Донецкий национальный технический

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ПЕРЕРАБОТКА, ОБОГАЩЕНИЕ И КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ»

Для студентов специальности 050302 «Обогащение полезных ископаемых»

ДОНЕЦК   ДонНТУ -2007

УДК 622. 755

 

Конспект лекций по дисциплине «Переработка, обогащение и комплексное использование полезных ископаемых» (для студентов специальности 7.090302 «Обогащение полезных ископаемых») / Сост.: Самылин В.Н. – ДонНТУ, 2007. –с.

 

Составитель:                                     В.Н. Самылин, доц.

 

Отв. за выпуск                         Е.И. Назимко, проф.

 

 

Лекция № 1

 

Вопросы, выносимые на лекцию: Назначение процессов обогащения, виды полезных ископаемых, типы обогатительных фабрик, продукты обогащения, технологические показатели процессов обогащения, виды операций обогащения, свойства минералов и методы обогащения, примеры операций обогащения.

Введение

 

Обогащение полезных ископаемых - это комплекс технологических мероприятий, направленных на повышение концентрации полезных компонентов в минералах, добытых из недр. Процесс обогащения занимает промежуточное положение между добычей и последующей переработкой полезных компонентов. Он обусловлен технологией дальнейшей переработки полезных ископаемых.

 Необходимость обогащения, как правило, связана с малым содержанием ценного компонента в добытой руде. Например, содержание молибдена в руде составляет 0.06 %, в то время как для металлургического передела содержание молибдена должно быть не менее 45%. При малой концентрации полезного компонента в процессе металлургического передела происходит потеря металла, кроме того, требуется огромное количество теплоносителей. Таким образом, обогащение - операция, вызванная технологией и экономикой процессов переработки.

.

Виды полезных ископаемых

 

Все полезные ископаемые, которые подвергаются обогащению, можно разделить на следующие типы:

1. Металлические - содержащие медь, свинец, цинк, молибден и т. д.;

2. Неметаллические - доломит, сера, фосфорит, калийные соли и т.д.;

3. Углеродсодержащие - графит, каменный уголь, антрацит.

 

Типы обогатительных фабрик

 

В зависимости от обогащаемого сырья обогатительные фабрики классифицируются на следующие типы:

· Фабрики, обогащающие руды черных и цветных металлов – ГОКи,   ЦГОКи, ГМК;

· Фабрики, обогащающие угли, антрациты - ГОФ, ЦОФ;

· Фабрики при коксохимических заводах – ОФ.

 

Продукты обогащения

 

В результате обогащения получают следующие продукты:

· Концентрат – продукт, содержащий максимальное количество полезного компонента;

· Промежуточный продукт (промпродукт) – занимающий промежуточное положение по качеству между концентратом и отходами;

· Отходы - продукт, содержащий минимальное количество полезного компонента.

Технологические показатели процессов обогащения

 

Различают 2 группы показателей:

1. Характеризующие количество обогащаемого материала;

2. Характеризующие качество обогащаемого материала и продуктов обогащения.

К количественным показателям относятся нагрузка и выход.

 

 Нагрузка (Q, т/ч) - это выраженное в тоннах в час количество материала, поступающего в операцию.

Выход (g, %) - это выраженное в процентах к исходному материалу количество продукта.

                            g =  Q_прод× 100/Q_исх, %

 

Качество продуктов обогащения оценивается следующими показателями.

Для углей - это:

Зольность (А^d, %), характеризует количество негорючего остатка после сжигания единицы массы продукта.

Влажность (W^r,%), характеризует содержание влаги в единице массы продукта.

Содержание серы - сернистость (S^d,%), характеризует содержание серы в углях или продуктах обогащения.

Содержание летучих веществ (V^d,%) - характеризует содержание углеводородов в угле.

Для коксующихся углей характерны следующие качественные показатели:

А^d_исх = 25 - 40 %…..исходный уголь;

А^d_к-т  = 4 – 8 %…….концентрат;

А^d_пп = 35 – 45 %….промпродукт;

А^d_отх = 75 – 85 %….отходы.

 

Для руд используются следующие показатели:

· Содержание металла в исходной руде…. a, %;

· Содержание металла в концентрате …… b, %;

· Содержание металла в отходах ………….q, %;

 

Эффективность процесса оценивается показателем, который называется извлечение (e, %).    e = g×b/a, % 

           

Виды операций обогащения

 

Процесс обогащения включает следующие операции:

1. Подготовительные. К ним относятся: дробление, измельчение, грохочение. Предназначены для подготовки материала к обогащению.

2. Основные. К ним относятся: гравитационные процессы, флотационные процессы, магнитное обогащение, электрическое обогащение, специальные методы обогащения. Предназначены для непосредственного разделения минерала на полезные компоненты и отходы.

3. Заключительные. К ним относятся: обезвоживание, классификация на товарные сорта. Предназначены для доведения продуктов обогащения до нормативных показателей.

Последовательность операций обогащения называется технологической схемой.

На рисунке 1.1 представлен процесс обогащения в виде блок- схемы.

 

 

 

          Рисунок 1.1 – Блок - схема процесса обогащения

Свойства минералов и методы обогащения

 

В основу процесса обогащения положены различия минералов в определённых свойствах. Чем контрастнее эти различия, тем выше эффективность разделения минералов. К свойствам минералов, положенным в основу разделения, относятся:

· Плотность;

· Смачиваемость водой;

· Магнитная восприимчивость;

· Электропроводность;

· Группа свойств, положенных в основу специальных методов обогащения.

Плотность положена в основу гравитационных процессов, к которым относится: обогащение в тяжёлых средах, отсадка, обогащение на концентрационных столах, обогащение на шлюзах, в винтовых сепараторах, тяжелосредных гидроциклонах.

Различие в смачиваемости положено в основу процесса флотации.

Различие в магнитных свойствах положено в основу магнитного обогащения.

Различие в электрических свойствах положено в основу электросепарации.

Различие в цвете, блеске, твёрдости, коэффициенте трения, радиоактивном излучении и т. д. положено в основу специальных методов обогащения.

Примеры основных операций обогащения

 

1. Гравитационное обогащение

 

Гравитационные методы обогащения основаны на различии в плотности разделяемых компонентов. Один из методов - обогащение в тяжёлых средах. Разделение происходит в жидкости, имеющей плотность промежуточную относительно плотностей разделяемых минералов (рис.1.2).

 

 

 

Рисунок 1.2 – Разделение в тяжёлых средах

 

Частицы угля, имеющие плотность меньше плотности разделения, под действием сил Архимеда поднимаются на поверхность разделяющей среды. Частицы породы, имеющие плотность выше плотности разделяющей среды, опускаются вниз. Таким образом, неупорядоченная смесь угля и породы разделяется на два продукта: концентрат и отходы.

 

2 Флотационное обогащение

 

Флотационные методы обогащения основаны на различии в смачиваемости разделяемых компонентов. В этой связи все минералы делятся на две группы: гидрофильные – смачиваемые водой; гидрофобные – несмачиваемые водой.

 Разделение происходит в водной среде, где кроме твёрдой фазы, т.е. непосредственно обогащаемого материала, присутствует газообразная фаза - пузырьки воздуха (рис.1.3).

Поднимаясь на поверхность флотационной камеры, пузырьки воздуха сталкиваются с гидрофобными и гидрофильными частицами материала. Гидрофобные частицы (зерна угля) прилипают к пузырькам воздуха и выносятся на поверхность камеры. Гидрофильные частицы породы смачиваются водой, не прилипают к пузырькам воздуха и остаются в объёме камеры.

Таким образом, происходит разделение материала на два продукта (уголь - порода) в результате различной смачиваемости частиц.

 

 

     

 

 

Рисунок 1.3 – Схема флотации

 

3 Магнитное обогащение

 

Магнитные методы обогащения основаны на различии в магнитных свойствах разделяемых компонентов. Процесс предназначен для обогащения руд чёрных металлов (железных, марганцевых, хромовых). Обогащение осуществляется в воздушной либо в жидкой среде (рис.1.4).

 

 

 

 

Исходная руда с водой (пульпа) поступает в ванну сепаратора 1. Магнитные частицы, попадая в зону действия поля магнитной системы, притягиваются к барабану 2, выносятся им за область действия поля и удаляются с поверхности барабана скребком 4. Немагнитная фракция разгружается в нижней части ванны сепаратора.

 

4 Электросепарация

 

Процесс электросепарации полезных ископаемых основан на различии в электропроводности разделяемых компонентов. На рисунке 1.5 приведена схема электростатического сепаратора.

 

 

   

 

Рисунок 1.5 – Схема электростатического сепаратора

 

Исходный материал крупностью 0 – 3 мм поступает на заряженный осадительный электрод, выполненный в виде барабана из нержавеющей стали. Проводники, соприкасаясь с барабаном, заряжаются одноимённым с ним зарядом и отталкиваются от него. Непроводники дольше удерживаются на барабане и имеют другую траекторию. В средней части сепаратора разгружаются полупроводники. Таким образом, неупорядоченная смесь зёрен с различной электропроводностью разделяется на три качественно разных продукта: концентрат (проводники); промпродукт (полупроводники); отходы (непроводники).

 

5 Обогащение по трению (специальные методы)

 

Этот метод основан на различии в коэффициентах трения разделяемых минералов. Обогащение осуществляется на наклонной поверхности (рис.1.6). Частицы, отличающиеся коэффициентом трения, приобретают на наклонной плоскости различную скорость и, следовательно, имеют различную траекторию движения. Таким образом, происходит их разделение.

 

 

 

Рисунок 1.6 – Схема обогащения по трению (на наклонной плоскости)

 

 

Контрольные вопросы.

 

1. Объясните назначение процессов обогащения.

2.Назовите виды полезных ископаемых, которые необходимо обогащать.

3.Перечислите продукты обогащения и ориентировочно укажите их качество.

4. Назовите виды операций обогащения и их назначение.

5. Укажите свойства минералов, на различии в которых основано их разделение.

 

Литература: 1-4.

 

Лекция № 2

 

Вопросы, выносимые на лекцию: Назначение подготовительных операций, законы дробления, степень дробления, стадии дробления, способы дробления, дробилки щековые, конусные, валковые, молотковые,схемы дробления.

 

Подготовительные операции

 

Подготовительные операции предназначены для подготовки материала по крупности перед обогащением. К ним относятся следующие процессы:

Дробление

Операция предназначена для уменьшения материала по крупности. Физическая сущность процесса состоит в преодолении внутренних сил сцепления зёрен дробимого материала.

Энергия, затрачиваемая на дробление, во многом зависит от твёрдости материала. В этой связи все минералы по твёрдости делятся на следующие категории:

Законы дробления

Существует несколько гипотез, трактующих теоретические основы процессов разрушения полезных ископаемых, предложенных различными авторами.

Согласно закону Риттингера, работа, затраченная на дробление минерала, пропорциональна вновь образованной поверхности зёрен.

А_р = к^¢×D² [Н×м]

 

где к^¢ - коэффициент пропорциональности; D – размер частицы, м.

 

Согласно закону Кика – Кирпичёва, работа, затраченная на дробление минерала, пропорциональна объёму деформированного материала.

 

А_к-к= к^¢¢×D³ [Н×м]

Согласно закону Бонда, работа, затраченная на дробление минерала, пропорциональна среднему геометрическому из объёма и поверхности разрушаемых зёрен.

А_Б= к^¢¢¢×Ö D²× D³ [Н×м]

 

Степень дробления

Основной показатель, который характеризует качество процесса, называется степень дробления. Он представляет собой отношение размера максимального куска до дробления к размеру максимального куска после дробления.

                                

 

Если дробление осуществляется в несколько стадий, то общая степень дробления представляет собой произведение частных степеней дробления.

 

                          

где  - частные степени дробления

 

Стадии дробления

В зависимости от способа добычи руды и требований к крупности дроблёного продукта различают следующие стадии дробления:

1.   Крупное дробление: 1500 – 300 мм;

2.   Среднее дробление: 300 – 50 мм;

3.   Мелкое дробление:    50 - 10 мм.

Способы дробления

 

Способы дробления (рис.2.1) определяются характеристикой дробимого материала (твёрдость, хрупкость, вязкость), а так же требованиями к продуктам дробления. Применяются следующие способы:

1. Раздавливание;

2. Раскалывание;

3. Излом;

4. Удар;

5. Истирание.

 

2

4

 

 

Рисунок 2.1 – Способы дробления полезных ископаемых

Дробилки и их типы

 

В зависимости от характеристики исходного материала (твёрдый, хрупкий, мягкий), а так же от необходимой крупности дробления применяют дробилки следующих типов:

1. Щековые;

2. Конусные;

3. Двухвалковые с гладкими валками;

4. Двухвалковые зубчатые;

5. Молотковые.

 

Щековые дробилки

 

Щековые дробилки применяются для крупного дробления твёрдых материалов. Способ дробления – раздавливание. Схема дробилки приведена на рисунке 2.2.

 

 

Рисунок 2.2 – Схема щековой дробилки

 

 

Щековая дробилка работает следующим образом. Исходная руда загружается в рабочее пространство между неподвижной и подвижной щекой. В результате вращения эксцентрикового вала шатун совершает возвратно – поступательное движение в вертикальной плоскости, при этом меняется угол между распорными плитами. При увеличении угла подвижная щека приближается к неподвижной. Происходит раздавливание материала. При обратном ходе подвижная щека отходит от неподвижной. Разрушенный материал разгружается через выпускное отверстие. Степень дробления регулируется перемещением регулировочного клина 7. Для предохранения дробилки от поломок распорная плита 5 изготавливается заниженного сечения.

Промышленные модели: ЩДП, ЩДС – с простым и сложным качанием щеки.

Конусные дробилки

 

Конусные дробилки применяются для крупного, среднего и мелкого дробления твёрдых руд. Промышленные модели:

1. ККД – конусная дробилка крупного дробления;

2. КСД - конусная дробилка среднего дробления;

3. КМД - конусная дробилка мелкого дробления.

 

На рисунке 2.3 представлена дробилка крупного дробления ККД.

 

 

Рисунок 2.3 – Конусная дробилка крупного дробления ККД

 

В процессе работы система привода (конические шестерни 4,5, эксцентриковый стакан 6) обеспечивает обкатывание подвижного конуса по внутренней поверхности неподвижного, при этом происходит раздавливание материала, находящегося в рабочем зазоре между подвижным и неподвижным конусами. Дроблёный материал просыпается через зазор между неподвижным и подвижным конусом, когда расстояние между ними максимальное.

Недостаток дробилки ККД – неравномерность дроблёного материала по крупности.

В дробилках среднего и мелкого дробления (КСД, КМД) подвижный и неподвижный конусы имеют одно направление (рис. 2.4), поэтому между ними образуется параллельная зона. Это обеспечивает равномерность дробления материала по крупности. В отличие от ККД, в указанных дробилках подвижный конус не подвешивается на траверсе, а устанавливается в нижней части дробилки в блоке с приводом.

 

 

 

Рисунок 2.4 – Конусная дробилка среднего дробления КСД (фрагмент)

Валковые дробилки

 

В практике обогащения применяются валковые дробилки следующих типов:

· Двухвалковые дробилки с гладкими валками;

· Двухвалковые зубчатые дробилки.

 

Молотковые дробилки

Эти дробилки широко применяются в практике углеобогащения для дробления промежуточного продукта (промпродукта) с целью его раскрытия и дальнейшего дообогащения (рис. 2.7). Рабочим органом молотковой дробилки является ротор, состоящий из ряда одинаковых дисков, насаженных на валу. Между дисками шарнирно закреплены молотки.

В процессе работы при вращении ротора молотки принимают радиальное положение. Поступающий сверху материал отбрасывается молотками на отбойную плиту и разрушается. Додрабливание материала происходит при попадании его между молотками и колосниковой решеткой.

Поскольку скорость вращения ротора высока (до 1000 об/мин), ротор должен тщательно балансироваться. В противном случае дробилка может быть сорвана с фундамента. Масса молотков колеблется от 3 до 180 кг.

       

Рисунок 2.7 – Молотковая дробилка

 

Схемы дробления

В зависимости от характеристики исходного материала и от требуемой конечной крупности дробленого материала, могут быть реализованы одно, двух и трёхстадиальные схемы дробления (рис. 2.8 а,б,в).

 

 

 

 

Рисунок 2.8 – Схемы дробления: а – одностадиальная; б –   двухстадиальная; в - трёхстадиальная

 

Схемы а и б с открытым циклом дробления. Схема в с замкнутым циклом дробления. Эта схема исключает попадание в готовый продукт частиц больше размера отверстия сита (т.е. больше 12 мм).

 

Контрольные вопросы:

1.Назначение подготовительных процессов. Их виды.

2. Законы дробления. Их трактовка.

3. что характеризуют понятия степень дробления, стадии дробления.

4. Особенность щековых дробилок. Принцип работы.

5. Конусные дробилки. Их типы, особенности.

6. Валковые дробилки. Область применения.

7. Схемы дробления. Их разновидности.

 

Литература. 1-4.

Лекция № 3

 

Вопросы, выносимые на лекцию: Сущность процесса измельчения, мельницы, критическая скорость вращения мельниц, схемы измельчения.

Измельчение

Измельчение – это операция, предназначенная для раскрытия минерала перед непосредственным обогащением.

Раскрыть минерал, значит измельчить его до размера вкраплений ценного компонента, т.е. отделить от вмещающей породы, превратить его в механическую смесь ценного минерала и пустой породы.

Для большинства руд раскрытие происходит при измельчении их до крупности 0.074 мм.

Мельницы

Раскрытие минералов осуществляется путём их измельчения в мельницах. На измельчение, как правило, поступает руда после операции мелкого дробления крупностью 0 – 10; 0 – 12; 0 – 25 мм.

В зависимости от вида дробящей среды мельницы подразделяются на следующие типы:

1. Шаровые;

2. Стержневые;

3. Мельницы самоизмельчения

 

Шаровые мельницы

Мелющими телами шаровой мельницы являются стальные шары диаметром от 10 до 55 мм. Схема мельницы приведена на рисунке 3.1.

 

 

Рисунок 3.1 – Схема шаровой мельницы

 

Исходная руда после мелкого дробления поступает в барабан мельницы через загрузочную цапфу вместе с водой в соотношении Т: Ж = 1: 1.

В процессе работы барабан вращается со скоростью 10 - 15 мин ^–1, при этом, в результате действия шаров, происходит комбинированное разрушение материала (раздавливание, удар, излом, истирание). Измельчённый материал удаляется из мельницы через разгрузочную цапфу вместе с водой и называется слив мельницы.

Степень заполнения мельницы шарами составляет 40 –50 % от её объёма. Для повышения шаровой загрузки в мельницах типа МШР между барабаном и крышкой устанавливается решётка.

Измельчение очень энергоёмкий процесс. Мельница 4 ´ 8 (D´L) потребляет электроэнергии 2500 кВт/ч.

 

Стержневые мельницы

 

По конструкции стержневые мельницы аналогичны шаровым. Отличительной особенностью стержневых мельниц являются мелющие тела, представляющие собой стержни различного диаметра.

 По сравнению с шаровыми, стержневые мельницы дают более грубый помол. Обычно они устанавливаются на 1-й стадии измельчения.

 

Мельницы самоизмельчения

Мельницы этого типа применяются для измельчения твёрдых пород. Дробящей средой являются непосредственно куски дробимого материала. Максимальная крупность кусков – до 500 мм.

Технология самоизмельчения объединяет в себе среднее и мелкое дробление, а так же 1-ю стадию измельчения, что является достоинством этого процесса.

Конструктивно мельницы самоизмельчения выполняются большого диаметра (5.5 – 11 м) и относительно малой длины D:L =3:1. С помощью лифтёров, расположенных на торцовых крышках, куски руды поднимаются в верхнюю точку барабана и при падении разрушают находящийся внизу материал.

 

 

Рисунок 3.2 – Схема мельницы самоизмельчения ММС

На разгрузочной цапфе мельницы установлена бутара (конический грохот). Надрешётный продукт бутары (+10 мм) возвращается в мельницу на доизмельчение. Самоизмельчение может производиться в мельницах мокрого и сухого самоизмельчения.

Схемы измельчения

В зависимости от требуемой крупности измельчённого продукта применяются 1,2,3 – стадиальные схемы измельчения. Во всех схемах предусматривается классификация слива мельницы с целью выделения из него тонкой (0 - 0.074 мм) и зернистой фракции (> 0.074 мм). Как правило, мельница работает в замкнутом цикле с классификатором, пески которого (зернистая фракция) возвращаются на доизмельчение в мельницу. Конечный слив классификации поступает на обогащение. На рисунке 3.3 а,б приведены одно и двухстадиальные схемы измельчения. На рисунке 3.3 в – схема самоизмельчения.   

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.3 – Схемы измельчения: а – одностадиальная; б -  двухстадиальная; в - самоизмельчения

 

Контрольные вопросы:

1.Что обозначает понятие «раскрыть минерал».

2. Шаровые мельницы. Конструктивные особенности.

3.Что обозначает понятие «слив мельницы», «пески».

4.Стержневые мельницы. Отличие от шаровых.

5.Мельницы самоизмельчения. Конструктивные особенности.

6. Критическая скорость вращения мельниц.

7. Схемы измельчения.

 

Литература 1-4.

 

 

Лекция № 4

 

Вопросы, выносимые на лекцию: Назначение операции грохочения, виды грохочения, гранулометрический состав, характеристика крупности.

 

Грохочение

Грохочение это процесс разделения сыпучего материала на классы крупности с помощью просеивания на ситах.

Виды грохочения

 

Различают следующие виды грохочения:

1. Предварительное грохочение, предназначенное для выделения негабаритных кусков с последующим их додрабливанием (рис.4.1).

 

 

    Рисунок 4.1 – Схема предварительного грохочения

 

2. Подготовительное грохочение, предназначенное для разделения материала на машинные классы перед обогащением (для углей).

 

 

Рисунок 4.2 – Схема подготовительного грохочения

К машинным классам относятся:

 

1. 13 –100 мм – крупный машинный класс;

2. 0.5 –13 мм – мелкий машинный класс;

3. 0 – 0.5 мм – класс флотационной крупности.

 

3. Обезвоживающее грохочение применяется после мокрых процессов обогащения с целью отделения от продуктов влаги и шламов.

 

 

 

        Рисунок 4.3 – Схема грохочения с целью обезвоживания

 

4. Самостоятельное грохочение применяется для разделения концентрата на товарные сорта (для антрацитов).

 

 

 

   Рисунок 4.4 – Схема самостоятельного грохочения

 

Гранулометрический состав

Класс, мм