Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Туголуков Александр владимирович
Повышение эффективности обогащения тонких классов апатит-штаффелитовых руд на основе комбинирования процессов флокуляции и селективной флотации
Специальность 25.00.13 - "Обогащение полезных ископаемых"
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Диссертация выполнена в ФБГОУ ВПО Московский государственный горный университет (МГГУ)
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Морозов Валерий Валентинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
директор ОАО Институт обогащения твердых топлив Линев Борис Иванович
(г. Люберцы)
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ФГБУ Институт проблем комплексного освоения недр РАН
Шрадер Элеонора Александровна
(г. Москва)
Ведущая организация Горный институт Кольского научного центра РАН (г. Апатиты)
Защита состоится "26" декабря 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.08 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП-1, Ленинский проспект, 6
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета
Автореферат разослан "26" ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Шек Валерий
Михайлович
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Важным и перспективным источником сырья для производства апатитового концентрата являются апатит-штаффелитовые руды. Опыт флотационного обогащения таких руд показывает, что при их обогащении наблюдается существенное снижение показателей, обусловленное усложнением состава и свойств исходного сырья, в наибольшей степени - при вовлечении в переработку гипергенно измененных руд.
В апатит-штаффелитовых рудах содержатся фосфатные минералы с резко измененными механическими и физико-химическими свойствами. Вследствие прошедших экзогенных и гипергенных процессов нарушается структура и существенно снижается прочность фосфатных и породных минералов, что способствует их интенсивному переходу в шламовые классы. Ошламование фосфатных и породных минералов затрудняет их разделение, что увеличивает потери ценных компонентов и снижает качество концентрата.
Задача эффективного обогащения тонких классов апатит-штаффелитовых руд может быть решена путем выбора технологических режимов и схем сгущения и селективной флотации, а также выбора эффективных реагентов-флокулянтов, обеспечивающих интенсивное сгущение шламовых фракций и не оказывающих отрицательного влияния на последующий процесс флотации.
Научной основой для решения поставленной задачи являются разработанные методики исследования состава и свойств дисперсных водно-минеральных систем, позволяющие установить закономерности флокуляции и дефлокуляции в процессах сгущения и селективной флотации апатитсодержащих руд, а также провести научно обоснованный выбор параметров и условий применения реагентов-флокулянтов.
Поставленная задача является актуальной для предприятий, решающих задачу вовлечения в переработку труднообогатимых типов апатитсодержащих руд, и ее решение позволит повысить полноту извлечения ценных компонентов и повысить технико-экономические показатели обогащения.
Целью работы является установление закономерностей флокуляции тонких классов апатит-штаффелитовых руд с применением анионных полиакриламидов различной степени ионогенности и обоснование условий процессов сгущения и флотации тонкозернистых классов, обеспечивающих повышение качества апатитового концентрата и извлечения пятиокиси фосфора.
Идея работы. Применение флокулянтов ряда анионактивных сополимеров акриламида с заданной степенью ионогенности, обеспечивающих эффективное сгущение, дефлокуляцию и селективную флотацию тонких классов апатита и штаффелита из апатит-штаффелитовых руд.
Методы исследований. В работе использованы методы химического, микрорентгеноспектрального анализа, микроскопии в проходящем и отраженном свете, дисперсионного анализа, седиментационных и флотационных исследований, лабораторных и укрупненных технологических испытаний, математического планирования и обработки результатов экспериментов.
Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна.
1. Вскрыты причины увеличения потерь пятиокиси фосфора и снижения качества концентрата при флотационном обогащении апатит-штаффелитовых руд, заключающиеся в вовлечении в переработку экзогенно и гипергенно измененных руд, содержащих склонные к ошламованию апатит и штаффелит, что обуславливает увеличение в 1,7 раза массовой доли труднообогащаемых тонких классов крупности (-5 мкм) минералов в измельченной руде, теряемых в процессах сгущения шламовых продуктов и их последующей флотации.
2. Разработана методика исследования седиментационной устойчивости и флотируемости тонких классов апатит-штаффелитовых руд, позволяющая оценить интенсивность процесса вторичной флокуляции в условиях флотации. Установлены закономерности процесса первичной и вторичной флокуляции при применении анионактивных сополимеров акриламида с акрилатом натрия и показано, что при содержании акрилатных групп в флокулянте более 17 % происходит интенсивное сгущение тонких классов апатита и штаффелита, а при содержании акрилатных групп более 27 % наблюдается интенсивная вторичная флокуляции шламов, снижающая эффективность флотации фосфатных минералов.
3. Установлены количественные зависимости параметров процессов сгущения и флотации шламовых продуктов апатит-штаффелитовых руд при варьировании расхода и строения флокулянтов ряда анионактивных сополимеров акриламида. Показано, что при применении флокулянтов с содержанием ионогенных звеньев от 17 до 27%, расходах от 15 до 25 г/т руды и времени осаждения от 4 до 8 минут достигаются наилучшие показатели по извлечению пятиокиси фосфора (80-85%) и качеству флотационного фосфатного концентрата (36-38%).
4. Научно обоснованы технологический режим и схема обогащения апатит-штаффелитовых руд, включающая операции дробления, предварительной дешламации, измельчения, разделения на песковую и шламовую части, сгущения шламов с применением флокулянта Праестол 2530 ряда анионактивных сополимеров акриламида с ионогенностью 20%, совмещенную флотацию пескового и сгущенного шламового продуктов с применением в качестве собирателей жирнокислотных фракций талового масла, регулятора среды - кальцинированной соды, регулятора вспенивания - М-246, депрессоров - жидкого стекла и сульфит-спиртовой барды.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются удовлетворительной сходимостью результатов измерений, воспроизводимостью зависимостей выходных параметров при варьировании условий экспериментов, достижением максимальной эффективности процесса обогащения в экспериментально обоснованных интервалах варьирования ионогенности флокулянта, а также положительными результатами укрупненных технологических испытаний.
Научное значение заключается в разработке методики исследований и установлении закономерностей процессов вторичной флокуляции и зависимостей процессов сгущения и селективной флотации тонких классов апатит-штаффелитовых руд от строения, расхода и условий применения флокулянтов ряда анионактивных сополимеров акриламида с акрилатом натрия.
Практическое значение работы заключается в разработке эффективного технологического режима и схемы и обогащения апатит-штаффелитовых руд, обеспечивающей повышение извлечение пятиокиси фосфора из тонких классов.
Реализация результатов работы.
Разработанные технологический режим и схема флотационного обогащения апатит-штаффелитовых руд прошли укрупненные технологические испытания и включены в техническое задание и проект реконструкции обогатительной фабрики Ковдорского ГОКа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, МИСиС, 2011), Международной научно-практической конференции Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья (Екатеринбург, УГГА, 2012), Международной научно-практической конференции Плаксинские чтения (2011- 2012), научных семинарах МГГУ (2010-2011).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 работах, из них 4 статьи - в журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 130 наименований, содержит 29 рисунков и 22 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Апатит-штаффелитовые руды характеризуются трудной обогатимостью, обусловленной значительной интенсивностью гипергенных изменений, вызывающих деструктуризацию руд, и склонностью фосфатных минералов к ошламованию. Для повышения эффективности процесса флотации тонкозернистых фракций апатита и штаффелита выбрано направление, связанное с применением процесса сгущения шламовых классов и их последующей флотации. Значительный вклад в развитие теории и практики флокуляции и флотации внесли российские ученые: В.И. Классен, М.А. Эйгелес, В.И. Ревнивцев, Л.А. Барский, Н.Н., В.А. Чантурия, А.А. Абрамов, Л.А. Глазунов, В.А. Иванова, В.Н. Макаров, Ю.М. Смирнов, В.И. Белобородов и другие. Однако до настоящего времени практически не исследовано влияние условий процесса флокуляции, в частности, строения и свойств применяемых реагентов - флокулянтов, на показатели последующего флотационного процесса. Это затрудняет выбор номенклатуры и расходов флокулянтов, а также рациональных схем обогащения.
1. Анализ причин снижения показателей и обоснование способов повышения эффективности флотационного обогащения апатит-штаффелитовых руд
Для оценки причин потерь фосфатных минералов были проведены сравнительные исследования различных типов руд и анализ флотируемости апатита и штаффелита из классов различной крупности.
Апатит-штаффелитовые руды (АШР) являются специфическими образованиями Ковдорского массива, в которых ярко проявлены результаты гипергенных процессов. Главными минералами являются фосфаты (штаффелит или франколит, апатит) вермикулит, магнетит. В количествах менее 5% присутствуют гидроокислы железа, пироксен, амфибол, глинистые минералы.
По физико-механическим свойствам АШР подразделяются на каменистые и рыхлые. Каменистая разновидность представлена более крупными кусками серого или коричневого цвета с кавернозной, пористой текстурой. Каменистые АШР имеют среднюю плотность 2600 кг/м3, коэффициент крепости по Протодъяконову 4-6 и естественную влажность 7%. Рыхлые АШР представлены сыпучей массой рыжего цвета с более высокой степенью ожелезнения, имеют среднюю плотность 2300 кг/м3, коэффициент крепости 2-3 и естественную влажность 12%.
Изучение минерального состава руды и продуктов обогащения проводилось оптическим методом в иммерсионных препаратах и прозрачных шлифах. Исследование тонких классов минералов проводилось с помощью рентгеноструктурного анализа в воздушно-сухом состоянии, после насыщения этиленгликолем и прокаливания. При анализе минерального состава измельченных проб проводилось разделение по плотности с применением центрифугального анализа в тяжелой жидкости.
Результаты исследований показали, что апатит в обоих типах руд наблюдается в виде зерен изометричной, часто угловатой формы, размеры которых колеблются от 0,01 до 1 мм. Зерна апатита почти всегда трещиноваты и часто располагаются среди штаффелитовых или вермикулитовых образований. В рыхлых АШР апатит чаще всего находится в виде сбрекчированных другими минералами зерен, часто покрыт пленками гироокислов железа.
В каменистых рудах штаффеллит наблюдается в виде радиально-лучистых сростков игольчатых кристаллов, которые образуют корки и почковидные образования, иногда выступающие в роли цемента в породе. Рыхлые АШР характеризуются существенными гипергенными изменениями, выражающимися в нарушении кристаллической структуры, увеличении массовой доли более поздних минералов (штаффелита, вермикулита и глин), сильном ожелезнении минералов.
Дальнейшим исследованиям подвергались пробы руд и смесь массивных и рыхлых типов АШР в соотношении 1:2. Методика исследований предполагала дробление до крупности -2 мм, промывку дробленой руды, измельчение мытой руды до крупности 56% кл. - 0,074 мм, классификацию и обесшламливание слива классификации. Песковая и шламовая части измельченной руды флотировались.
Результаты исследований показали, что выход шламовых классов из дробленых рыхлых руд в 2,1 раза выше, чем для каменистых руд. Для всех типов руд первичные шламы (при разделении по классу крупности - 20 мкм) представлены преимущественно монтмориллонитом, каолинитом и вермикулитом и существенно обеднены фосфатными минералами относительно рудной массы в целом.
Измельченные массивные АШР также характеризуются близким гранулометрическим составом с железо-апатитовыми рудами (рис.1). Выход мелких классов (-5 мкм) из измельченных рыхлых руд (16%) в 1,7 раза выше, чем из каменистых руд (9%, рис.1).
Вторичные шламы АШР (тонкие классы измельченной руды) представлены преимущественно штаффелитом (33-38%), апатитом (24-28%), вермикулитом (20-24%), другими породными минералами (20-29%). Шламовые классы измельченных каменистых руд по содержанию пятиокиси фосфора на 7-10% богаче, чем более крупные классы (рис.2). Шламовые классы измельченных рыхлых руд по содержанию пятиокиси фосфора близки к рудной массе в целом (рис.2).
Результаты флотационных исследований показали, что кривые зависимостей извлечения апатита и штаффелита от размера зерен в классе носят традиционный характер, характеризующийся пониженным извлечением мелких (менее 20 мкм) и крупных (более 160 мкм) зерен как апатита, так и штаффелита (рис.3).
Рис.3. Флотируемость классов крупности минералов из апатитсодержащих Ковдорских руд: 1- апатит из комплексных железо-апатитовых руд; 2,3 - апатит и штаффелит из каменистых АШР; 4,5 - апатит и штаффелит из рыхлых АШР
Сравнительный анализ показывает, что апатит из железо-апатитовых руд и каменистых АШР характеризуется схожей флотируемостью: извлечение зерен различной крупности отличается не более чем на 2-3 %. Апатит рыхлых АШР флотируется на 4-5% хуже, чем из массивных руд. Штаффелит обладает пониженной относительно апатита флотируемостью (на 3-5%), при этом мелкие классы штаффелита из рыхлых АШР флотируются хуже (на 4-5%), чем из массивных руд. Это обусловлено в первую очередь тем, что апатит и штаффелит рыхлых АШР в наибольшей степени структурно нарушены и поверхностно ожелезнены вследствие прошедших гипергенных процессов.
Малая массовая доля пятиокиси фосфора (не более 8%) и трудная флотируемость шламовых фракций апатита и штаффелита, выделенных гидравлической классификацией из дробленой руды (первичных шламов), обуславливают целесообразность их вывода в хвосты без обогащения. Высокая массовая доля пятиокиси фосфора во вторичных шламах (более 17%), напротив, обуславливает существенные потери пятиокиси фосфора в операции обесшламливания измельченной руды (до 17%) и является основанием для поиска решений по повышению эффективности флотации шламовых классов АШР.
Анализ результатов флотационных опытов показывает, что флотация необесшламленных АШР характеризуется не только невысоким извлечением пятиокиси фосфора, приближающимся к извлечению при последовательном сбросе в хвосты вторичных шламов и флотации зернистой фракции (табл.1), но и весьма низким качеством апатитового концентрата, не соответствующего имеющимся требованиям (не менее 37% по Р2О5).
Таблица 1
Показатели флотационного обогащения железо-апатитовых руд (после магнитной сепарации) и измельченных АШР по различным схемам
№ | Исходное сырье и | Схема измельчения и флотации | Исходное содержание Р2О5 ,% | Содержание Р2О5 в к-те, % | Извлечение Р2О5 в к-т, % |
1 | Хвосты магнитной сепарации железо-апатитовых руд | с обесшламлив. измельченн. руды | 12,4 | 38,8 | 72,6 |
2 | АШР (каменистые. и рыхлые в соотн. 1:2) | без обесшламлив. измельченн. руды | 18,3 | 27,4 | 80,5 |
3 | с обесшламлив. измельченн. руды | 18,4 | 37,6 | 72,0 |
Фракционный анализ хвостов флотации необесшламленных АШР показал, что значительная часть потерь (до 25%) связана с хорошо извлекаемым флотацией классом крупности +20 - 160 мкм. Основными причинами потерь зернистой фракции фосфатных минералов являются высокое поглощение реагентов шламовыми классами, снижение флотируемости зернистой фракции вследствие закрепления шламов на поверхности, низкая плотность пульпы и ее значительная вязкость.
Таким образом, сопоставление результатов исследований показывает, что причиной потерь пятиокиси фосфора и снижения качества концентрата при флотационном обогащении является высокий выход трудносгущаемых и труднофлотируемых шламовых фракций, образующихся при измельчении гипергенно-измененных АШР. Решение задачи повышения эффективности обогащения АШР возможно на основе выбора эффективных флокулянтов, рациональных схем и режимов сгущения и флотации шламовых фракций.
2. Исследование процессов сгущения шламовых фракций АШР с применением полимерных флокулянтов
Эффективное обогащение тонких классов с использованием процесса флотации возможно с использованием предварительного сгущения пульпы до плотности 30-40% твердого. Проведенные ранее исследования показали, что необходимая плотность сгущенного продукта достигается при использовании различных типов коагулянтов и флокулянтов: железного купороса, алюмокремниевого коагулянта - флокулянта АККФ, катионных флокулянтов (DB-45, FLOPAM FO - 4440), неионогенных и анионных флокулянтов на основе полиакриламида (Праестол 2500, Праестол 2540 и т.д.)
Для исследования процессов сгущения шламов применялась лабораторная установка с механическим перемешиванием и последующим отстаиванием пульпы в 6 стаканах, позволяющая определить параметры процесса осаждения шламовых продуктов, в т.ч. высоты осветленной зоны и скорости осаждения твердого (по границе осветленной зоны). После разделения исходного питания и декантации слива определялись параметры процесса сгущения при заданном времени осаждения.
Результаты измерений показали, что наибольшую степень осаждения (высоту осветленного слоя) при продолжительности опыта 20 мин можно достигнуть с применением реагентов DB-45, АККФ и Праестол 2540.
Более обоснованным является сравнение способности к сгущению в скоростном режиме осаждения, реализуемом при использовании промышленных сгустителей небольшого объема. Скоростному режиму (динамическому) соответствует продолжительность осаждения не более 8 мин. В этих условиях критерием эффективности сгущения является скорость осаждения. С учетом постоянства скорости осаждения в начальный момент для оценки эффективности флокулянтов использовали показатель флокуляции D, рассчитываемый по уравнению:
D = (Vосажфл - Vосаж О) / Vосаж О= (hосвфл - hосво )/hосво , (1)
где Vосажфл и VосажО Ц скорость осаждения твердого при использовании флокулянта и в контрольном опыте; hосвфл и hосво - высота осветленного слоя жидкости при использовании флокулянта и в контрольном опыте (при времени осаждения 4 мин).
В динамическом режиме осаждения флокулянты Праестол 2540 анионного типа (D = 3,8) и DB-45 (D = 3,7) катионного типа оказались наиболее эффективными для процесса сгущения шламов, рис.4б).
Однако анионные флокулянты имеют преимущество перед катионными вследствие более высокой биоразлагемости. Это обусловило наш выбор в качестве перспективных флокулянтов анионного типа серии Праестол и Суперфлок, которые представляют собой водорастворимые сополимеры акриламида и натриевой соли акриловой кислоты (рис.5).
Основные характеристики испытанных реагентов на основе ПАА приведены в табл. 2.
Рис.4. Зависимость высоты осветленной зоны от времени отстаивания (а) и показателя флокуляции D при использовании реагентов: 1 - Праестол 2500; 2 - Праестол 2540; 3 - FLOPAM FO - 4440; 4 - АККФ; 5 - железный купорос; 6 ЦDB-45
Рис. 5. Молекулярная структура анионного полиакриламида
Таблица 2
Характеристики анионных флокулянтов на основе ПАА
№ | Полимер | Молекулярная масса, млн. | Динам. вязкость, мПа*с | Содержание в сополимере звеньев, мол. % | |
акриламида | акрилата натрия | ||||
1 | Праестол 2500 | 14 | >140 | 97 | 0-3 |
2 | Праестол 2510 | 14 | >180 | 89 | 11 |
3 | Праестол 2515 | 14 | >180 | 83 | 17 |
4 | Праестол 2530 | 14 | >200 | 80 | 20 |
5 | Праестол 2540 | 14 | >200 | 72 | 28 |
6 | Праестол 2640 | 16 | >300 | 70 | 30 |
7 | Суперфлок A-130 | 15 | >300 | 65 | 36 |
8 | Суперфлок A-137 | 15 | >300 | 60 | 40 |
Результаты лабораторных исследований по изучению влияния флокулянтов на степень осаждения шламов показывают увеличение скорости осаждения твердого при добавлении флокулянтов анионного типа на основе ПАА - Праестол и Суперфлок при повышении концентрации ионогенных групп до 40% (рис.6).
Рис. 6. Зависимость показателя флокуляции D от степени ионогенности анионных флокулянтов на основе ПАА: 1- при расходе 10 г/т; 2 - при расходе 15 г/т; 3 - при расходе 25 г/т, 4 - при расходе 30 г/т
При использовании процесса флокуляции удается получить осаждением сгущенный материал относительно высокой плотности (до 40% тв.), оптимальной для процесса флотации. Весьма важной задачей является проведение процесса флокуляции с преобладающим связыванием зерен фосфатных минералов относительно зерен пустой породы (в режиме селективной флокуляции).
При гидравлической классификации по крупности одновременно протекает процесс гравитационного обогащения песковой фракции, обусловленный переходом в пески более тяжелых зерен фосфатных минералов. При последовательной классификации происходит снижение содержания пятиокиси фосфора в сливе гидроциклона и сливе сгустителя относительно исходного питания, которое значительно усиливается при применении флокулянтов.
При использовании анионного флокулянта Праестол 2530 массовая доля фосфора в сливе снижается с 16,5 до 11,0% и происходит повышение массовой доли пятиокиси фосфора в сгущенном продукте с 18,6 до 19%.
Объективную оценку интенсивности процесса селективной флокуляции можно дать с использованием критерия селективности флокуляции (Ксф), который рассчитывался по уравнению:
Ксф = Р2О5сгущ / Р2О5слив , (2)
где Р2О5сгущ - массовая доля пятиокиси фосфора в сгущенном продукте;
Р2О5слив - массовая доля пятиокиси фосфора в сливе.
Результаты лабораторных исследований подтверждают значительное увеличение селективности разделения в процессе сгущения при добавлении флокулянтов на основе полиакриламида: Праестол и Суперфлок анионного типа с относительно высокой концентрацией карбоксильных и гидроксильных групп - от 17 до 40% (рис.7).
Рис. 7. Зависимость селективности флокуляции при сгущении шламовой фракции от степени ионогенности анионных флокулянтов на основе ПАА: 1- при расходе 10 г/т; 2- при расходе 15 г/т; 3 - при расходе 20 г/т; 4- при расходе 25 г/т
Как видно из рис. 8, эффект селективной флокуляции усиливается и достигает максимума при степени ионогенности флокулянта 32-37%. Зависимости характеризуются удовлетворительной сходимостью и хорошей воспроизводимостью при изменении расхода флокулянта. Аппроксимационные уравнения характеризуются значениями коэффициента детерминированности R2=0,86-0,95 (табл. 3) и адекватно описывают исследуемый процесс.
Полученные результаты позволяют рекомендовать интервал значений ионогености анионного полиакриламида от 17 до 37% как рациональный с позиции максимальной скорости сгущения шламового продукта и проявления эффекта селективной флокуляции.
Таблица 3
Уравнения связи критерия селективности флокуляции вторичных шламов АШР и степени ионогенности анионных флокулянтов на основе ПАА
№ | Расход флокулянта, г/т | Уравнение связи | Достов.аппро-ксимации R2 |
1 | 10 | y = 0,000001x3 + 0,0006x2 + 0,0016x + 1,029 | 0,86 |
2 | 15 | y = 0,00002x3 + 0,0012x2 + 0,0071x + 1,091 | 0,95 |
3 | 20 | y = 0,00001x3 + 0,0004x2 + 0,0144x + 1,114 | 0,92 |
4 | 25 | y = 0,00002x3 + 0,001x2 + 0,0087x + 1,044 | 0,95 |
3. Исследование процессов флотации сгущенных с применением полимерных флокулянтов шламовых фракций АШР
Использование анионного полиакриламида со средней и высокой концентрацией ионогенных групп способствует повторному образованию крепких мостиковых связей между частицами и образованию устойчивых агрегатов. Явление вторичной флокуляции является нежелательным фактором, препятствующим селективному закреплению гидрофобизированных зерен фосфатных минералов на воздушных пузырьках, и способствующим выносу зерен породных минералов в пенный слой, а фосфатных минералов - во флотационные хвосты.
Для исследования процесса вторичной флокуляции были поставлены опыты, предполагающие контроль процесса вторичной флокуляции при добавлении стандартного набора флотационных реагентов (включая вспениватель) и контроль результатов последующей флотации (рис.8).
Осаждение шламов без применения флокулянтов протекает с низкой скоростью, практически не изменяющейся в течение первых десяти минут опыта (рис.9, кривая 1). Вторичная седиментационная кривая (рис.9а,кривая 2) отличается от кривой первичной седиментации большей (на 45-55%) скоростью осаждения на линейном участке. Увеличение скорости седиментации после удаления слива и разбавления пробы обусловлено снижением вязкости суспензии из-за удаления наиболее тонкодисперсных классов.
Добавление во вторичную седиментацию флотационных реагентов (рис.9а, кривая 3) увеличивает скорость осаждения на 9-15%. При использовании анионного флокулянта вторичная седиментации протекает с большей скоростью (на 50-60%), чем первичная (рис.9б, кривые 4 и 5). Также установлено стабилизирующее действие флотационных реагентов на шламовую фракцию (рис.9б, кривые 5 и 6).
Рис.8. Последовательность операций комбинированного опыта по сгущению и флотации шламовой пробы АШР с контролем процесса вторичной флокуляции
Рис. 9. Седиментационные кривые шламов АШР при сгущении в различных режимах: 1 - осаждение исходных шламов; 2 - вторичное осаждение шламов после удаления слива и репульпации; 3 - то же, что 2, в присутствии флотационных реагентов; 4 Ц осаждение шламов с добавлением флотационных реагентов реагентов; 5 - вторичное осаждение шламов после удаления слива и репульпации (в режиме рефлокуляции) 6 - то же, что 3, в присутствии флотационных реагентов.
Оценка интенсивности вторичной флокуляции проводилась путем соотнесения показателей флокуляции D при повторной седиментации суспензий. Показатель флокуляции рассчитывался для интервала 0 - 4 мин. В качестве дополнительного критерия интенсивности вторичной флокуляции использовался выход вторично-сфлокулированного осадка при продолжительности осаждения 4 мин.
Результаты опытов показали, что при повышении степени ионогенности флокулянта склонность шламов к вторичной флокуляции возрастает, причем при превышении значения в 28% происходит резкий рост выхода повторно сфлокулированного осадка (рис.10).
Рис.10. Зависимости показателя флокуляции (а) и выхода вторично-сфлокулированного осадка (б) при сгущении шламовой фракции от ионогенности флокулянтов на основе ПАА: 1- при расходе флокулянта 10 г/т; 2 - при расходе флокулянта 15 г/т; 3 - при расходе флокулянта 20 г/т; 4 - при расходе флокулянта 25 г/т
Увеличение расхода флокулянта от 15 до 25 г/т (рис.10б) повышает выход осадка, но не изменяет принципиального вида зависимости.
Зависимость конечного извлечения во флотационный концентрат пятиокиси фосфора при сгущении и флотации сгущенного шламового продукта от ионогенности применяемого флокулянта носит экстремальный характер и характеризуется снижением качества апатитового концентрата или падением извлечения (при увеличении расходов реагентов для поддержания качества апатитового концентрата) при применении анионного ПАА с низкой степенью ионогенности (менее 17%) и с высокой степенью ионогенности (более 27%, рис.11а,б).
Рис.11. Зависимости содержания (а) и извлечения (б) P2O5 в концентрат при флотации шламового продукта от степени ионогенности применяемых в операции сгущения флокулянтов на основе ПАА: 1- при расходе флокулянта 10 г/т; 2- при расходе флокулянта 15 г/т; 3- при расходе флокулянта 20 г/т; 4Ц при расходе флокулянта 25 г/т
Сопоставление показателей флотации шламов с результатами исследований процессов первичной флокуляции показывает, что снижение извлечения пятиокиси фосфора при низкой степени ионогенности анионного ПАА (менее 17%) обусловлено потерями фосфатов со сливом операции сгущения. Увеличение потерь пятиокиси фосфора при степени ионогенности флокулянта более 27% обусловлено интенсификацией процесса вторичной флокуляции, снижающей показатели флотации.
Зависимости показателя флокуляции D от расхода флокулянтов (рис. 12а) носят экстремальный характер. Максимум значения показателя флокуляции достигается при расходе реагента 18-28 г/т шлама. Зависимости извлечения пятиокиси фосфора во флотационный концентрат также носят экстремальный характер и характеризуются достижением максимума извлечения при расходе флокулянта 15 - 25 г/т (рис. 12б).
Смещение области максимального извлечения пятиокиси фосфора в область меньших расходов флокулянта соответствует результатам проведенных исследований, определившим, что причиной снижения показателей обогащения шламовых продуктов являются не только высокие потери со сливом операции сгущения, но и снижение эффективности флотации вследствие протекания процесса вторичной флокуляции, интенсивность которого растет с увеличением расходов флокулянтов.
Рис. 12. Зависимость показателя флокуляции D (а) и конечного извлечения пятиокиси фосфора (б) от расходов анионных флокулянтов на основе ПАА: 1- Праестол 2500; 2 - Праестол 2530; 3 - Праестол 2540, 4 - Суперфлок A-130
4. Разработка технологических режимов и схем обогащения шламовых фракций АШР
абораторные исследования обогатимости АШР с применением сочетания процессов флокуляции и флотации производились по схеме магнитно-флотационного обогащения, включающей операции дробления, отмывки и классификации руды с удалением первичных шламов; а также измельчение, классификацию, магнитную сепарацию и флотацию руды.
Измельчение отмытой руды проводилось до крупности от 47,3 до 55,8% класса -74 мкм. Измельченная руда подвергалась мокрой магнитной сепарации в слабом поле по схеме с основной сепарацией и двойной перечисткой магнитной фракции. Немагнитная фракция направлялась на флотацию.
абораторные опыты по флотации проводились в открытом цикле, в машинах механического типа при Т:Ж = 1:5 в основной и в перечистных операциях при температуре 20±2оС. После выбора оптимальных ассортимента реагентов и режимных параметров флотацию проводили по схеме замкнутого цикла.
При проведении замкнутых опытов были испытаны четыре схемы рудоподготовки и флотации. По первой схеме на флотацию направлялась измельченная необесшламленная руда (рис.13а). По второй схеме измельченная руда подвергалась обесшламливанию с применением флокулянта и направлялась на флотацию (рис.13б). По третьей схеме слив классификации измельченной руды подвергался обесшламливанию, шламовый продукт сгущался с применением реагентов - флокулянтов и направлялся на шламовую флотацию (рис.13г). По четвертой схеме (рис.13г) шламовый продукт после сгущения с применением реагентов - флокулянтов направлялся на флотацию вместе с зернистой фракцией измельченной руды (песками классификации).
Рис. 13. Принципиальные схемы измельчения и флотации АШР: а - с флотацией необесшламленного материала; б - с песковой флотацией; в - с раздельной песковой и шламовой флотацией; г - с совмещенной флотацией песков и сгущенного шламового продукта
В качестве реагентов-регуляторов среды использовали кальцинированную или каустическую соду. В качестве депрессора - сульфит-спиртовую барду и жидкое стекло. В качестве собирателя применяли омыленную ЖКТМ и омыленное талловое масло из хвойных пород.
Результаты замкнутых лабораторных флотационных опытов, представ-ленные в табл. 3, показали боьшую эффективность четвертой технологической схемы, которая позволяет получить более богатый концентрат и достичь большего извлечения в него пятиокиси фосфора.
В результате проведенных замкнутых флотационных опытов с применением сочетания процессов сгущения шламовой фракции с использованием флокулянта Праестол 2530 были получены концентраты основной флотации с содержанием до 37,6% Р2О5 при извлечении Р2О5 от питания флотации до 72,5%. Полученные результаты были выше не только чем для схемы с флотацией песковой фракции и сбросом вторичных шламов, но также, чем для опытов с раздельной флотацией песковой и шламовой фракции (табл.4), что обосновывает эффективность схемы с совмещенной флотацией.
Таблица 4
Результаты укрупненных лабораторных исследований по обогащению смеси руд с применением различных схем выделения и обогащения шламовых фракций
№№ | Схема измельчения и флотации | Извлечение P2O5 в конц-т (от операции/ от питания), % | Содержание P2O5 в концентрате, % |
1 | С флотацией необесшламленного материала | 87,25/67,51 | 36,2 |
2 | С песковой флотацией и сбросом вторичных шламов | 84,52/65,12 | 38,1 |
3 | С раздельной песковой и шламовой флотацией | 89,27/69,22 | 36,4 |
4 | С совмещенной флотацией песков и сгущенного шламового продукта | 92,55/72,53 | 37,6 |
Укрупненные технологические испытания проводились на пилотной установке обогатительной фабрики Ковдорского ГОКа по схеме, представленной на рис.13.
Рис.13. Технологическая схема обогащения апатит-штаффелитовых руд
Результаты испытаний показали, что флотация объединенных песковой и шламовой фракций (сгущенной с использованием разработанного технологического регламента) с использованием в качестве флотационных реагентов ЖКТМ, жидкого стекла, сульфит-спиртовой барды, кальцинированной соды и М-246 обеспечивает получение апатитового концентрата, с содержанием от 36,7% до 38,5% Р2О5 при извлечении Р2О5 от 69,2 до 72,5%. Оптимальный расход флокулянта при укрупненных технологических испытаниях составлял от 18 до 25 г/т шламов.
Обработки результатов проведенных укрупненных испытаний с применением операции сгущения шламов с использованием флокулянта Праестол 2530 показала возможность получения качественного апатитового концентрата со средним содержанием 38,1% Р2О5 при среднем извлечении 70,8% (табл.5).
Полученные результаты оказались выше, чем для технологического режима и схемы, предусматривающей удаление в отвал шламовой фракции (табл. 5), что обосновывает эффективность разработанной схемы, включающей операцию сгущения шламовых продуктов с применением анионного флокулянта Праестол 2530 в условиях совмещенной флотации песков и сгущенного шламового продукта.
Таблица 5
Технологический регламент и показатели обогащения АШР по проектному и разработанному технологическому режиму и схеме
№№ | Параметры процесса | По исх. схеме с флотацией песков | По схеме с совм. флотац. песков и сгущ. шламов |
1 | Крупность измельчения, % кл. -74 мкм | 55,0 | 55,0 |
2 | Расход флокулянта (Праестол 2530), г/т руды | - | 5,5 |
3 | Расход собирателя (ЖКТМ), г/т | 375 | 430 |
4 | Расход жидкого стекла, г/т руды | 550 | 655 |
5 | Расход регулятора среды (кальц. соды), г/ | 700 | 780 |
6 | Расход сульф.-спиртовой барды, г/т | 700 | 800 |
7 | Расход регулятора вспенивания (М-246), г/т | 200 | 250 |
8 | Извлечение Р2О5 в к-т, % | 65,3 | 70,8 |
9 | Содержание Р2О5в к-те, % | 38,5 | 38,1 |
Снижение массовой доли пятиокиси фосфора в товарном концентрате с 38,5 до 38,1% не приводит к уменьшению стоимости концентрата. Применение флокулянтов и повышение расходов флотационных реагентов в связи с увеличением потока питания на операцию флотации увеличивают затраты на обогащение на 0,8%. Повышение расхода электроэнергии на операции сгущения и флотации увеличивает затраты еще на 1,2%. Все эти издержки и потери (около 2%) перекрываются увеличением выпуска товарной продукции и соответственно снижением себестоимости обогащения на 8%.
Расчетный экономический эффект от внедрения рекомендованной технологии обогащения АШР составляет 45 млн. руб. в год на плановый объем переработки АШР на Ковдорском ГОКе.
Заключение
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности обогащения тонких классов апатит-штаффелитовых руд на основе комбинирования процессов селективной флотации и флокуляции, обеспечивающей за счет применения научно обоснованных технологических режимов и схем повышение извлечения пятиокиси фосфора в апатитовый концентрат.
Основные результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем:
1. Вскрыты причины потерь пятиокиси фосфора и снижения качества концентрата при флотационном обогащении апатит-штаффелитовых руд, заключающиеся в высокой степени экзогенных и гипергенных изменений апатита и франколита, обуславливающих увеличение в 1,7 раза массовой доли тонких классов крупности (-5 мкм) минералов в измельченной руде, что обосновывает необходимость применения процессов и сгущения шламовых классов с применением флокулянтов, не снижающих показатели последующего процесса флотации.
2. Разработана методика комплексного исследования процессов первичной и вторичной флокуляции при сгущении флотации шламовых классов, включающая проведение операции первичного сгущения шламов с применением флокулянта и измерением скорости осаждения, репульпацию осадка, добавление применяемых флотационных реагентов, взмучивание осадка, повторное сгущение пробы с измерением скорости осаждения и выхода сгущенного продукта, репульпацию и флотацию осадка, взвешивание и химический анализ твердых фаз разделенных продуктов.
3. Установлены количественные зависимости седиментационной устойчивости шламовых фракций апатит-штаффелитовых руд от расхода и строения анионактивных сополимеров акриламида с акрилатом натрия. Показано, что применение анионного полиакриламида с содержанием акрилатных групп от 17 до 37 % обеспечивает наиболее эффективное сгущение тонких классов апатита и штаффелита с проявлением эффекта селективной флокуляции.
4. С применением разработанной методики исследований установлены закономерности процесса вторичной флокуляции и показано, что при использовании анионного полиакриламида с содержанием акрилатных групп более 27% происходит резкий рост показателя флокуляции и выхода вторично сфлокулированного осадка, что свидетельствует об интенсивной флокуляции шламов непосредственно в процессе флотации фосфатных минералов из сгущенного продукта тонких классов измельченных апатит-штаффелитовых руд.
5. Показано, что зависимость извлечения пятиокиси фосфора в конечный флотационный концентрат от доли анионных групп в модифицированных полиакриламидах носит экстремальный характер и характеризуется снижением извлечения при применении полимеров с низкой степенью ионности (менее 17%) за счет увеличения потерь фосфатных минералов в операции сгущения, и при применении полимеров с высокой степенью ионности (более 27%) - за счет увеличения потерь фосфатных минералов с хвостами операции флотации. Полученные результаты согласуются с результатами исследования процессов первичной и вторичной флокуляции и обосновывают рациональный интервал ионогенности анионного полиакриламида.
6. Полупромышленными флотационными исследованиями установлены количественные зависимости флотации шламовых фракций апатит-штаффелитовых руд при варьировании расхода и строения анионактивных сополимеров акриламида. Показано, что применение флокулянтов с содержанием акрилатных групп от 17 до 27 % при времени осаждения от 4 до 8 минут, при расходе флокулянта от 15 до 25 г/т шламов обеспечивает максимальное извлечение пятиокиси фосфора и качества фосфатного концентрата за счет эффективного сгущения шламов и селективной флотации тонких классов фосфатных минералов.
7. Разработаны технологический режим и схема обогащения апатит-штаффелитовой руды, включающая операций дробления, первичного обесшламливания и измельчения руды, классификации, сгущения слива классификации с применением флокулянта Праестол 2530, объединения и совместной флотации песков классификации и сгущенного шламового продукта с применением в качестве собирателей жирнокислотных фракций талового масла, вспенивателя - М-246, депрессоров Ц жидкого стекла и сульфит-спиртовой барды, регулятора вспенивания - М-246.
8. Укрупненными технологическими испытаниями показана эффективность разработанной схемы и технологического режима обогащения апатит-штаффелитовых руд. позволяющих повысить извлечение пятиокиси фосфора на 5,5% при сохранении качества апатитового концентрата. Расчетный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 45 млн. руб. в год на плановый объем переработки АШР на Ковдорском ГОКе.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих печатных трудах:
- Туголуков А. В., Кампель Ф. Б., Быховец А. Н.и др // Интенсификация использования природных и техногенных минерально-сырьевых ресурсов // Горный журнал.. - 2007. - № 9. - С 14-19.
- Туголуков А.В., Бармин И.С., Попович В.Ф., Лыгач В.Н. Исследование технологических свойств разновидностей апатит-штаффелитовых руд Ковдорского месторождения // ГИАБ. - 2011. - №12. - С.37-42.
- Туголуков А.В., Бармин И.С., Морозов В.В., Поливанская В.В. Исследование и оптимизация процесса флотационного обогащения апатит-штаффелитовой руды Ковдорского месторождения // ГИАБ. - 2012. - №4. - С.165-169.
- Туголуков А.В., Бармин И.С., Новожилова В.В. и др. Исследование и оптимизация технологии флотационного обогащения руд Ковдорского апатит-штаффелитового месторождения // Горный журнал. - 2012. - № 10. - С.71-76.
- Туголуков А.В., Бармин И.С., Попович В.Ф. Получение качественного фосфорсодержащего концентрата из апатит-штаффелитовой руды Ковдорского месторождения // Новые технологии обогащения и комплексной переработки труднообогатимого природного и техногенного минерального сырья. - Материалы междунар. совещания Плаксинские чтения -2011. - Верхняя Пышма, 2011. - С.78 -82.
- Туголуков А.В. Комбинирование процессов селективной флотации и флокуляции для обогащения тонких классов апатит-штафелитовых руд // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья. - Материалы международной научно-технической конференции. - Екатеринбург, 2012. - С.46 - 49.
- Туголуков А.В., Бармин И.С., Морозов В.В., Лезова С.П. Повышение эффективности обогащения тонких классов апатит-штаффелитовых руд с применением процессов флокуляции // Современные методы технической минералогии в процессах комплексной и глубокой переработки минерального сырья. - Материалы междунар. совещания Плаксинские чтения-2012 Петрозаводск, 2012. - С.227-230.
Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоял в разработке методик исследований, организации и непосредственном участии в выполнении исследований, анализе и обобщении результатов, в разработке рекомендаций и промышленном внедрении.
Подписано в печать .11.2012 Формат 60х90/16
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №ЕЕ..
_________________________________________
Отдел печати МГГУ. Ленинский просп., 6
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле