Понятие «Обогащение полезных ископаемых» довольно узкое. По международной терминологии это Ore dressing или Mineral processing, а применительно к переработке угля и торфа Cleaning. Реже в международной практике используют термин Ore milling применительно к промышленной деятельности и совсем редко Beneficiation – применительно к экономической стороне вопроса переработки руд. Сегодня эту сферу знаний и производственной деятельности правильнее называть Геометаллургией, которая охватывает вопросы от технологической оценки руд до собственно процессов и техники обогащения полезных ископаемых.
Твердое минеральное сырье как объект переработки.
480 лет назад саксонский ученый и философ Георг Бауэр, более известный, как Георгиус Агрикола, написал фундаментальный, превосходно иллюстрированный 12-томный труд «De re Metallica», в котором впервые системно описал совокупность процессов от разведки полезных ископаемых, их добычи и первичной обработки (обогащения), до химико-металлургической переработки, включая вопросы химического анализа сырья и экономики его обработки.
Разумеется, это труд был исключительно описательным, но с сегодняшней точки зрения весьма корректным по химической и минералогической составляющим. Единственной проблемой для нашего восприятия этой работы было то, что труд Агриколы написан на смеси латыни и старонемецкого языка и был очень сложным для чтения и перевода. Только в начале ХХ века его труд был переведен сначала на английский язык, а затем на основе этого перевода – на большинство языков мира. На русском языке труд удачно назван «О горном деле и металлургии».
В следующих статьях мы более детально рассмотрим особенности запасов твердых полезных ископаемых, их типы и строение.
Сейчас только остановим внимание на ключевом факторе – на том, что уже в начале ХХ века цивилизация стала испытывать дефицит богатых металлических руд. Это совпало с очередной технической революцией. В период, предшествующий Первой мировой войне и во время войны, мировая экономика, а точнее ее военная и гражданская промышленность стали испытывать потребность в высококачественных сталях и их сплавах с легирующими элементами, в сплавах цветных металлов, а также в высококачественных строительных материалах.
Это был период, когда цивилизация стала входить, как мы бы сказали сегодня, в эпоху хай-тек. В период 1910 – 1916 годов были созданы и промышленно освоены такие выдающиеся изделия и механизмы как:
-
легковые автомобили с бензиновыми двигателями мощностью до 80 лошадиных сил;
-
мощнейшие корабли-броненосцы с орудиями калибром 305 мм и паротурбинными силовыми установками;
-
дизель-электрические подводные лодки (гениальная конструкция генерал-майора Ивана Бубнова);
-
паровозы мощностью 1000 лошадиных сил;
-
телефоны с цифровым набором;
-
-
высотные здания в 50 и более этажей, требующие качественных строительных материалов и высокопрочной стали для каркасов.
Объективно, воющая Россия в период Первой мировой войны остро нуждалась в современном горном оборудовании и технологиях для первичной переработки руд. Следуя этим вызовам, небольшая группа молодых профессоров Петроградского (Санкт-Петербургского) горного института под руководством Генриха Оттоновича Чечотта создала в 1916 году первую в России частную инжиниринговую компанию «Механобр» (Механическая обработка полезных ископаемых) для научных и практических работ именно в указанном направлении.
Вас не должна смущать непривычная для нашего уха фамилия основателя и первого директора Механобра - Чечотт был этническим поляком, родившемся в России, окончившим престижную петербургскую Аларчинскую гимназию с углубленным изучением механики и химии, а затем и Санкт-Петербургский горный институт. Одновременно с формированием института Механобр, Г.О. Чечотт в горном институте стал первым заведующим новой кафедрой обогащения полезных ископаемых.
Г.О. Чечотт
Параллельно основы техники и технологии обогащения полезных ископаемых за рубежом стали системно описывать профессор Колумбийского университета А. Таггарт и директор Горного бюро США профессор А. Годэн.
Зачем руды подвергают обогащению?
Сегодня практически все полезные ископаемые не пригодны для прямой химико-металлургической переработки при производстве металлов, производства химических удобрений, строительных материалов и других качественных химических соединений. Технологии прямой химико-металлургической переработки руд невозможно реализовать из сегодняшних бедных и низкокачественных руд по следующим причинам:
-
прямая химико-металлургическая переработка бедных руд очень сложна технически и затратна экономически из-за больших расходов электроэнергии и вспомогательных реагентов;
-
прямая переработка неизбежно приводит к чрезмерной нагрузке на окружающую среду.
В таблице приведены в качестве примера некоторые данные о содержании важных металлов в промышленных рудах. А также требования металлургического производства для получения чистых металлов и их сплавов.
|
Содержание металлов |
В рудах, % |
В концентратах, % |
|
Медь |
0,4-3,0 |
20-40 |
|
Свинец |
1-4 |
30-70 |
|
Никель |
0,8-2,0 |
25-40 |
|
Вольфрам |
0,2-0,3 |
40-55 |
|
Молибден |
0,05-0,06 |
35-56 |
|
Ниобий |
0,03-0,04 |
10-50 |
Как видно из приведенных данных, металлургам требуется сырье в виде концентратов полезных ископаемых, в которых содержание металлов в десятки, а то и в тысячу раз выше, чем в природных промышленных рудах! При этом важно, чтобы стоимость концентратов не была заоблачной.
Итак, целями обогащения твердого минерального сырья являются:
Концентрация целевых компонентов (минералов) в продуктах обогащения.
Продукты обогащения, в которых содержание целевого компонента выше, чем в исходном сырье, называют концентратами. В общем случае задачей концентрации целевого компонента является получение из исходной руды физическим методами обогащенного продукта, который в дальнейшем экономичнее перерабатывать металлургическим или химическим способом. Например, железную или медную руду обогащают с получением железорудного или медного концентрата для последующей металлургической переработки, в ходе которой производят соответственно чугун или металлическую медь. Так из железных руд, содержащих 35-37% железа, получают концентраты с содержанием железа 65-69%, а из медных руд, содержащих 3-4% меди, получают медные концентраты, содержащие 20-40% меди. Из апатитовой руды, содержащей 13-15% пятиокиси фосфора получают апатитовый концентрат, содержащий 40-41% пятиокиси фосфора, который идет на химическую переработку для производства фосфатных удобрений. То есть химико-металлургический этап переработки в отличие от этапа предварительного обогащения предусматривает превращение природных химических соединений, представленных минералами, в другие, уже техногенные химические соединения.
В простейшем случае на из руды получают один концентрат и отвальный продукт, называемый хвостами. Часто из одного типа сырья (руды) могут получать несколько концентратов. Так, например, из комплексной полиметаллической руды, содержащей минералы меди, свинца и цинка получают соответственно медный, свинцовый, цинковый концентраты и отвальные хвосты. Иногда концентраты могут различаться не только типом целевого металла, но и его содержанием в конкретных концентратах. Например, на одном и том же горно-обогатительном предприятии могут получать одновременно вольфрамовые концентраты первого, второго и третьего сорта, которые отличаются рыночной ценой и тонкостями металлургической переработки.
Удаление вредных примесей из массы перерабатываемой руды.
Понятно, что эта задача близка к предыдущей задаче, но отличается количеством получаемого отвального продукта. Так, например, из природного кварц-полевошпатового сырья, идущего на производство керамики, удаляют крайне незначительные примеси темноцветных минералов, присутствие даже единичных зерен которых в шихте приводит к получению некачественных керамических изделий. А, при переработке кварцевого сырья, содержащего примеси железа в количестве 0,2-0,5% получают концентраты кварцевого песка, содержащие 0,05-0,08% железа. Другим примером может служить процесс обогащения каменного угля, при котором из добытого сырья удаляют вредную для последующего сжигания природную золу - минеральные примеси, содержащиеся в добытом угле в существенно меньшем количестве, чем собственно углеродная часть.
Уменьшение крупности добытых полезных ископаемых и разделение их на разные классы крупности.
Эта цель актуальна, в основном, при переработке так называемого нерудного минерального сырья, идущего на получение строительного щебня, песка и абразивных материалов. Это связано с тем, что различные строительные производства нуждаются в минеральных продуктах (фракциях) разной крупности. Так на дробильно-сортировочных фабриках из массивного гранитного сырья получают строительный щебень нескольких фракций крупности, например, 20-70 мм, 10-20 мм, 5-10 мм и строительный песок.
Устинов И. Д., главный научный сотрудник
НПК «Механобр-техника», д.х.н.