Ресурсы, техноло-гии, экономика, 2005, №8 Ф.Д.Ларичкин, А.И.Николаев, А.А.Александров
advertisement
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 = 109м). 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]: М i yi i (1) где уi – содержание компонента в куске (порции или интервале); - среднее содержание компонента в руде; i – 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, 1 Даже самородные ископаемые (золото, платина, медь, алмазы и др.) нуждаются в доводке, доочистке, огранке. 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 Низкоконтрастные Среднеконтрастные Высоконтрастные Особоконтрастные 0,4 0,4 – 0,7 0,7 – 1,1 1,1 – 1,5 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 физикохимическими 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 обеспечивающие как методы высокую подготовки эффективность минерального раскрытия сырья, 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 отклонением показателю контрастности содержания средневзвешенным выделяемого компонента относительным во фракциях, сгруппированных по интенсивности проявления признака (фактора) разделения, от среднего содержания компонента в перерабатываемом сырье по формуле [2]: П i xi i (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]. Из изложенного видно, что успешное разделение многокомпонентного минерального сырья на отдельные его ценные составляющие и выделение «балласта» – пустой породы, не имеющей в данный момент рациональных областей практического применения, наряду с высокой контрастностью, связано с Для тонко измельченного сырья на стадиях основных процессов обогащения, химической, металлургической и т.п. переработки контрастность свойств компонентов сырья может быть количественно оценена по показателям эффективности разделения на основе результатов эксперимента. 2 поиском и подбором эффективного признака (фактора) разделения3, как правило, близких по совокупности физико-химических свойств ценных компонентов и безрудных составляющих. Признаки предварительного разделения, используемые радиометрического в разнообразных обогащения полезных методах ископаемых представлены в табл. 2. Под радиометрическим обогащением понимается процесс механического разделения добытой рудной массы на продукты, различающиеся по содержанию полезных компонентов или вредных примесей, на основе регистрации плотности потоков нейтронного, гамма-, рентгеновского излучения или изменений электромагнитных полей, обусловленных величиной концентрации как основных, так и сопутствующих полезных компонентов, либо вредных примесей, находящихся с ними в парагенетической или генетической связи [2]. Таблица 2 Характеристика методов радиометрического обогащения полезных ископаемых [2] №№ пп 1 Способ (метод) 2 Физический процесс 3 1. Фотонейтронный (ФНМ) Фотоядерная (n,) реакция 2. Рентгенорадиометрический (РРМ) Возбуждение характеристического рентгеновского излучения 3. Рентгенолю- Возбуждение люмиминесцентнесценции в видимой ный (РЛМ) или ультрафиолетовой области спектра Признак (фактор) разделения 4 Полезные ископаемые 5 Интенсивность потока нейтронного излучения, возникающего под воздействием гамма-квантов на ядра определяемого элемента Интенсивность и энергия атомной флюоресценции Бериллиевые руды, руды марганца, железа, олова, молибдена, меди Руды железа, никеля, меди, цинка, молибдена, бария, стронция, сурьмы, свинца, вольфрама, олова и др. Интенсивность и цвет лю- Алмазосодержащие, флюминесценции, длительоритовые, цирконовые, ность и кинетика высвецелестиновые, сподумечивания новые, шеелитовые, апатитовые руды Эффективность разделения в конечном счете зависит также от совершенства применяемой аппаратуры, квалификации, мотивации и ответственности обслуживающего персонала и т.д. 3 4. Фотометрический (ФММ) Диффузное отражение, поглощение, рассеяние, преломление и поляризация света Интенсивность отраженного или преломленного светового потока Тальк, гипс, каменная соль, доломит, слюда, алмазы, кварц, золотосодержащие, ильменитовые руды 5. Гаммаабсорбционный (ГАМ) Фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние гамма-квантов Плотность потоков гамма-квантов, прошедших сквозь исследуемую среду 6. Авторадиомерический (ГМ) Естественная радиоактивность 7. Нейтронноактивационный (НАМ) Искусственная радиоактивность 8. Нейтроннорадиационный (НРМ) 9. Нейтронноабсорбционный (НАБМ) Магнитометрический (МММ) Радиационный захват нейтронов с испусканием характеристического гаммаизлучения Захват и рассеяние тепловых и медленных нейтронов Интенсивность потока естественного гаммаизлучения, и его спектральный состав Интенсивность потока наведенного гамма-излучения под воздействием нейтронов Интенсивность гаммаизлучения определенной энергии Железные, хромовые, свинцово-цинковые, сурьмяные, оловянные, цезиевые, баритовые руды, уголь, горючие сланцы Урановые и радиоактивные руды редких и редкоземельных элементов, калийные соли Флюоритовые руды, руды, содержащие индий, серебро, золото, ванадий 10. 11. 12 а) Индукционнорадиорезонансный (ИРМ) б) Радиоабсо-рбционный (РАМ) Емкостный радиорезонансный (ЕРМ) Намагничивание внешним магнитным полем, естественная магнитность Поглощение и перераспределение поля радиочастотного излучения Поляризация диэлектриков и образование токов смещения Предварительное Плотность потока нейтронного излучения, прошедшего сквозь исследуемую среду Изменение напряженности и энергии магнитного поля Полезные ископаемые, содержащие элементы с сечением захвата 1 барн и более (железо, титан, никель, ртуть) Руды бора, лития, кадмия, редких земель, ртути Руды черных и цветных металлов Изменение энергии электромагнитного поля Сульфидные руды цветных и редких металлов, уголь, сланцы, графит Изменение энергии электромагнитного поля Бокситы, руды магнезитовые, серные, мусковитовые, биотитовые, оловянные, вольфрамовые радиометрическое обогащение минерального сырья является высокоэффективным, высокопроизводительным, экологически чистым (безреагентным) и дешевым процессом. В зависимости от конкретных условий на практике одновременно могут быть реализованы несколько возможных эффектов радиометрических методов сепарации [10]: вывод из процесса обогащения (после крупного дробления) значительной части крупнокусковой породы (отвальных хвостов) и уменьшение объемов сырья, поступающего на измельчение и основной процесс обогащения; упрощение и удешевление процессов добычи (переход на валовую отработку руд высокопроизводительными системами) и обогащение облагороженного сырья; повышение качества конечных продуктов обогащения, соответственно сокращение затрат на их транспортировку и последующую химикометаллургическую переработку; повышение уровня извлечения ценных компонентов и комплексности использования сырья; вовлечение в переработку запасов бедных и забалансовых руд, накопленных отвалов некондиционного сырья без снижения результирующих экономических показателей; использование крупнокусковых отходов сепарации для строительных целей и других нужд; сокращение тонкоизмельченных отходов и затрат на их обезвреживание и складирование. В основных используются процессах разнообразные обогащения признаки минерального (факторы) сырья разделения широко (различия отдельных минералов): промывистость материала, плотность, твердость, трение, крупность, магнитная восприимчивость, электропроводность, смачиваемость, флотоактивность и др. Еще более разнообразен арсенал факторов (признаков) разделения химических элементов и их соединений в процессах химикометаллургической переработки минерального сырья: различия в температурах плавления, кипения, кристаллизации, конденсации, экстракции, сорбции, кинетики выщелачивания, сульфатизации, хлорирования, фторирования и т.д. Изучение, наиболее полное выявление признаков сходства и различий физикохимических свойств химических элементов и соединений является необходимым условием и перспективным направлением разработки эффективных методов управления контрастностью свойств минеральных компонентов, разделением и комплексным использованием различных видов минерального сырья. Как показывает анализ, при определенных условиях, разделение многокомпонентного ископаемого сырья на отдельные ценные составляющие (и пустую породу) с различным успехом, затратами и показателями принципиально возможно на разных стадиях его добычи и переработки. Так, даже на стадии добычи высокоценных сортов руд вместо валовой отработки применяется селективная выемка сближенных, но пространственно обособленных залежей, либо перемежающихся слоев полезного ископаемого различного состава (при достаточно четких контактах и приемлемых мощностях каждого из слоев). В качестве другого примера можно привести интенсивно развивающиеся в последнее время геотехнологические способы добычи, не требующие присутствия человека в выемочном пространстве, сущность которых заключается в переводе полезных ископаемых (ценных составляющих) в результате воздействия различных видов энергии в подвижное состояние и извлечение их на дневную поверхность через скважины [11-13]. К таким методам относятся, в частности, подземная выплавка серы, газификация углей, скважинная гидродобыча рыхлых отложений [12,13]) и др. Использование понятий контрастности свойств компонентов и разделительных процессов позволяют по новому представить и более обоснованно решить многие сложные проблемы экономики комплексного использования минерального сырья, в частности дифференцированной стоимостной оценки отдельных ценных составляющих в исходном многокомпонентном сырье и разнообразных продуктах его переработки, определения экономической эффективности извлечения отдельных ценных компонентов и комплексного использования сырья в целом, обоснования параметров кондиций при оконтуривании и подсчете промышленных запасов комплексных месторождений и т.п. ЛИТЕРАТУРА 1. Мокроусов В.А, Лилеев В.А. Радиометрическое обогащение нерадиоактивных руд. – М.: Недра, 1979. –192с. 2. Требования к изучению радиометрической обогатимости минерального сырья при разведке месторождений металлических и неметаллических полезных ископаемых. М.: ГКЗ, 1992. 3. Чантурия В.А. Теоретические основы повышения контрастности свойств и эффективности разделения минеральных компонентов //Цветные металлы, 1998, №9. – С.11-17. 4. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований /Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 292с. 5. Скорина М.Л., Юртов Е.В. Нанотехнология в материалах сайтов сети Интернет //Химическая технология, 2003, №1. – С.39-43. 6. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. – М., 1965. 7. Чантурия В.А. Основные направления комплексной переработки минерального сырья //Горный журнал, 1995, №1. С.50-54. 8. Чантурия В.А. Состояние и перспективы обогащения руд в России //Цветные металлы, 2002, №2. С.15-21. 9. Чантурия В.А. Теория и практика использования электрохимических и радиационных воздействий в процессе первичной переработки минерального сырья. – М.: МГГУ, 1993. 10. Экономика предварительной радиометрической сепарации апатитовых руд /Ф.Ларичкин, С.Терещенко, В.Марчевская, П.Полубелков //Север и рынок: формирование экономического порядка, 1999, №2. – С.79-84. 11. Аренс В.Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. – М.: Недра, 1975. – 264с. 12. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). – М.: Недра, 1986. – 279с. 13. Рациональное использование Прибалтийских фосфоритов /Ларичкин Ф.Д., Шеремета Р.И., Сыркин Л.Н. и др. - Таллинн: Валгус, 1986. -144с.