Электрогидравлический способ обогащения золотосодержащей глинистой руды

Обосновывается возможность применения технологии, основанной на использовании электрогидравлического эффекта, для предварительной подготовки глинистых руд с тонкодисперсными минеральными фазами. Технология отрабатывалась в лабораторных условиях путем проведения экспериментальных исследований на пробах нескольких видов глинистых горных пород и руд, отличающихся составом включений в них твердых фракций. Эксперименты подтвердили, что при оптимальном подборе режимов работы специально созданной электрогидравлической установки достигается высокая избирательность (селективность) дробления и диспергирования разных по прочности минералов и минеральных фаз материалов проб, обеспечивающая разрушение глинистой составляющей при сохранении целостности твердых фракций. Удаление с пульпой водорастворимой глинистой фракции и промывка полученного промежуточного продукта обеспечивает высокую степень очистки твердых включений от глины. Это дает основание рекомендовать использование электрогидравлической технологии для очистки твердых фракций тонкодисперсных глинистых руд от глины на начальной стадии подготовки руды с последующим извлечением ценных минералов из полученного промежуточного продукта обогащения традиционными методами.

Ключевые слова: глинистая руда, тонкодисперсное минеральное сырье, минеральная фаза, подготовка руды, дезинтеграция, электрогидравлический эффект, избирательное дробление.

Введение

Часть мировых извлекаемых запасов природных минеральных ресурсов, например, гипергенные силикатно-оксидные руды, сосредоточены в корах выветривания [1-4] ультраосновных горных пород. Коры выветривания характеризуются ярко выраженной вертикальной зональностью и специфическими особенностями руд месторождений являются: зональное строение рудных залежей, состоящих, как правило, из нескольких минеральных типов; их сложный минеральный состав; высокая дисперсность и низкая степень кристалличности минералов; неравномерное распределение в них металлов. При этом сырье содержится в них преимущественно в тонкодисперсной форме, большей частью связанное, с глинистыми минеральными фазами и заключенное в рыхлые глинистые вмещающие породы [5-7]. Это препятствует достижению высокого выхода концентрата при обогащении таких руд традиционными методами дезинтеграции минеральных фаз на основе физических и химических (электрохимических) принципов [8-12]. Аналогичная ситуация имеет место при обогащении техногенных образований россыпных месторождений золота [13-15].

Решение данной проблемы возможно на основе применения современных технологий переработки и комплексного обогащения тонкодисперсного минерального сырья [16]. Как одну из них, к сожалению, мало изученную к настоящему времени, можно рассматривать технологию, основанную на методе селективного дробления руд, дефрагментации горных пород и дезинтеграции минеральных фаз с использованием электрогидравлического эффекта. Важно отметить, что в последнем случае речь не идет о методе электроимпульсного измельчения, технология которого обстоятельно исследовалась в 1970-1990 годах [17,18,19] и по-прежнему привлекает внимание специалистов [20]. В отличии от этой технологии, при которой электрический импульсный разряд проходит внутри твердого тела по границам различных минеральных фаз и раскалывает его изнутри, сущность электрогидравлической технологии заключается в подаче в водную среду с размещенным в ней исходным минеральным сырьём серией высоковольтных электрических импульсов, сопровождаемых возникновением в зоне разряда сверхвысоких гидравлических давлений, ударная волна от которых способна совершать полезную работу [21]. Воздействие таких ударных волн разрушает дробимый материал за счет его сжатия. Выполненные ранее исследования применения этого эффекта для дробления в жидкой среде горных пород и руд с различной твердостью их компонентов показали возможность обеспечения высокой степени избирательности воздействия, когда одни из компонентов разрушаются, а на другие, более твердые – факторы электрогидравлического воздействия не оказывают разрушающего влияния, что обеспечивает их сохранность [22].  Это дало основание предположить, что подбором соответствующего режима электрогидравлического воздействия на глинистую руду, размещенную в водной среде, можно обеспечить разрушение и удаление в составе пульпы водорастворимой глинистой составляющей. Остающиеся очищенные от глины твердые фракции руды в дальнейшем для извлечения из них требуемого минерала подвергаются комплексному обогащению традиционными методами.

Обоснование объекта, предмета и задач исследования

Целью исследования являлось установление принципиальной возможности использования технологии, основанной на действующих факторах электрогидравлического эффекта, для дезинтеграции минеральных фаз тонкодисперсной глинистой руды на начальной стадии подготовки для дальнейшего комплексного обогащения.

Избирательность воздействия разрушающих факторов электрогидравлического эффекта достигается подбором режимов работы электрогидравлической установи, поэтому задача исследования заключалась в обосновании рациональных параметров технологического процесса дезинтеграции глинистой руды в установке, а именно – емкости накопительных конденсаторов С (мкФ), напряжения разряда U (кВ), частоты F (Гц) и количества N (шт) подаваемых в обрабатываемую среду разрядных импульсов. В качестве объекта исследования использовалась глинистая руда с включением твердых фракций различного состава. Предметом исследования являлся процесс электрогидравлического обесшламливания (дешламации) этих твердых фракций руды от глины.

Методы и материалы

Метод исследования – лабораторные экспериментальные исследования на образцах различных видов глинистой руды, содержащей в своем составе твердые фракции тонкодисперсного минерального сырья. Для экспериментальных исследований процесса удаления от глины твердых фракций, входящих в состав руды, была разработана и изготовлена специальная электрогидравлическая установка.

Конструкция экспериментальной электрогидравлической установки.

Основным элементом установки является рабочая емкость для размещения обрабатываемой глинистой руды в водной среде, оснащенная встроенными электродами. Питание электродов обеспечивается от разрядного контура, который в свою очередь заряжается от внешнего источника электроэнергии [23]. Рабочая емкость с загруженным в нее образцом глинистой руды заполняется водой. После включения установки в конденсаторе начинает накапливаться электрический заряд. По достижении заданного напряжения в импульсном конденсаторе срабатывает коммутирующее устройство. Импульсный конденсатор разряжается на рабочий зазор в рабочей емкости, что сопровождается гидравлическим ударом, вызывающим диспергирование глинистых компонентов руды и высвобождение ее более твердых фракций. После окончания обработки водно-глинистая пульпа сливается через фильтр в емкость для ее сбора. Конструктивная схема и принцип организации процесса в рабочей емкости представлены на рисунке 1. На рисунке 2 показан общий вид лабораторной электрогидравлической установки. В рабочую емкость вода подается снизу и вытекает через верхние сливные трубопроводы на фильтр из геотекстиля. Первая, электрогидравлическая ступень разделения глины и твердых фракций, происходит в рабочей емкости. Крупность вымываемых с пульпой частиц твердых фракций определяется скоростью потока жидкости внутри рабочей емкости. Регулируя скорость подачи воды можно регулировать размер вымываемой с пульпой твердой фракции. Вторая ступень разделения происходит на фильтре. Здесь оседают вымытые из рабочей емкости твердые частицы, которые он не пропускает. Водно-глинистая пульпа, прошедшая через геотекстиль, отстаивается в специальной емкости под фильтром.

Рисунок 1.  Конструктивная схема и принцип организации процесса удаления от глины твердых фракций руды в рабочей емкости электрогидравлической установки: 1- рабочий электрод; 2-съемная крышка для загрузки материала; 3-успокоитель; 4-подача рабочей жидкости; 5-выход пульпы; 6-смесь обрабатываемого материала с водой; 7- металлическое заземленное днище

 

Рисунок 2.   Экспериментальная электрогидравлическая установка для удаления от глины твердых фракций руды

Параметры режима обработки материала.

При проведении экспериментов режим работы электрогидравлической установки определялся не только напряжением разряда, емкостью накопительного конденсатора, рабочим зазором в рабочем разряднике, количеством и частотой подачи импульсов, но и скоростью восходящего потока рабочей жидкости, вымывающего в составе пульпы и освобожденные легкие твердые фракции.  Количество серий разрядных импульсов, достаточное для завершения процесса обработки, ограничивалось началом слива из установки чистой воды вместо глинистой пульпы. Рациональные значения этих параметров для процесса отмывки твердых фракций породы от глины, подобранные экспериментальным путем, приведены в таблице 1.

                Таблица 1. Режим работы электрогидравлической установки

Параметр	Значение параметра
Емкость конденсатора, мкФ	3.0
Напряжение разряда, кВт	40.0
Рабочий зазор, м	0.04
Количество серий разрядов	3.0
Количество разрядов в серии	100.0
Частота импульсов, Гц	3.0
Расход воды, л/мин	17.0

 

Эффективность выбранного режима была проверена электрогидравлическим способом удаления от глины (дешламации) твердых фракций в пробах нескольких различных типов глинистой руды, отличающихся составом включений твердых минералов. При подготовке каждого образца проб, предназначенного для дешламации, проводилось его взвешивание. В процессе экспериментов после каждой серии из 100 разрядов производилась замена геотекстильного фильтра. После полного завершения обработки (суммарно 300 разрядов) проводилась разборка рабочей емкости и удаление из нее очищенной от глины твердой фракции руды. Отмытая твердая фракция и ее остатки, вымытые с пульпой и осевшие на фильтрах, взвешивались, тщательно промывались вручную, и для определения выхода очищенного от глины промежуточного продукта взвешивались повторно. Для оценки фракционного состава отмытых твердых частиц они после просушки подвергалась рассеиванию на классификационных ситах.

Результаты исследования и обсуждение

В соответствии с целью исследования авторы рассматривали его результаты с позиции подтверждения возможности дешламации от глинистой составляющей всех компонентов твердых фракций глинистой руды на начальной стадии подготовки руды.  Полагается, что последующее извлечение из полученного промпродукта ценных минералов обеспечивается соответствующими традиционными методами. Для повышения достоверности исследования при проведении опытов были использованы пять натуральных образцов тонкодисперсных глинистых руд, доставленные с различных месторождений полезных ископаемых, расположенных на юге Африки.

В результате экспериментов с каждым образцом получали очищенную от глины твердую составляющую руды различного фракционного состава. Алгоритм оценки выхода очищенного от глины промпродукта для образцов всех пяти видов исследованных глин приведен на примере одного из образцов (№1). Количественные показатели результата обработки по этому образцу приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты электрогидравлической обработки образца №1

 

Как видно из данных таблицы 2, для полной отмывки образца массой 3.0 кг потребовалось не более 300 разрядов. Максимальное количество глинистых материалов вымылось за первые 100 разрядов. Общая масса отмытого электрогидравлическим способом и уловленного в результате 3-х стадийной фильтрации твердого материала составила 1116 г., что соответствует 37.2 % содержания твердой породы в составе образца глинистых руд. Остальное составила водорастворимая глинистая фракция, которая не улавливается геотекстилем и оседает в отстойнике.

Качество электрогидравлической очистки твердых фракций от глинистой составляющей для каждого образца оценивалось путем отбора пробы из отмытого материала и тщательной ее дополнительной промывки вручную на сите с ячейкой 0.16 мм. Результаты дополнительной промывки по исследованному выше образцу представлены в таблице 3.

                                 Таблица 3. Результаты дополнительной промывки образа       

Параметр	Значение параметра
Масса пробы после электрогидравлической обработки, кг	0.84
Масса пробы  после ручной дополнительной промывки, кг	0.78
Доля вымытой породы, %	7.14

 

Из данных таблицы 3 видно, что через сито с ячейкой 0,16 мм в результате дополнительной промывки вымылось всего около 7% массовой доли частиц, в том числе и остаточных глинистых.                           

Обобщенный анализ результатов электрогидравлической обработки всех пяти исследованных образцов глин показал, что для качественной отмывки твердых частиц необходимо не более 300 разрядов, причем максимальное количество глинистых материалов во всех случаях вымывается за первые 100 разрядов. Выход промпродукта в виде твердой фракции в образцах, подвергшихся отмывке, составил от 37 до 76%. Остальное приходилось на глинистую составляющую, не улавливаемую геотекстильным фильтром. Проверка качества электрогидравлической отмывки путем сопоставления массы пробы твердой фракции руды после электрогидравлической обработки с ее массой после дополнительной ручной промывки на сите с ячейкой 0,16 мм показала, что в результате тщательной ручной дополнительной промывки вымывалось лишь от 1 до 7% частиц, в том числе остаточных глинистых. Таким образом, можно констатировать, что основная очистка твердых фракций руды от глинистой составляющей происходит при электрогидравлической обработке в результате разрушающего воздействия факторов электрогидравлического эффекта. 

Для оценки фракционного состава отмытых твердых частиц в рамках исследования каждого образца глинистой они подвергались рассеву на классификационных ситах на фракции с размерами, мм: 8+; 5-8; 3-5; 2,5-3,0; 0,63-5,50; 0,16-0,63; 0,125-0,160; 0,125-.

Результаты фракционного анализа рассева отмытой руды для одного из образцов приведены на гистограмме рисунке 3.

 

Рисунок 3.  Гистограмма частных остатков на ситах после рассева отмытой породы

образца №1

Фракционный анализ результатов рассева всех исследованных образцов руды показал наличие твердых частиц в каждой фракции, что свидетельствует об эффективности избирательного воздействия выходных факторов электрогидравлического эффекта, обеспечивающего практически полное разрушение и удаление с пульпой лишь глинистых частиц.

Полученная в результате обработки нерассеянная чистая от глины твердая составляющая руды в сравнении с исходным состоянием для образца №1 представлена на фотографиях рисунка 4, а на фотографиях рисунка 5 – твердая составляющая этого образца, рассеянная на фракции.

Рисунок 4. Удалённая от глины нерассеянная порода (б) в сравнении с исходным образцом (а)

Ограниченные возможности лабораторных исследований не позволили провести корректную оценку потенциальной производительности опытно-промышленного образца установки и энергетических затрат на реализацию исследуемого процесса в промышленных масштабах. Поэтому следующим шагом в разработке технологии электрогидравлического способа подготовки глинистых руд с включениями тонкодисперсных твердых минералов является проведение экспериментальных исследований по обоснованию наиболее эффективных режимов работы электрогидравлического оборудования не только с точки зрения обеспечения качества очистки от глины твердых фракций руды, но и с точки зрения производительности и энергозатрат при применении этого способа.

Заключение

Проведенные эксперименты подтвердили, что электрогидравлическая технология подготовки тонкодисперсной глинистой руды позволяет добиться высокой степени их очистки от глины за счет избирательности дезинтеграции минеральных фаз разной твёрдости. Избирательное воздействие электрогидравлического удара на исходную руду обеспечивает сохранение после обработки в промпродукте как крупных, так и непосредственно тонкодисперсных минералов. Для последующего извлечения ценных минеральных фаз из подготовленного промпродукта могут использоваться традиционные, например, гравитационные методы.

Предлагаемая технология может найти применение как способ обработки тонкодисперсных (в том числе золотоносных), глинистых руд, их россыпей, техногенных минеральных аккумуляций, отвалов и залежей на начальной стадии подготовки руд и минеральных ресурсов, а также как способ исследования геологических проб при проведении поисково-оценочных, геофизических и геологоразведочных работ.

Рисунок 5.  Результаты рассева руды, удалённой от глины. (Исходный образец №1)

Список литературы

1. Хныкин В. Ф Перспективы разработки труднопромывистых высокоглинистых россыпных месторождений золота // Горный журнал. 1995. № 11. С. 26–31.
2. Litvintsev V. S., Sas P. P. Current state and main directions of innovative development of placer gold mining in Far East Federal District // E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 56. DOI: 10.1051/ e3sconf/20185604004
3. MacFarlane K. E., Nordling M. G. Yukon Exploration and Geology Overview 2013. Whitehorse, Canada (YukonGeologicalSurvey), 2014. 80 p.
4. Oberthuer T., Melcher F., Weiser T. W. Detrital platinum-group minerals and gold in placers of southeastern Samar Island, Philippines // Canadian Mineralogist. 2017. Vol. 55(3). P. 45–62.
5. Белобородов В. И., Федотов К. В., Романенко А. А. Обогащение золотосодержащих песков с высоким содержанием глинистых // Горный журнал. 1995. № 5. С. 12–18.
6. Загайнов В. Г. Современные проблемы обогащения ультратонкого золота // Горный журнал Казахстана. 2009. № 8. С. 16–21.
7. Илалтадинов И. Я. О технологических характеристиках россыпного золота // Россыпи и месторождения кор выветривания: изучение, освоение, экология. Пермь, 2015. С. 81–82.
8. Карепанов А. В., Семенов А. Н. Исследования разупрочнения глины с использованием гидродинамической кавитации // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. трудов. Красноярск: ГАЦМиЗ, 2005. С. 190–194.
9. Кисляков В. Е., Карепанов А. В., Семенов А. Н. Результаты исследований подготовки глинистых песков к гравитационному обогащению // Гравитационные методы обогащения. Современное обогатительное оборудование и новые технологии для переработки минерального сырья. Материалы 2-й науч.- техн. конф., посвященной 100-летию завода «Труд». Новосибирск: Сибпринт, 2005. С. 87–89.
10. Семенов А. Н., Серый Р. С. Исследование процессов дезинтеграции труднопромывистых песков россыпных месторождений золота // Известия вузов. Горный журнал. 2019. № 8. С. 88–96. DOI: 10.21440/0536-1028-2019-8-88-96
11. Усов Г. А., Фролов С. Г., Тарасов Б. Н. Разработка технологии извлечения россыпного микронного золота с использованием диспергирования глинистой составляющей вмещающих пород // «Известия вузов. Горный журнал». 2019. №5. С.75-82. DOI: 10.21440/0536-1028-2019-5-75-82
12. Litvitsev V. S., Alexeev V. S., Kradenykh I. A. The technology of development of residue objects of precious metals placer deposits // E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 56. DOI: 10.1051/ e3sconf/20185601005
13. Литвинцев В. С., Банщикова Т. С., Леоненко Н. А., Алексеев В. С. Рациональные методы извлечения золота из техногенного минерального сырья россыпных месторождений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012. № 1. С. 190–194.
14. Мирзеханов Г. С., Мирзеханова З. Г. Ресурсный потенциал техногенных образований россыпных месторождений золота. М.: МАКС Пресс, 2013. 288 с.
15. Наумов В. А., Наумова О. Б. Преобразование золота в техногенных россыпях // Современные проблемы науки образования. 2013. № 5. С. 531–534.
16. Арсентьев В.А., Вайсберг Л.А., Устинов И.Д. Направления создания маловодных технологий и аппаратов для обогащения тонкоизмельчённого минерального сырья // Обогащение руд. 2014. №5, С. 3-9.
17. Финкельштейн Г.А., Курец В.И., Цукерман В.В., Изоитко В.М. Избирательность электроимпульсной дезинтеграции // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 36-37.
18. Финкельштейн Г.А., Шулояков А.Д. Курец В.И.  Комплексная установка для дезинтеграции и выделения ограночного кристаллосырья из продуктивных пород // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 40-41.
19. Семкин Б. В. Основы электроимпульсного разрушения материалов / Б.В.Семкин, А.Ф.Усов, В.И.Курец. СПб: Наука. 1993. – 276 с.
20. Курец В.И., Лобанов Г.Л., Таракановский Э.Н., Филатов Г.П. Исследование электроимпульсного метода избирательного разрушения руд, искусственных материалов и отходов горнорудного производства //Записки Горного института. 2003. Том 154. С.138-141.
21. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. 1986. - 253 с., ил.
22. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в горном деле //Строительные материалы, изделия и конструкции. 1955. № 9. С.13-15.
23. Аврамов Д.В., Добромиров В.Н., Мартынов Н.В. Электрогидравлический способ обогащения золотосодержащей глинистой руды коры выветривания // Золотодобыча. 2019. №7 (248). С. 13-18.