Объяснение четырех стадий переработки полезных ископаемых: от дробления до обезвоживания

Обогатительная фабрика, перерабатывающая 10 000 тонн руды в день, зачастую отгружает менее 400 тонн продукции. Остальные более 9600 тонн — это камни и вода, которые необходимо раздробить, отсортировать, отделить и осушить в установленной последовательности — и эту последовательность проектировщики предприятий называют четырьмя этапами переработки полезных ископаемых. Пропустите одно звено в цепочке, и за это заплатит весь завод: мельница, которая измельчает неправильный размер, приводит к голоданию флотационных камер, а плохо оседающий загуститель приводит к росту затрат на воду на долгие годы.

Сначала краткий ответ. Четыре стадии переработки полезных ископаемых: (1) измельчение, включающее дробление и измельчение; (2) калибровка и классификация; (3) концентрация; и (4) обезвоживание. Каждая технологическая схема — медно-порфировая, сульфидная цинка, фосфоритная руда, калийный рассол или литийсодержащая руда — построена из этих четырех стадий, организованных, замкнутых и настроенных вокруг одной цели: сначала высвободить ценные минералы, затем отделить их и последними вывести воду.

Заказ не подлежит обсуждению, поскольку на каждом этапе следующий этап передает конкретный продукт. Флотация не может извлечь частицы, которые все еще заперты внутри породы, поэтому на первом месте должно стоять уменьшение размера. Измельчение не может поддерживать стабильный целевой размер без классификации, замыкающей цикл, поэтому калибровка находится между измельчением и разделением. А влажный концентрат не продается и не дешев в транспортировке, поэтому обезвоживание всегда замыкает технологическую схему. Когда завод работает неэффективно, опытные металлурги диагностируют переключение между этапами еще до того, как они прикасаются к реагентному стенду.

Четыре этапа переработки полезных ископаемых: краткий обзор

Пройдите любую хорошо работающую обогатительную фабрику от первичной дробилки до цеха для концентрата, и вы пройдете те же четыре стадии в том же порядке. Машины меняются вместе с рудой: калийный завод на тайском побережье и цинковый завод во Внутренней Монголии придерживаются одной и той же логики, хотя их оборудование различается. На полосе ниже показано типичное путешествие частицы руды.

Внутри этой линии прячутся две петли. Классификация отправляет негабаритные частицы обратно в мельницу, поэтому контур измельчения обычно перерабатывает 150-350% нового сырья в качестве циркулирующей загрузки. При обогащении промпродукты отправляются обратно на повторную переработку, поэтому контур флотации несколько раз перерабатывает хвосты очистки и поглотителя, прежде чем они улетят. Таким образом, технологическая схема — это не прямая линия, а скорее контролируемый набор петель, питающих прямую линию, и именно в этих петлях скрывается большинство ошибок проектирования.

Вы увидите эту работу под названием «Переработка полезных ископаемых, обогащение руды или обогащение» — эти термины описывают одну и ту же дисциплину. Что варьируется, так это акценты. Добыча россыпного золота может включать только сортировку, гравитационное разделение и обезвоживание, полностью пропуская измельчение, поскольку природа уже освободила золото. Упорная золотая руда может подвергнуться выщелачиванию после четырех стадий. Рассматривайте четырехступенчатую структуру как основу, а затем добавляйте или удаляйте ветки в соответствии с рудой перед вами.

Этап 1: Измельчение – дробление и измельчение

Дробление существует по одной причине: освобождение. Руда покидает шахту в виде кусков породы, в которых ценный минерал физически заключен внутри отходов. Ни один сепаратор на рынке не сможет выделить кристалл халькопирита из 20-сантиметрового куска порфира. На первом этапе этот комок разбивается до тех пор, пока ценные минералы не останутся в стороне, и все последующие этапы - извлечение, стоимость реагентов, размер загустителя - будут зависеть от того, насколько хорошо это будет сделано.

Почему освобождение ставит цель

Размер освобождения является свойством руды, а не оборудования. Во многих медно-порфировых рудах зерна халькопирита имеют размер примерно от 50 до 150 микрон в поперечнике, поэтому флотационное сырье обычно измельчается до P80 - отверстия сита, через которое проходит 80% материала, - между примерно 45 и 150 микронами. Измельчите грубее, и частицы останутся заблокированными, поэтому извлечение упадет. Измельчайте тоньше, чем действительно необходимо руде, и вы создаете шламы размером менее 10 микрон, которые медленно всплывают, потребляют дополнительный реагент и плохо оседают в загустителе. Вся экономика завода находится между этими двумя видами отказов, поэтому лабораторные испытания по восстановлению после измельчения являются первым пунктом любого серьезного плана проекта.

Измельчение является крупнейшим потребителем энергии на большинстве заводов, и по отраслевым оценкам, несколько процентов мирового производства электроэнергии обычно приходится на измельчение на всех шахтах. Эта стоимость объясняет правило, известное каждому начальнику мельницы: дробить как можно больше, измельчать как можно меньше. Разрушение породы в дробилке обходится в несколько раз дешевле достижения такого же измельчения в мельнице.

Как дробление и измельчение делят работу

Руда, добываемая открытым способом, может поступать блоками диаметром около метра. Дробление сокращает его поэтапно: первичная щековая или гирационная дробилка примерно до 150-250 мм, вторичная конусная дробилка до 25-75 мм и часто третичный проход до 6-19 мм. Каждая машина обеспечивает коэффициент измельчения примерно от 3:1 до 6:1 за проход, поэтому дробилки устанавливаются в цепочку вместе, а не поручить все делать одной машине.

Ниже примерно 10-12 мм начинается шлифовка. Руда измельчается в воде, и классической рабочей лошадкой для измельчения на первой стадии является шаровая мельница с мокрой решеткой. Его решетчатая разгрузочная пластина вытесняет пульпу из барабана на контролируемом уровне, позволяя крупным частицам уйти до того, как они пройдут мимо цели. Для доизмельчения и более тонкого измельчения на второй стадии мельницы с переливной разгрузкой удерживают пульпу дольше. Выбор между ними не является решением каталога; это следует непосредственно из цели измельчения вашей руды и индекса работы. Если вам нужно более подробное описание этой машины - загрузка среды, выбор футеровки, распространенные неисправности и процедуры технического обслуживания - в нашем руководстве по эксплуатации и техническому обслуживанию шаровой мельницы с мокрой решеткой рассматриваются все подробности.

Технические характеристики, которые следует уточнить перед покупкой

• Твердость руды: запросите индекс работы Бонда в кВтч/т. Мягкие руды, такие как известняк, занимают около 8–12, большинство медно-порфировых и цинковых руд — около 12–16, а твердые руды таконитового типа могут превышать 20.
• Размер корма и продукта: максимальный размер кусков корма, который должен принять завод, и P80, который должен поставлять контур, указанный в письменной форме.
• Производительность и нагрузка: тонны в час для измельчения на первой стадии по сравнению с доизмельчением, поскольку для одной и той же руды могут потребоваться разные машины.
• Расход стали: мелющие тела и футеровка в граммах на тонну, тихая стоимость, которая при использовании абразивных руд конкурирует с электроэнергией.
• Мощность на тонну: укажите кВтч/т при целевом измельчении, а не только установленные киловатты двигателя.

Поставщик, который отвечает на эти пять цифр в ходе испытаний на вашем реальном образце, стоит больше, чем тот, кто предлагает модель по каталогу вдвое большего размера за половину цены. Негабаритные заводы не только тратят впустую капитал; недогруженная мельница быстрее разрушает среду и футеровку и может даже измельчать грубее, чем правильно загруженная меньшая мельница.

Этап 2: Определение размеров и классификация

Первый вывод: классификация — это дешевая страховка от всего, что происходит в дальнейшем. Сама сцена не восстанавливает металл и ничего не продает. Что он делает, так это решает, частица за частицей, какие размеры перемещаются вперед, а какие возвращаются для дальнейшей работы. Когда результаты флотации отклоняются, в первую очередь опытные металлурги обычно обращают внимание на перелив циклона, а не на полку для реагентов.

Сита, спиральные классификаторы и гидроциклоны

Эту работу выполняют два семейства оборудования. Сита работают всухую и через отверстия, от колосниковых, защищающих дробилки первичного дробления, до тонких сит размером около 0,1 мм. Классификационные машины работают во влажной среде и по поведению частиц в воде, что делает их естественным партнером шаровых мельниц. В спиральном классификаторе используется наклонный желоб и вращающийся шнек: крупные пески опускаются, шнек сгребает их обратно в загрузку мельницы, а мелочь перетекает на следующую стадию. Он прост, устойчив к скачкам подачи и прост в обслуживании, поэтому он остается распространенным в схемах среднего размера и двухстадийных схемах измельчения, где рез более грубый, а подача умеренная.

Гидроциклон вообще не имеет движущихся частей. Шлам закачивается тангенциально; центробежная сила отбрасывает крупные частицы к стенке и наружу через верхушку, а мелкие частицы выходят по спирали из вихревого искателя наверху. Изменяя диаметр, давление, размеры вершины и вихревого искателя, оператор может разместить разделительный разрез в любом месте от 5 до более 100 микрон. Нижний поток циклона возвращается в мельницу в качестве циркуляционной загрузки - обычно 150-350% нового сырья - а излишек становится сырьем для флотации при стабильном P80.

Классификация также защищает экономику освобождения. Каждая частица, измельченная ниже цели, тратит энергию и превращается в слизь, которую трудно восстановить и медленно обезвоживать. Поддержание герметичности контура — правильный размер разреза, постоянная плотность, замена изнашиваемых деталей до того, как они исказят разрез — это одна из наименее привлекательных и наиболее прибыльных дисциплин на обогатительной фабрике. Спросите любого поставщика, как их классификатор или циклонный корпус выдерживает износ, а не только в день ввода в эксплуатацию; Ответ отличает поставщиков оборудования от настоящих партнеров по процессу.

Этап 3: Концентрация – отделение ценных минералов от пустой породы

Концентрация – вот где появляются деньги. Сырье поступает с содержанием, часто измеряемым долями процента, и уходит как продукт, достойный отгрузки: медный концентрат обычно содержит 20-30% Cu, цинковый концентрат - более 45% Zn, а степень извлечения определяет, действительно ли бизнес-план рудника работает. Все четыре этапа имеют значение, но именно на этом этапе химия, физика и машиностроение встречаются наиболее заметным образом.

Пенная флотация: рабочая лошадка в отрасли

Флотация использует простое свойство поверхности: при использовании правильных реагентов ценные минеральные частицы отказываются смачиваться и вместо этого прикрепляются к пузырькам воздуха, поднимая их в пену, которая снимается в виде концентрата. Реагенты выполняют несколько функций: коллекторы делают целевые поверхности гидрофобными, пенообразователи стабилизируют пузырьковое покрытие, известь или другие модификаторы устанавливают уровень pH, а депрессанты или активаторы включают и выключают отдельные минералы. Прежде чем что-либо из этого сработает, суспензия должна должным образом соответствовать химическому составу, а это задача по кондиционированию: резервуар для смешивания агентов или резервуар для смешивания с высокой концентрацией дает реагентам время контакта в несколько минут, поэтому первая ячейка получает обработанную пульпу, а не химический сюрприз.

Производственная схема представляет собой цикл банков. Более грубые клетки быстро и массово восстанавливаются; клетки-мусорщики выжимают остатки из более грубых хвостов; камеры очистки повторно очищают черновой концентрат до конечного качества, а хвосты перерабатываются в головку. Содержание и извлечение меняются друг против друга на каждом клапане, и схема схемы, а не рефлексы оператора, определяет, где будет происходить это соотношение.

Выбор машины зависит от размера частиц и тоннажа. Самовсасывающие машины типов SF, JJF и BF всасывают собственный воздух и шлам и подходят для предприятий среднего размера, которым требуется меньше насосов и более простая компоновка. Для больших камер и грубого или плотного сырья машины-цистерны XCF и KYF работают на общем вентиляторе: камеры KYF обеспечивают сильное рассеивание воздуха при низкой мощности, а ячейки XCF обеспечивают подачу навоза между рядами, поэтому вся линия течет горизонтально без вспомогательных насосов. Для обработки крупного зерна требуются машины типа CLF, которые удерживают тяжелые частицы во взвешенном состоянии.

Модернизация ясно демонстрирует преимущества. В результате модернизации флотационной установки производительностью 3000 тонн цинка в день в Юньнани замена старых берегов более крупными емкостными машинами и ужесточение классификации дали металлургам стабильный P80 для работы, и последовало восстановление. Такие проекты, как техническая реформа флотации цинка, редко приводят к изменению руды; они меняют то, насколько последовательно четыре этапа передаются друг другу.

Когда флотация не является решением: гравитационная, магнитная и электростатическая сепарация

Флотация доминирует над сульфидами и многими промышленными минералами, но три других семейства занимают свое место там, где физика им больше подходит. Гравитационное разделение использует разницу плотности в приспособлениях, встряхивающих столах и спиральных концентраторах; он дешев за тонну и превосходно справляется с крупным золотом, касситеритом, хромитом и тяжелыми минеральными песками, но теряет эффективность по мере того, как частицы становятся мелкими. Магнитная сепарация является основой магнетитовой железной руды: барабанные сепараторы обычно извлекают магнетит более 90%, а высокоинтенсивные версии расширяют этот метод до гематита и ильменита. Электростатическая сепарация отделяет проводники от непроводников в цепях сухого пляжа и песка, отделяя рутил от циркона, где оба немагнитны.

Этап 4: Обезвоживание – загустители, фильтры и восстановление воды

Обезвоживание выглядит как домашнее хозяйство и ведет себя как источник прибыли. Флотационное сырье с содержанием твердых веществ 30% содержит более двух тонн воды на каждую тонну руды. Если эта вода уходит вместе с концентратом и хвостами, заводу придется перекачивать, очищать и оплачивать замену; если ее собрать и вернуть, та же вода будет служить системе в течение многих лет. В засушливых горнодобывающих регионах восстановление воды не является статьей устойчивого развития, а является лицензией на эксплуатацию.

Загущение возвращает большую часть воды в первую очередь.

Загуститель делает тяжелую работу. Разбавленный навоз поступает в большой резервуар, флокулянт связывает мелкие частицы в быстро оседающие кластеры, а чистая вода переливается через край для повторного использования, в то время как грабли толкают осевший слой к центральному сливу. Обычный сгуститель с центральным приводом (конфигурация, используемая в большинстве концентраторов среднего размера) обычно получает сырье с содержанием твердых частиц 20-35% и подает нижний продукт с содержанием твердых частиц 50-70%, возвращая избыток в виде технологической воды. Выбор размера загустителя — это задача по проведению испытаний: площадь на тонну в день зависит от того, насколько быстро оседают флокулированные твердые вещества, а не от оптимизма каталога.

Та же логика распространяется и на хвостохранилища. Утолщение хвостов до содержания твердых веществ до 55-70% перед тем, как они покидают фабрику, уменьшает размер хвостохранилища, снижает риск просачивания и удерживает воду в контуре, а не закапывает ее в пруд. Для многих новых проектов сгуститель хвостов теперь проектируется одновременно с сгустителем концентрата, поскольку оба используют одни и те же данные осаждения.

Фильтрация и сушка: готовы к дороге

Фильтрация завершает концентрат. Вакуумные дисковые и барабанные фильтры обычно доводят концентрацию меди или цинка до уровня влажности 8–15 %, напорные фильтры используют более низкую влажность там, где требования строгие, а керамические дисковые фильтры лучше всего подходят для мелких и ценных концентратов. Большинство отгружаемых концентратов перевозятся при допустимой влажности в пределах 8–12 %, установленной правилами безопасности перевозки, поэтому фильтр является последним средством контроля качества перед продажей продукта. Термическая сушка добавляется только там, где фильтры не могут соответствовать техническим требованиям, поскольку топливо дороже фильтровальной ткани.

Один момент, который часто упускают из виду: эффективность обезвоживания распространяется на восходящие потоки. Оборотная вода содержит растворенные реагенты и соли, и по мере замыкания контура химический состав воды меняется и может изменить селективность флотации. Установки, которые контролируют качество возвратной воды наряду с содержанием и восстановлением, избегают медленного дрейфа, который в противном случае возникает через несколько месяцев после ввода в эксплуатацию.

Как четыре стадии уравновешивают друг друга: пример баланса массы

Первый вывод: четыре этапа — это не четыре отдельные покупки; они представляют собой один массовый баланс, разделенный на четыре работы. Самый быстрый способ увидеть это — выполнить простую арифметику на медном заводе среднего размера.

Подача 10 000 тонн в день при содержании меди 1,0% содержит 100 тонн содержащегося металла. При извлечении 90% в концентрат уходит 90 тонн. Если содержание меди в концентрате составляет 25%, ежедневная добыча составит 360 тонн, а с завода уходит примерно 9640 тонн хвостов, в которых все еще содержатся оставшиеся 10 тонн меди. Каждая из четырех стадий проявляется в этих цифрах: стоимость измельчения и размер помола определяют, насколько близко к 90%-ному восстановлению может приблизиться установка, стабильность классификации определяет, сохранится ли это извлечение в течение всей смены, обогатительное оборудование устанавливает 25%-ное содержание, а обезвоживание решает, какая часть из более чем 23 000 тонн воды, используемой ежедневно, с содержанием твердых веществ 30%, возвращается обратно.

Прочитайте взаимодействия в обоих направлениях. Более тонкий помол увеличивает высвобождение и потенциальное извлечение, но увеличивает затраты энергии и образование шламов, которые затем затрудняют флотацию и сгущение. Более грубый помол экономит электроэнергию и позволяет сгустителям работать быстрее, но теряет ценность в хвостах. Более высокое разбавление на входе сглаживает флотацию, но нагружает сгуститель; более толстые нижние потоки облегчают обезвоживание, но создают риск попадания крупных частиц в ячейки. Ни одна ступень не может быть настроена изолированно, поэтому опытные конструкторы рассчитывают баланс массы на бумаге перед сваркой отдельного резервуара.

Контрольный список покупателя оборудования на каждом этапе

Большинство разочарований в закупках в сфере переработки полезных ископаемых связано с одними и теми же пробелами: испытания проводятся на чужой руде, энергия указывается как мощность двигателя, а условия обслуживания остаются неопределенными до первой поломки. В приведенном ниже списке четыре этапа превращаются в вопросы, которые вы можете задать любому поставщику.

1. Сначала проведите анализы и минералогию. Знайте, какие минералы имеют ценность, размер их зерен и то, как они срастаются с пустой породой, поскольку размер выделения определяет всю технологическую схему.
2. Требуйте проведения испытаний на вашем образце. Стендовое измельчение, осаждение и флотационные испытания вашей руды, а не «аналогичного» месторождения, — это самое дешевое снижение риска, которое вы можете купить.
3. Сопоставьте класс машины с обязанностями. Разгрузка решетки для первой стадии измельчения и перелив для доизмельчения; спиральные классификаторы или гидроциклоны под ваш крой; типы самовсасывающих или продуваемых ячеек в зависимости от тоннажа и размера частиц.
4. Сравните энергию на тонну, а не на киловатты. Запросите кВтч/т при целевом измельчении и оценку мощности жизненного цикла, поскольку одно лишь измельчение может потреблять половину электроэнергии завода.
5. Оцените изнашиваемые детали. Материалы, футеровки, компоненты циклонов, фильтровальные ткани и грабли являются периодическими расходами; Подтвердите свои нормы потребления и сроки выполнения заказов в письменной форме.
6. Проверьте водяной контур. Загуститель, указанный без результатов испытаний, является предположением; Запросите площадь отстойника за тонну в день в рамках предложения.
7. Монтаж и пусконаладочные работы пропишите в договоре. Поставщик с реальным опытом работы на местах возьмет на себя обязательства по надзору, поддержке ввода в эксплуатацию и обучению операторов, а не только по графику поставок.
8. Попросите эталонные растения из того же семейства минералов. Поставщик, заказавший аналогичную руду в аналогичном тоннаже, будет проектировать с учетом проблем, с которыми вы еще не сталкивались.

Два из них заслуживают особого внимания. Испытательные работы на вашей реальной руде не подлежат обсуждению, потому что каждое практическое правило в этой статье противоречит минералогии. А поддержка ввода в эксплуатацию отделяет поставщиков оборудования от строителей предприятий: первые недели работы новой обогатительной фабрики задают ее режим работы на годы, а опытная пуско-наладочная бригада предотвращает формирование вредных привычек.

От технологической схемы к работающему заводу: почему этапы лучше планировать вместе

Технологическая схема, составленная одной командой, и оборудование, купленное у нескольких других, обычно встречаются впервые на площадке, где проблемы интерфейса обходятся дорого: выпуск мельницы, не подходящий для питания классификатора, сгуститель, рассчитанный на чужой раствор, система управления, говорящая на трех диалектах. Поставки «инжиниринг-закупки-строительство», обычно сокращаемые до EPC, существуют для устранения этих швов. Одна сторона несет баланс массы от испытаний до ввода в эксплуатацию, поэтому четыре ступени проектируются друг против друга, а не собираются постфактум.

Эта модель подходит производителям, которые сами изготавливают оборудование. Наш завод в Чжуцзи, провинция Чжэцзян, примерно в 70 километрах от Ханчжоу, с железнодорожным и автомобильным сообщением с портом, потратил десятилетия на оборудование для мокрого обогащения и смешивания, подкрепляет свои разработки сертифицированной системой качества ISO 9001 и более чем 200 производственными и испытательными машинами, а также реализует проекты EPC по полной переработке полезных ископаемых. Недавние работы охватывают всю четырехступенчатую цепочку: флотационные машины XCF-KYF16, смесительные резервуары размером 3000 на 3000 и 9-метровый сгуститель отправлены вместе для калийного завода в Таиланде; концентраторы сподумена и лепидолита в Сычуани и Зимбабве; цепочки поставок цинка, молибдена и меди во Внутренней Монголии, Шэньси и Гуанси; и проекты по добыче калийных соленых озер в Цинхае и Лаосе.

Практическая выгода для владельца завода – единая подотчетность. Когда мельница, классификатор, флотационные камеры и сгуститель поступают из одного инженерного подразделения, гарантии производительности оговариваются один раз, запасные части распределяются по времени, а пуско-наладочная бригада знакомится с технологической схемой еще до того, как они прибудут на поставку. Это не делает проект безрисковым (руды всегда полны сюрпризов), но устраняет риски, которые вы сами себе причиняете, а они обходятся дороже всего.

Часто задаваемые вопросы

Если вы планируете построить новую обогатительную фабрику или реконструировать старую, обсудите четыре этапа заранее – в идеале, имея на руках анализ головки, целевую производительность и, если возможно, лабораторный отчет. Эти три документа позволяют инженеру по оборудованию набросать массовый баланс, предложить правильный класс машин для каждого этапа и отметить риски, которые действительно имеют значение для вашей руды, вместо того, чтобы цитировать их из брошюры.

Наши инженеры работают с медными, цинковыми, золотыми, фосфатными, калийными и литиевыми рудами от первых испытаний до ввода завода в эксплуатацию, и мы одинаково рады как пересмотру существующей технологической схемы, так и разработке новой. Отправьте свои данные о руде, целевую производительность и требования к измельчению, и мы вернемся с поэтапным предложением, которое вы можете сравнить с любым другим предложением.