Гравитационное обогащение

Гравитационное обогащение — это совокупность методов разделения минерального сырья (полезных ископаемых) по плотности, основанных на различии в скорости и траектории движения частиц в поле силы тяжести (или центробежных сил) под действием гравитации. Является одним из старейших и наиболее распространённых способов обогащения полезных ископаемых, применяемым для руд чёрных, цветных, редких и благородных металлов, а также для угля, строительных материалов и техногенного сырья.

История

Гравитационное обогащение известно человечеству с древнейших времён. Первые упоминания о промывке золотоносного песка на наклонных поверхностях (прообраз шлюзов) относятся к эпохе неолита. В Древнем Египте и Древней Греции использовали простейшие устройства для отделения тяжёлых минералов от пустой породы на основе разницы в плотности.

В Средние века в Европе и на Руси получили распространение толчеи и вашгерды — устройства для мокрого гравитационного обогащения. В XVIII—XIX веках, в связи с промышленной революцией, технология была усовершенствована: появились отсадочные машины, концентрационные столы и винтовые сепараторы. В XX веке развитие гидроциклонов и центробежных концентраторов позволило значительно повысить эффективность разделения тонкодисперсных материалов.

Физические основы

В основе гравитационного обогащения лежит различие в плотности разделяемых компонентов. Частицы с различной плотностью, находясь в подвижной жидкой или газовой среде (обычно вода, реже — воздух или тяжёлые жидкости), движутся с разной скоростью и по разным траекториям. На частицу в потоке действуют следующие силы:

• Сила тяжести (гравитационная сила) — пропорциональна массе частицы.
• Сила Архимеда (выталкивающая сила) — зависит от объёма частицы и плотности среды.
• Сила сопротивления среды — зависит от скорости движения, формы и размера частицы, а также вязкости среды.
• Сила трения — о стенки аппарата и между частицами.

Результирующая скорость осаждения частицы в неподвижной среде описывается законом Стокса (для мелких частиц) или законом Ньютона-Риттингера (для крупных). Разница в плотности приводит к тому, что тяжёлые частицы осаждаются быстрее и дальше, а лёгкие — медленнее и ближе. В стеснённых условиях (взаимодействие частиц) процесс разделения усложняется, но принцип остаётся тем же.

Классификация методов

Методы гравитационного обогащения классифицируются по типу среды, в которой происходит разделение, и по характеру движения частиц.

По среде разделения

• Мокрое гравитационное обогащение — проводится в водной среде. Наиболее распространённый тип, применяемый для большинства руд и углей.
• Сухое гравитационное обогащение — проводится в воздушной среде (пневматическое обогащение). Используется в засушливых регионах, для обогащения угля, асбеста, а также для предварительного обогащения.
• Обогащение в тяжёлых средах — проводится в суспензиях (взвесях) или растворах с плотностью, промежуточной между плотностью разделяемых компонентов. Позволяет добиться очень высокой селективности разделения.

По типу аппарата

1. Отсадка — разделение в вертикальном пульсирующем потоке воды. Материал загружается на решето, через которое подаётся восходящий и нисходящий поток. Тяжёлые частицы опускаются вниз, лёгкие — поднимаются вверх. Применяется для обогащения угля, руд чёрных и цветных металлов.
2. Обогащение в тяжёлых средах — материал загружается в суспензию (например, магнетитовую или ферросилициевую) с заданной плотностью. Частицы с плотностью выше плотности суспензии тонут, а с меньшей — всплывают. Используется для предварительного обогащения руд и угля.
3. Концентрация на столах — разделение на наклонной поверхности (деке), совершающей возвратно-поступательные движения. Материал подаётся с водой, и под действием вибрации и смывающего потока лёгкие частицы сносятся вниз, а тяжёлые — перемещаются к разгрузочному краю. Применяется для обогащения мелких фракций (0,1–3 мм).
4. Винтовое обогащение — разделение в винтовом желобе (винтовом сепараторе). Поток пульпы движется по спирали, и под действием центробежной силы и силы тяжести тяжёлые частицы прижимаются к внешнему краю, а лёгкие — к внутреннему. Используется для обогащения песков, руд редких и благородных металлов.
5. Обогащение на шлюзах — разделение на наклонной плоскости (шлюзе) с рифлями. Поток пульпы движется по шлюзу, и тяжёлые частицы задерживаются в рифлях, а лёгкие смываются. Применяется для промывки золотоносных и платиноносных песков.
6. Центробежное обогащение — разделение в центробежном поле (гидроциклоны, центробежные концентраторы). Центробежная сила во много раз превышает силу тяжести, что позволяет эффективно разделять тонкодисперсные материалы (менее 0,1 мм). Используется для обогащения руд благородных металлов, олова, вольфрама.
7. Пневматическое обогащение — разделение в воздушном потоке (пневматические сепараторы, отсадочные машины). Применяется для обогащения угля, асбеста, а также для предварительного обогащения в засушливых районах.

Применение

Гравитационное обогащение широко используется в горнодобывающей промышленности для:

• Обогащения угля — удаление породы и пирита, повышение калорийности.
• Обогащения руд чёрных металлов — железа, марганца, хрома.
• Обогащения руд цветных металлов — меди, свинца, цинка, олова, вольфрама, молибдена.
• Обогащения руд благородных металлов — золота, платины, серебра. Является основным методом для россыпных месторождений.
• Обогащения руд редких металлов — титана, циркония, тантала, ниобия, редкоземельных элементов.
• Обогащения строительных материалов — песка, гравия, щебня.
• Переработки техногенного сырья — хвостов обогащения, шлаков, золы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экологичность — не требует применения химических реагентов (за исключением тяжёлых сред), что снижает воздействие на окружающую среду.
• Простота и надёжность — аппараты имеют простую конструкцию, не требуют сложного обслуживания.
• Низкая стоимость — по сравнению с флотацией и магнитной сепарацией, гравитационное обогащение является одним из самых дешёвых методов.
• Высокая производительность — позволяет перерабатывать большие объёмы сырья.
• Возможность обогащения крупных фракций — эффективно для материалов с размером частиц до 100–300 мм.

Недостатки

• Низкая эффективность для тонкодисперсных материалов — частицы размером менее 0,05–0,1 мм плохо разделяются в гравитационном поле.
• Зависимость от плотности — эффективность резко снижается при малой разнице в плотности разделяемых компонентов (менее 0,1–0,2 г/см³).
• Чувствительность к форме частиц — плоские и чешуйчатые частицы могут вести себя аномально.
• Высокий расход воды — для мокрых методов требуется большое количество воды (до 10–20 м³ на тонну сырья).

Современные тенденции

В настоящее время гравитационное обогащение продолжает развиваться. Основные направления:

• Создание высокоэффективных центробежных концентраторов — для извлечения тонкодисперсного золота и платины.
• Разработка комбинированных схем обогащения — сочетание гравитационных методов с флотацией, магнитной сепарацией и другими способами.
• Автоматизация и цифровизация — внедрение систем автоматического контроля и управления процессами.
• Использование тяжёлых сред с регулируемой плотностью — применение ферросилициевых и магнетитовых суспензий.
• Развитие сухих методов — для обогащения в условиях дефицита воды.

Источники

1. Барский Л. А., Козин В. З. «Гравитационные методы обогащения». — М.: Недра, 1986.
2. Кармазин В. И., Кармазин В. В. «Магнитные и электрические методы обогащения». — М.: Недра, 1988. (Раздел о комбинированных схемах).
3. «Справочник по обогащению руд». Под ред. О. С. Богданова. — М.: Недра, 1974.
4. «Обогащение полезных ископаемых». Учебник для вузов. Под ред. В. А. Чантурия. — М.: Издательство «Горная книга», 2008.
5. «Технология обогащения полезных ископаемых». Под ред. И. И. Блехмана. — М.: Недра, 1982.