книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты

вый (18— 27); ОС — отощенный спекающийся (14— 22); Т — тощий (9— 17); ПА — полуантрацит (менее 9); А — антрацит (менее 9).

2.1.2. Минералогический состав

Минералогический состав характеризует минеральные фор­ мы проявления важнейших элементов, входящих в состав по­ лезного ископаемого, и содержание основных минералов. Он оп­ ределяет технологические показатели как извлечения каждог о компонента из руды, так и качество получаемых концентра­ тов, поскольку:

•каждый металл или элемент может быть представлен различным соотношением его легко- и трудноизвлекаемых ми­ нералов или разностей одного и того же минерала из-за раз­ личного содержания в нем изоморфной примеси;

•возможность эффективного разделения минералов при обогащении определяется степенью контрастности (различия) свойств разделяемых минералов. Унификацию (сближение), на­ пример, поверхностных свойств минералов в процессе вто­ ричных изменений у рудных минералов может вызвать их окис­ ление или взаимоактивация, у породных минералов — их окремнение, каолинизация, хлоритизация или серицитизация;

•разделение минералов при обогащении осложняется при наличии в рудах значительного количества разрушенных по­ род и охристо-глинистого материала, образующих при измель­ чении с целью раскрытия (разъединения) разделяемых мине­ ралов большое количество первичных и вторичных шламов.

Для определения минералогического состава используют макроскопическое изучение образцов, микроскопическое ис­ следование измельченной руды и шлифов, фазовый анализ, выделение и изучение мономинеральных фракций, рентгено­ графические методы, термический и люминесцентный анали­ зы, микрорентгеноспектральный метод.

Макроскопическое изучение образцов позволяет качествен­ но определить почти все основные минералы, крупность и ха­

рактер их вкрапленности, степень окисления. В процессе мик­ роскопического исследования, помимо качественного и коли­ чественного определения состава пробы, выявляют наличие в руде различных генераций минералов, степень и характер из­ менений руд, происшедших в результате различных природ­ ных процессов, наличие микровключений в минералы, форму, размер, структуру и состояние поверхности частиц.

Рентгенографические методы имеют решающее значение при диагностике минералов, когда по внешним признакам и оп­ тическим свойствам распознать их трудно. С помощью рент­ генографии определяют также форму нахождения элемента-при­ меси в минерале-носителе. Анализ тонкодисперсных глинистых минералов, а также сложных полиметаллических руд осущест­ вляют методами дифрактометрической рентгенографии и элек­ тронной микроскопии.

Термический анализ широко применяют для качественного и, в меньшей степени, для количественного определения глини­ стых минералов, слюд, хлоритов, карбонатов, органических ве­ ществ.

Люминесцентный анализ служит для диагностики и коли­ чественного определения содержания люминесцирующих ми­ нералов: шеелита, урановых минералов, корунда, алмаза, би­ тума, циркона и др.

Электродиализ успешно применяют для изучения форм вхож­ дения элементов-примесей в минералы-носители, определения относительной растворимости минералов в различных элек­ тролитах.

Микрорентгеноспектралъный анализ позволяет изучать мор­ фологию минеральных включений, граней кристаллов и сра­ станий, определять состав минералов и концентрацию в них примесей начиная с 0,01 % и более.

Фазовым анализом, основанным на селективном растворе­ нии минералов, количественно определяют минеральные фор­ мы каждого из цветных, черных и некоторых редких металлов.

Фазовый, или рациональный, анализ особенно необходим для определения минерального состава сложных частично окисленных и окисленных руд цветных металлов. Если основ­

ные металлы в них более чем на 80 % представлены сульфид­ ными минералами, то руды считаются сульфидными; если со­ держание сульфидных фракций основных металлов меньше 50 %, — окисленными. При промежуточных содержаниях суль­ фидных форм основных металлов руды считаются смешанны­ ми или сульфидно-окисленными.

Основная масса (80—85 ° о) цветных металлов сосредото­ чена в сульфидных оруденениях, и сульфидные руды являются главным источником их производства. В зависимости от обще­ го содержания сульфидов в руде различают вкрапленные (ме­ нее 25 % сульфидов) и массивные или сплошные (более 50 % суль­ фидов) руды. Сульфидные медные руды при этом подразде­ ляются на первичные и вторичные в зависимости от соотноше­ ния первичных и вторичных сульфидов меди в них.

Руды черных металлов и горно-химическое сырье разли­ чают главным образом по минералогическому составу основ­ ных ценных компонентов. Так, железные руды бывают магнетитовыми, титаномагнетитовыми, гематитомарматитовыми, бурожелезняковыми, сидериговыми. Среди марганцевых руд раз­ личают браунитовые, псиломелановадовые, манганитовые, пиролюзитовые, родонитовые, смешанные и комплексные. Хро­ мовые руды обычно представлены хромшпинелидами, в ко­ торых основным минералом является хромит; горно-химиче­ ское сырье — апатитовыми, апатит-нефелиновыми и борны­ ми рудами, фосфоритами, сильвинитами и самородной серой.

В процессе образования ископаемых углей органическое вещество растений последовательно превращалось в торф, бу­ рые угли, каменные угли и антрацит. Последовательность пре­ образований называют стадиями метаморфизма. Бурые угли относят к самой низкой, а антрациты — к самой высокой ста­ дии метаморфизма.

Органическая часть ископаемых углей неоднородна по сво­ ему составу и строению. Составная часть ее, имеющая однород­ ный блеск и строение, получила название ингредиента или литотипа. К ним относятся: витрен, кларен, дюрен, фюзен, представ­ ляющие собой определенные сочетания микрокомпонентов (витринита, фюзинита и форменных растительных элементов),

микроскопически однородных (образовавшихся примерно из одинакового исходного материала и в одинаковых условиях), и отличающиеся друг от друга по внешней структуре, химиче­ скому составу и физическим свойствам.

Засоряющими примесями в углях являются в основном глинистые породы (углистые и глинистые аргиллиты), извест­ няки, песчаники и алевролиты. Глинистые породы представ­ лены каолинитом, монтмориллонитом, гидрослюдами, хло­ ритами и небольшим количеством обломков кварца, слюд и полевых шпатов, а также пиритом, карбонатами кальция, маг­ ния и железа. Сера в углях находится в виде различных мине­ ральных соединений (пирита, марказита, сульфатов железа, кальция), сложных органических соединений, тонкодисперс­ ной элементарной серы.

2.1.3. Текстурные п структурные особенности

Текстурные и структурные особенности в строении по­ лезного ископаемого характеризуются крупностью минера­ лов, формой и пространственным распределением минераль­ ных включений и их агрегатов.

К основным формам минеральных зерен относятся: идиоморфная (ограниченная гранями кристалла), аллотриоморфная (ограниченная формой заполняемого пространства), кол­ лоидная, эмульсионная, пластинчатая — реликтово-остаточ­ ная, осколки и обломки. В зависимости от преобладающего раз­ мера минеральных выделений различают крупную (20—2 мм), мелкую (2—0,2 мм), тонкую (0,2—0,02 мм), весьма тонкую или эмульсионную (0,02—0,002 мм), субмикроскопическую (0,002—0,0002 мм) и коллоидно-дисперсную (менее 0,0002 мм)

вкрапленность минералов.

Структура минеральных срастаний (агрегатов) при этом может быть (по И.Ф. Григорьеву) зернистой, порфировидной, графической, субграфической, зональной, полосчатой, оолито­ вой, петельчатой, решетчатой, эмульсионной, неоднородной, нитеобразной, раскрошенной, скелетной, дендритовой, цемент­ ной, колломорфной, перлитовой, сферолитовой, гелевой, смя­ тия, раздробленной.

Взаимное расположение минеральных агрегатов — тек­ стура руды — также может быть самым разнообразным. Они могут примыкать друг к другу (например, в полосчатых, сло­ истых и некоторых других типах текстур), располагаться один внутри другого (например, в конкреционных текстурах оса­ дочных пород), взаимно проникать друг в друга (например, в некоторых типах петельчатых текстур), последовательно окай­ млять одним минеральным агрегатом другой (например, в концентрически-зональных текстурах замещения, а также кокардовых, корковых и прочих текстурах).

Характеристика минеральных выделений служит основой для разработки технологических схем и прогноза показателей переработки полезных ископаемых.

В большинстве случаев не удается достигнуть полного рас­ крытия всех сростков, представленных обычно срастанием зе­ рен соизмеримых размеров, пленками одного минерала на по­ верхности зерен другого, эмульсионными включениями или прожилками одного минерала в другом и другими, более слож­ ными формами срастания минералов. При обогащении при­ ходится отделять частицы, более насыщенные включениями извлекаемого минерала, от менее насыщенных ими зерен. Для полного раскрытия всех сростков потребовалось бы слишком тонкое измельчение всей руды с сильным переизмельчением минералов, что экономически и технологически нецелесооб­ разно. Поэтому каждая руда имеет свою экономически выгод­ ную степень измельчения. Чем выше содержание ценных ком­ понентов в руде, больше производительность фабрики и кру­ пнее вкрапленность извлекаемых минералов, тем желательнее более полное их раскрытие из сростков с минералами породы и другими отделяемыми от них минералами.

Наиболее высокие показатели переработки достигаются при крупной вкрапленности минералов, имеющих идиоморфную, аллотриоморфную, реликтово-остаточную форму и фор­ му осколков, обломков. Они существенно ухудшаются при пла­ стинчатой форме зерен и решетчатой, петельчатой, зональной структуре агрегата, эмульсионной форме зерен и эмульсион­ ной структуре распада твердого раствора, коллоидной форме зерен и гелевой, колломорфной и колломорфно-метаколлоид-

ной структуре минеральных агрегатов. При натечной струк­ туре агрегатов наибольшие потери наблюдаются при колло- морфно-метаколлоидной, концентрически-зональной, корко­ вой текстуре, а при каркасной структуре агрегата — при по­ ристой, кавернозной, губчатой, ячеистой и некоторых других типах текстур полезного ископаемого.

Чем крупнее вкрапленность минералов и совершеннее фор­ ма их выделений, тем проще методы и выше показатели пе­ реработки, а также комплексности использования полезного ископаемого.

2.1.4. Фпзпческпе свойства

Из физических свойств наибольшее значение имеет меха­ ническая прочность (крепость) углей и руд, определяющая энергетические затраты при их дроблении и измельчении, с целью раскрытия (разъединения) минералов.

Под воздействием внешних сил горная порода подверга­ ется деформациям — изменению линейных размеров, объема

иформы. При постепенном увеличении напряжений можно на­ блюдать все три вида деформации — упругую, пластическую

иразрушающую. В зависимости от соотношения величин этих деформаций горные породы могут быть подразделены на уп­ ругохрупкие (пластическая зона практически не наблюдается вплоть до разрушения), упругопластичные (разрушающей де­ формации предшествует зона пластической деформации) и пластические (упругая деформация практически отсутствует).

Упругие свойства проявляются в способности пород вос­ станавливать исходную форму и размеры после снятия на­ грузки и характеризуются временным модулем Юнга. Увели­ ченные модули упругости обычно имеют темноцветные ми­ нералы. Так, если у ортоклаза он равен 6,3-104 МПа, плагиокла­

з о в — (2,8—9)104 МПа, то у пироксенов — (14,4— 16)104 МПа, оливина — 21-104 МПа. Модуль Юнга у кварца равен пример­ но 105 МПа. В слоистых породах параллельно слоям и перпен­ дикулярно к ним наблюдаются различные значения модулей упругости.

Пластическая деформация в породах обусловлена внутриили межзеренным скольжением, происходит без нарушения сплошности пород и зависит от их минерального состава. На­ пример, наличие жестких кварцевых зерен и полевого шпата в породе уменьшает ее пластичность. В углях наблюдается зави­ симость пластичности от содержания в них углерода. При пе­ реходе от слабометаморфизованных углей к антрацитам их пластичность уменьшается в 30 раз. Повышение пластично­ сти в породах сопровождается, как правило, снижением их мо­ дуля упругости.

Разрушение горных пород имеет либо хрупкий, либо пла­ стичный характер и сопровождается разрывом связей между атомами и ионами в кристаллической решетке минералов и межзерновых связей. Величина сил, необходимых для их раз­ рыва, зависит от типа межатомных связей, строения кристал­ лической решетки минералов и наличия в кристаллах и зернах дислокаций и вакансий. Плотность дислокаций в кристаллах высока и может составлять до 1012 на 1 см2. Как правило, уве­ личение плотности дислокаций ослабляет минералы, вызыва­ ет в них пластические деформации. Вместе с тем перенасы­ щенность дислокациями может привести и к упрочнению кри­ сталлов за счет запутывания и закрепления концов дислока­ ций и исчезновения свободных плоскостей скольжения.

Прочность породы определяется величиной критических напряжений, при которых происходит ее разрушение. Эти на­ пряжения различны для разных пород, разных видов прило­ женных нагрузок и носят названия пределов прочности при сжатии Ос*, растяжении ор, сдвиге а Сдв. изгибе а Изг и т. д. Зна­ чения их и прочность породы в целом определяются:

•прочностью слагающих ее минералов. Поскольку из по­ родообразующих минералов наибольшей прочностью облада­ ет кварц, то кварцсодержащие породы являются наиболее проч­ ными. Предел прочности горной породы значительно мень­ ше, если в ее состав входят малопрочные минералы (кальцит, слюда и др.);

•структурой горных пород. Наибольшие значения преде­ ла прочности при сжатии имеют плотные мелкозернистые квар­ циты н нефриты. Значительной прочностью обладают плот­

ные мелкозернистые граниты, несколько меньшей — габбро, диабазы и крупнозернистые граниты. Прочность углей при сжа­ тии изменяется в зависимости от степени их метаморфизма от 1 МПа (коксовые угли) до 35 МПа (антрациты). Наличие мелких трещин, пор, неоднородностей, плоскостей ослабления предопределяет преобладающий хрупкий характер разрушения горных пород;

• слоистостью горных пород. При растяжении поперек слоев порода будет разрушаться по слабому прослойку. При растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость по­ роды. Пределы прочности пород при сжатии поперек слои­ стости в подавляющем большинстве случаев больше, чем вдоль слоистости, поскольку слабые тонкие прослойки удер­ живаются от раскалывания более прочными слоями. При сда­ вливании образца вдоль слоистости прочность породы опре­ деляется главным образом прочностью наиболее слабых про­ слойков, по которым и происходит раскол породы.

Наиболее трудно поддаются разрушению вязкие породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластической деформации. Следует учитывать также, что пределы прочно­ сти всех пород при сдвиге, изгибе и других видах деформации всегда меньше предела их прочности при сжатии.

Механическая прочность (крепость) руд и углей характе­ ризуется дробимостью, хрупкостью, твердостью, абразивно­ стью.

Дробимостъ характеризует способность полезных иско­ паемых сопротивляться разрушению под действием динами­ ческих напряжений, передаваемых материалу непосредствен­ но дробящими устройствами (молотками, шарами, зубьями и т. п.). Для углей она увеличивается по мере перехода к углям средней стадии метаморфизма. Дробимость определяется по объему образованных в результате удара частиц размером менее 7 мм при сбрасывании на образец груза массой 16 кг с высоты 0,5 м.

Хрупкость характеризуется свойством минералов и мине­ ральных агрегатов разрушаться при механическом воздейст­ вии на них без применения специальных дробящих устройств

(молотков, шаров и др.). Для углей она зависит от петрогра­ фического состава: наиболее хрупкими являются фюзен и витрен, наименее хрупкими — дюрен и кларен.

Твердость характеризует способность тела противодейст­ вовать проникновению в него другого, более твердого тела, т. е. разрушению при точечном (контактном) нагружении. Деся­ тибалльная шкала твердости Мооса представляет собой следую­ щий ряд эталонных минералов (твердость которых равна их номеру): тальк (1), гипс (2), кальцит (3), флюорит (4), апатит (5), ортоклаз (6), кварц (7), топаз (8), корунд (9), алмаз (10). Твер­ дость каменных углей по шкале Мооса изменяется от 2 до 5.

Крепость горных пород характеризует сопротивляемость их технологическому разрушению. Руды считаются мягкими, если коэффициент их крепости по шкале М.М. Протодьяконова не превышает 10; средними — при коэффициенте 10— 14; твердыми — при 14— 18; весьма твердыми — более 18. При этом средневзвешенный показатель абразивности горных по­ род составляет (мг): для мягких — до 10; средних — от 10 до 30; твердых — от 30 до 45; весьма твердых — более 45. Абра­ зивность оценивают по износу материала стали, контактиру­ ющего с горной породой. За критерий абразивности прини­ мают суммарную потерю массы стального стержня (мг) при истирании о породу поочередно обоих его концов, которое производится при осевой нагрузке 150 Н и частоте вращения

400мин'1.

Из других физических свойств, например, для железных руд

наибольшее значение имеют пористость, газопроницаемость, кусковатость и влажность. Чем больше пористость и газопро­ ницаемость, тем выше их восстановимость. Наиболее высокой восстановимостью характеризуются бурые железняки и сидеритовые руды, наименьшей — магнетитовые руды. Гематитовые руды занимают промежуточное значение.

Кусковатость руд черных металлов нормируется конди­ циями. Для магнетитовых руд верхний предел крупности со­ ставляет 40—50 мм, для гематитовых руд — 50—80 мм, для

бурых железняков — 80— 120 мм; нижний предел крупности для всех типов железных руд— 10 мм (класс -10 +0 мм отправ­ ляют на агломерацию). Крупность марганцевых руд не должна превышать 100 мм. Хромовые руды, поступающие в химиче­ скую промышленность, не должны быть крупнее 300 мм.

Влажность может вызвать смерзаемость и существенно затруднить транспортирование полезного ископаемого, ухуд­ шить условия его переработки и технологические свойства. Кондиции на влажность зависят от типа сырья. Например, для бурых железняков допустимое содержание влаги составляет 10— 16 %, для гематитовых руд — 4— 6 %, для магнетитовых руд — 2—3%.

Плотность горных пород 5П определяется плотностью слагающих их минералов, которые делятся на тяжелые (5П> > 4 - 103 кг/м3), средние (6П= (4,0 -f 2,5) 103 кг/м3) и легкие (6П< < 2,5-103 кг/м3).

Насыпная плотность углей характеризуется отношением их массы к объему, заполненному свободной или уплотнен­ ной насыпкой (в штабеле, вагоне, бункере и др.). Она зависит от плотности минералов, размера кусков, гранулометрическо­ го состава, влажности и изменяется в довольно широких пре­ делах.

2.1.5. Гранулометрический состав

Гранулометрический состав характеризуется количествен­ ным распределением зерен полезного ископаемого по крупно­ сти. Частицы обычно имеют неправильную форму, и круп­ ность их принято характеризовать средним диаметром ЛсР за­ висящим от длины /, ширины Ь, высоты h частицы и рассчи­ тываемым по одной из следующих формул:

Лф = (/ + Ь ) ! 2; Лер = (/ + Ь + h ) / 3; Лер = y fïb

Для определения гранулометрического состава смеси зе­ рен их разделяют на классы крупности, ограниченные разме­ рами максимального и минимального зерен в них. Принятое