скачать книгу бесплатно
; ?
– плотность суспензии, кг/м
.
Наиболее рациональные области применения тяжелосредного обогащения:
крупные классы углей для коксования и энергетики и антрациты (от 13–25 до 200–300 мм) очень трудной, трудной, средней и легкой обогатимости при содержании породных фракций (плотностью +1800 кг/м
– для углей, +2000 кг/м
– для антрацитов) более 35 % и выходе класса >13 мм более 20 % с разделением на три и два продукта;
крупные классы (>25 мм) сланцев;
мелкие классы углей для коксования (от 0,2–0,5 до 13; 25; 40 мм) трудной и очень трудной обогатимости с разделением на три продукта;
мелкие классы энергетических углей трудной и очень трудной обогатимости и антрациты (от 0,5 до 13(25) мм) с разделением на два продукта;
промпродукты отсадки крупных (после додрабливания) и мелких каменных углей и антрацитов (0,5-13 мм) с разделением на три и два продукта.
Тяжелосредное обогащение твердых горючих ископаемых может производиться также с целью получения продуктов высокого качества для специальных целей, например, антрацитовых концентратов для электродной промышленности, малосернистых угольных концентратов, сланцевых концентратов с повышенным содержанием органической массы.
1.1.3. Характеристика тяжелой среды
В качестве тяжелой среды при обогащении полезных ископаемых по плотности применяют суспензии, которые приготовляют из смеси тонкоизмельченных твердых частиц и воды. Следовательно, твердые частицы являются дисперсной фазой, которую называют утяжелителем. Дисперсионной фазой является вода. Содержащиеся в суспензии твердые частицы поддерживаются в состоянии движения энергией жидкости и потенциальной энергией поверхностного натяжения.
В качестве утяжелителя используют измельченные до крупности менее 0,1 мм различные минералы (иногда смесь минералов), (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Характеристика утяжелителей и суспензии
Суспензии могут быть разделены на три группы: устойчивые (колоиднодисперсные), неустойчивые (грубодисперсные) и стабилизированные, т. е. системы, устойчивость которых достигается путем применения величальных мер, сопровождающихся затратой энергии.
В практике обогащения угля применяют главным образом стабилизированные суспензии. Относительно ограниченное применение получили неустойчивые суспензии.
Стабилизация суспензий может быть произведена следующими способами:
1) применением соответствующего утяжелителя;
2) добавлением в суспензию материалов, обладающих коллоидными свойствами;
3) применением восходящих потоков;
4) механической активацией суспензии;
5) горизонтальным перемещением суспензии.
Первые два способа дают возможность получить статически устойчивую суспензию, а остальные – динамически устойчивую. Результаты обогащения углей в статически устойчивых суспензиях несколько лучше, чем в динамически устойчивых. Однако наибольшее распространение в настоящее время получили динамически устойчивые суспензии, стабилизированные их горизонтальным перемещением.
Если не предусмотрены специальные меры для стабилизации суспензии и она оставлена в состоянии покоя, то утяжелитель быстро осаждается. Через небольшой промежуток времени образуется значительная разница в плотностях выше- и нижележащих зон суспензии.
Уголь, погруженный в суспензию, расслаивается по плотности: частицы угля, плотность которых меньше плотности суспензии в верхней зоне, всплывают, а частицы, плотность которых больше плотности суспензии в нижней зоне, опускаются на дно ванны. В промежуточном слое суспензии находятся во взвешенном состоянии частицы угля промежуточной плотности. Следовательно, в суспензии в одном аппарате можно получить три продукта обогащения: концентрат, промежуточный продукт и породу.
Плотность суспензии по высоте ванны можно изменять, меняя скорость продольного перемещения суспензии и крупность утяжелителя.
Суспензии должны быть эффективны для широких пределов крупности обогащаемого угля, не обладать большой вязкостью при принятой плотности разделения, а также корродирующими и токсичными свойствами. Этим требованиям удовлетворяет суспензия, содержащая 25–35 % твердых веществ высотой плотности (утяжелителя) по объему. Приготовление суспензии, обладающей перечисленными свойствами, является нелегкой задачей.
Содержание твердой фазы в суспензии при обычно применяемой плотности разделения в первую очередь зависит от плотности утяжелителя. Следовательно, свойства суспензии определяются главным образом плотностью и размером частиц твердой фазы.
Если для обогащения угля применяется суспензия, образованная магнетитом, то приемлемая текучесть и необходимая плотность суспензии могут иметь место даже в том случае, когда в суспензии находится значительное количество угля и глины. Однако если суспензия приготовляется из смеси барита и глины, необходимо самое тщательное отделение угольного шлама от утяжелителя.
В промышленных условиях для приготовления суспензий в качестве утяжелителей применяют минералы и некоторые отходы различных видов производства. Проводятся также работы с целью применения в качестве утяжелителя искусственно приготовленных минералов (гуммированные металлические зерна).
Утяжелитель должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) обеспечивать возможность приготовления маловязкой суспензии плотностью 1,3–2,0 т/м
. Для этого плотность утяжелителя должна примерно втрое превышать заданную плотность суспензии;
2) быть химически инертным по отношению к воде и обладать сопротивлением истиранию;
3) легко отделяться от угольного и глинистого шлама;
4) легко отделяться от продуктов обогащения при промывке их на грохотах и от промывной воды в сгустителях;
5) обеспечивать возможность стабилизации суспензии простейшими средствами.
Из природных материалов в качестве утяжелителей для образования суспензий, в которых производят обогащение угля, применяют барит, гематит, магнетит и пирит (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Характеристика основных минералов, применяемых для приготовления суспензий
В практике обогащения углей преимущественное распространение получили магнетитовые суспензии, утяжелителем в которых является магнетит.
К преимуществам магнетита относятся: сравнительно низкая стоимость, высокая плотность, малая истираемость, пригодность к применению без дополнительной доводки до кондиции, удовлетворяющей техническим требованиям к утяжелителю, недефицитность. Регенерация его в магнитных сепараторах проста и достаточно эффективна.
1.2. Магнетит
1.2.1. Характеристика магнетитовых руд
В связи с широким развитием тяжелосредного обогащения твердых горючих ископаемых (уголь, антрацит) важное значение приобретает выбор магнетитовых концентратов, применяемых в качестве утяжелителей для приготовления суспензий.
Качество магнетитовых концентратов определяется как технологией обогащения, так и качеством железистых магнетитовых руд.
Железистые магнетитовые руды, сформировавшиеся в различных геологических условиях, отличаются разнообразием минерального состава, текстурно-структурным строением, физических свойств, которые определяют технологические параметры обогащения для каждой руды.
Основной рудный минерал магнетитовых руд – магнетит, подчиненное значение могут иметь гематит, мартит
, пирротин, пирит, халькопирит, кобальтин, сфалерит, галенит, марказит, арсенопирит.
В чистом магнетите (FeO · F
O
) содержится 72,4 % железа, стехиометрическое соотношение двухвалентного и трехвалентного железа 1:2, плотность 4900–5200 кг/м
, твердость по шкале Мооса – 5,5–6,0 единиц. Природные магнетиты отличаются существенным содержанием примесей различных элементов и соответственно сложным химическим составом. Содержание железа в них изменяется в широких пределах.
Условно месторождения магнетитовых руд делят на две группы: с относительно чистым магнетитом и с магнетитом, содержащим изоморфные и дисперсные примеси. Например, в рудах, добываемых горно-обогатительными комбинатами Криворожского бассейна и КМА, имеющих осадочно-метаморфическое происхождение, собственно магнетита присутствует от 29,4 до 40 %, гематита (мартита) – от 1,5 до 7,0 %. Содержание железа колеблется от 31,1 до 35,6 %.
В магнетитовых рудах контактово-метасоматического и гидротермального происхождений (горно-обогатительные комбинаты Соколовско-Сарбайский, Азербайджанский, обогатительные фабрики «Абагурская», «Мундыбашская», «Высокогорная», «Лебяжинская», «Гороблагодатская», «Магнитогорская», «Северо-Песчанская») собственно магнетита присутствует от 29,6 до 59,1 %, гематита (мартита) – от 0,5 до 3,6 %. Содержание железа колеблется от 29,9 до 46,9 %.
Магнетитовые руды того же происхождения, добываемые и обогащаемые Ковдорским ГОКом, относятся к магномагнетитам [(Fe, Mg)O · Fe
O
]. В них содержание собственно магнетита составляет 44 %, железа 28,2 %.
Руды Коршуновского ГОКа квалифицируются как титаномагнетитовые (FeO · F
O
+ FeO · TiO
) и содержат изоморфные примеси титана, магния, алюминия, кальция. Содержание магнетита составляет 34,0 %, гематита (мартита) – 4 %, железа – 28,7 % Понижение содержания железа объясняется также дисперсной вкрапленностью нерудных минералов (от 5 до 15 %), которые практически невозможно отделить от магнетита.
Гематито-магнетитовые руды добываются и обогащаются на Оленегорском (Мурманская обл.) и Михайловском (КМА) ГОКах, а также на Магнитогорском комбинате. Эти руды содержат от 12 (Магнитогорская фабрика) до 32,6 % (Михайловский ГОК) магнетита и соответственно от 8,7 до 16,5 % гематита и мартита. Содержание железа изменяется от 32,1 (Оленегорский ГОК) до 38,5 % (Михайловский ГОК).
Значительное содержание в гематито-магнетитовых рудах самостоятельно вкрапленных зерен гематита либо сростков гематита с магнетитом является препятствием для использования концентратов, полученных из этих руд, в качестве утяжелителей при тяжелосредном обогащении угля.
По химическому составу (%) магнетитовые кварциты осадочно-метаморфического происхождения, поступающие на горно-обогатительные комбинаты Криворожского бассейна и Курской магнитной аномалии (табл.1.4), отличаются сравнительно высоким содержанием железа и окиси кремния, по минералогическому (%) (табл. 1.5) характеризуются большим количеством магнетита и кварца. На ряде ГОКов обогащается магнетитовая руда, в которой содержится 5–7% гематита (Южный, Лебединский и Северный горно-обогатительный комбинаты). Из нерудных компонентов в необогащенной руде присутствует значительное количество слюды, что характерно для всех ГОКов, обрабатывающих магнетитовые кварциты. Иногда в магнетитовых кварцитах отмечается существенное содержание сидерита (ЮГОК – 5,7 %, Криворожский центральный ГОК – 11,2 %, Новокриворожский ГОК – 11,0 %). Низкое содержание серы и фосфора (кроме руд некоторых месторождений, в которых серы бывает от 0,16 %, а фосфора – до 0,1 %) является ценным свойством магнетитовых кварцитов.
Таблица 1.4
Химический состав магнетитовых руд
Таблица 1.5
Минералогический состав магнетитовых руд
Физические свойства магнетитовых кварцитов – плотность, объемная масса, пористость – зависят от содержания железа. При увеличении содержания железа от 20 до 40 % плотность возрастает с 3190 до 3820 кг/м
, объемная масса – с 3060 до 3480 кг/м
, пористость – с 4,0 до 9,1 %.
При обогащении измельченных кварцитов содержание железа в концентрате зависит от его крупности. Так, например, при измельчении до <74 мкм содержание железа составляет 61,2-67,7 %, а при измельчении <50 мкм – 64,1-69,8 %.
Основным железорудным минералом скарновых руд является магнетит, в небольших количествах присутствуют гематит и мартит. Эти руды отличаются значительным количеством сульфидов в виде пирита и пирротина, в которых содержатся титан, ванадий, кобальт, иногда цинк, свинец, медь. Плотность скарновых магнетитовых руд составляет 3100–3400 кг/м
, они менее абразивных, чем магнетитовые кварциты. При обогащении этих руд, измельченных до крупности <74 мкм, содержание железа в концентрате в зависимости от вкрапленности колеблется от 62 % (весьма тонковкрапленные руды – размер вкраплений магнетита 1-10 мкм) до 67 % и более (крупновкрапленные руды – размер вкраплений магнетита 50 мкм – 10 мм).
Магномагнетитовые руды характеризуются высоким содержанием окиси магния и практическим отсутствием кварца. Содержание железа в них ниже, чем в магнетитовых кварцитах и скарновых рудах. Сернистые соединения либо отсутствуют, либо находятся в небольших количествах, отмечается существенное содержание фосфора, связанного с апатитом. Плотность руды зависит от содержания железа и колеблется от 3250 до 4600 кг/м
.
Важнейшей технологической характеристикой железных руд, от которой зависит глубина их измельчения на ГОКах, является размер вкраплений рудных и нерудных минералов. Отмечается постепенное увеличение размеров вкраплений (от пылевидных до сплошных) по мере роста содержания в руде железа.
Для магнетитовых (гематитовых) руд характерна тонкая слоистость, связанная с чередованием рудных, нерудных и смешанных слоев. При этом мощность слоев изменяется в широких пределах – от 0,1–2 мм до десятков миллиметров. Слой представлен вкраплениями рудных, нерудных и смешанных частиц, находящихся в нем в виде зерен, сростков и агрегатов. В магнетитовых рудах средние размеры зерен – 0,1 мм, агрегатов – 0,32 мм, нерудных зерен – 0,02 мм, агрегатов – 0,07 мм, смешанных зерен – 0,03 мм, агрегатов – 0,08 мм.
Для отдельных бассейнов размер включений колеблется в значительных пределах.
По крепости магнетитовые руды относятся по большей части к плотным и обладают коэффициентом твердости по шкале проф. М.М. Протодьяконова от 6 до 16 единиц, однако имеются и преимущественно рыхлые руды (например, частично руды Коршуновского месторождения), для которых коэффициент твердости составляет 2–6 единиц.
Магнетитовые руды относятся к сильно магнитным (ферромагнетикам), тогда как гематитовые и мартитовые руды – к слабомагнитным. Вмещающие породы, например, такие как кварц – немагнитные.
1.2.2. Требования к магнетитовым концентратам – утяжелителям суспензии
Гранулометрический состав
В качестве критериев крупности магнетитовых концентратов служит обычно содержание одного или двух классов, определяющих их характерный гранулометрический состав.
В СССР и в странах СНГ до настоящего времени в угольной промышленности существует классификация магнетитовых утяжелителей по трем классам крупности с разделением на три сорта (табл. 1.6) [13].
Следует отметить недостаточную четкость отечественной и зарубежной классификаций из-за наличия нескольких критериев крупности (выход определенных классов), а также несоответствие фактического гранулометрического состава, применяемых на практике утяжелителей, диапазонам крупности, принятым в классификациях.
Таблица 1.6
Классификация магнетита по сортам
Магнитные свойства. Наряду с крупностью, важнейшей физической константой, определяющей выбор магнетитового концентрата в качестве утяжелителя, является его магнитная характеристика.
Наличие в магнетитовых рудах примесей слабомагнитных компонентов (в первую очередь, гематита и мартита, в также сопутствующих пород) ухудшает их магнитные свойства. Магнетитовые концентраты, получаемые после многостадийного измельчения и магнитного обогащения, обладают ярко выраженными магнитными свойствами, зависящими от химического состава руды, строения кристаллической решетки, крупности, насыпной массы и др. Однако их магнитные константы менее контрастны, чем у чистого магнетита.
Наиболее часто для характеристики магнитных свойств магнетитовых утяжелителей пользуются величиной магнитной проницаемости. Абсолютная магнитная проницаемость ? – физическая величина, характеризующая магнитную индукцию, т. е. результирующее магнитное поле при воздействии внешнего магнитного поля. Это отношение магнитной индукции В к магнитному потоку Н. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью, т. е. способностью вещества менять магнитный момент (намагничиваться) под действием внешнего магнитного поля
т. е. магнитная индукция, связана с напряженностью внешнего магнитного поля и намагниченностью вещества.
Предложено магнитные свойства магнетитовых утяжелителей характеризовать величиной условной магнитной проницаемости ?
, измеряемой в долях единицы от значения магнитной проницаемости эталонной пробы чистого магнетита, для которого ?
=1.
Измерение условной магнитной проницаемости осуществляется с помощью специального прибора-компаратора, состоящего из моста переменного тока с катушками индуктивности и показывающего гальванометра.
