Методы обогащения металлических руд: Полное руководство

Обогащение металлических руд — это критически важный этап в горнодобывающей промышленности, направленный на отделение ценных металлических минералов от пустой породы на основе различий в их физических или химических свойствах. Основные методы обогащения можно разделить на три группы: физическое обогащение, химическое обогащение и биобогащение. Среди них физическое обогащение является наиболее широко применяемым благодаря низкой стоимости и экологичности. Выбор подходящего процесса обогащения в значительной степени зависит от характеристик целевых металлических минералов, таких как магнетизм, плотность и поверхностная гидрофобность.

1. Физическое обогащение: Экономичное решение для широкого промышленного применения

Физическое обогащение отделяет минералы без изменения их химического состава, полагаясь исключительно на различия в физических свойствах. Этот подход подходит для большинства легко высвобождаемых металлических минералов. Четыре основных метода физического обогащения:

1.1 Магнитная сепарация: Целевая переработка магнитных металлов

• Основной принцип: Использует различия в магнетизме минералов (например, магнетит притягивается к магнитному полю, тогда как минералы пустой породы — нет) для отделения магнитных минералов от немагнитных.
• Применимые металлы: В основном минералы железа, марганца и хрома. Особенно эффективен для магнетита (сильный магнетизм) и пирротина (слабый магнетизм). Также используется для удаления примесей железа из неметаллических минералов, таких как кварцевый песок.
• Ключевые применения:
  • Заводы по обогащению железной руды используют процесс магнитной сепарации с черновой, чистовой и контрольной стадиями для повышения содержания железа с 25–30% до более чем 65%.
  • Слабо магнитные минералы, такие как гематит, сначала обжигаются для превращения в магнетит перед магнитной сепарацией.
• Преимущества: Низкое загрязнение, низкое энергопотребление и большая производительность (один магнитный сепаратор может обрабатывать тысячи тонн в день).

1.2 Флотация: “Гидрофобно-гидрофильное” разделение мелких ценных минералов

• Основной принцип: Добавляются химические вещества (коллекторы и пенообразователи), чтобы сделать целевой металлический минерал гидрофобным. Эти частицы прикрепляются к пузырькам воздуха и поднимаются на поверхность в виде пены, тогда как нецелевые минералы остаются в пульпе.
• Применимые металлы: Медь, свинец, цинк, молибден, золото, серебро и другие мелкозернистые (обычно <0,1 мм) металлы. Идеально подходит для разделения сложных полиметаллических руд (например, поэтапная флотация медно-свинцово-цинковых руд).
• Ключевые применения:
  • Стандартный процесс для медной руды: Флотация сульфидной меди повышает содержание меди с 0,3–0,5% до медного концентрата 20–25%.
  • Вспомогательная переработка золота: Для мелкораспыленного золота флотация сначала концентрирует его в сульфидный концентрат, снижая потребление цианида при последующей цианидации.
• Преимущества: Высокая эффективность разделения (коэффициент извлечения выше 90%), эффективно для сложных полиметаллических руд.
• Недостатки: Использование химических реагентов требует очистки сточных вод.

1.3 Гравитационная сепарация: Использование различий в плотности для переработки крупных тяжелых металлов

• Основной принцип: Гравитационная сепарация использует различия в плотности между тяжелыми металлическими минералами и более легкой пустой породой в гравитационном или центробежном поле.
• Применимые металлы: Золото (россыпное и крупнозернистое жильное), вольфрам, олово, сурьма, особенно крупные частицы размером более 0,074 мм.
• Ключевые применения:
  • Добыча россыпного золота использует шлюзы и вибрационные столы для извлечения природного золота с коэффициентом извлечения более 95%.
  • Руды вольфрама и олова проходят гравитационную сепарацию как этап черновой обработки для удаления 70–80% пустой породы низкой плотности перед флотацией.
• Преимущества: Отсутствие химического загрязнения, очень низкая стоимость, простое оборудование.
• Недостатки: Низкое извлечение для мелких частиц и минералов с небольшими различиями в плотности.

1.4 Электростатическая сепарация: Использование различий в проводимости для специальных металлов

• Основной принцип: Разделяет минералы на основе различий в электропроводности (например, металлические минералы проводят, неметаллические — нет) в поле высокого напряжения, где проводящие минералы притягиваются или отталкиваются электродами.
• Применимые металлы: В основном используется для разделения редких металлических минералов, таких как титан, цирконий, тантал и ниобий, или для очистки концентратов (например, удаление непроводящей пустой породы из концентратов меди/свинца/цинка).
• Ключевые применения:
  • Разделение титана из пляжных песков: На Хайнане электростатическая сепарация изолирует проводящий ильменит от непроводящего кварца.
  • Очистка концентратов: Удаление плохо проводящего кварца из вольфрамового концентрата для повышения его качества.
• Преимущества: Высокая точность разделения, отсутствие химических реагентов.
• Недостатки: Чувствительность к влажности (требуется сушка), низкая производительность, обычно используется только как этап очистки.

2. Химическое обогащение: “Последний резерв” для сложных руд

Когда металлические минералы мелкораспылены или тесно связаны с пустой породой (например, окисленные руды, сложные сульфиды), физические методы могут быть неэффективны. Химическое обогащение разрушает структуры минералов для извлечения металлов, в основном через:

2.1 Выщелачивание: “Растворение и извлечение” ионов металлов

• Основной принцип: Руды замачиваются в химических растворителях (кислотных, щелочных или солевых растворах) для растворения целевого металла в насыщенном выщелачивающем растворе (PLS), из которого металл извлекается (например, осаждением, цементацией или электроосаждением).
• Применимые металлы: Золото (цианирование), серебро, медь (кучное выщелачивание), никель, кобальт и другие тугоплавкие металлы.
• Пример:
  • Цианирование золота: Мелко измельченная руда смешивается с раствором цианида; золото образует растворимый комплекс и затем осаждается с помощью цинковой пыли (извлечение ≥90%). Загрязнение цианидом должно строго контролироваться.
  • Кучное выщелачивание меди: Низкосортная окисленная медная руда (0,2–0,5% Cu) орошается серной кислотой; медь растворяется и извлекается с помощью экстракции растворителем и электроосаждения (SX-EW) в виде катодной меди (экономично для низкосортных руд).

2.2 Комбинированный процесс обжига-выщелачивания

• Основной принцип: Руда сначала обжигается при высоких температурах (300–1000°C) для изменения ее структуры (например, окислительный или восстановительный обжиг), превращая тугоплавкие металлы в растворимую форму для последующего выщелачивания.
• Применимые металлы: Тугоплавкие сульфиды (например, сульфид никеля, сульфид меди) и окисленные руды (например, гематит).
• Пример:
  • Обжиг сульфида никеля: Превращает сульфид никеля в оксид никеля, который легко выщелачивается серной кислотой, избегая помех от сульфидов.
  • Обжиг тугоплавкой золотой руды: Для руд, содержащих мышьяк и углерод, обжиг удаляет мышьяк (испаряется в виде As₂O₃) и углерод (который может адсорбировать золото), что позволяет проводить последующую цианизацию.

2.3 Микробиологическое обогащение: Экологичный подход для низкосортных руд

• Принцип: Некоторые микроорганизмы (например, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans) метаболически окисляют металлические сульфиды в растворимые металлические соли, позволяя извлечь металл из раствора — также известно как биовыщелачивание.
• Применимые металлы: Низкосортная медь (например, порфировая медь), уран, никель, золото (как средство удаления серы).
• Преимущества: Экологичность (отсутствие загрязнения химическими реагентами), низкая стоимость (микроорганизмы самовоспроизводятся), подходит для руд с содержанием меди 0,1–0,3%.
• Недостатки: Медленные скорости реакции (от недель до месяцев), чувствительность к температуре и условиям окружающей среды.
• Типичное применение: Примерно 20% мирового производства меди приходится на биовыщелачивание, например, крупные операции кучного выщелачивания в Чили.

3. Трехэтапная логика выбора методов обогащения

3.1 Анализ свойств минералов:

• Магнитные минералы (например, магнетит) → Магнитная сепарация
• Мелкие частицы с различиями в гидрофобности (например, медные руды) → Флотация
• Крупные частицы с высокой плотностью (например, россыпное золото, вольфрам) → Гравитационная сепарация

3.2 Оценка содержания и высвобождения руды:

• Крупнозернистые руды с высоким содержанием → Гравитационная или магнитная сепарация (низкая стоимость)
• Мелкозернистые руды с низким содержанием → Флотация или выщелачивание (высокое извлечение)
• Крайне тугоплавкие руды → Химическое или микробиологическое обогащение

3.3 Баланс экономических и экологических затрат:

• Предпочтение физического обогащения из-за низкого энергопотребления и минимального загрязнения
• Обращение к химическим или биологическим методам только в случае неэффективности физических методов, с учетом затрат и экологического воздействия

- END -