книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты
.pdfобозначение класса крупности: - а + b означает, что все зерна в нем по размеру меньше (-), чем а, но больше (+), чем Ь.
Разделение материала на классы крупности производят рассевом на ситах (до крупности +0,040 мм), гидравлической (при крупности -0,040 мм) или воздушной (при крупности -0,074 мм) классификацией в восходящих потоках, микроско пическим и другими методами.
Для проведения ситового анализа (рассева на ситах) ис пользуют стандартные наборы сит. Их модуль, характеризу ющий постоянное отношение размеров отверстий двух смеж ных сит данного набора, для наиболее широко применяемых сит по ГОСТ 3584— 53 составляет 2УГ0, а для сит по шкале
Тайлера — V2 В угольной промышленности принят модуль
'tfô = 1,259. Крупность продуктов принято выражать в мил лиметрах и микронах. Размер отверстий тканых сит часто ха рактеризуется числом меш — числом отверстий, приходящих ся на один линейный дюйм сетки, т. е. на 25,4 мм.
При гидравлической классификации используют аппарат для дисперсного анализа порошков (АДАП). Аппарат состоит из последовательно соединенных камер различной площади сечения. В каждой камере поддерживается определенная ско рость восходящего потока воды. Количество воды Q (мл/мин), необходимое для выноса восходящим потоком минеральных частиц размером меньше d (мм), определяют по формуле: Q = = VS = кd \b - l)S, где V — скорость свободного падения ми неральной частицы размером d или скорость восходящего по тока воды, см/мин; S — площадь сечения камеры, см2; к — коэффициент, равный 3270 при классификации частиц шаро образной формы и 2093 при классификации частиц, по форме промежуточных между шаром и диском; Ô — плотность ми неральной частицы, г/см3. В результате анализа получают не сколько классов, интервалы крупности которых зависят от расхода воды.
Иногда пользуются седиментационным анализом, осно ванным на том, что частицы различного удельного веса и различной крупности, находящиеся в вязкой среде, оседают с
различной скоростью. При этом время отстаивания t, с, не обходимое для получения в сливе требуемого класса крупно сти, рассчитывают по формуле t = 2,86ц#/(6 - \)d 2 где ц — вязкость воды, Пуаз; Н — высота столба сливаемой суспен зии, см; Ô — плотность минерала, г/см3; d — размер частиц минерала, мм.
Воздушную классификацию проводят обычно в аппара тах, представляющих собой несколько последовательно сое диненных конусов различного размера, через которые проду вают воздух. В результате классификации получают несколь ко классов крупности: по одному в каждом конусе и один, са мый мелкий (-0,010 мм), — в пылеулавливающем мешке.
Результаты гранулометрического анализа представляют по форме, изображенной в табл. 2.1, и графически обычно в виде суммарной характеристики крупности материала «по плюсу» или «по минусу» (рис. 2.1).
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
Результаты ситового анализа |
|
|
|
|||
Класс |
|
|
Выход |
|
||
крупности. |
|
|
|
|
||
мм |
|
по массе, кг |
частным. °и |
суммарный. % |
||
|
|
|
|
|
«по плюсу» |
«по минусу» |
- 1 6 + 1 2 |
4,5 |
15 |
15 |
100 |
||
- 1 2 |
+ |
8 |
6 |
20 |
35 |
85 |
- 8 + 4 |
9 |
30 |
65 |
65 |
||
- 4 |
+ |
2 |
4,5 |
15 |
80 |
35 |
- 2 |
+ |
0 |
6 |
20 |
100 |
20 |
И Т О Г О |
30 |
100 |
— |
— |
При этом по оси абсцисс откладывается размер отверстий сит в миллиметрах в обычном (рис. 2.1, а) или логарифмиче ском (рис. 2.1,6) масштабе, а по оси ординат — суммарный ос таток на ситах в процентах. По таким кривым можно устано вить теоретически возможный выход класса любой крупно сти, что необходимо как для определения наиболее рацио нального метода переработки полезного ископаемого, так и оценки количественного соотношения сортов или марок воз-
а
Рис. 2.1. Суммарная (а) и суммарная полулогарифмическая (б) характери стики крупности материала «по плюсу» (У) и «по минусу» (2)
можной продукции, различающейся по крупности, при переработке углей и строительных горных пород.
Определение гранулометрического состава часто сопро вождается анализом распределения отдельных элементов в раз личных классах крупности, зольности, а также соотношения между свободными зернами и сростками минералов в них при различных степенях измельчения полезных ископаемых.
Суммарные характеристики крупности («по плюсу») мо гут быть: выпуклыми — при преобладании в материале круп ных зерен; вогнутыми — при преобладании в материале мел ких зерен; прямолинейными — при равномерном распределе нии зерен в материале.
Характер кривой зависит как от показателей работы дро- бильно-измельчительного оборудования, так и от механиче ской прочности полезных ископаемых. Во многих случаях гранулометрический состав мелких продуктов при дроблении и измельчении полезных ископаемых может быть описан
уравнением Розина—Раммлера: — = emd" где R — суммарный
R
остаток на сите с отверстиями d\ е — основание натуральных логарифмов; т и п — параметры, зависящие от свойств дан ного материала.
2.2. Технологические свойства м инералов
К технологическим свойствам минералов, используемым при их разделении в процессе обогащения полезных ископае мых, относится их плотность, а также механические, спектро скопические, радиоспектроскопические, магнитные, электриче ские, физико-химические, химические и термохимические свой ства. На различии минералов в этих свойствах основаны все из вестные к настоящему времени процессы и методы обогащения.
2.2.1. Плотность минералов
Плотность 6 минералов (рис. 2.2) определяется их соста вом и строением кристаллической решетки. Как правило, ми
нералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плот ность. Самая большая плотность наблюдается у самородных элементов: золота, серебра, меди и платины. Плотность мине ралов возрастает с увеличением плотности упаковки кристал лической решетки: минералы с плотнейшей упаковкой имеют большую плотность по сравнению с минералами цепочечной, ленточной, слоистой и особенно каркасной структур.
Плотность органической массы угля зависит от его приро ды, стадии метаморфизма и петрографического состава. Она возрастает с уменьшением выхода летучих веществ и при пере ходе от длиннопламенных к тощим углям Донецкого бассейна изменяется от 1160 до 1530 г/см3.
Действительная плотность угля характеризуется значени ем его массы, лишенной воздуха и несвязанной воды, в едини це объема, а кажущаяся плотность — значением массы пори стого (натурального) угля в единице объема. Кажущаяся плот
ность бк всегда меньше действительной и для каменных углей находится в пределах 1200— 1350 г/см3. Между плотностью уг лей и их зольностью существует обычно тесная корреляцион ная зависимость.
Плотность минералов и измельченного полезного ископа емого определяют с помощью пикнометрического метода или на квадрантных весах И.З. Марголина.
Различия в плотности минералов (рис. 2.2) используют для их разделения при переработке полезных ископаемых грави-
Плотность, г/см3
тационными методами обогащения, которые могут осуществ ляться в воде, воздухе, тяжелой жидкости, суспензии или жид ком электролите, помещенном в скрещенные электрическое и магнитное поля.
2.2.2. Механпческпе свойства минералов
Механические свойства кристаллов: величина и характер деформации, твердость и упругость — по разным кристалло графическим направлениям различны. В одном направлении кристалл может вести себя как пластичный, в другом — как хрупкий.
Характер деформации, особенностью которого является от носительное удлинение (или сжатие) кристалла ± е = Д/// при
его растяжении и сжатии, иллюстрирует рис. 2.3, а.
На начальных стадиях растяжения удельное (на единицу площади) напряжение о внутренних сил в кристалле растет примерно пропорционально деформации. Кристалл при этом полностью сохраняет упругие свойства вплоть до напряже ния as, называемого пределом упругости. При снятии внешних
Рис. 2.3. Схемы деф орм ации кристаллов (а), трансляционного скольжения
(б), краевой дислокации (в), винтовой дислокации (г) и механического двой никования (д)кристаллов
напряжений исходные размеры и форма минералов полно стью восстанавливаются.
Упругость связана с прочностью и типом межатомных свя зей в минерале. Разделение минеральных частиц, имеющих раз личную упругость, нашло применение при «обогащении по уп ругости», например, строительных материалов (щебня и гравия).
Превышение предела упругости а* вызывает хрупкие или пластические деформации и разрушение кристалла при напря жении, характеризующем предел его прочности или временное со противление. Площадь, образованная кривой растяжения (сжа тия) и осью б , отражает работу,затраченную на разрыв кристалла. Хрупкое разрушение кристалла наступает сразу же за пре делом упругости и происходит по определенным кристалло графическим направлениям — плоскостям ослабленной силы связи между элементарными частицами кристаллической ре шетки минерала. В зависимости от строения кристаллической решетки минералов таких кристаллографических направлений в них может быть одно, два, три, четыре или шесть, что приво дит к образованию минеральных зерен различной формы: от плоской до округлой. Так, кристаллы слюды расщепляются на тонкие листочки в одном направлении (по пинакоиду 001), а кристаллы кальцита легко раскалываются по трем направ лениям (по ромбоэдру), образуя зерна изометрической фор мы. Процесс разделения минералов, имеющих различную фор му зерен, носит название «обогащение по форме».
Способность кристаллов разрушаться с образованием глад ких поверхностей является проявлением спайности. В зависи мости от характера и силы разрываемых связей спайность может быть: весьма совершенной (зеркальная поверхность слюды, гипса и др.); совершенной (ровная, иногда ступенча тая поверхность кальцита, галенита, галита и др.); средней (ровная, наряду с неровной поверхность полевых шпатов, ро говой обманки и др.); несовершенной (неправильная поверх ность скола берилла, апатита и др.) и весьма несовершенной (неровная поверхность кварца, касситерита и др.).
Неровная поверхность у минералов с несовершенной спай ностью и не имеющих ее может носить ступенчатый, занози стый (актинолит и др.), раковистый (кварц, опал и др.), крюч коватый (золото, медь и др.) характер. Различный характер по
зе
верхности частиц разных минералов является причиной резких различий минеральных зерен по значению их коэффициен та трения, что используется для их разделения в процессах
«обогащение по трению» и «обогащение по трению и форме». Превышение предела упругости кристаллов, обладающих
пластичностью, приводит к образованию наклонных или го ризонтальных площадок текучести (см. рис. 2.3, а, участки ВС и ВС'), предваряемых иногда зубом текучести (см. рис. 2.3, а, участок АА'В). Кристалл «течет» без увеличения или при не значительном увеличении нагрузки, вызывая необратимую ос таточную деформацию (е0ст), называемую пластической. Раз рушение кристалла происходит, когда напряжение достиг нет предела его прочности.
При пластической деформации кристаллическое состоя ние и тип кристаллической структуры минерала сохраняются. Механизм текучести заключается в дискретном смещении (скольжении) тонких кристаллических слоев на несколько по рядков кристаллической решетки минерала (рис. 2.3, б).
При незавершенных (несквозных) сдвигах в деформиро ванных кристаллах возникают краевые (рис. 2.3, в) и винто вые (рис. 2.3, г) дислокации, которые могут передвигаться, ми грировать в объеме кристалла. Неоднородность поля внеш них напряжений может вызвать деформацию блокованием, а неблагоприятная ориентировка плоскостей скольжения по от ношению к действующей силе — пластическую деформацию механического двойникования (рис. 2.3,0).
Твердость определяется типом химических связей между атомами и структурой минерала. Наибольшей твердостью об ладают минералы с чисто ковалентной связью (алмаз); несколь ко меньшей — минералы со смешанной ковалентно-ионной связью; умеренной — с ионной связью; низкой — с водород ными и ван-дер-ваальсовыми связями. В соответствии с этим многие слоистые, водные и молекулярные кристаллы отлича ются низкой твердостью. Твердость возрастает с увеличением плотности упаковки атомов и заряда катиона или аниона, об разованием каркасной структуры минерала. Точечные дефекты
— вакансии, интерстиционные атомы и микропримеси, ди слокации и степень совершенства (блочность) кристаллических индивидов — заметно влияют на микротвердость минералов.
Классификация минералов по твердости и хрупкости
Твердость (по Моосу)
10— 9 8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
|
|
|
|
|
Минералы |
|
|
|
|
хрупкие |
|
нехрупкие |
|
ковкие и упругие |
|||
Алмаз |
|
|
|
К орунд |
|
|
|
|
Топаз |
|
|
|
Шпинель, альман |
|
|||
|
|
|
|
|
дин. пирон |
|
|
|
Верил, фенакит, |
|
|
|
|
||||
турмалин |
|
|
|
|
|
|
|
|
Кварц, силлиманит, |
А ндалузит, |
став |
|
|||||
андрадит, сподумен |
ролит, циркон |
|
|
|||||
Бертрандит, |
диас |
Бадделеит, |
везу |
|
||||
пор, |
гематит, |
дис |
виан, эпидот, |
ру |
|
|||
тен, |
пирит, |
колум |
тил |
|
|
|
||
бит, |
танталит, |
кас- |
|
|
|
|
||
ситериз. оливин, бра- |
|
|
|
|
||||
унит |
|
|
|
|
|
|
|
|
Хромиты, |
|
марка |
Лейкоксен, |
поле |
|
|||
зит, магнетит |
|
вые шпаты |
|
|
|
|||
Актинолит, |
вилле- |
Глаукофан, |
|
иль |
А рсенопирит |
|||
мит, |
вольфрамит, |
менит, лопарит, ав |
|
|||||
кобальтин, |
мона |
гит, эгирин, р о д о |
|
|||||
цит. |
нефелин, |
пи |
нит, роговая |
о б |
|
|||
ролюзит, |
микролит, |
манка, перовскит |
|
|||||
сфен, |
датолит, |
ге- |
|
|
|
|
||
тит |
|
|
|
|
|
|
|
|
Апатит, лимонит |
|
|
|
|
||||
Каламин, |
гематит, |
Браннерит, торит |
Платина |
|||||
шеелит, магнезит |
|
|
|
|
||||
П ирротин, |
манга |
Станнин |
|
|
Ж елезо |
|||
нит, |
родохрозит, |
|
|
|
|
|||
флю орит |
|
|
|
|
|
|
|
|
Азурит, алунит, д о |
П овел лит |
|
|
|
||||
ломит, куприт, |
ма |
|
|
|
|
|||
лахит. пентландит, |
|
|
|
|
||||
сидерит, |
пиромор |
|
|
|
|
|||
фит, сфалерит, халь |
|
|
|
|
||||
копирит, |
церуссит, |
|
|
|
|
|||
миллерит, |
мимети- |
|
|
|
|
|||
зит, |
барит, |
бисму- |
|
|
|
|
тит, адамин
Твердость |
|
(по Моосу) |
хрупкие |
3Алтаит, ангидрит, борнит, ванадинит. вульфенит, кальцит, серпентин, хризоколла. энарпгг. ярозит
2.5.Англезит, буланжерит, крокоит, висмутин,галенит, джемсонит, карналлит, криолит, киноварь, ф логопит, антимо нит, аикннит, пираргирит Бура, галит, гпд-
роборацит. сера са мородная, сильвин, селитра
1.5Гарниерит-галлуа- зит, мирабилит, гипс, тальк
1 Каолинит
Минералы
нехрупкие
Кубаниг
Брусит, циннвальдит, гидраргиллит, хлориты
Каинит, ковеллин
Аурипигмент, гра фит, реальгар, вер микулит, молибде нит, пирофиллит
ковкие и упругие
Халькозин
Медь, золото, би отит, мусковит, лепидолит, сереб ро, висмут, арге нтит
Олово
Поэтому теоретическая прочность кристаллов практически всег да значительно выше реальной.
Приведенная в табл. 2.2 классификация минералов по твер дости и хрупкости, помимо оценки их влияния на энергоем кость и эффективность процессов дробления и измельчения, по зволяет анализировать возможность избирательного дробления, измельчения или истирания с целью последующего разделения их по крупности, называемого «обогащением по крупности».
2.2.3. Спектроскопические и радиоспектроскопические свойства минералов
Взаимодействие излучения с веществом характеризуется атомным или ядерным сечением оу определяемым как веро ятность взаимодействия квантов излучения с числом центров N, облучаемых пучком. Для обогащения используют физиче-