии магнитно-

флокуляционной концентрации стал сепаратор

КПМФ-4(Л) с непрерывной разгрузкой шлиха. В конструкции КПМФ-4(Л) (рис. 5) реализована идея непрерывной разгрузки накапливающегося шлиха (концентрата). Осадительной (рабочей) поверхностью является резиновая лента, движущаяся на встречу потоку материала с малой скоростью 1-2 см/с. При этом происходит рыхление слоя магнетита, за счет переориентации слоя магнетита, за счет переориентации слоя флокул, что значительно повышает эффективность процесса концентрации полезного компонента. Опытный образец ленточного концентратора успешно испытан в сезоне 2000 г. на участке ГГП «Амурзолото-разведка» в Амурской области.

В конструкции КПМФ-5 (рис. 6) плоская магнитная система закреплена одной стороной на шарнире, другая сторона опускается при сполоске и поднимается при работе концентратора обычным механическим домкратом. Осадительная (рабочая) поверхность представляет собой комбинацию магнитноиндукционной, трафаретной решетки и резиновых ковриков.

КПМФ-5 был сдан в эксплуатацию в июле 2000 г. на участке «Цыпикан» ЗАО «Баунт» (месторождение

1. Моисеенко В.Г., Эйриш Л.В. Золоторудные месторождения Востока России. -Владивосток.: Наука. 1996.

2. .Грицаев В.П. О проекте Федеральной программы производства золота и серебра в России на 1994-1995 годы и на период до 2000 года.

3. Лященко П.В. Гравитационные методы обогащения. Госгортехиздат,1940.

4. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные методы обогащения. Недра. 1984.

Рис. 6

Большой Кавыктыкон). Его устройство показано на рис. 6, а технологические показатели его работы приведены ниже:

В заключение следует отметить, что одним из важнейших направлений преодоления экономических проблем промышленности драгметаллов и камней, является отказ от устаревшей 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 других токсинов и положить конец многократной дорогостоящей переработке техногенных отвалов по "новым", все уменьшающимся бортовым содержанием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Кармазин В.В., Закиева Н.И. Технологические возможности магнитно-флокуляционной сепарации тонких классов золота из руд и отвалов россыпных месторождений. -М., Изд-во МГГУ. ГИАБ №4. 1995.

6. Karmazin V.V. Teoreticel assessment of technologicel potential of magnetic and electricel separation. ‘Magnetic and Electricel Separation’ V. 8. 1997, OPA.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кармазин Виктор Витальевич - профессор, доктор технических наук, руководитель научного центра «Горнообогатительные модульные установки», Московский государственный горный университет.

Измалков В.А. - аспирант, Московский государственный горный университет..

Малахов В.А. - аспирант, Московский государственный горный университет..