Обогащение – процесс извлечения ценных минералов из природных руд. Лишь немногие руды могут обходиться без обогащения (например, некоторые железные руды). Для большинства руд содержание полезного компонента варьирует от нескольких % (цветные металлы) до нескольких г/т (благородные металлы). Большинство операций обогащения состоит из двух стадий:
Решение задач технологической минералогии требует применения комплекса методов, среди которых рудная микроскопия играет важную роль. С ее помощью осуществляется первая оценка экономической возможности будущей добычи руды, определение ценных минералов и минералов, препятствующих обогащению или металлургическому переделу, контроль процессов измельчения и разделения. Она позволяет получать информацию о размере частиц, природе их срастаний и характере границ между зернами.
На стадии поисково-оценочных работ на месторождении минералогическое изучение производится для характеристики природных разновидностей руд, и включают в себя оценку структурно-текстурных особенностей, минерального состава, параметров раскрытия основного рудного минерала [Технологическая…, 1990]. Кроме того, изучается баланс распределения полезного компонента по минералам, состав и свойства главных минеральных форм полезного компонента.
На стадии предварительной разведки минеральный состав руды изучается для прогнозирования технологических свойств природных типов и разновидностей. В частности, исследуют классы крупности, гранулометрический состав рудных вкраплений и нерудных минералов в недробленой и стадиально дробленой руде, определяют их удельную поверхность, степень раскрытия руды при измельчении, распределение типов сростков, границы срастаний рудных минералов в сростках и классах крупности, форму нахождения полезных компонентов в руде, баланс основных и попутных элементов по рудным минералам. На стадии детальной разведки осуществляется технологическая оценка минералогических параметров руды на основе изучения полупромышленной пробы.
В целом, задачи прикладных минераграфических исследований охарактеризованы в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Задачи прикладных минераграфических исследований
Задача
Расшифровка
Дополнительные методы
Диагностика минералов руд
Определение промышленных, непромышленных, неметаллических промышленных и жильных минералов.
Микроскопия отраженного света, рентгеновский анализ, электронная микроскопия, микрозондовый и
термический анализ и др.
Определение свойств минералов руд
Определение твердости, магнитности, электропроводности и др.
Определение растворимости, поверхностно-активных свойств, плотности и др.
Текстурно-структурный анализ руд
Определение текстур и структур рудных и нерудных минералов со специфической информацией о типах прорастаний (включая такие данные, как побежалость, пленки, прожилки и т.д.), пористости и ямчатости.
Количественные данные о руде
Количество промышленных, непромышленных, неметаллических промышленных и жильных минералов.
Микроскопия отраженного света,
рентгеновский анализ
Классификация частиц в промпродуктах
Определение относительного размера частиц, срастаний, количества срастаний и отдельных минералов в частицах, представленных прорастаниями.
Валовый химический состав руд далеко не всегда позволяет делать заключение о ее качестве, поэтому определение минерального состава является первоочередной задачей при технологической оценке.
Рудообразующие минералы принято разделять на четыре группы: промышленные; минералы-носители полезных примесей; минералы-носители вредных примесей; непромышленные. Ценность руды определяется, главным образом, концентрациями промышленных минералов и минералов, содержащих полезные примеси. Минералы, содержащие вредные примеси, могут ухудшить качество конечного продукта, поэтому их диагностика также важна. Примером такого рода может служить присутствие в золотых рудах, подготавливаемых для цианирования, сульфидов железа, антимонита, сульфидов меди. Диагностика непромышленных минералов имеет важное значение для обогащения. Одни нерудные минералы могут представлять экономический интерес; другие – затрудняют обогащение.
При изучении минерального состава руды в основе лежит комплекс методов рудной микроскопии и петрографии. Рентгеновский и термический анализ используют для характеристики агрегатов высокодисперсных фаз, глинистой или слюдистой жильной массы; методы локального химического анализа – для уточнения диагностики минералов, изучения их химического состава. Для анализа рентгеноаморфных и аморфных фаз используется ИК-спектроскопия, минералов железа – ЯГР-спектроскопия.
Так же как и определение схемы разделения минералов после их диагностики, эффективность разделения может контролироваться исследованием продуктов, получаемых на различных стадиях обогащения (рис. 8.1). Поэтому необходимо тщательно изучать как концентраты, так и хвосты. Диагностика и характеристика рудных минералов важны также для последующей металлургической переработки концентратов.
Рис. 8.1. Частица золота (Au) в гравитационном концентрате с арсенопиритом (белые частицы). Полированный препарат на основе эпоксидной смолы. Месторождение Кекура, Чукотка.
Разделение минералов основано на различиях в их физических и химических свойствах, отсюда вытекает важность определения свойств минералов, которые могут повлиять на процесс переработки. Минеральные фазы даже одного вида могут вести себя в процессе обогащения по-разному. Это связано с тонкими различиями в их свойствах, обусловленных разными условиями рудообразования. С другой стороны, присутствие в рудах промышленных и непромышленных минералов с близкими свойствами может привести к загрязнению концентрата.
В минераграфической практике различия в физических свойствах минералов выявляются методами изучения электрических свойств (термо-ЭДС, электропроводность), магнитности (магнитная порошкография), микротвердости (см. главу 5).
Текстурно-структурные особенности руды являются одним из важнейших признаков минерального сырья, оказывающих решающее влияние на его обогатимость. Их изучение позволяет прогнозировать и контролировать поведение руды в процессе измельчения, определить оптимальный размер зерен для эффективного высвобождения. Недостаточное дробление может привести к потерям промышленных минералов, а переизмельчение – к дополнительному расходованию энергии и шламообразованию. Эффективность измельчения и обогащения также нужно контролировать изучением продуктов дробления, концентратов, промпродуктов и хвостов в полированных препаратах.
Для переработки руды необходимо знать размеры мономинеральных агрегатов, зерен в руде и частиц в продуктах ее обогащения и их распределение. Размер минеральных выделений определяет крупность измельчения, целью которого является высвобождение («раскрытие») ценного компонента руд. Крупность частиц является основным ограничителем применения методов разделения минералов. При измельчении руды для ее дальнейшего обогащения физико-механическими способами обычно невозможно обеспечить полное освобождение частиц всех ценных компонентов, т. е. раскрытие всех сростков. Поэтому измельчение ведется до крупности, определяемой, в основном, экономическими соображениями.
Определение оптимальной крупности измельчения – важная задача. Ее основной метод решения – выявление характерных минеральных срастаний, содержащих ценные компоненты, определение типичных размеров минеральных выделений, статистическая обработка полученных данных. Это позволит определить экономически оптимальную крупность измельчения, которая всегда значительно больше, чем требующаяся для полного раскрытия всех частиц.
По крупности зерен руды принято разделять на пять групп (табл. 8.2): 1) крупнозернистые с величиной зерен в диаметре более2 мм; 2) среднезернистые – 2–0.2 мм; 3) мелкозернистые – 0.2–0.02 мм; 4) тонкозернистые – 0.02–0.002 мм; 5) субмикроскопические и коллоидно-дисперсные с величиной частиц менее 0.002 мм.
Таблица 8.2
Классификация минеральных выделений по размеру и способы их извлечения из руд,
по [Юшко, 1966]
Величина минеральных выделений
Размер выделений
Условия наблюдения и измерения
Технологические процессы, обычно применяемые для извлечения минеральных выделений из руд
Крупные
20–2 мм
Отчетливо наблюдаются невооруженным глазом; размеры определяются непосредственным измерением
Осадка: обогащение в тяжелых средах (суспензиях); иногда сухая магнитная сепарация в сильном или слабом магнитном поле; отчасти – гидрометаллургические процессы; извлечение путем перколяционного выщелачивания
Мелкие
2–0.2 мм
Наблюдаются невооруженным глазом; размеры определяются непосредственными измерениями и отчасти измерениями под лупой
Концентрация на столах (песковых и шламовых); иногда макромагнитная сепарация в слабом или сильном магнитном поле (также обогащение в тяжелых средах); электростатическое обогащение; гидрометаллургические процессы извлечения; перколяционное или агитационное выщелачивание
Тонкие
0.2–0.02 мм
Различимы при помощи лупы или микроскопа; размеры определяются измерениями под микроскопом
Флотация; в редких случаях концентрация на специальных шламовых столах; иногда процессы статического отмучивания; при гидрометаллургическом извлечении – выщелачивание при агитации
Весьма тонкие
0.02–0.002 мм
Наблюдаются и измеряются только под микроскопом
Статическое отмучивание в присутствии электролитов глинистых и других руд; в редких случаях флотация или гидрометаллургическое извлечение
Субмикроскопические
0.002–0.0002 мм
В обыкновенный микроскоп при самых больших увеличениях; измеряются специальными методами
Не извлекаются методами механического обогащения; обычно перерабатываются совместно с компонентами вмещающей породы; раздельное извлечение требует разработки специальных методов
Коллоидно-дисперсные
Не различаются при наблюдении в световом микроскопе; даже при самых сильных увеличениях требуют специальных методов наблюдения и измерения (например, электронный микроскоп и др.)
Особенно важным параметром для технологии является характеристика срастаний минералов, т.к. этим критерием определяется полнота разделения. Грубое подразделение по данному признаку позволяет определить два типа: 1) минеральные агрегаты с гладкими и ровными границами срастаний; 2) минеральные агрегаты со сплошными границами срастаний.
Первый тип более благоприятен для обогащения. Легко обогащаются зернистые и кристаллобластические структуры. Колломорфные руды обогащаются с небольшими потерями только в том случае, если промышленные минералы слагают крупные мономинеральные агрегаты с однородным строением, которые легко освобождаются от непромышленных минералов.
В случае срастаний второго типа избежать потерь удается не всегда. В эту группу объединяются сложные по рисунку коллоидные и метаколлоидные, цементные и другие типы минеральных агрегатов. Некоторые из них (коллоидные, метаколлоидные, цементные, коррозионные, каркасные) могут быть благоприятными для процессов выщелачивания (химического и бактериального), т.к. обуславливают повышенную неоднородность минерального состава, физических и химических свойств руды, пористость, большую поверхность коррозионных границ.
При рассмотрении проблем высвобождения рудных минералов полезна простая классификация текстур и структур, основанная на возможных потерях ценного компонента (табл. 8.3, 8.4).
Таблица 8.3
Значение морфологических типов структур при обогащении руд, по [Юшко, 1966]
Форма минерального зерна
Группы структур руд в зависимости от потерь ценного компонента при обогащении
Без потерь (I)
Потери минимальные (II)
Потери максимальны (III)
Идиоморфная
Идиоморфнозернистая
Идиоморфнометазернистая
Аллотриоморфная
Аллотриоморфнозернистая,
гипидиоморфнозернистая,
порфировидно-зернистая,
сидеронитовая,
ориентированно-зернистая
Гипидиоморфнометазернистая,
пойкилитометазернистая,
пойкилитобластическая
Коллоидно-дисперсная
Концентрически-зональная
Гелевая,
колломорфно-метаколлоидная
Эмульсионная (рис. 8.2)
Эмульсионная
Пластинчатая
Катакластическая
Пластинчатая, решетчатая, петельчатая, зональная
Реликтово-остаточная
Скелетная, реликтово-остаточная, разъедания
Осколки
Дробления
Обломки
Порфирокластическая,
ориентированно-кластическая
Рис. 8.2. Эмульсионная вкрапленность халькопирита в сфалерите. В связи с неизбежными проблемами обогащения таких руд образовался особый термин – «халькопиритовая болезнь сфалерита». В верхней части поля зрения зерно пирита. Тарньерское месторождение, Северный Урал.
Таблица 8.4
Значение морфологических типов текстур при обогащении руд, по [Юшко, 1966]
Форма минерального агрегата
Группировка текстур руд в зависимости от потерь ценного компонента при обогащении
Минеральные образования удлиненной формы (полоски, прослои и др.)
Полосчатая, слоистая, линзовидная, крустификационная, сланцеватая, плойчатая, гнейсовидная
Полосчатая, слоистая, линзовидная
Прожилки и дендриты
Прожилковая и просечковая
Прожилковая, нитеобразная, петельчатая, решетчатая, графическая, субграфическая
Цементная
Минеральные образования округлой формы (почки, оолиты, нодули и др.)
Нодулярная, оолитовая,
очковая, секреционная, конкреционная, кокардовая и жеодовая
Вкрапленная, пятнистая,
кокардовая
Текстурно-структурный анализ руд выполняется, как при полевой стадии исследований (макротекстуры, наблюдаемые непосредственно в керне скважин или в обнажениях), так и в камеральный период (изучение пришлифованных штуфов и полированных шлифов). При этом измеряются линейные размеры выделений, в рудах со слоистой текстурой измеряют нормальные или истинные мощности слоев, с вкрапленной – размеры вкрапленников или участков, не содержащих рудные минералы. При работе с технологическими пробами наиболее представительные данные могут быть получены при измерениях всех кусков пробы, что возможно только для небольших (20-40 кг) лабораторных проб. Для получения надежных статистических данных общее число единичных измерений должно быть не мене 300 для каждой разновидности руды [Технологическая…, 1990]. Число штуфов, которые необходимо измерить по технологической пробе для различных размерных типов текстур, зависит от размера текстурного элемента (табл. 8.5).
Таблица 8.5
Необходимое число штуфов для определения текстуры, по [Технологическая…, 1990]
Преобладающий размер текстурного элемента, мм
0-5
0-10
0-25
Максимальное число штуфов
25
60
150
Данные измерений текстуры руд обобщают по следующим классам крупности: +25; –25 + 10; –10 + 5; –5 + 3; –3 + 1; –1 мм.
Для количественной оценки текстурно-структурных особенностей руды в полированных шлифах в его плоскости намечают три линии. Расстояние между линиями должно в 3-4 раза превышать размер максимальных сечений. По выбранным линиям измеряют сечения рудных и нерудных выделений и относят к размерным классам: –0.2; +0.1 – 0.2; +0.074 – 0.1; + 0.045 – 0.074; +0.03 – 0.03; –0.03 мм.
Определение содержаний минералов для технологических целей, как в исходных рудах, так и продуктах обогащения должно базироваться на количественных измерениях. Для этого используются как «ручные» методы измерений, так и компьютерные системы анализа изображений (см. главу 7). Совмещение последних с моторизированными моделями микроскопов позволяет почти полностью автоматизировать анализ и увеличить его экспрессность. Световая микроскопия позволяет анализировать частицы, размер которых более 3–5 мкм. Частицы меньшего размера, как правило, не участвуют в разделении и образуют шлам.
В продуктах обогащения руды определяют количество и размеры минеральных сростков, а также свободных частиц рудных и нерудных минералов. Это могут быть минеральные включения, зерна или мономинеральные агрегаты (вкрапленность, прожилки, полоски, каемки). Гранулометрический анализ дает распределение минеральных частиц в руде по классам крупности. Основные методы гранулометрического анализа – ситовой и микроскопический.
Форма представления результатов минераграфических исследований, выполненных в технологических целях, приведена в приложении 4.