Выпускная квалификационная работа для обогатителя полезных ископаемых (код 21.01. ВКР для обогатителя полезных ископаемых. Горное дело включает в себя добычу полезных ископаемых из недр и их первичную переработку (обогащение)
 Скачать 1.17 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Горное дело включает в себя добычу полезных ископаемых из недр и их первичную переработку (обогащение). Первичная переработка (обогащение) полезных ископаемых является замыкающим звеном в общей технологии и обеспечивает получение товарной продукции, соответствующей кондициям на сырье для химико-металлургической, топливно-энергетической и других отраслей промышленности. От уровня техники и технологии первичной переработки полезных ископаемых все в большей степени зависит рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды. Обогащению подвергаются в настоящее время 100 % добываемых руд цветных и редких металлов, более 90 % руд черных металлов, весь коксующийся и большая часть энергетического угля, все горно-химическое сырье и значительная часть сырья для производства строительных материалов. Современные обогатительные фабрики представляют собой мощные высокомеханизированные и автоматизированные промышленные предприятия со сложными технологическими процессами и схемами, насыщенные разно- образными машинами и аппаратами. Производственная мощность отдельных предприятий достигает 35-40 млн. т руды в год. Технология обогащения полезных ископаемых располагает целым рядом промышленных методов разделения минералов по их физическим и физико- химическим свойствам. Направленное изменение этих свойств дает возможность искусственно повышать контрастность природных свойств минералов, что значительно расширяет круг полезных ископаемых, вовлекаемых в производство. Знание основ технологии первичной переработки и обогащения полезных ископаемых необходимо для всех специалистов горного профиля. Полезные ископаемые - это природные минеральные образования в земной коре неорганического и органического происхождения, химический состав и физические свойства, которых позволяют использовать их в сфере материального производства. В настоящее время более 200 видов минерального сырья применяется в промышленности и сельском хозяйстве. По физическим свойствам различают полезные ископаемые: твердые (рудные, нерудные, уголь, торф), жидкие (нефть, минерализованные воды) и газообразные (газы природные горючие и инертные). Угли - это твердыегорючие вещества органического происхождения. Ископаемые угли имеют различные физические и химические свойства, что обусловленоразличием в исходном растительном материале, глубине химических превращений и внутримолекулярных перестроек растительных остатков. В зависимости от стадии метаморфизма различают: бурый уголь, каменный уголь и антрацит, отличающиеся химическим составом, физическими свойствами и показателями качества. Металлические полезные ископаемые – это руды черных, цветных, редких и благородных металлов. Руда представляет собой агрегат минералов, из которого технологически возможно и экономически целесообразно извлекать металл или его соединения. Таковы, например, руды железа, марганца, свинца, цинка, меди, молибдена, вольфрама и др. По качеству минерального сырья различают богатые (высокосортные), рядовые (средние по качеству) и бедные (низкосортные) руды. Минералами называются природные химические соединения, образовавшиеся в результате естественных химических реакций, более или менее однородные химически и физически. В зависимости от химического состава минералы группируются по классам, из которых важнейшее значение имеют: самородные элементы; сульфиды (соединения металлов с серой); оксиды (соединения металлов и некоторых других элементов с кислородом); силикаты (соединения металлов с кремнием и кислородом) и алюмосиликаты (силикаты, содержащие алюминий). Руды цветных и редких металлов отличаются сложностью минерального и химического состава. В большинстве своем они являются комплексными, полиметаллическими, содержащими несколько цветных и редких металлов в виде минералов, совместное присутствие которых затрудняет или исключает применение металлургических процессов без предварительного разделения их методами обогащения. Развитие техники обогащения значительно расширило сырьевую базу промышленности, позволило вовлечь в активные запасы новые месторождения, содержание в которых металлов очень низкое (десятые, сотые и даже тысячные доли процентов). Современные обогатительные фабрики ежегодно перерабатывают миллионы тонн полезных ископаемых. С каждым годом совершенствуется техника обогащения, создаются новые технологические схемы, новое производительное оборудование, осваиваются новые виды полезных ископаемых и повышается извлечение из них ценных компонентов. 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1 Цель и задачи обогащения полезных ископаемых Природное минеральное сырье, добываемое из недр земли, в большинстве случаев не может быть в естественном виде использовано в народном хозяйстве, поскольку не удовлетворяет требованиям по качеству. Непосредственная металлургическая или химическая переработка добываемых руд из-за низкого содержания полезного компонента экономически невыгодна. Поэтому возникает необходимость предварительного повышения их качества. Кроме того, в добытых полезных ископаемых часто содержатся вредные компоненты. Например, кремнезем, сера и фосфор в железных рудах, фосфор - в рудах титана и ниобия, железо в циркониевых рудах, сера-в углях и т.д. Вредные примеси должны быть максимально удалены из руды до металлургической переработки, так как они ухудшают качество получаемого металла. В связи с отмеченными обстоятельствами более 80 % добываемых полезных ископаемых подвергается обогащению. Обогащение полезных ископаемых - это совокупность методов и процессов первичной переработки минерального сырья с целью концентрации ценных компонентов в кондиционных продуктах путем удаления пустой породы и разделения минералов. При обогащении полезных ископаемых решаются следующие основные задачи: 1.Повышается содержание полезного компонента в сырье; 2.Из сырья удаляется большая часть вредных примесей; 3.Достигается однородность сырья по крупности и вещественному составу. Обогащение полезных ископаемых осуществляется на обогатительных фабриках, которые являются самостоятельными структурами или входят в состав горно-обогатительных или горно-металлургических комбинатов. В результате обогащения природного минерального сырья получают один или несколько концентратов и отходы (хвосты). Концентратом называется продукт обогащения, имеющий более высокое по сравнению с рудой (горной угольной массой) содержание полезного компонента и пригодный для дальнейшей переработки или непосредственного применения в народном хозяйстве. По содержанию основного полезного компонента, примесей, влаги и по гранулометрическому составу концентраты должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов, ОСТов или технических условий. Концентраты получают свое название по основному металлу или минералу (медный, свинцовый, цинковый, молибденовый и т.д.), концентрирующемуся в них в процессе обогащения. Отвальными хвостами называются отходы обогащения, состоящие в основном из пустой породы с незначительным содержанием полезных компонентов, извлечение которых технологически невозможно или экономически невыгодно. Качество продуктов обогащения (концентратов) определяется содержанием в них ценных компонентов (полезных минералов), примесей и гранулометрическим составом. На обогатительных фабриках, обрабатывающих некоторые неметаллические ископаемые, часто получают концентраты, представляющие собой окончательные товарные продукты (известняк, асбест, графит и т.д.), но в большинстве случаев процесс обогащения является промежуточным звеном между добычей сырья и металлургической плавкой (или химической переработкой) концентратов. В результате обогащения достигается значительное повышение содержания полезных компонентов в концентратах по сравнению с рудой. На ряде фабрик цветной металлургии в концентраты извлекаются более 85 % содержащейся в исходной руде меди, 82-90 % свинца и цинка, 70-85 % никеля, вольфрама, молибдена, олова и других металлов. При обогащении полезных ископаемых важным является правильное установление глубины обогащения, определяющей содержания ценных компонентов в хвостах и продуктах обогащения. Для каждого вида сырья оптимальная глубина обогащения определяется путем технико-экономического обоснования с учетом технологических, экономических и экологических факторов. 1.2 Классификация методов обогащения На обогатительных фабриках полезные ископаемые подвергаются ряду последовательных процессов обработки, которые по своему назначению делятся на подготовительные, основные обогатительные, вспомогательные и процессы производственного обслуживания. Подготовительные процессы. К подготовительным относятся процессы дробления и измельчения, при которых достигается раскрытие минералов в результате разрушения сростков полезных минералов с пустой породой (или сростков одних полезных минералов с другими) с образованием механической смеси частиц и кусков разного минерального состава, а также процессы грохочения и классификации, применяемые для разделения по крупности полученных при дроблении и измельчении механических смесей. Задача подготовительных процессов доведение минерального сырья до крупности, необходимой для последующего обогащения, а в некоторых случаях - получение конечного продукта заданного гранулометрического состава для непосредственного использования в народном хозяйстве,(сортировка руд и углей). Основные обогатительные процессы. К основным обогатительным процессам относятся те физические и физико-химические процессы разделения минералов, при которых полезные минералы выделяются в концентраты, а пустая порода в хвосты. Процессы разделения минералов при обогащении полезных ископаемых весьма многочисленны и классифицируются но их принадлежности к тому или иному методу обогащения, разделительному признаку, характеру разделяющих сил и конструктивному исполнению аппаратов. Методы обогащения классифицируют в зависимости от того, какое свойство минералов используется в качестве разделительного признака и каковы основные разделяющие силы. Различают следующие методы обогащения, рис.2.1: 1.Метод гравитационного обогащения (гравитационное обогащение), основанный на различии в плотности разделяемых зерен минералов, осуществляемый в поле гравитационных сил. 2.Метод магнитного обогащения (магнитное обогащение), основанный на различии в магнитной восприимчивости разделяемых минералов, осуществляемый в поле магнитных сил. 3.Метод электрического обогащения (электрическое обогащение), основанный на различии электропроводности разделяемых минералов, осуществляемый в поле электрических сил. 4.Метод флотационного обогащения (флотационное обогащение, или флотация), основанный на различии физико-химических свойств (смачиваемости) разделяемых минералов. 5. Специальные методы обогащения, основанные на различии комбинаций свойств разделяемых минералов. К последним относятся разделение по различию радиоспектроскопических свойств, растворимости, механической прочности, форме и трению, упругости отскока и др. Наибольшее значение имеют методы радиометрического и химического обогащения. Различия в плотности минеральных зёрен используются при обогащении полезных ископаемых гравитационным методом . Его широко применяют при обогащении угля , руд и нерудного сырья. Магнитное обогащение полезных ископаемых основывается на неодинаковом воздействии магнитного поля на минеральные частички с разной магнитной восприимчивостью и на действии коэрицитивной силы . Магнитным способом, используя магнитные сепараторы, обогащают железные , марганцевые , титановые , вольфрамовые и другие руды. Кроме того, этим способом выделяют железистые примеси из графитовых , тальковых и других полезных ископаемых, применяют для регенерации магнетитовых суспензий . Вспомогательные процессы. К вспомогательным относятся процессы обезвоживания продуктов обогащения (путем их сгущения, фильтрования и сушки) для доведения их влажности до установленной нормы или для получения оборотной воды; процессы облагораживания продуктов и подготовки их к металлургическому или химическому переделу (агломерация, окомкование, брикетирование и др.). Заключительные операции в схемах переработки полезных ископаемых предназначены, как правило, для снижения влажности до кондиционного уровня, а также для регенерации оборотных вод обогатительной фабрики . Основные заключительные операции — сгущение пульпы , обезвоживание и сушка продуктов обогащения. Выбор метода обезвоживания зависит от характеристик материала, который обезвоживается, (начальной влажности, гранулометрического и минералогического составов) и требований к конечной влажности. Часто необходимой конечной влажности трудно достичь за одну стадию, поэтому на практике для некоторых продуктов обогащения используют операции обезвоживания разными способами в несколько стадий. Для обезвоживания продуктов обогащения используют способы дренирования ( грохоты , элеваторы), центрифугирования (фильтрующие, осадительные и комбинированные центрифуги), сгущения (сгустители, гидроциклоны), фильтрования ( вакуум-фильтры , фильтр-прессы ) и термической сушки. Процессы производственного обслуживания. К процессам производственного обслуживания относятся операции, обеспечивающие непрерывность и стабильность технологических процессов: внутрифабричный транспорт сырья и продуктов обогащения, водоснабжение, электроснабжение, снабжение сжатым воздухом, механизация и автоматизация, технический контроль и другое. 1.3 Технологические схемы обогащения Технологической схемой обогащения полезного ископаемого называется графическое изображение совокупности всех последовательных технологических операций обработки минерального сырья на обогатительных фабриках. Технология обогащения полезного ископаемого, начиная с приемки сырья на фабрику и кончая выдачей готовых продуктов, состоит из отдельных приемов или операций. Например, операции крупного, среднего и мелкого дробления, перечистки концентрата и других. В очень редких случаях обогащение минерального сырья можно завершить в один прием, выделяя сразу конечные продукты. Обычно после первого приема обогащения сырья концентрат еще недостаточно богат, а хвосты еще недостаточно бедны. В этих случаях операции обогащения повторяются и носят название перечистных, если применяются к полученным черновым концентратам и промпродуктам (перечистка концентратов и промпродуктов), и контрольных, если применяются к хвостам предыдущих операций обогащения (например, контрольная флотация хвостов). Схемы обогащения изображают в определенном установленном порядке. Технологические операции изображают жирной горизонтальной линией толщиной І-2 мм, над которой написано название операции. Движение продуктов обозначают линиями со стрелкой. При пересечении вертикальных и горизонтальных линий движения продуктов обводку показывают на горизонтальной линии. При построении схемы стремятся обеспечить минимум потоков, направляемых вертикально, и вывод всех продуктов обогащения на горизонтальную прямую внизу схемы. На рисунке 1.3 представлена упрощенная схема обогащения руды (принципиальная). Одна и та же схема обогащения может быть выполнена различным образом. Так, отдельные операции могут осуществляться в разных аппаратах, а одна и та же операция может выполняться в одной или нескольких машинах. Рис.1.3 Принципиальная схема обогащения руды 1.4 Технологические показатели обогащения Основными технологическими показателями процессов обогащения полезных ископаемых являются качество и выход продуктов, извлечение ценных компонентов. Качество продуктов обогащения определяется содержанием ценных компонентов, вредных примесей, гранулометрическим составом и должно отвечать требованиям, предъявляемым к ним потребителями Требования к качеству концентратов называются кондициями, регламентируются они ГОСТ-ми, техническими условиями (ТУ) и временными нормами. Кондиции устанавливают среднее и минимально или максимально допустимое содержание различных компонентов в конечных продуктах обогащения и, если необходимо, содержание классов определенной крупности в получаемых продуктах или их гранулометрический состав. Содержание компонентов в исходном полезном ископаемом (α), полученных концентратах (β) и хвостах (θ) обычно дается в процентах, а содержание драгоценных металлов - в граммах на тонну продукта (г/т). Выход продукта обогащения (γ) – это количество полученного продукта (концентрата, хвостов), выраженное в процентах или долях единицы к исходному. Суммарный выход всех продуктов обогащения должен соответствовать выходу исходного материала, принимаемому за 100 %. При разделении обогащаемого сырья на два конечных продукта концентрат (с выходом γ к ) и хвосты (с выходом γ хв ) - это условие записывается в виде следующего равенства, которое называется уравнением баланса продуктов: Считая, что количество ценного компонента в исходном равно его суммарному количеству в концентрате и хвостах, можно составить с учетом равенства уравнение баланса компонента по исходному материалу и продуктам обогащения: Влажность угля (W) Все угли содержат то или иное количество влаги. При этом в зависимости от ее состояния (приуроченности) различают влагу поверхностную (влагу смачивания). Это вода, находящаяся на поверхности кусков и зерен угля. Она легко удаляется путем просушивания на воздухе. Оставшаяся (после удаления поверхностной) влага характеризует влагосодержание угля, свойственное его вещественному, петрографическому и марочному составу и обозначается как максимальная влагоемкость (Wmax). Содержание золы (зольность А) Зольность, или содержание минеральных (не горючих) примесей в угле, является основным показателем, определяющим качество. Минеральные примеси - это в основном нейтральный балласт, в меньшей степени - источник вредных химических элементов, влияющих на технологические характеристики угля, а в теплоэнергетике и на степень экологического загрязнения. Содержание минеральных примесей зависит только от условий торфонакопления, а значит, может быть различным для углей разных марок. Выход летучих веществ (Vdaf) Органическая масса углей при термическом воздействии разлагается на две производные: летучие вещества и нелетучий остаток. В состав летучих входят первичный дëготь (в бурых углях), каменноугольная смола (в каменных) и газы: окись углерода, водород, метан, лëгкие углеводороды и их гомологи. Содержание летучих зависит от петрографического состава углей - витринитовые (блестящие) разности содержат их большее количество, чем фюзенитовые (матовые). Данный показатель весьма важен, т.к. определяет особенности поведения угля в процессе его использования. Так, высокое содержание газообразной (летучей) составляющей в составе горючей массы угля определяет его высокую реакционную способность (т.е. воспламенение происходит при более низких температурах). Содержание серы (STD) Сера в углях является вредной примесью. При использовании угля в металлургии сера переходит в металл, ухудшая его качество. При сжигании топлива сера образует сернистые соединения, которые, реагируя в атмосфере с водяными парами, образуют серную кислоту, выпадающую т.н. кислотными дождями. Этот показатель наиболее важен для оценки потребительской ценности углей, особенно используемых в теплоэнергетике. Теплота сгорания (Q) Различают теплоту сгорания высшую, пересчитанную на сухое беззольное состояние топлива (Q,daf). Этот показатель используется для сопоставления и классификации углей. Низшая теплота сгорания (Qr.) характеризует топливо в его естественном состоянии, т.е. при конкретных значениях влажности и зольности. 1.5 Назначение процессов гравитационного обогащения Гравитационное обогащение — основной метод обогащения угля , сланцев , россыпного золота , касситерита , вольфрамита , рутила , ильменита , циркона , монацита , танталита , колумбита и др., а также один из равноценных методов обогащения руд чёрных металлов ( Fe , Mn , Cr ), редких металлов, а также фосфатов , алмазов и других неметаллических полезных ископаемых . Основные процессы гравитационного обогащения Отсадка Винтовой сепаратор Обогащение полезных ископаемых в аэросуспензиях Обогащение полезных ископаемых в тяжёлых средах Концентрационный стол Равнопадаемость Сухое обогащение Мокрые процессы гравитационного обогащения. Наиболее распространено мокрое гравитационное обогащение, которое подразделяют на следующие виды: o в неподвижном водном растворе или среде, которая горизонтально перемещается; o в среде, имеющей плотность, промежуточную в сравнении разделяемыми частицами, (обогащение в тяжёлых средах, магнитогидродинамическая и магнитогидростатическая сепарация ); o в тяжёлой среде, движущейся по круговой или винтовой траектории (например, центробежные сепараторы ); o в потоке, текущем по наклонной плоскости (желобы, шлюзы, конусные концентраторы ); o в потоке, текущем низходящей винтовой площадке или желобу (винтовые сепараторы и винтовые шлюзы). Гравитационное обогащение-разделениеминералов по плотности. Многообразные методы этого вида обогащения основаны на различиях в скоростях движения частиц в водной или воздушной среде под действием гравитационных либо центробежных сил. С помощью гравитационных методов перерабатывается половина от общего кол-ва обогащаемых полезных ископаемых. Отсадка – это разделение находящегося на решете слоя минеральных частиц в турбулентном потоке среды, колеблющемся вертикально с заданными амплитудой и частотой. Под действием струй среды постель попеременно разрыхляется и уплотняется, при этом частицы разной плотности взаимно перемещаются по ее высоте: с малой плотностью в верх. слои, с большой плотностью в нижние слои. Сформировавшиеся слои различной плотности раздельно удаляются в виде концентратов и хвостов. О. в водной среде осуществляют в гидравлических отсадочных машинах (рис. 2), в которых колебания потока создаются посредством пульсаций воды или движения решета, поршня, диафрагмы. Легкая фракция разделенных минералов сносится потоком воды, тяжелая в случае мелких частиц собирается в резервуаре машины, проходя под решетом, или в случае крупного материала - непосредственно на решете (создается естественная постель из тяжелого обогащаемого материала). Рисунок 2 - Гидравлическая отсадочная машина: 1 - резервуар (камера); 2 - перегородка; 3 - решето; 4 - шток с поршнем. При работе в засушливых и холодных районах, а также при нежелании увлажнять целевые продукты (напр., асбест или энергетический уголь) О. проводят в воздушной среде с помощью пневматических отсадочных машин и сепараторов. Благодаря сравнительно высокой точности разделения, большой уд. производительности, малой энергоемкости и простоте используемого оборудования отсадка относится к наиб. экономичным методам О. и применяется при переработке руд и углей с размерами частиц соотв. более 0,07-0,1 и 0,3 мм. Обогащение в тяжелых средах, особенно широко применяемое для переработки углей и горючих сланцев, основано на разделении компонентов сырья по плотности (т. наз. плотность разделения) в среде, которая занимает промежуточное положение между легкими и тяжелыми частицами. Более плотные частицы тонут, а более легкие всплывают на поверхность среды и удаляются спец. гребками. В качестве тяжелых сред применяют суспензии, растворы неорганических солей, напр. хлоридов Са и Zn , а также органические жидкости В последнее время для обогащения углей применяют противоточные гравитационные аппараты. Они представляют собой установленные крутонаклонные и соединенные между собой в месте загрузки исходного сырья две трубы квадратного сечения (крутонаклонные сепараторы, или аппараты КНС). Вода подается в нижнюю часть сепаратора, где разгружается тяжелая фракция; легкая фракция вместе с водой выносится через разгрузочный порог. Такие сепараторы сравнительно просты по конструкции, имеют достаточно высокую производительность и используются при значит. содержании тяжелых фракций в исходном сырье. При большом количестве в нем промежуточных фракций обеспечить оптимальные показатели обогащения в одном аппарате КНС без снижения качества конечных продуктов затруднительно. В этом случае применяют технологические схемы в две стадии. Аппараты КНС допускают различные варианты агрегирования двух аппаратов с возможностью доочистки любого продукта, выделяемого на первой стадии обогащения. 1.6 Фракционный анализ и обогатимость углей Фракционный анализ - количественная оценка распределения свободных минеральных зёрен и сростков в пробе п. и. путём разделения каждого класса по фракциям различается плотности или магнитной восприимчивости c целью построения кривых обогатимости полезных ископаемых фракционный анализ проводится часто при разработке технологической схемы гравитационного обогащения угля и вольфрамовых, редкометалльных, оловянных руд. Для фракционного анализа пробу крупностью - 25 мм разделяют на классы крупности. Kлассы до +3 мм разбирают вручную, затем определяют плотность каждого куска c точностью до 0,1-0,02 г/см3. Kлассы - 3 мм +20 мкм распределяют на фракции по плотности в тяжёлых жидкостях c применением центрифуги. B качестве тяжёлых жидкостей используют растворы хлорида цинка. Pезультаты разделения угля или руды по фракциям служат эталоном для сравнения промышленных проб гравитационного обогащения. Зависимость выхода фракций от плотности разделения позволяет построить кривые обогатимости ПИ, по которым определяется необходимая степень раскрытия минералов, степень измельчения, плотность разделения и способность разделяться на продукты обогащения по заданным показателям качества. При фракционном анализе для магнитных минералов аналогом плотности является напряжённость магнитного поля, в котором выделяют фракции частиц c различной магнитной восприимчивостью, определяемой магнитным анализатором. По данным фракционного анализа составляют баланс продуктов обогащения, которым пользуются при проектировании и эксплуатации обогатительных (ГОСТ 4790-2017 |