Обогащение железных руд: ключевые процессы и технологии

Железо — распространенный элемент в земной коре (2–3% в осадочных породах, до 8,5% в базальтах и габбро). Из-за широкого распространения его стоимость относительно низка, поэтому месторождение должно содержать высокий процент металла для признания рудным. Обычно требуется не менее 25% железа для экономической извлекаемости.

Более 300 минералов содержат железо, но пять являются основными источниками: магнетит (Fe₃O₄), гематит (Fe₂O₃), гётит (Fe₂O₃·H₂O), сидерит (FeCO₃) и пирит (FeS₂). Добыча требует бурения, взрывных работ, дробления, просеивания и смешения руд.

Дробление и просеивание — неотъемлемая часть рудоподготовительных объектов. Дробление обычно включает первичную дробарню и вторичные в замкнутом цикле с вибрационными грохотами. Выбор оборудования определяется крушимостью руды. Большинство просеивательных операций по высококачественным рудам сухие, за исключением случаев, когда мелкую фракцию можно обогатить деслиманием.

Категории железных руд и требования к переработке

Железные руды обычно делятся на три категории:

1. Руды прямой отгрузки (высококачественные) — содержат достаточно железа для зарядки в доменную печь напрямую, требуют только дробления, просеивания и смешения.
2. Сопутствующие низкокачественные товарные руды — залегают вокруг высококачественных, добываются одновременно и требуют незначительного обогащения промывкой для повышения содержания железа.
3. Низкокачественные руды — требуют расширенного дробления, помола и концентрирования для получения приемлемого концентрата.

У этих категорий принципиально разные требования к переработке. Для получения однородного продукта руды разных классов, составов и размеров обычно смешивают.

Термин «обогащение» в отношении железных руд охватывает все методы обработки руды для улучшения её химических, физических и металлургических характеристик, делающих её более желательной загрузкой для доменной печи. К таким методам относятся: дробление и помол, промывка, фильтрация, сортировка, классификация по размеру, гравитационное концентрирование, магнитное разделение, флотация и агломерация. Обогащение дает два продукта: концентрат и хвосты (отходы), которые утилизируются.

Дробление и помол

Обогащение начинается с дробления и помола вместе с влажной или сухой классификацией извлеченных руд для подготовки к дальнейшим операциям по повышению содержания железа. Дробление и помол — многостадийные процессы, могут использовать сухую или влажную загрузку. В зависимости от твердости руды применяют две, три или иногда четыре стадии дробления для приведения руды со ствола (ROM) к требуемому размеру загрузки. Первичное и вторичное дробление обычно ведут конусные или гирационные дробарни. Щековые дробарни редко имеют достаточную производительность или долговечность для первичного дробления, если только руда не исключительно мягкая. Третичное дробление до верхнего размера 25 мм обычно ведут короткоконусные дробарни в замкнутом цикле с грохотами. Обычно первичное дробление, вторичное дробление и просеивание происходят на руднике.

Капитальные вложения и операционные затраты на дробление и помол существенны. Поэтому экономика играет важную роль в выборе оборудования и степени дробления/помола для дальнейшего обогащения. Другие важные факторы: ценность концентрата, его минералогия, твердость и влажность.

После первичного дробления тонкий помол уменьшает частицы руды до консистенции тонкого порошка (325 меш, 0,44 мкм). Выбор схемы помола основывается на плотности и твердости руды. Хотя стержневые и шаровые мельницы широко распространены, некоторые объекты используют автогенные или полуавтогенные системы. Автогенный помол использует крупные куски самой руды в качестве помольных тел. Полуавтогенные операции используют металлические шары и/или стержни для дополнения действия кусков руды. Автогенный помол лучше подходит для слабоцементированных руд, содержащих некоторые твердые материалы. Преимущество — меньшая капиталоемкость и трудоемкость. Полуавтогенный помол исключает необходимость во вторичном дроблении. Износ стержней и шаров — основная статья затрат на обслуживание традиционных мельниц — также устраняется этим методом.

Стержневые мельницы

Обычно проектируются для помола загрузки минус 35 мм до минус 3 меш. Это барабанные мельницы с отношением длины к диаметру 1,5–2,0. Помольные тела — стальные стержни до 100 мм диаметром. Руду помалят влажно с твердым содержанием 68–80%. Размер продукта контролируется комбинациями скорости загрузки, характеристик заряда стержней, скорости мельницы, плотности и вязкости суспензии.

Шаровые мельницы

Основное средство тонкого помола железных руд. Это барабанные мельницы как стержневые, но с меньшим отношением длины к диаметру (до 1,5). Помольные тела — стальные шары вместо стержней. Эффективность помола сильно зависит от эффективности классификации и рабочих параметров мельницы: скорости, заряда тел, плотности и вязкости суспензии.

Каменные мельницы

Также используются для тонкого помола. Похожи на шаровые, но заряжены галькой 25–100 мм вместо стальных шаров. Главное преимущество — не требуются стальные помольные тела и уменьшается износ футеровки. Однако обычно имеют высокое потребление энергии.

Между каждой операцией помола используют гидроциклоны для классификации крупных и мелких частиц. Крупные частицы возвращают в мельницу для дальнейшего измельчения. Измельченная руда в виде суспензии перекачивают на следующий этап обогащения. Если руда предназначена для флотации, химические реактивы обычно добавляют в суспензию на этой стадии.

Флотация

Флотация эффективна для концентрирования мелких (минус 100 меш) железных руд. Процесс основан на том, что определенные реактивы, добавленные к водным суспензиям тонко измельченной руды, селективно заставляют либо оксиды железа, либо безполезные частицы проявлять сродство к воздуху. Минералы со свойством прикрепляться к пузырькам воздуха и проходить через суспензию удаляют в виде пенообразного продукта. Важные факторы успеха: однородность размера частиц, совместимость реактивов с рудой, условия воды, не мешающие прикреплению реактивов к руде или пузырькам.

Обычно используют четыре типа химических реактивов:

• Коллекторы/амины — индуцируют предпочтительное сродство к воздуху, вызывают сцепление твердых частиц с пузырьками воздуха в флотационной ячейке.
• Пенообразующие — вызывают устойчивое образование пузырьков или пены, стабилизируют пузырьки за счет снижения поверхностного натяжения, позволяя собирать ценный материал сkiemкой с верха ячейки.
• Пеногасители — реагируют с поверхностями частиц, удерживая материалы в пене. Вместо этого материалы оседают на дно как хвосты.
• Другие вещества — добавляют для управления: коррекция pH, улучшение диспергирования или флокуляции (модификаторы, дисперганты, депрессанты).

Важные факторы при кондиционировании руды для флотации: тщательное перемешивание и диспергирование реактивов через пульпу, повторный контакт реактивов со всеми соответствующими частицами руды, время для развития контактов для получения желаемых реакций.

Реактивы могут добавляться в виде твердого тела, нерастворимой жидкости, эмульсии или водного раствора. Концентрация реактивов строго контролируется при кондиционировании. Избыток реактивов может замедлить реакцию и снизить эффективность.

Текущая тенденция — разработка более крупных, энергоэффективных флотационных ячеек. Пульпа, содержащая измельченную руду, флотационные реактивы и воду, подают в ячейки. Обычно 10–14 ячеек располагают в ряд от рубильников к скамперам. Рубильники делают грубое разделение железоносных металлических минералов (ценностей) от безполезных. Скамперы восстанавливают меньшие количества оставшихся ценностей из пульпы. Пульпа движется от рубильников к скамперам по мере удаления ценностей. Концентраты, восстановленные из пены в рубильно-скамперных ячейках, направляют в очистные ячейки для получения конечного концентрата железоносных металлических минералов.

Флотационные коллекторы бывают двух общих типов: анионные и катионные. Анионные коллекторы ионизируют в растворе так, что активный вид (прикрепляющийся к положительно заряженной минеральной поверхности) несет отрицательный заряд. И наоборот, активный ионный вид в катионных коллекторах положительно заряжен.

Главное применение анионной флотации — выплавление железоносных минералов из безполезных материалов. Наиболее распространенные коллекторы — жирные кислоты или нефтяные сульфонаты. Топливное масло часто добавляют вместе с коллекторами для повышения извлечения частиц оксидов железа мельче 10 мкм. И наоборот, катионная флотация используется для выплавления безполезных из тонко измельченной сырой руды и удаления небольших количеств безполезных из некоторых концентратов руд. Катионные коллекторы — в основном алифатические амины или диамины, бета-амины или эфирные амины, обычно в ацетатной форме.

Отходы из флотационной ячейки собирают из перелива хвостов. В зависимости от качества пены, её перерабатывают для дополнительного извлечения железных единиц или сбрасывают как хвосты. Хвосты содержат оставшиеся безполезные, невосстановленные железные минералы, химические реактивы и процессную сточную воду. Обычно хвосты идут в густотелю перед сбросом в хвостохранилище. Твердое содержание суспензии варьируется 30–60%. После утолщения хвосты перекачивают в хвостохранилище, твердые перерабатывают для извлечения оставшихся ценностей, проясненную воду возвращают в дробление и помол. В хвостохранилище твердые оседают из суспензии, жидкая компонента перерабатывается в мельницу. Химические реактивы флотации обычно адсорбируются на частицах хвостов и остаются в хвостохранилище.

Утолщение/фильтрация

Густотели используют для удаления большей части жидкости из суспензий концентратов и отвальных суспензий (хвостов). Утолщение применяют в двух фазах производства железной руды: (1) концентраты утолщают для снижения влажности и возврата воды, (2) суспензии хвостов утолщают для возврата воды. Объекты обычно используют несколько густотелей одновременно.

Обычно железорудные объекты используют непрерывные густотели с граблями для удаления твердого. При утолщении концентратов подтечь (концентрат) собирают и дальше обрабатывают в керамическом дисковом вакуумном фильтре. Фильтр удаляет оставшуюся воду из концентрата. Жидкая компонента, удаленная при утолщении, может содержать флотационные реактивы и/или растворенные и взвешенные минеральные продукты. Жидкость обычно перерабатывают в накопительный пруд для повторного использования в мельнице. При утолщении концентратов твердый материал собирают как конечный концентрат для агломерации и дальнейшей переработки. Утолщенные хвосты сбрасывают в хвостохранилище.

Гравитационное концентрирование

Гравитационное концентрирование широко применяется в обогащении гематитовых железных руд. Технология используется для взвешивания и ухода легких безполезных от более тяжелых ценных минералов. Процесс разделения основан преимущественно на различиях удельных весов материалов и размере разделяемых частиц. Ценности могут уйти вместе с безполезными (хвостами) несмотря на различия в плотности, если размеры частиц варьируют. Из-за этой потенциальной проблемы размеры частиц должны держаться однородными с помощью классификаторов (грохотов и гидроциклонов). Исторически для железной руды использовали три гравитационных метода: (1) промывка, (2) джиггинг, (3) тяжеломедиальные сепараторы. Спирали и конусы Райхерта — еще два метода гравитационного разделения.

Отходы гравитационного концентрирования — хвосты из безполезных в виде крупнозернистых и мелкозернистых частиц и процессной воды. Этот материал перекачивают как суспензию в хвостохранилище. Твердое содержание суспензии варьируется от операции к операции, 30–60%. После разделения твердого в хвостохранилище хвостою воду можно переработать или сбросить.

Промывка

Промывка — простейший процесс концентрирования железной руды, использующий высокий удельный вес и сравнительно крупный размер железоносных минералов для их разделения от более мелких, легких, кремнеземных безполезных (преимущественно кварц и глинистые минералы). Руду готовят к промывке дроблением в одну или две стадии до размера мельче 50 мм. Дробленую руду загружают в бревенчатые промывальные машины. Интенсивная агитация руды лопастями (аналогично современной пуг-мельнице) в сочетании с противопоточной водой эффективно измельчает и удаляет мелкий кремнезем, оставляя крупный остаточный железобогащенный продукт. Перелив бревенчатой машины часто перерабатывают в реечных или спиралевых классификаторах для восстановления дополнительного мелкого железа. Некоторые промывные фабрики используют спиралевые классификаторы в одну или две стадии без бревенчатой машины на рудах с минимальным содержанием липкой глинистой безполезной. Замедленные осадочные классификаторы различных типов также иногда используют для восстановления мелкого железа.

Джиггинг

Джиггинг — более сложная форма обогащения, чем простая промывка, применяется на более твердых рудах, требующих дробления для разрушения безполезно-богатых слоев. Джиги для обогащения железной руды — по сути горизонтальные грохоты, несущие слой руды глубиной 150–250 мм. Руду загружают с одного конца и стратифицируют пульсирующим действием воды, вызванным осциллирующим насосом или физическим вертикальным движением самого грохота джига. По мере движения руды по колоде пульсация позволяет легким частицам прорабатываться к верху слоя, в то время как более тяжелые железобогащенные частицы сегрегируются у основания. Два продукта разделены в конце джига: легкие частицы через перелив, железная руда-концентрат через дно. Железорудные джиги лучше работают на частицах 1–25 мм.

Тяжеломедиальное разделение

Устройства тяжеломедиального разделения разработаны в 1950-х как более эффективная альтернатива джиггингу для обогащения железных руд. Процессы работают на принципе «поплывет/утонет». Суспензия мелкого (минус 200 меш) ферросилиция в воде создает жидкую среду с удельным весом около 3,0. Кремнеземно-богатые частицы с удельным весом ~2,6 всплывают на поверхности такой среды, в то время как более плотные и тяжелые частицы железной руды с удельным весом >4,0 оседают на дно. Традиционная среда для концентрирования крупной руды — ферросилиций, содержащий 15% кремния и 85% железа. Водные суспензии, содержащие 64–85% тонко помоленного ферросилиция, имеют удельные веса 2,2–3,6.

Разделительные сосуды для крупной руды (плюс 9 мм) — обычно спиралевые, реечные классификаторы или вращающиеся барабаны. Руда мельче 9 мм и крупнее 3 мм можно разделять в тяжеломедиальных циклонах, где высокие гравитационные силы ускоряют оседание тяжелых частиц железной руды. Тонко помоленный магнетит используют для создания тяжелой среды в циклонных сепараторах вместо ферросилиция. Динамика циклона создает необходимую плотность и подвижность среды несмотря на более низкий удельный вес магнетита. Кроме того, стоимость магнетита значительно ниже помоленного ферросилиция.

Среда (ферросилиций и магнетит) смывают с продуктов «поплывет/утонет» на мелких грохотах с промывочными желобами и водяными распылителями и восстанавливают из промывочной воды магнитными сепараторами для переработки.

Спирали

Спираль, изначально разработанная для обработки морских песков, используется в концентрировании железной руды для обработки руд минус 6 меш (3,36 мм) до 100 меш (0,149 мм). Эффективность ниже 100 меш быстро падает, спирали неэффективны на более мелких материалах. Спирали обычно работают при плотности пульпы 25–30% твердого.

Спирали широко используют для дополнительного восстановления мелкого железа из товарных типов руд и являются основным концентрирующим устройством для спеккуляритовых руд Лабрадорского желоба и аналогичных руд, которые можно освободить помолом не мельче 20 меш.

Спиралевые концентраторы — устройства разделения по текучей пленке. Общая работа — непрерывное гравитационное ламинарное течение по наклонной поверхности. Механизм разделения включает первичные и вторичные течения. Первичное течение — суспензия, текущая вниз по желобу спирали под действием гравитации. Вторичное течение — радиальное через желоб. Здесь верхние слои жидкости, содержащие частицы более высокой плотности, удаляются от центра, в то время как нижние концентрированные слои более высокой плотности движутся к центру. Спирали требуют добавления воды в различных точках вниз по спирали для помощи в промывке железной руды, т.е. удалении легких безполезных от плотной руды. Количество промывочной воды и её распределение по желобу можно регулировать под эксплуатационные требования. Точечное управление минимизирует общие водопотребности, эффективно направляя воду в текущую пульпу под наиболее эффективным углом.

Спиралевой концентратор — изогнутый желоб, навитый вокруг вертикальной оси в виде спирали. При загрузке сверху суспензией железной руды и безполезных, менее плотные безполезные, легче взвешиваемые водой, достигают большей тангенциальной скорости, чем железные минералы, и мигрируют к внешнему краю желоба. Промывочная вода, добавленная вдоль внутреннего края, помогает смыть легкие безполезные. После нескольких витков полоса железного минерала формируется у внутреннего края, а безполезные — полосы к внешнему краю. Отверстия расположены вдоль внутреннего края для сбора и удаления железных минералов. Безполезные остаются в спирали и сбрасываются внизу.

Конус Райхерта

Главные преимущества конуса Райхерта — производительность и способность эффективно восстанавливать мелкие тяжелые минералы до ~325 меш, мельче, чем в спиралях. Один конус Райхерта имеет производительность до 100 т/ч и может эффективно использоваться для восстановления мелких спеккуляритов.

Конус Райхерта — концентратор по текучей пленке. Более плотные частицы концентрируются у дна текучей пленки суспензии с твердым содержанием ~60% по массе. Механизм разделения — комбинация заторможенного оседания плотных частиц и интерстициального просачивания мелких частиц. Разделительный элемент — внутренне наклонный конус диаметром 1,9 м. Питательная пульпа равномерно распределяется по периферии конуса. По мере гравитационного течения к центру мелкие и тяжелые частицы концентрируются у дна и удаляются через кольцевой щель у вершины конуса. Хвосты перетекают через щель и собираются в вершине или центре конуса. Поскольку эффективность этого процесса разделения относительно низка, его повторяют несколько раз в одной стопке конусов для повышения извлечения. Обычно концентрат наивысшего качества получают в первичном конусе разделения.

Магнитное разделение

Магнитное разделение обычно используют для разделения естественно магнитной железной руды (магнетит) от разного менее магнитного или немагнитного материала. При магнитном разделении существенный процент железных единиц, подлежащих обогащению, теряется в хвосты, так как гематит лишь слабо магнитен.

Магнитное разделение проводят в сухой или влажной среде. Влажные системы более распространены. Магнитное разделение железных руд можно классифицировать как низкоинтенсивное или высокоинтенсивное. Низкоинтенсивные сепараторы используют магнитные поля 1000–3000erst. Низкоинтенсивный метод обычно применяют к магнетитовой руде — недорогой и эффективный метод разделения. Он захватывает только высокомагнитный материал (магнетит). Высокоинтенсивные сепараторы создают поля до 20 000erst. Этот метод используется для разделения слабо магнитных железных минералов (гематит) от немагнитных или менее магнитных безполезных. Другие важные факторы при выборе типа магнитного сепаратора: размер частиц и твердое содержание суспензии загрузки.

Используют несколько типов магнитных технологий:

• Влажное и сухое низкоинтенсивное магнитное разделение (LIMS)
• Магнитное разделение с высоким градиентом (HGMS)
• Влажное высокоинтенсивное магнитное разделение (WHIMS)
• Рулонные магнитные сепараторы для обработки слабомагнитных руд
• Индукционно-рулонное магнитное разделение (IRMS) для концентрирования сухих руд

Другие механизмы: магнитные шкивы, индукционные рулонные сепараторы, поперечно-ленточные сепараторы, кольцевые сепараторы.

Обычно магнитное разделение включает три стадии: (1) коббинг, (2) очистка/рубильник, (3) финиш. Каждая стадия использует несколько барабанов в ряд для повышения эффективности. Каждая последующая стадия работает с более мелкими частицами в результате удаления крупных частиц на ранних стадиях. Кобберы работают на крупных частицах (9 мм) и отвергают ~40% загрузки как хвосты. Низкоинтенсивное сухое разделение иногда используют на стадии коббинга. Очистные или скамперы работают на частицах 48 меш (0,32 мм) и удаляют только 10–15% загрузки как хвосты. Наконец, финишеры работают на частицах менее 100 меш (0,149 мм) и удаляют оставшиеся 5% безполезных из-за высокой концентрации загрузки на этой стадии.

Низкоинтенсивные влажные процессы обычно включают конвейеры и вращающиеся барабанные сепараторы с постоянными магнитами и в основном применяются к частицам руды 9 мм и менее. В этом процессе руду конвейером подают в сепаратор, где частицы магнетита притягиваются и удерживаются на стенках барабана, пока не выносятся из магнитного поля и передаются в соответствующий концентраточный приемник. Немагнитный или менее магнитный безполезный материал остается и отправляется в хвостохранилище. В некоторых операциях несколько барабанов устанавливают в ряд для максимизации извлечения.

Высокоинтенсивные влажные сепараторы создают высокие градиенты магнитного поля с помощью матрицы из формованных железных элементов, служащих точками сбора парамагнитных частиц. Эти формы могут включать шары, стержни, канавчатые пластины, растянутую металлическую сетку и волокна.

Первичные отходы такого процесса — хвосты из безполезных в виде крупнозернистых и мелкозернистых частиц и сточная вода-суспензия в случае влажного разделения. Частичные отходы сухого разделения также могут быть суспендированы. После разделения твердого в густотеле или осадочном пруде твердые отправляют в хвостохранилище, а жидкую компоненту могут переработать в мельницу или сбросить, если соблюдены критерии качества воды.

Влажное высокоинтенсивное магнитное разделение (WHIMS) разработано для восстановления немагнитных железных единиц. Их можно эффективно применять в широком диапазоне размеров частиц от 10 меш (2 мм) до 500 меш в зависимости от используемой матрицы. Применения WHIMS: восстановление железа из природных мелких руд, улучшение спиралевых концентратов, восстановление гематита из хвостов. При WHIMS электромагниты создают очень сильное магнитное поле, приложенное к матрице из стальных шаров, канавчатых пластин, стального шерсти или элементов растянутой металлической сетки. Матрица содержится в кольцевом кольце, вращающемся между высокоинтенсивными магнитами. Железорудная суспензия вводится в точке, где матрица находится в поле. Высокие магнитные градиенты вокруг матрицы удерживают гематит, пока безполезные промываются сквозь. Гематитовый концентрат освобождается и сбрасывается, когда матрица выходит из магнитного поля.

Рис. 1 показывает принципиальную схему спирали и WHIMS.

Рис. 1 Принципиальная схема спирали и WHIMS