Физические основы обогащения тонкодисперсных минеральных частиц в нестационарном центробежном поле

Актуальность проблемы. Горнорудная промышленность все чаще г.

I встречается с необходимостью переработки большого разнообразия минерального сырья, характеризующегося тонкой вкрапленностью ценных компонентов, а также сложной текстурой и структурой руд. Применение известных технологических процессов переработки такого вида сырья обеспечива-i ет возможность получения невысоких технологических показателей обогащения, а в ряде случаев приводит к систематическому их снижению. Потери | ценных компонентов, находящихся в рудном материале в тонких классах крупностью менее 74 мкм достигает при этом 50% и более. Аналогичные трудности возникают и при разработке технологии обогащения сырья техно-д, генных месторождений, сформированных в результате длительной работы обогатительных фабрик.

Прогресс в решении возникающих проблем интенсификации технологии тонковкрапленных руд возможен при развитии исследований в двух направлениях: совершенствование известных методов и приемов обогащения таких руд и разработке новых нетрадиционных подходов к их переработке. На наш взгляд наиболее высокие технико-экономические показатели могут быть получены при развитии второго направления, чему и посвящается настоящая работа в области развития одного из эффективных направлений технологии интенсивной гравитации.

Основная научная идея работы — разделение рудных и породообразующих минеральных частиц различных классов крупности, в т. ч. и тонкодисперсных, возможно на основе использования нестационарного центробежного поля, обеспечивающего разные траектории движения минералов в обогатительном аппарате.

Цель работы: разработать научные основы применения нестационар* ного центробежного поля для разделения тонкодисперсных минеральных частиц и эффективное аппаратурное оформление для осуществления этого процесса.

Основные задачи исследований:

1. Проанализировать эффективность основных направлений развития технологии переработки минерального сырья крупностью менее 0,074 мм.

2. Разработать теоретические основы возможности разделения минералов различной плотности и крупности в нестационарном центробежном поле.

3. Создать математическую модель движения минеральных частиц различной крупности и плотности в нестационарном центробежном поле.

4. Сконструировать и изготовить лабораторную установку для переработки рудного материала и выявить основные закономерности поведения минеральных комплексов различного гранулометрического состава.

5. Оптимизировать условия разделения минеральных частиц в условиях многофакторного планирования эксперимента.

6. Разработать методические основы построения схемы обогащения руд в условиях нестационарного центробежного поля и оценить ее на основе технико-экономических расчетов.

7. Выполнить технологические исследования по обогащению рудного материала на основе рекомендуемой технологии.

Объекты исследования — искусственные смеси, составленные из различных рудных минералов крупностью менее 0,0074 мм и породообразующих минералов крупностью менее 2,0 ммпробы руд разных месторождений.

Предмет исследования — условия разделения тонкодисперсных минеральных частиц в нестационарном центробежном поле.

Методы исследований. В процессе выполнения диссертационной работы использован комплекс современных методов исследования, включающий теоретические выводы и обобщения, лабораторные и полупромышленные испытания. Применены анализ и обобщение литературных и фондовых материалов, лабораторные исследования условий разделения рудных и породообразующих минералов в нестационарном центробежном поле, теория планирования эксперимента, рентгено-спектральный метод анализа продуктов обогащения, обработка результатов исследования с использованием закона нормального распределения, оптимизация условий разделения минералов с применением многофакторного планирования эксперимента, математическое моделирование процесса с применением ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование возможности разделения тонкодисперсных минеральных частиц в нестационарном центробежном поле.

2. Закономерности движения тонко дисперсных минеральных частиц в нестационарном центробежном поле, обеспечивающие методические принципы конструирования аппаратуры с разработкой технологии их обогащения.

Достоверность научных положений обусловлена применением современной обработки статистической информации экспериментальных данных. достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований и подтверждена эффективной работой созданных экспериментальных установок с проверкой разработанной технологии в полупромышленных условиях.

Научная новизна работы:

— теоретически обоснована возможность разделения материалов крупностью менее 0,074 мм с применением нестационарного центробежного поля;

— разработана математическая модель процесса разделения минеральных частиц, позволяющая определить основные конструктивные параметры установок для их обогащения;

— выданы научные рекомендации, позволяющие установить оптимальные пределы параметров работы установок для разделения тонкодис-. персных материалов с получением необходимых технологических результатов по качеству концентратов и извлечению в них ценных компонентов. Практическое значение работы: обоснована целесообразность применения нестационарного центробежного поля в качестве одного из направлений технологии интенсивной гравитации для разделения тонких минеральных частиц, которые традиционными методами обогащения практически не извлекаютсяразработана и испытана на продуктах хвостохранилища Орловской обогатительной фабрики интенсивная технология обогащения отвальных продуктов фабрики с получением кондиционных тантал-ниобиевых концентратовпредложены новые способы обогащения шламов и устройства для их осуществления, защищенные патентами РФ.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс в ЧитГТУ при ч. чтении лекционного курса «Технология обогащения полезных ископаемых» для студентов специальности «Обогащение полезных ископаемых». Личный вклад автора:

— разработка основной идеи и цели работы, постановка задач исследований и методология их решения;

— проведение экспериментальных исследований и обработка полученных результатов с применением ЭВМ;

— создание математической модели процесса;

— разработка устройств, обеспечивающих технологию разделения минералов в условиях нестационарного центробежного поляi.

— проведение проверки работы опытной установки для обогащения тонкодисперсных материалов в полупромышленных условиях.

Оценка эффективности результатов работы — проведена на Орлов1.

I ском ГОКе при обогащении отвальных продуктов хвостохранилища, а рекоI I мендованная схема принята к внедрению в технологической цепочке на Орловской обогатительной фабрике для снижения потерь со шламами при переработке тантал-ниобиевых руд после восстановления предприятия и запуска в работу.

Апробация работы. Основное содержание диссертации и ее отдельные положения докладывались на международных конференциях и научно-технических совещаниях: вторая научно-техническая конференция, посвященная 25-летию горного института (г.Чита, 1999 г.) — региональная конференция «Проблема освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (г.Чита, 2000 г.) — «Выставка результатов научно-технической деятельности Забайкалья» (г.Чита, ЧитГТУ октябрь 2000 г.) — международная научно-техническая конференция «Передовые технологии и технико-экономическая политика освоения месторождений в XXI веке» (г. Красноярск, КГАЦМиЗ, ноябрь 2000 г.) — третья научно-техническая конференция Горного института (г.Чита, ЧитГТУ 2000 г.) — краевая научная практическая конференция «Новые технологии для управления и развития региона» (г. Красноярск, КГАЦМиЗ, 2000 г.) — Третий конгресс обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2001 г.) — вторая международная конференция «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление.» (г. Чита, ЧитГТУ, 2001 г.) — пятая международная конференция «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, 2001 г.) — межрегиональная научно-техническая конференция посвященная 40-летию ЗабНИИ (г. Чита, ЗабНИИ 2001 г.) — доклад в Горном институте на кафедре «Обогащение полезных ископаемых» (г.Санкт-Петербург 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей, в т. ч. получен патент на изобретение.

Исходные материалы включают результаты исследований, выполненных с участием автора в период НИР ЗабНИИ и ЧитГТУ, включенных в программу «Сибирь» СО АН СССР.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, 74 библиографических источника и содержит 139 страниц, включая 29 рисунков, 34 таблицы, 2 приложения.

4.3. Выводы.

Использованная в работе методика рационального планирования эксперимента, в основу которой положена нелинейная корреляция, а также известная формула М. М. Протодъяконова, предложенная им для обработки статистических данных, дают возможность изучить большое количество факторов, влияющие на разделение минералов. С применением методики достигается экономия в числе экспериментов, определяются эффективные технологические показатели обогащения.

Полученные результаты обработаны ЭВМ по программе «Correlay» разработанной в Читинском горном институте.

При обработке экспериментальных данных построены точечные графики частных функций и кривые аппроксимации.

На основании этих данных определены оптимальные режимы работы установки. Проведены контрольные опыты, результаты которых подтвердили прогнозируемое извлечение. Для эксперимента использовали искусственную смесь: в качестве вмещающей породы кварцевые пески, ценный компонент представлен галенитом.

Исследовались классы крупности вмещающей породы: -2,0+1,0 мм- -1,0+0,63 мм- -0,63+0,45 мм- -0,45+0,315 мм- -0,315+0,2 ммкласс крупности ценного компонента (галенит) -0,071+0,045 мм.

Анализ результатов показал, что оптимальные режимы разделения минеральных частиц определены точно и в дальнейшим могут быть использованы, в разработке технологии обогащения тонкодисперсных материалов с применением установки для обогащения шламов.

Выбранный оптимальный режим проверили на редкометальных рудах Орловского месторождения. Сложный вещественный состав руды, сильное ошламование танталовых минералов при измельчении приводят к получению низких технологических показателей.

Для повышения эффективности обогащения разработана и предложена новая технологической схемы. Проведены лабораторные испытания по выделению танталита из продуктов первой и второй стадии обогащения, крупностью -0,14+0,01 мм с применением установки для обогащения шламов.

Рекомендуемая схема в первой стадии обогащения обеспечивает извлечение тантала от исходной руды 77,41% что на 4,98% выше, чем при действующей схеме, во второй стадии 61,56%, что на 2,59% выше, а в третьей стадии извлечение тантала от исходной руды составляет 58,64%, что на 3,8% выше, чем при действующей схеме.

В качестве другого реального объекта приняты хвосты Орловской обогатительной фабрики, накопленные в хвостохранилище предприятия и являющиеся техногенным сырьем. В результате проведенных полупромышленных испытаний получен кондиционный редкометальный концентрат с содержанием Ta2Os -0,8% при содержании в исходном продукте Та205 -0,085%. Выход концентрата составил 4,93%, извлечение Ta2Os — 46,24% при степени концентрации 9,41%. Для получения концентрата с более высоким содержанием Ta2Os необходимо введение 1−2 перечистных операций.

Одновременно удалось получить промпродукт с существенно повышенным значением Та20з до 0,101%. Выход хвостов — 61,94%, при содержании Та205 — 0,02% и извлечении -14,53%.

При создании опытного производства производительностью 1200 т/год установки для обогащения шламов дополнительно обеспечат выпуск концентрата в количестве 59,16 т/год при содержании Ta2Os — 0,8%, извлечении Та205 — 46,24, кроме того промпродукт содержанием Ta2Os — 0,101 и извлечением Та205 — 39,23 в количестве 397,56 т/год будет направлен в качестве исходной руды на обогатительную фабрику. Стоимость дополнительно выпущенного концентрата составит 2 964 000 рублей в год.

Испытанная установка и метод обогащения шламов рекомендуется использовать в промышленном масштабе для обогащения исходной тантал-ниобиевой руды и отвальных продуктов, находящихся в хвостохранилище и являющихся техногенным сырьем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработаны научные основы применения нестационарного центробежного поля для разделения минеральных частиц крупностью менее 0,074 мм с использованием различий в их крупности и плотности. Предложенные на основе этого технология и ее аппаратурное оформление позволяют значительно повысить эффективность переработки рудного и техногенного сырья, содержащего в своем составе тонкодисперсные частицы.

В диссертационной работе основные научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. Проанализированы накопленный в отечественной и зарубежной практике научный материал и достижения промышленности в области обогащения шламов, позволяющие подойти с новых позиций к решению проблемы и разработке более эффективных направлений интенсификации переработки руд на базе развития новых технологий интенсивной гравитации.

2. Предложено сосредоточить усилие на использовании нестационарного центробежного поля при разделении тонкодисперсных частиц на основе построения технологических схем и аппаратов в условиях оптимального гравитационного поля и с максимальным учетом различий в свойствах минералов.

3. Разработаны теоретические основы возможности разделения тонкодисперсных минеральных частиц в условиях применения нестационарного центробежного поля на основе законов классической механики, гидравлики и физики.

4. Выявлены закономерности движения частиц различной плотности и крупности в нестационарном центробежном поле, позволившие доказать, что тонкодисперсные частицы ценных компонентов, имеющие более высокую плотность, чем породообразующие минералы, движутся в рабочем пространстве цилиндрической формы по направлению к периферийной его части, а породообразующие резко отстают в движении и остаются в области, близкой к его центральной части. Такой характер движения частиц позволяет добиться их разделения по плотности и крупности с выделением их в разные части рабочего пространства.

5. Разработана математическая модель движения минеральных частиц в нестационарном центробежном поле и предложено дифференциальное уравнение для описания этого процесса.

6. Теоретические разработки, выполненные в диссертационной работе, позволили получить:

• Уравнение смещения частицы от оси вращения рабочего органа, соответствующее единицы времени.

• Уравнение значения мгновенной радиальной скорости движения частицы.

• Решение уравнения описывающего статистические многофакторные зависимости.

• Зависимости, являющиеся основой при конструктивной разработке аппаратов для обогащения шламов в нестационарном центробежном поле.

7. Экспериментально доказана достоверность теоретических расчетов траекторий движения различных минеральных частиц и показана применимость формулы эффективности разделительного процесса Ханкока для переработки шламов различной крупности в нестационарном центробежном поле.

В лабораторных условиях при обогащении пробы породообразующих минералов, содержащих танталит-колумбит, получено извлечение Та205 в концентрат из следующих классов крупности: (-0,063)+0,04 мм — 75%- (-0,04)+0,03 мм — 70,15%- (-0,03)+0,02 мм — 65,27- (-0,02)+0,01 — 64,95- (-0,01)мм — 60,0%. Аналогичные результаты получены при разделении других минералов.

8. На основе многофакторного планирования эксперимента установлены основные оптимальные параметры работы аппарата, обеспечивающие получение максимальных технологических показателей по извлечению ценного компонента и содержащего его в концентрате:

— время, достаточное для разделения минеральных частиц и частиц породообразующих минералов — 60 сек.;

— частота колебаний рабочего органа устройства для обогащения шламов — 9 кол./сек.;

— содержание твердого — 100%- 60%;

— угол наклона рабочего органа, к горизонту — 30°- отношение диаметра частицы вмещающей породы к диаметру частицы ценного компонента dB. n/ dUK. — 25,39.

9. Определены методические принципы конструирования аппаратуры с разработкой технологии обогащения тонкодисперсных минеральных комплексов.

10. В диссертации разработан новый способ разделения минералов, основанный на усиления контрастности разделительных условий за счет дополнительного введения растворов солей, защищенный патентом.

11. На основе выполненных исследований разработана и теоретически обоснована новая технология переработки лежалых тантало-ниобиевых хвостов. Проведены полупромышленные испытания по переработке техногенного сырья Орловской обогатительной фабрики, в результате которых получен кондиционный редкометальный концентрат, содержащий ТагОз, 0,8% при извлечении Td^Os 46,24%. Технология позволяет получит прибыль в сумме 2 964 000 рублей при производительности установки на руде 1200 т/год.