Контрастность свойств минеральных компонентов

Ресурсы, техноло-гии, экономика, 2005, №8

Ф.Д.Ларичкин, А.И.Николаев, А.А.Александров

 

КОНТРАСТНОСТЬ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЫРЬЯ

 

Производство товарных продуктов при использовании многокомпонентного минерального сырья связано с необходимостью разделения его на составные части. На стадии обогащения (механической обработки) сырья в идеале предполагается получение мономинеральных концентратов. Поскольку механическое измельчение не исключает наличия сростков различных минералов и осуществляется без разрушения их кристаллической решетки, зачастую содержащих изоморфные и механические (неструктурные примеси) других ценных компонентов, на практике концентраты содержат в разных количествах все ценные компоненты исходного сырья и, в свою очередь, рассматриваются как многокомпонентные продукты. Последующая более глубокая комплексная переработка концентратов осуществляется по экологически наиболее безопасным металлургическим, химическим технологиям на различные соединения (оксиды, соли, кислоты, щелочи и т.п.) или простые химические элементы в соответствии с рыночным спросом, предпочтениями потребителей и экономической целесообразностью. Мономинеральное сырье, либо сырье с преобладанием одного ценного компонента и незначительными примесями всех других, комплексная переработка которого экономически не оправдана, также нуждается в разделении на полезную (товарную) часть и вмещающую «пустую» (отвальную) породу. Доводка минерального концентрата или химического соединения, элемента, до требуемого (стандартами, техническими условиями) качества путем удаления излишних составляющих также является операцией разделения получаемого вещества и сопутствующих нежелательных, либо вредных примесей.

Принципиальная возможность успешного разделения полезных компонентов и пустой породы и, особенно, близких по физико-химическим свойствам ценных составляющих (например, сульфидов тяжелых металлов, соединений редких и редкоземельных элементов – Nb,Ta,Zr,Hf и др.) в определяющей степени зависит от контрастности перерабатываемого сырья и возможности и удачности подбора признака (фактора) разделения [1-3].

Исторически понятие контрастности минерального сырья введено, наиболее детально разработано [1,2], широко и успешно используется применительно к предварительному радиометрическому обогащению (предконцентрации): порционной сортировке руд в транспортных емкостях и сепарации-селекции кускового материала в классах крупности от +5 до -250мм, как головному процессу подготовки минерального сырья, поступающего на измельчение и последующее обогащение. При этом контрастность определена [1,2] и охарактеризована как степень различия отдельных кусков (зерен, частиц, агрегатов, минеральных комплексов, элементарных объемов) сырья по содержанию полезных компонентов (соответственно вредных или инертных примесей).

Очевидно, по мере повышения степени измельчении сырья в общем случае уменьшается количество сростков, степень дезинтеграции различных минералов и контрастность сырья возрастают, однако селективность и эффективность обогатительных процессов при переизмельчении сверх определенного уровня резко снижается вплоть до экономически неприемлемой. При переходе от механического измельчения к химическому (гидрометаллургическому) вскрытию минералов кислотами, кислыми солевыми растворами, щелочами и т.д. дезинтеграция и контрастность, по крайней мере, части обрабатываемого материала, переходят на более высокий – «наноразмерный» [4,5], молекулярный, ионный, атомный уровень. «Нанонаука», «нанотехнология», «наноматериалы» - новое направление науки, возникшей на стыке физики, химии, материаловедения, биологии, электронной и компьютерной техники, получило особенно интенсивное развитие в последние 10-15 лет. Оно оперирует наноразмерными объектами величиной приблизительно от долей нанометра (нм) до 100нм (1нм = 10-9м). Причем верхний предел интервала размеров чисто условен, а нижний определяется размерами атомов и молекул [4]. Многие ученые, занимающиеся нанотехнологией, предсказывают в не столь отдаленном будущем революционные перемены во всех областях науки и жизнедеятельности человека, в частности в химии, биологии, медицине, экологии, электронике и др. [4,5]. Принципиальная возможность построения с помощью нанотехнологии материальных структур атом за атомом или молекула за молекулой [4,5] позволяет перейти в перспективе к идеальному, в принципе, комплексному безотходному (малоотходному) использованию определенной части практически любого природного или техногенного материала, рециклированию полезных химических элементов из отходов производства и потребления и, соответственно, резкому ограничению объемов добычи первичного природного сырья. Очевидно, таким путем человечество в будущем сможет перейти к экологосбалансированному устойчивому экономическому развитию, научному преобразованию биосферы в ноосферу, сферу разума по В.И.Вернадскому [6].

Отсюда видно, что приведенное выше определение контрастности применимо только в узких рамках предконцентрации для относительно крупного «макроразмерного» минерального сырья. Уже на стадиях основных процессов обогащения более подходящим и достаточно универсальным представляется используемый акад. В.А.Чантурия [3] термин контрастность свойств минеральных компонентов. На стадии химической переработки сложного сырья чаще оперируют понятиями эффективность или фактор разделения компонентов. По своей сути оба понятия контрастность свойств и фактор разделения компонентов комплексного сырья равнозначны и, на наш взгляд, лучше характеризуют особенности вещественного состава продуктов и технологию разделительных процессов в комплексных производствах, чем содержание полезных компонентов. Например, важно знать не столько общее содержание железа в продукте, сколько содержание магнитной и немагнитной его форм, аналогично содержание кислоторастворимого и других форм алюминия и т.д.

Таким образом, контрастность свойств компонентов сырья в сложных неоднородных многофазных системах и разделительный процесс являются одними из специфических и основополагающих категорий комплексного использования многокомпонентного минерального сырья1 (как и каждого материального ресурса любой природы).

Для количественной характеристики покусковой контрастности минерального сырья используется показатель проф. Мокроусова В.А. (М), представляющий собой средневзвешенное относительное отклонение содержаний компонента в элементарном объеме (кусках или порциях) от среднего содержания в исследуемом массиве (пробе) руды [1,2]:

                                                    (1)

где уi – содержание компонента в куске (порции или интервале);

         a - среднее содержание компонента в руде;

         gi – доля массы куска или фракции (порции, интервала) в общей массе руды.

Теоретически показатель покусковой контрастности изменяется в пределах от нуля для абсолютно неконтрастных руд (все куски, порции имеют одинаковое содержание изучаемого полезного компонента) до 2 при абсолютной контрастности руды (куски полностью представлены либо полезным минералом, либо пустой породой; аналог – смесь металлических и пластмассовых шаров или других изделий). Низкая контрастность конкретного минерального сырья (определенной крупности!) означает принципиальную невозможность удовлетворительного разделения его на отдельные составляющие, соответственно повышения концентрации ценных компонентов, снижения содержания вредных примесей и удаления пустой породы (т.е. обогащения руды). Соответственно, повышенная контрастность сырья является необходимым (хотя и не исчерпывающим, не достаточным) условием высокой эффективности его разделения, следовательно, комплексного использования и получения высококачественных готовых продуктов.

Для практических целей руды, поступающие на предварительное обогащение (предконцентрацию), по величине контрастности подразделяются на пять групп (табл. 1).

Таблица 1

Классификация руд по контрастности [1,2]

Группа	Показатель контрастности (М)
Неконтрастные	< 0,4
Низкоконтрастные	0,4 – 0,7
Среднеконтрастные	0,7 – 1,1
Высоконтрастные	1,1 – 1,5
Особоконтрастные	> 1,5

 

Выявлены [2] следующие закономерности изменения природной (в массиве, в недрах) контрастности руд в процессах добычи, транспортировки и подготовки рудной массы (измельчения, вскрытия) к предварительному (порционному или покусковому) обогащению и последующему разделению многокомпонентного минерального сырья на отдельные ценные составляющие разнообразными обогатительными, физическими, химическими, пиро-, гидрометаллургическими, и другими, в том числе комбинированными, способами:

• порционная контрастность руд в их естественном залегании выше контрастности той же руды после ее отбойки, транспортировки, крупного дробления, так как она зависит не только от вещественного состава и структурно-текстурных свойств оруденения, но и от морфологии рудных тел, характера их контактов с вмещающими породами, системы разработки и способов транспортировки – факторов, определяющих степень разубоживания (примешивания пустых пород) и перемешивания рудной массы;
• селективная выемка руд при геофизическом контроле забоев препятствует снижению контрастности отбитой рудной массы;
• системы валовой добычи при интенсивном перемешивании пород и руд приводят к снижению порционной контрастности отбитой горной массы;
• покусковая контрастность изменяется незначительно при перемешивании отбитой рудной массы;

Измельчение и последующее вскрытие минералов различными физико-химическими методами, в общем случае, существенно повышает контрастность свойств компонентов сырья с приближением к теоретически предельному при снижении крупности обрабатываемого сырья до размеров наночастиц, вплоть до молекул и атомов. Следует, однако, отметить, что интенсивное механическое измельчение в ряде случаев может привести к снижению контрастности в результате нарушения кристаллической решетки минералов с увеличением наличия в них механических неструктурных примесей (образованием новых) других компонентов, минералов.

Важность повышенного уровня контрастности для достижения высокой технической и экономической эффективности переработки минерального сырья (и, особенно, комплексного его использования) обусловливают целесообразность разработки теоретических основ и практической реализации методов управления повышением контрастности физико-химических и технологических свойств минеральных компонентов. В частности, это достигается за счет селективной дезинтеграции, безреагентных дозированных энергетических воздействий или непосредственно на минеральные частицы, или через газовую или водную фазу, направленно изменяющих состав поверхности минералов в процессах измельчения и обогащения [3,7-9]. В результате возрастает степень раскрытия зерен минералов, повышается качество концентратов, производительность процесса измельчения, снижается расход мелющих тел.

Выполненные исследования в этой области позволили разработать новые экологически безопасные методы подготовки минерального сырья, обеспечивающие как высокую эффективность раскрытия минеральных комплексов, так и возможность получения высококачественной продукции (концентратов), конкурентоспособной на мировом рынке [3].

Высокая контрастность минерального сырья является принципиально важным, непременным, но не единственным и не исчерпывающим фактором эффективного его обогащения (переработки, вообще) и разделения на отдельные составляющие - комплексного использования. Важное значение имеет также степень соответствия признака (фактора) разделения (какого-либо физического, технического, химического и т.д. параметра) содержанию разделяемых компонентов в элементарных объемах рудной массы [1,2].

Показатель признака разделения (П) крупнокускового сырья определяется аналогично показателю контрастности средневзвешенным относительным отклонением содержания выделяемого компонента во фракциях, сгруппированных по интенсивности проявления признака (фактора) разделения, от среднего содержания компонента в перерабатываемом сырье по формуле [2]:

                                                                         (2)

где –хi – среднее содержание во фракции, выделенной по интенсивности проявления признака разделения. Значения остальных символов те же, что и в формуле (1).

 

Отношение показателя признака разделения (П) и показателя контрастности (М) количественно характеризует эффективность признака (фактора) разделения крупнокускового материала2 - Эп = П/М. Выделяются следующие параметры эффективности признака разделения [2]:

• высокая                               > 0,9
• средняя                             0,6-0,9
• низкая                               0,4-0,6
• неудовлетворительная       < 0,4.

При наличии нескольких признаков разделения, присущих конкретному компоненту (например, для шеелитовых руд – фотолюминесценция, рентгенофлюоресценция, избыточная плотность; для медно-никелевых руд – электропроводность, рентгенофлюоресценция, радиационное гамма-излучение при захвате нейтронов ядрами вещества; для апатитовых руд – рентгенолюминесценция и др.), выбирается наиболее эффективный. В случае использования косвенного признака разделения устанавливается характер и надежность связи этого признака с содержанием определяемого компонента в пределах рудного блока или месторождения в целом, а также методы контроля такой связи в процессе отработки месторождения [2].