Введение к работе
Актуальность работы. Основу современной минерально-сырьевой базы России составляют труднообогатимые руды со сложным вещественным составом и пониженным содержанием ценных компонентов. Типичным примером этого являются сплошные колчеданные руды – главный источник производства меди. Данные руды содержат золото, которое извлекают как попутный компонент, что существенно влияет на рентабельность переработки руд. Повышение извлечения ценных компонентов из руд и качества концентратов остается актуальной проблемой обогатительных технологий. Ее решение может быть достигнуто путем разработки новых схем переработки руд и совершенствования флотации – основного процесса обогащения сульфидных руд (В.А. Чантурия, 2008).
В используемых схемах необходимую концентрацию извлекаемого компонента в питании (начале процесса) получают, возвращая значительные потоки промежуточных продуктов. Однако смешение разных по разделяемости, но одинаковых по содержанию металлов продуктов может оказаться невыгодным, т.к. равенство концентраций в продуктах не эквивалентно их тождественности в смысле способности к разделению (Л.А. Барский, В.З. Козин, 1978, О.Н. Тихонов, 1984, В.Д. Самыгин, 1987). Содержание извлекаемого компонента в питании цикла увеличивается, а сложность смеси, как объекта разделения, уменьшается, если операции основной концентрации металла и перечистки чернового концентрата (методом гравитации или флотации) выполнять в одних аппаратах. Это подтверждается результатами настоящей работы.
Новым способом флотационной сепарации является флотация термонагруженными пузырьками (пузырьками воздуха, заполненными водяным паром), при которой селективность минерализации пузырьков и полнота извлечения частиц повышаются (С.И. Евдокимов, А.Б. Солоденко и др., 2004).
Однако индивидуальность и своеобразие руд вносят изменения в общие закономерности разделительных процессов, что потребовало дать теоретическое объяснение механизму и раскрыть причины высокой эффективности процесса флотации термонагруженными пузырьками с целью обоснования перспектив ее применения при переработке медных колчеданных руд.
Цель работы – разработка технологии обогащения колчеданных медно-цинковых руд на основе совершенствования схемы и режима разделения минералов, обеспечивающих проведение процесса с максимальным технико-экономическим эффектом.
Идея работы заключается в том, что разделение минералов методом гравитации и флотации в операции, выдающей черновой концентрат, осуществляют после формирования материала с высоким уровнем обогатимости, а для интенсификации флотации используют мелкие термонагруженные пузырьки, полученные из составного паровоздушного потока с присадкой пенообразователя.
Объект исследования: сплошные колчеданные руды Урупского месторождения.
Предмет исследования: гравитационно-флотационная технология извлечения золота и меди из золотосодержащих руд цветных металлов.
Методы исследований: минералогический, гранулометрический, седиментационный, химический, пробирный и атомно-абсорбционный методы анализов; оценка смачиваемости минеральной поверхности путем измерения времени индукции пузырька воздуха. Натурные эксперименты по обогащению руд методом гравитации и флотации проводили с использованием стандартных установок, а также математических методов планирования эксперимента. При проведении технологических исследований в промышленных условиях использованы отраслевые методики, принятые для фабричной практики переработки руд. Автором разработан метод измерения размера пузырьков, основанный на возбуждении в витках катушки ЭДС индукции при изменении магнитного потока через поверхность витков при образовании в объеме магнитной жидкости, заполняющей катушку, всплывающего пузырька.
Защищаемые научные положения:
-
Механизм процесса флотации с применением энергетического и физико-химического воздействий на газовую фазу и причины, обусловливающие его высокую эффективность:
– механизм процесса флотации пузырьками, образованными из термонагруженного потока воздуха с присадкой пенообразователя, заключающийся в интенсификации всех стадий процесса взаимодействия частицы с пузырьком;
– из термонагруженного потока воздуха с присадкой пенообразователя образуются мелкие пузырьки, вероятность столкновения с которыми частиц всех классов крупности выше;
– селективность прилипания увеличивается за счет роста предельной толщины межфазной пленки между частицей и пузырьком вследствие уменьшения времени релаксации адсорбционного слоя под действием температуры;
– влияние температуры на прочность контакта частицы с пузырьком заключается: в отторжении с поверхности пузырька частиц с уменьшением размера пузырька и ростом избыточного капиллярного давления газа в нем; в упрочнении контакта за счет роста величины депрессии поверхностного натяжения вследствие уменьшения величины максимального динамического поверхностного натяжения.
2. Результаты физико-математического моделирования и экспериментального исследования процесса тепломассообмена при барботировании паровоздушной смеси в жидкость.
3. Способ и устройство измерения размера пузырьков, основанный на анализе спектра индукционного сигнала, возбуждаемого в витках катушки, заполненной ферромагнитной жидкостью, пузырьком воздуха.
4. Математическая модель радиального перемещения тяжелых частиц в рабочей зоне центробежного сепаратора, полученная с использованием аппроксимации кривой Рэлея в диапазоне средних чисел Рейнольдса.
5. Результаты разработки и исследования технологии обогащения труднообогатимых колчеданных медных руд методом флотации с попутным извлечением золота методом гравитации.
Новизна научных положений.
1. Выявлены механизм процесса флотации пузырьками, полученными из составного паровоздушного потока с присадкой пенообразователя, и обусловливающие его факторы, а также причины высокой эффективности процесса, анализ которых показал, что тепломассообмен пузырьков с окружающей жидкостью инициирует все стадии процесса взаимодействия частицы с пузырьком – их столкновения, закрепления и удержания частицы пузырьком до выноса в пенный слой.
2. Установлены закономерности, показывающие, что скорости процессов тепломассообмена паровоздушных пузырьков с окружающей жидкостью и их взаимодействия с частицей в динамических условиях, моделирующих промышленный процесс, примерно равны, что делает их взаимозависимыми, а стенка пузырька совершает затухающие колебания за счет фазовых переходов.
3. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что величина индукционного сигнала в катушке зависит от размеров проходящего через катушку пузырька и его смещения относительно оси катушки.
4. Получена математическая модель, связывающая скорость радиального перемещения частиц на границе раздела тяжелой жидкости и воды в центробежном сепараторе с физическими свойствами частиц и среды разделения.
5. Предложен принцип построения технологических схем, заключающийся в эффективном формировании в начале процесса материала с высоким уровнем обогатимости методом гравитации и флотации за счет смешения грубого концентрата с исходным питанием.
Практическое значение работы заключается в том, что на основании теоретических и экспериментальных исследований разработана и испытана в промышленных условиях рациональная технология извлечения металлов из труднообогатимой медной руды на основе нового принципа построения схемы и физико-химического воздействия на газовую фазу при флотации, обеспечивающая повышение извлечения меди и золота. Результаты работы приняты для промышленного использования, что позволяет получить значительный экономический эффект. Полученные результаты используются в учебном процессе СКГМИ (ГТУ) в качестве методического материала при чтении лекций по темам «Флотационные методы обогащения», «Гравитационные методы обогащения», при проведении спецкурса по специальности «Обогащение полезных ископаемых».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, подтверждается большим объемом экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях, использованием фундаментальных законов теплофизики и теории разделительных процессов, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, использованием методов математической статистики.
Личный вклад автора заключается в проведении аналитического обзора научно-технической информации о существующих методах переработки медных колчеданных руд, выполнении экспериментальных исследований по изучению закономерностей флотации составным паровоздушным потоком с присадкой пенообразователя, разработке технологии, анализе и обобщении полученных результатов, формулировании выводов.
Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались на Уральском горно-промышленном форуме «Горное дело, оборудование, технологии» (Екатеринбург, 2009 г.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2009-2010 гг.), VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий» (Владикавказ, 2010 г.), 1-ой Региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука обществу» (Владикавказ, 2010 г.), VIII конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2011 г.), ежегодных научно-технических конференциях СКГМИ, Владикавказ, 2009-2011 гг., технических совещаниях ЗАО «Урупский ГОК» (2009-2011 гг.)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, в том числе 10 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 1 патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 142 наименований и приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 59 таблиц.
