В ходе реализации Конкурса РНФ 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» на тему «Исследование технологических основ переработки различного минерального сырья, содержащего слоистые силикаты, направленным модифицированием структуры при минимизации использования воды» № 18-17-00169 в течении 2018-2020 гг. были получены нижеизложенные результаты.
Анализ мировой практики показал, что наиболее дефицитным ресурсом для горно-обогатительной промышленности становится пресная вода, что приводит к существенному увеличению расходов на организацию водоснабжения и водооборота, темпы роста которых в 4-5 раз опережают темы роста объема добычи руд.
Исследование проблем снижения расхода воды в обогатительных процессах должно осуществляться совместно с оценкой энергопотребления, т.к. в рамках единой технологической схемы существует тесная взаимосвязь между потреблением воды и энергии в целом по предприятию. Чаще всего технология, обеспечивающая экономию воды, предусматривает увеличение потребления энергии и наоборот.
Наличие в добываемых рудах слоистых силикатов с подвижными кристаллическими решетками существенно осложняет их обогащение с использованием как «мокрых», так и «сухих» процессов, а если в рудах содержатся набухающие глинистые минералы, то эти руды часто превращаются в кошмар («nightmare»), для обогатителей.
Недостатком большинства применяемых способов снижения их отрицательного влияния на обогатительные процессы является то, что решая проблемы одного из звеньев технологической цепочки, они создают серьезные проблемы для последующих технологических операций.
Представляется целесообразным поиск технологии, обеспечивающей такое изменение структуры слоистых силикатов в начале технологической цепочки, которое обусловит приобретение ими новых физико-химических свойств, снижающих их отрицательное воздействие на процессы обогащения.
Перспективными направлениями интенсификации обогащения руд, содержащих слоистые силикаты, являются термическое и гидротермальное модифицирование таких руд в голове технологической цепи, обеспечивающее снижение или устранение их отрицательного воздействия на процессы рудоподготовки, сепарации, обезвоживания и складирования продуктов обогащения.
Такое модифицирование требует дополнительных энергозатрат, но может позволить достичь существенной экономии других ресурсов.
С применением методов высокотемпературной рентгендифракционной съемки, лазерной оценки шероховатости минеральной поверхности и рентгеновской микротомографии изучено влияние термохимического модифицирования на структуру минералов, составляющих сильвинитовые руды. Установлено, что термообработка сильвинитовой руды в диапазоне 100–500°С незначительно влияет на структуру солевых минералов галита и сильвина, но существенно изменяет структуру минералов, входящих в нерастворимую фракцию, что оказывает влияние на технологические свойства сильвинитовых руд.
С целью сокращения энергетических затрат на термообработку предложено использовать СВЧ-нагрев, обеспечивающий избирательный нагрев минералов, входящих в нерастворимую фракцию. Показано, что при СВЧ-нагреве изменение технологических свойств сильвинитовой руды аналогично наблюдаемому при конвекционном нагреве. Установлены оптимальные параметры СВЧ-нагрева калийных руд для обеспечения термохимического модифицирования.
Разработана оригинальная методика оценки энергозатрат на дезинтеграцию руд в молотковых дробилках. Исследование процесса дезинтеграции сильвинита в молотковой дробилке, позволило установить зависимости, описывающие влияние основных параметров работы дробилки, а также температуры разрушаемого материала на физические характеристики получаемых продуктов дробления, учитывающие, в том числе, затраты электроэнергии на их разрушение. Полученные результаты исследований могут быть использованы при разработке математической модели разрушения материалов в молотковой дробилке.
Исследования дезинтеграции нагретого сильвинита показали рост удельных энергозатрат на его разрушение при увеличении температуры нагрева в исследуемом диапазоне значений (120-500 °С). Установлено, что термообработка сильвинтовой руды приводит к снижению пористости рудных кусков, содержащих нерастворимую минеральную фазу, которая в процессе термообработки подвергается аморфизации. Высказано предположение, что увеличение энергозатрат на дезинтеграцию калийных руд при термообработке связано, в основном, с изменением физико-механических свойств рудной массы, влияющих на ее поведение в рабочем объеме молотковой дробилки.
Установлены оптимальные значения параметров и режимов флотации калийных руд, подверженных термохимическому модифицированию. Термическая СВЧ-обработка руды оказывает положительное влияние на результаты флотационных опытов. Потери хлористого калия с хвостами флотации при обработке пробы руды СВЧ уменьшаются, при расходе депрессора шламов 200 г/т руды содержание хлористого калия уменьшается с 2,27 % до 1,41-1,65 %;
Качество чернового концентрата при обработке СВЧ имеет более высокое значение, извлечение хлористого калия в черновой концентрат увеличивается от 95,09 % (без обработки) до 96,77 % (при обработке СВЧ) при расходе депрессора шламов 200 г/т руды. Предварительная обработка пробы руды СВЧ до дробления в молотковой дробилке показала более резкое увеличение качества чернового концентрата при увеличении расхода депрессора в отличии от проведения СВЧ после дробления руды.
Установлены оптимальные значения параметров для процессов высокоинтенсивной сухой магнитной сепарации высокозольных углей, подвергнутых термохимическому модифицированию, основываясь на методе косвенной оценки раскрытия минеральной части угля. Параметр косвенно характеризующий вкрапленность, является информативным для оценки обогатимости малых технологических проб при малообъемном опробовании, разработке геолого-технологической классификации руд месторождений и их геолого-литологическом копировании. Условный коэффициент вкрапленности минеральных примесей N в каменных углях Воркутинского, Байдаевского и Караканского месторождений показал близкие результаты при дроблении на молотковой дробилке. Применение различного вида воздействия на уголь Караканского месторождения при дезинтеграции не изменило ситуацию с раскрытием минеральной части. Но при этом при дроблении в КИД-300 и при двухстадийном режиме в ДЩ-60×100 и ДГ-200×125 не происходит значительного переизмельчения. При дроблении полукокса на дробилке вибрационного типа воздействия (КИД-300) раскрытие сростков происходит в классах +0,315 мм, что упрощает последующие стадии обогащения. Исходя из вкрапленности Воркутинского угля, определенному с использованием косвенного метода. Полученные результаты по электростатической сепарации показывают довольно приемлемые показатели по выходу продукта и содержание в нем минеральной части как в концентрате, так и в хвостах обогащения.
В ходе исследования процессов в обогащении углей, подвергнутых гидротермальному модифицированию показало, что гидротермальная обработка бурых высокозольных углей при температурах 200–250 °С вызывает изменение их структуры и физико-химических свойств аналогичное низкотемпературному пиролизу. Причем эти изменения происходят при температурах ниже, чем при пиролизе на 50–100 °С. Продукт гидротермальной обработки по теплотворной способности близок к полукоксу. При гидротермальной обработке поверхность угольной фазы становится более гидрофобной, а у минеральной фракции уменьшается удельная поверхность и теряется способность к набуханию, что приводит к уменьшению ее адсорбционной активности. Это в совокупности существенно изменяет технологические свойства углей. При необходимости только обезвоживания бурых углей гидротермальной обработкой можно производить без добавления свободной воды, а в случае необходимости изменения технологических свойств углей гидротермальную обработку целесообразно осуществлять в суспензиях, содержащих около 50% свободной воды.
Воздействие на порошковую глинистую руду термообработкой (автоклавирование и СВЧ-сушка) не снижает количество глинистой составляющей, но улучшает проницаемость руды (фильтрационный расход) в рыхлом сложении в 2-3 раза. Конвективный нагрев порошковой глинистой руды при температуре 650 °С в течение 10 минут способствует снижению количества глинистой составляющей в 3 - 5 раз, тем самым повышая проницаемость руды (фильтрационный расход) в рыхлом сложении в 40 раз.
Проведена пробоподготовка и выявлены предпочтительные параметры термомодификаии пробы золотоносной руды, технологической пробы «богатой» порошковой руды месторождения Варваринское. Сформулированы технологические требования к комбинированной технологии переработке золотоносной руды с использованием термохимического модифицирования альтернативно кучному выщелачиванию. Предложены четыре технологические схемы обогащения такой золотоносной руды.
В результате исследования влияния термохимического модифицирования глиносодержащих руд и углей перед их обогащением на процессы обезвоживания и утилизации хвостов установлено:
- интенсифицируются процессы сгущения и фильтрования хвостов;
- термоактивированный каолинит, содержащийся в хвостах, имеет большую пуццолановую активность, чем каолинит без активации, что позволяет использовать хвосты обогащения термомодифицированных руд и углей в качестве пуццолановых добавок к цементам и бетонам, в том числе к бетонным смесям, используемым в качестве твердеющей закладки выработанных пространств;
- термохимическое модифицирование руд и углей перед сухим обогащением позволяет использовать полученные хвосты в качестве грунтов для рекультивации и обустройства территорий без использования дополнительных вяжущих;
- термохимическое модифицирование создает предпосылки для использования хвостов обогащения этих руд и углей в качестве исходного сырья для производства геополимеров;
- производство геополимеров на основе хвостов каолинсодержащих руд позволит утилизировать их в составе композиционных бетонов;
- производство геополимеров на основе отходов обогащения углей и калийных руд позволит утилизировать их в виде компонентов твердеющих смесей для закладки выработанных пространств.
Учитывая то, что термическое модифицирование хвостов после обогащения не имеет перспектив из-за сложностей их обезвоживания, термохимическое модифицирование руд и углей, содержащих слоистые силикаты, в голове процесса – перед обогащением позволяет не только интенсифицировать процесс обогащения, но и создает предпосылки для утилизации хвостов.
Разработаны технические требования к комбинированным технологиям переработки руд и углей, содержащих слоистые силикаты. Предложены технологические схемы:
Высокозольные угли:
- Технология с конвективным нагревом угля и сухим обогащением полукокса;
- Технология с СВЧ-нагревом угля и сухим обогащением;
- Технология с СВЧ-нагревом угля и мокрым обогащением;
- Технология с «сухим» автоклавированием угля и сухим обогащением;
- Технология с автоклавированием суспензии угля и мокрым обогащением.
Каолиновые руды:
- Технология с СВЧ-нагревом и сухим обогащением;
- Технология с автоклавированием каолиновой руды и мокрым обогащением.
Сильвинитовая руда:
- Технология с СВЧ-нагревом и сухим обогащением;
- Технология с СВЧ-нагревом и мокрым обогащением.
"Богатая" золотом порошковая руда:
- Технология с конвективным нагревом и химическим обогащением;
- Технология с СВЧ-нагревом и химическим обогащением;
- Технология с автоклавированием и химическим обогащением.
Разработаны технические требования к основному технологическому оборудованию, необходимому для реализации разработанных комбинированных технологий.
Основное отличие разработанных технологий переработки руд, содержащих слоистые силикаты, от используемых в настоящее время подходов заключается в том, что эти руды в голове технологической цепи подвергаются термическому воздействию (конвекция, микроволновое излучение, гидротермальная обработка) с целью их модифицирования. Поэтому сформулировано требования только к оборудованию, используемому для термохимического моделирования, т.к. остальное обогатительное оборудование имеет стандартные характеристики.
По результатам исследований, выполненных в Проекте, опубликованы предусмотренные плановым заданием 8 статей в журналах, индексируемых в базах данных Sсopus и W.O.S., также по результатам исследований передана в редакцию журнала "Eurasian Mining" (Scopus - Q1) статья "Application microwave radiation for directional changes of layered silicates properties" (Gerasimov A.M., Eremina O.V.), которая будет опубликована в 2021 г. и готовится для журнала "Applied Clay Science" (Scopus - Q1) статья "Thermodified layered silicates`s chemical processing". Возникли 2 исключительных права на результаты интеллектуальной деятельности, созданные при выполнении Проекта. Принято участие в 4 международных конгрессах: ХХIX и XXX Конгрессs по обогащению полезных ископаемых. XIV Международный конгресс по прикладной минералогии, XIX Международный конгресс по обогащению угля.
