Использование центробежных полей для интенсификации гравитационного процесса извлечения мелкого золота

В настоящее время одним из важных направлений научно-технического прогресса является вопрос повышения полноты и комлексности использования рудного сырья.

Гравитационные методы обогащения, точнее гидравлическое и пневматическое обогащение, применяются для обработки полезных ископаемых с целью получения из них продуктов, обладающих определенными свойствами (качествами) и удовлетворяющих требованиям, предъявляемым различными отраслями промышленности (топливной, черной и цветной металлургии, химической, строительных материалов и др.) — потребителями минерального сырья [42].

При гравитационном обогащении для разделения смеси минеральных зерен используется различие их по плотности. Это дает также возможность разделения и по гидравлической крупности минералов. Оно осуществляется с помощью динамического воздействия среды — воды и воздуха[1].

В зависимости от того, происходит ли процесс в водной или воздушной среде, обогащение можно называть гидравлическим или пневматическим. Динамическое воздействие среды играет весьма важную роль в гравитационных процессах обогащения, так как оно создает определенные условия для движения и взаимного перемещения минеральных зерен, следствием чего и является разделение зерен по плотности или по гидравлической крупности. Поэтому основными законами, действующими при гравитационных процессах обогащения, следует считать законы сопротивления среды движению находящегося в нем тела, т. е. законы гидро-и аэродинамики. В зависимости от общности законов гидрои аэродинамики принципы гидравлического и пневматического обогащения одинаковы [2,42]. В этом же отношении гравитационное обогащение близко стоит к гидравлическому транспорту, некоторым разделам гидротехники, сепарации продуктов сельского хозяйства и т. д.

Полезное ископаемое должно представлять сыпучую массу, состоящую из отдельных минеральных зерен, поэтому предварительно оно подготовляется путем дробления, измельчения или вообще дезинтеграции.

Гравитационные методы обогащения имеют весьма широкое распространение и применяются в самых разнообразных отраслях горонодобыващей промышленности. В особенности они получили развитие в области обогащения каменного угля, руд черных металлов (железа и марганца), многих руд редких металлов (вольфрамовых, ториевых, оловянных и т. п.), россыпных месторождений золота, платины и т. д. Гравитационные методы применяются затем для обработки неметаллических ископаемых (асбеста, каолина, мела и др.) — наконец, в области обогащения руд цветных металлов (меди, цинка, свинца), которые обогащаются преимущественно методом флотации, также находят применение некоторые методы гравитационного обогащения.

С развитием горного дела и металлургии совершенствуется и техника обогащения. Например уже в начале XIV и XV вв. можно встретить машины и аппараты, которые применяются для извлечения полезного компонента с помощью гравитационных методов обогащения.

Особенно высокого уровня методы гравитационного обогащения достигают в конце XIX и начале XX вв., когда до введения флотации и других способов обогащения они являлись единственными методами и применялись при обработке любых полезных ископаемых. Это развитие и совершенствование не прекращается и в наше время и идет по двум направлениям конструирования и рационализации и развития схем, благодаря чему появляются все новые типы машин и аппаратовобогащением охватывается все более широкий круг полезных ископаемых.

Теория гравитационных методов обогащения начала разрабатываться в первой половине XIX века. Её основоположником считается П. Риттингер, который предложил уравнения движения падающего в воде тела для объяснения явлений отсадки — разделения минеральных зерен по удельному весу в восходящей струе воды. Собственно говоря, изучением сопротивления и давления струи на шар занимался уже Ньютон, впервые определивший и экспериментально проверивший закон динамического сопротивления движущегося в жидкости шара. Работа английского физика Стокса расширила представление о видах сопротивления, возникающего вследствие учета вязкости жидкости. Более поздние исследования различных ученых показали, что между законами Ньютона и Стокса существует непрерывная связь, и сейчас они сведены в одну общую форму, учитывающую как гидродинамическое, так и гидростатическое сопротивление вследствие вязкости среды.

Следуя торетическим положениям, впервые приложенным Риттингером к гравитационным процессам обогащения, научное обоснование последних базировалась и вдальнейшем на исследовании законов падения тела в среде. Риттингер и другие рассматривали процессы обогащения с точки зрения движения изолированного тела в неограниченной среде, тогда как на самом деле минеральные зерна движутся совместно в большом количестве и в ограниченном пространстве: это обстоятельство весьма резко отражается на движении каждого из зерен в отдельности. Поэтому теория гравитационных методов обогащения не только оставалась отвлеченной и никак не увязывалась с действительностью, но даже в известной степени тормозила развитие техники. Впервые на это обратил внимание Монро (1888), затем Р. Ричарде (1908) и др., которые пытались разрешить важнейшую проблему гравитационного обогащения — совместного движения массы минеральных зерен известную под названием стесненного падения.

В конце XIX века русские ученые Г. Я. Дорошенко, С. Г. Войслав, И. А. Корзухин и В. А. Гуськов развили теорию движения минеральных зерен в воде применительно к гравитационным методам обогащения. Впоследствии профессор Г. О. Чечот (Механобр) разработал теоретические основы гидравлической классификации.

В 40-ые годы профессор П. В. Лященко создал первый учебник «Гравитационные методы обогащения полезных ископаемых», в которых сформулировал основы теории гравитационных процессов.

В 50-ые годы в Московском горном институте под руководством профессора И. М. Верховского выполнены теоретические работы в области гидродинамики и кинетики расслоения минеральных зерен в процессе отсадки и обогащения в минеральных суспензиях. Значительный вклад в теорию гравитационных процессов обогащения внесли.

И.Н.Плаксин, В. И. Классен, М. Г. Акопов, Я. И. Фомин, М. Д. Минц, М. В. Циперович.

В настоящее время выполняются крупные теоретические исследования гравитационных методов обогащения под руководством Н. Н. Виноградова, Л. С. Зарубина, А.И.Пова-рова, Б. В. Кизевальтера, В. И. Ревнивцева, Г. Д. Краснова, Э.Э. Рафалеса-Ламарка, М. Д. Барского.

Выяснению закономерностей движения сред посвящено большое число работ зарубежных ученых: Р. Ричардса (1907г.) — А. Эйнштейна (1920 г.) — А. Херста и Р. Ханкока (1937 г.) — а также М. Дриссена, Г. Тарьяна, Е. Херкенкофа, Е. Лилджа, Ф. Брина и других.

Сегодня особенно в связи со значительным обеднением перерабатываемого сырья и, следовательно, возросшими объемами его переработки большую актуальность приобретают интенсификация и дальнейшее совершенствование гравитационного обогащения, применяемого как самостоятельно, так и в сочетании с другими процессами (флотацией, гидрометаллургией и др.).

Широкое применение имеет гравитационное обогащение оловосодержащих руд и россыпей. Однако эффективность его довольно низкая — извлечение олова достигает 50−80%. Резервы повышения эффективности увязываются и в этом случае с большим извлечением олова из мелких классов [43,52,54].

Использование гравитации среди других видов обогащения, например, при добыче золота из различного минерального сырья в разных странах мира характеризуется следующими данными в %: при обогащении песков 100%- при переработке золотосодержащих руд 20−25%- при попутном извлечении из полиметаллических руд 15−20% [14].

В связи с вовлечением в переработку россыпных месторождений, содержащих мелкодисперсное золото, неизвлекаемое традиционными способами и аппаратами (морские, прибрежно-морские, древние, техногенные россыпи, текущие хвосты обогащения и др.), значение обогащения гравитацией возрастает [20].

Гравитационное выделение золота в начале технологической цепочки процесса на рудных золотоизвлекательных фабриках обеспечивает снижение его потерь с хвостами на 3−5% и получение богатых золотосодержащих концентратов [44].

Наиболее апробированный путь повышения извлечения металлов заключается в использовании гравитационных аппаратов на ранних стадиях обогащения [26].

Эффективность гравитационного обогащения зависит от крупности обогащаемых материалов. Традиционные аппараты удовлетворительно извлекают в потоке лишь зерна золота крупнее 0,20−0,25 мм. Мелкое же золото, особенно — 0,10 мм, содержание которого в обогащаемом сырье растет, извлекается ими неудовлетворительно [44].

Гравитационнное обогащение тонкозернистых материалов в обычных условиях неизбежно связано с низкой эффективностью и малой производительностью используемого аппарата. Малая масса разделяемых мелких зерен обуславливает проведение процессов гравитационного обогащения при небольших скоростях потоков и отсутствии турбулентного их перемешивания [38,42].

Обогащение золотосодержащих руд и песков осложняется к тому же и неблагоприятной пластинчатой формой зерен золота. Несмотря на сохраняющуюся высокой разницу в плотностях золота и минералов породы, гравитационное обогащение подобных материалов иногда становится вообще невозможным. Трудности извлечения мелкого золота из россыпей послужили в свое время основанием для ложного утверждения, что мелкого золота в песках нет или сдержание его столь незначительно, что извлечение невыгодно [23]. Однако работами последних лет установлено, что большое число россыпных месторождений все же имеет мелкое золото и содержание его достигает сотен миллиграммов на метр кубический исходных песков. Переработка таких россыпей с достаточно высоким содержанием мелкого золота в песках традиционными методами шлюзования и отсадки не соответствует современным принципам хозяйствования и приводит к снижению темпов золотодобычи и существенному удорожанию металла [38,48].

Основная причина низкого гравитационного извлечения зерен мелких классов — высокая турбулентность несущих потоков в аппаратах, приводящая к тому, что мелкие зерна начинают двигаться в потоке во взвешенном состоянии, не осаждаясь на улавливающие придонные устройства.

С ростом интенсивности силового поля скорости осаждения всех зерен в потоке увеличиваются, т. е. резко возрастает производительность аппаратов.

Необходимое условие центробежного обогащения рудных материалов в водной среде — наличие транспортного смывного) потока в направлении, не совпадающем с вектором силы центробежного поля.

При отсутствии смывного потока, также в том случае, если направление потока совпадает с вектором поля, разделение материала по плотности практически не происходит.

Создание центробежного поля в центробежных обогатительных аппаратах (концентраторах и сепараторах) принципиально может осуществляться двумя путями:

— тангенциальной подачей потока под давлением в закрытый (или открытый) неподвижный цилиндрический (конический или иной формы) сосуд — что характерно для гидроциклонов;

— закручиванием свободно подаваемого потока — стенкой вращающегося сосуда или вращающейся мешалкой внутри его — что характерно для центробежных сепараторов.

Эффективность разделения зерен по плотности во вращающемся потоке зависит от основных параметров: угловой скорости вращения (тангенциальной скорости вращающегося потока) — гидравлической крупности разделяемых зеренскорости осевого (продольного) перемещения потока [45].

При большой интенсивности центробежного поля и малых осевых скоростях потока процесс переходит в режим осаждения и обогащения материала по плотности при этом прекращается. При высокой осевой скорости потока обогащение также нарушается из-за высокой транспортной способности потока (все зерна взвешиваются).

За последние 15−20 лет, когда проблема глубокого гравитационного обогащения материалов вновь стала актуальной (и в первую очередь из-за экономических и экологических аспектов), в России и за рубежом появились десятки новых конструкций центробежных концентраторов как напорного, так и безнапорного типа.

В настоящее время на обогатительных фабриках используются центробежные концентраторы циклонного типа при обогащении углей, руд редких и благородных металлов и попутном извлечении благородных металлов из полиметаллических рудцентробежные сепараторы (центробежные концентраторы типа центрифуг) при обогащении песков золотосодержащих россыпей, вольфрам-и оловосодержащих руд, а также при переработке хвостов обогащения.

Актуальной задачей оказывается попутное извлечение золота из песчано-галечных отложений (в золотоносных районах) при производстве строительных материалов, песка, щебня, гравия. Подобные материалы характеризуются низким содержанием золота и малыми размерами его зерен (преимущественно -0,2 мм). Традиционные способы улавливания золота из таких материалов на шлюзах, винтовых сепараторах и других сепараторах обеспечивают извлечение на уровне 60% [44]. Включение в технологическую схему промышленной установки центробежных сепараторов, по данным С. Я. Горюшкиной и В. П. Небера, обеспечило не только резкое повышение (до 95%) извлечение золота, но и сократило объемы доводочных операций, поскольку степень сокращена материала в центробежных сепараторах достигала 120 ООО раз.

Исходя из вышеизложенного можно определить актуальность данной работы, идею и задачи.

Актуальность: в настоящее время в связи со значительным обеднением перерабатываемого сырья и возросшими объемами его переработки наибольшее распространение получает гравитационный способ обогащения как один из высокопроизводительных, дешевых и экологически чистых, но при этом следует отметить, что не все гравитационные аппараты обеспечивают высокую степень извлечения ценного компонента. Однако отсутствие детальных исследований в этой области и системных нучных изысканий делают актуальными исследования в области создания научных основ интенсификации гравитационного процесса извлечения мелкого золота с использованием центробежных полей. В данной работе рассмотрена возможность использования центробежных полей для интенсификации гравитационного процесса извлечения мелкого золота, что позволяет уменьшить потери извлекаемого компонента и соответственно повысить степень извлечения мелкого золота.

Идея: использование гравитационных процессов в центробежном сепараторе для повышения степени извлечения мелкого золота при обогащении россыпей — применение обогатительного модуля ПРО-2 для извлечения мелкого золота в комплексе с ПБШ-40.

Задачи:

1^{систематизировать} классификацию гравитационных (в том числе и центробежных) обогатительных аппаратов с целью определения наиболее перспективных для применения при обогащении россыпных месторождений;

2.)рассчитать центробежные силы и силы сопротивлений, действующие на частицы различной крупности в центробежном сепараторе с целью выяснить как влияют эти силы на минеральные зерна одного итого же класса крупности и на зерна различных классов крупности;

3.)рассчитать конечные скорости движения частиц в центробежном сепараторе под действием центробежных сил и сил сопротивлений;

4.)на основании произведенных расчетов и полученных результатов и, анализируя классификацию гравитационных аппаратов, обосновать применение обогатительного модуля ПРО-2 в комплексе с ПБШ-40 с целью повышения качества извлечения мелкого золота при снижении его себестоимости.

1. ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ — ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СПОСОБОВ ОБОГАЩЕНИЯ ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ МЕЛКОГО ЗОЛОТА.

Рассматривая обогащение полезных ископаемых, как процесс разделения смеси минеральных зерен на продукты, обладающие тем или иным общим признаком, мы с целью разделения в области обогащения вообще рассматриваем лишь физические свойства минералов, подвергающихся разделению.

Среди физических методов, дающих возможность подобного разделения, одним из важнейших является использование разностей в скоростях движения минеральных частиц в той или иной среде. Движение минеральных частиц в среде может происходить под влиянием различных сил, но первенствующую роль, с одной стороны, будут играть: вес частицы (ее масса), величина или объем и формас другойте, которые создаются самой средой, т. е. гидро-или аэродинамические силы, действующие на частицу [3,40]. Средой для разделения служат жидкости или газы, и разумеется, что практически для гидравлических процессов обогащения лучше всего используется вода, а для пневматического обогащения — воздух [25].

Масса частицы определяется ее объемом и плотностью того вещества, из которого она состоит. Последнее дает нам возможность разделения по плотности в тех случаях, когда минералы, входящие в состав данного полезного ископаемого, обладают различной плотностью.

Такое разделение по существу является процессом обогащения в тесном смысле, так как дает нам возможность получить чистые продукты, состоящие из зерен только одного минерала.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ АППАРАТОВ.

Процесс разделения по массе применяется и в том случае, когда ископаемое состоит из зерен одного минерала, обладающих одинаковой плотностью. Тогда разница в массе частиц дает нам возможность разделения по объему или собственно по крупности. Продукты, получаемые при этом, называются классами, а самый процесс — классификацией [25].

Наконец, в некоторых случаях используются силы сопротивления среды в зависимости от формы минеральных частиц, что также может служить для отделения одного минерала от другого, т. е. обогащения, если минералы, входящие в состав полезного ископаемого, различаются своей формой.

Гравитационные процессы занимают одно из ведущих мест при переработке песков различного минерального состава. В аппаратах, в которых центробежная сила, действующая на тело в криволинейном потоке жидкости, во много раз больше, чем сила тяжести, разделение материала происходит главным образом под действием центробежной силы. В тех случаях, если центробежная сила и сила тяжести соизмеримы и сепарация происходит под действием обеих сил, обогащение принято называть центробежно-гравитационным.

Метод обогащения с использованием центробежных сил в последнее время приобретает в промышленности все большее значение. Целый ряд производственных и научно-исследовательских организаций, заняты разработкой и внедрением в производство центробежных аппаратов различных типов, например ЦНИГРИ, Тульский филиал ЦНИГРИ, ЗАО Тульская горно-заводская компания «Новые технологии», ГИНЦВЕТМЕТ, АО «Промтехресурс», АО «Грант», АО «Прогресс», Механобр и другие.

Для интенсификации разделения по плотности тонкозернистых золотосодержащих материалов предложено использовать центробежное поле, развивающееся в гидроциклонах, дающее возможность резко увеличить скорость потока и соответственно производительность аппаратов [26]. Центробежное обогащение в напорных аппаратах впервые было реализовано при обогащении мелких углей.

Наиболее известными центробежными аппаратами с высокими факторами разделения являются гидроциклоны и центрифуги [5].

Центробежные концентраторы принципиально могут быть разделены на два типа:

— напорные циклонные аппараты для разделения мелкозернистых материалов;

— безнапорные аппараты-центрифуги (с малой интенсивностью центробежного поля) для разделения как грубозернистого так и мелкозернистого материалов.

Выводы.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1^{Совокупность} воздействия центробежных сил, формирование минеральной постели и влияние явления сегрегации частиц в условиях многократной перечистки послойнообразующегося концентрата в центробежных сепараторах типа ПРО-2 обуславливает высокое извлечение мелкого металла (до 98−99%);

2.)Установка ПРО-2 обеспечивает высокую степень сокращения материала — до 120 ООО раз, что способствует резкой интенсификации самого процесса выделения золота, резко уменьшает затраты на доводку концентрата и снижает трудоемкость этой операции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной задачи доизвлечения мелкого золота из хвостовых продуктов обогащения существующих промывочных приборов и аппаратов и предложено научно-методическое обоснование использования центробежных полей для интенсификации гравитационного процесса извлечения мелкого золота.

Основные научные результаты и выводы сводятся к следующему:

1. Исследование гидродинамики потока минеральной суспензии во вращающемся сепараторе позволило определить, что процесс концентрации золота в центробежном сепараторе, имеющего форму вогнутой полусферы с вертикальной осью вращения, осуществляется в зоне минеральной постели, создаваемой концентрически расположенными кольцевыми нарифлениями под воздействием центробежных сил, усилий водного потока и сегрегации минеральных частиц .

2. Теоретические исследования основных принципов центробежного обогащения и расчет сил, действующих на минеральные частицы во вращающемся сепараторе, показали, что возникающая при вращении сепаратора центробежная сила при факторе разделения, равном 20, с различной степенью эффективности воздействует на зерна полезного компонента и пустой породы проб золотосодержащих россыпей, отличающихся широким диапазоном крупности, благодаря чему обеспечивается расслоение минеральной суспензии и концентрации золота.

3. Показано, что эффективность воздействия центробежных сил на частицы золота менее 0,1 мм резко снижается на 40−45% из-за широкой классификации по крупности обогащаемой минеральной смеси, в то же время более узкая классификация по крупности разделяемых минералов значительно усложнит весь технологический процесс обогащения золотосодержащих россыпей потребует перестройки всего аппаратурного оформления, т. е. принципиально потребует перевооружения всей отрасли, что в настоящее время нереально, так как произойдет удорожание в сотни раз стоимости металла.

4.На примере использования действующего серийного оборудования типа промывочного прибора ПБШ-40 рекомендована установка обогатительного модуля ПРО-2, состоящего из двух центробежных сепараторов, работающих в программном непрерывном режиме, на хвостах прибора для доизвлечения мелкого золота, теряемого на шлюзовых приборах. Дополнительное извлечение такого золота может достигать 15−30%.

5.Доказано, что высокая степень сокращения на центробежном сепараторе резко снижает затраты на доводку получаемого концентрата, уменьшает объемы этих работ и полностью исключает ручной труд, а также обеспечивает экологически чистую обстановку в регионах. В целом всё это приводит к снижению себестоимости добытого металла и расширению сырьевой базы страны .