Урожай гравитационного поля
Пласты угля в Земле в значительной степени перемешаны со сланцевыми, глинистыми и другими породами. Кроме того, в процессе добычи в уголь попадает порода из оконтуривающих угольный пласт слоев — лежачего и висячего боков. Эти бесполезные примеси целесообразно удалить до попадания угля в топку, да и перевозить их нет смысла. Эта так называемая внешняя зольность может быть отделена методами обогащения полезных ископаемых в отличие от внутренней зольности, связанной с самим угольным веществом аналогично золе, остающейся после сгорания древесины.
Плотность угля составляет 1,2–1,35 г/см3, а вмещающих горных пород — 1,8–2. На этом различии основано их разделение в гравитационном поле. Разница в плотности здесь значительно меньше, чем у золота и вмещающих пород, поэтому и гравитационные аппараты для обогащения углей более сложны. Существует множество механических способов разделения минералов по плотности, объединяемых названием «гравитационное обогащение полезных ископаемых». В качестве среды гравитационного поля используются вода, воздух, тяжелые жидкости, суспензии, жидкий электролит, помещенный в скрещенные электрическое и магнитное поля. Среды характеризуются реологическими параметрами: плотностью, вязкостью, предельным сопротивлением сдвигу, устойчивостью и др. Свойства среды оказывают влияние на скорость перемещения разделяемых частиц и эффективность разделения.
Условно минералы делят на три группы: легкие (до 3 г/см3), куда входит и уголь, средние (3–4 г/см3) и тяжелые (более 4 г/см3). Плотность минералов зависит от химического состава и типа кристаллической структуры. В последнюю группу входят, как правило, минералы, содержащие тяжелые металлы. Наибольшая плотность у самородных элементов — золота, серебра и минералов группы платины.
По закону Архимеда на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Но минералов легче воды не существует. Известны некоторые растворы и жидкости с высокой плотностью, например хлорэтан (1,58), бромоформ (2,9), тетрабромэтан (3), ртуть (13,6). Но применение этих жидкостей в больших масштабах обходится дорого. Есть другой способ создания тяжелой среды для разделения минералов — получение суспензий.
Тонкоизмельченный порошок какого-либо тяжелого вещества, например ферросилиция, минералов галенита, магнетита, пирита или барита, размешивают в воде. При достаточной степени измельчения порошок оседает не сразу, а долгое время находится во взвешенном состоянии. Взвесь тем устойчивее, чем больше тонких частиц находится в ней.
Если вынуть из воды твердое тело, оно будет мокрым, т. е. на его поверхности остается тонкая пленка воды, потому что между молекулами воды и поверхностью твердого тела существует взаимодействие, сцепление более прочное, чем между молекулами воды. Благодаря этому взаимодействию вода образует как бы оболочку вокруг каждой твердой частицы, попавшей в нее. Эта оболочка, более плотная, чем остальной объем воды, обладает повышенной вязкостью, так как сцепление молекул воды в пей увеличивается под влиянием твердого тела, вернее его энергетического поля. Когда твердых частичек в воде много и толщина водных пленок на них близка к расстоянию между частичками, вся вода связана в эти плотные поверхностные пленки. Вязкость воды сильно возрастает, она препятствует быстрому оседанию тонких частиц суспензии. Суспензия становится устойчивой. В ней тонут только очень крупные и тяжелые по сравнению с суспензированным порошком частицы.
Плотность такой суспензии — величина промежуточная между плотностями воды и порошка. Можно приготовить достаточно устойчивую суспензию с плотностью 3 г/см3 и выше, что вполне достаточно для разделения многих минералов. Частицы разделяемых минералов должны быть крупнее, чем частицы, из которых приготовлена суспензия.
Сепаратор для разделения в суспензии представляет собой конусообразный сосуд с мешалкой, в который непрерывно поступают суспензия и руда. С поверхности суспензии сгребаются всплывшие, а со дна конуса удаляются потонувшие куски. Теперь остается только отмыть куски руды от налипших частиц суспензии. Это легко сделать, так как они имеют различные размеры и могут быть разделены на грохотах. Магнетит и ферросилиций можно отделить электромагнитом. Из отмытых частиц снова приготовляется суспензия, так что она почти не расходуется в процессе обогащения.
Схема обогащения с тяжелых суспензиях
Обогащение в тяжелых суспензиях широко применяется при переработке дешевых полезных ископаемых (угля, стройматериалов, фосфоритов и руд черных металлов) или бедного сырья (руд цветных и редких металлов). Основные преимущества метода заключаются в способности эффективно перерабатывать исходное сырье крупностью от 2–5 до 300 мм, а иногда даже до 1200 мм при высокой производительности (до 600—1000 т/ч) с получением отвального продукта, содержащего незначительное количество ценных компонентов, а также в возможности разделения сырья на продукты при незначительной разности в плотности (±0,003 г/см3). Кроме того, этот метод обогащения дешев, требует незначительных расходов электроэнергии, воды, утяжелителя и небольшой численности обслуживающего персонала; процесс легко поддается автоматизации. Основным недостатком этого метода является необходимость отмывки исходного материала от глинистых частиц.
В качестве утяжелителя обычно используется гранулированный ферросилиций, магнетит или его смесь с ферросилицием, реже барит, пирит, песок, а также другие компоненты. Плотность суспензий регулируется автоматически.
В тяжелой суспензии обогащается прежде всего уголь, имеющий меньшую плотность (1,4) по сравнению с сопровождающим его сланцем (2,0) и пиритом (5,0).
Свинцовые руды, содержащие крупные вкрапления тяжелого свинцового блеска (галенита), могут обогащаться в тяжелой суспензии, приготовленной из того же тонкоизмельченного галенита. В тяжелых суспензиях могут обогащаться и многие другие руды, например вольфрамовые, оловянные, железные, марганцевые, свинцово-цинковые, медные, флюоритовые.
Применение суспензий позволяет выделить сразу, на первой стадии обогащения, большую часть пустой породы, что важно при высокопроизводительной, валовой добыче полезных ископаемых. Процесс обогащения в тяжелых суспензиях получает все большее распространение. Появились усовершенствованные аппараты, сочетающие процесс разделения в суспензии с разделением под действием центробежных сил в гидроциклоне. При этом увеличивают различие в массе частиц разделяемых минералов и разделение проходит более эффективно.
На основе современной физико-химической механики разработана теория нового метода повышения эффективности разделения в дисперсных системах с помощью низкочастотной вибрации. На углеобогатительных фабриках это позволило повысить производительность тяжелосредных сепараторов и снизить содержание золы в концентратах.
Существуют и другие, более универсальные способы разделения минералов по плотности. Наиболее распространен процесс, называемый отсадкой, в котором попеременно используются подвижность легких частиц и большая скорость падения в водной среде тяжелых минералов.
Отсадочная машина