Оптимизация обогащения низкокачественных железных руд: жигинговые технологии для эффективного обогащения

Обогащение низкокачественных железных руд и процесс жигинга

Железорудные ресурсы потребляются ускоренным темпом из-за роста производства железа и стали. По этой причине доступность высококачественной железной руды сокращается, а поставки высококачественной руды на металлургические заводы резко снижаются. Поэтому ситуация неуклонно смещается в сторону использования низкокачественных железных руд и илов, накопленных на рудниках годами. Эти сброшенные илы также, фактически, попадают в категорию низкокачественных железных руд. Также некоторые железные руды имеют сложный минералогический состав и не отвечают на обычные методы обогащения. Современные процессы обогащения позволяют эффективно и недорого обогащать кусковые, мелкие и сверхмелкие фракции таких руд. Поскольку железные руды состоят из нескольких составов, минералогий, форм и размеров, не существует «универсального» подхода к обогащению железной руды.

Большинство «сырых» (ROM) железных руд содержат большой процент других материалов, которые нужно удалить процессом обогащения перед тем, как руда достигнет спецификаций для использования. Степень применяемых техник обогащения зависит от уровня и природы разбавителей и формы распределения горных пород и примесей в структуре руды. Освобождение руды — необходимый шаг для делающей её восприимчивой к методам обогащения. Для выбора подходящих техник необходимо сначала провести минералогическую оценку руды, чтобы получить представление о руде и узнать ассоциацию горных пород, размер зерна и т.д.

Существует несколько проблем, касающихся категоризации и обогащения низкокачественных железных руд. Главная трудность в обработке и использовании низкокачественных железных руд в первую очередь обусловлена их минералогическими характеристиками, мягкой природой некоторых руд и их высоким содержанием кремнезема или оксида алюминия или обоих. Другие проблемы, связанные с низкокачественными железными рудами, могут быть: плохое освобождение и более высокое содержание гидроксилсодержащих минералов, таких как гетит и лимонит, с высоким процентом потери массы при обжиге (LOI). В случае железных руд, связанных с плохим освобождением, руда требует тонкого измельчения для достижения адекватной степени освобождения желаемого железного минерала и компонентов горных пород.

Выбор обогатительной обработки зависит от природы присутствующей горной породы и её ассоциации со структурой руды. Несколько методов/техник, такие как жигинг, промывка, магнитное разделение, гравитационное разделение, флотация и др., используются для повышения процента железа в железной руде и снижения её горно-породного содержания. Эти техники используются в различных комбинациях для обогащения железных руд.

Принципы гравитационного концентрирования

Железная руда обычно обогащается с использованием принципов разделения материалов по гравитации, флотации и магнитным методам. Обогащение руд методом гравитационного концентрирования — один из старейших и самых экономичных методов. Хотя позже другие техники, такие как флотация и магнитное разделение, также используются для обогащения руд, они лишь частично заменили технику гравитационного концентрирования и не сделали её устаревшей. Процессы, основанные на технике гравитационного разделения, широко используются в обогащении железных руд из-за их низкой стоимости, простоты эксплуатации и экологической чистоты. Методы гравитационного концентрирования основаны на дифференциальных скоростях осаждения различных частиц, составляющих руду. Скорость осаждения частиц управляется совместно весом (объемом и плотностью), выталкивающей силой и силами сопротивления. Наиболее распространенные гравитационные техники для обогащения железных руд — вибрирующие столы, жиги и спирали. Типичные рабочие диапазоны методов гравитационного концентрирования приведены на рис. 1.

Рис. 1 Типичные рабочие диапазоны методов гравитационного концентрирования

В некоторых местах проводится восстановительный обжиг низкокачественной гематитовой руды для превращения её в магнитную перед применением метода магнитного разделения для обогащения руды. Другой метод — использование плотной среды в газо-твердой флюидизированной층 для обогащения железной руды. Выбранная плотная среда и газовое давление для флюидизации зависят от характеристик железной руды, требующей обогащения.

Любая эффективная обогатительная обработка нуждается в качестве первом шаге в эффективном дроблении, измельчении и просеивании руды. Это необходимый шаг для освобождения железосодержащих частиц. Для этого должны применяться подходящие технологии дробления, измельчения и просеивания. Цель измельчения и переизмельчения — уменьшить руду до размера, достаточно малого для освобождения и восстановления ценных минералов. Система дробления, измельчения и просеивания для обогащения железной руды должна быть спроектирована с учетом требований последующих обогатительных процессов. Дробилки могут включать первичные, вторичные, третичные и четвертичные стадии. Щековые, конусные, валковые дробилки используются для дробления руды. Полуаутогенные и аутогенные циклы измельчения обычно используются для измельчения руды. И стержневые, и шаровые мельницы используются для этой цели. Капитальные вложения и эксплуатационные расходы на измельчительное оборудование высоки. Поэтому экономика играет главную роль в планировании степени дробления и измельчения для подготовки руды к обогащению. Другие факторы, учитываемые при определении степени дробления и измельчения, включают ценность концентрации руды, её минералогию, твердость и влажность. Замкнутый цикл измельчения минимизирует переизмельчение очень рассыпчатых руд. Чем больше рециркуляционная нагрузка, тем меньше переизмельчение частиц.

Процесс жигинга

Процесс жигинга — процесс концентрации руды, проводимый в любой жидкости, эффективность которого зависит от различий в плотности гранулярных минеральных частиц. Состоит в разделении частиц на слои разного удельного веса с последующим удалением разделенных слоев. Концентрация процессом жигинга отличается от других типов гравитационных процессов концентрирования, таких как разделение в тяжелой среде, где разделение происходит напрямую. Стратификация частиц слоя в процессе концентрирования жигингом достигается постепенно, а разделение на продукты реализуется через определенное время.

Жигинг — один из методов гравитационного разделения, в котором частицы обычно схожего размера, часто предварительно дроблены и просеяны перед подачей на жиговый слой. Хотя существует много вариаций в дизайне жиг, основные принципы остаются теми же. Процесс жигинга использует воду как разделяющую среду и может применяться к минералам, рудам, шлакам, а также любому другому материалу, имеющему разницу в плотности между желаемым компонентом и нежелаемым. Он высокоэффективен в случаях, где разница в разрезающей плотности больше 4,0 г/см³.

Жигинг — процесс сортировки различных материалов в руде в жидкости стратификацией, основанной на движении слоя частиц, которые периодически флюидизируются пульсацией жидкости в вертикальной плоскости. Стратификация заставляет частицы устраиваться в слои с возрастающей плотностью от верха к низу. Это расположение частиц развивается несколькими непрерывно изменяющимися силами, действующими на частицы, и более связано с плотностью частиц, чем большинство других гравитационных методов концентрирования.

Жигинг железных руд для их обогащения практикуется уже многие десятилетия. Причины выбора жигинга для обогащения железных руд над другими процессами включают: (i) относительно легкое разделение, (ii) выгодный компромисс между эксплуатационными расходами и сниженным выходом по сравнению с процессами в тяжелой среде, (iii) способность обрабатывать руды, требующие разрезающих плотностей выше 4,0, и (iv) физические характеристики руды, делающие разделение в тяжелой среде непригодным (например, неприемлемые потери среды в макроскопических порах). Использование воздушно-импульсных жиг для обогащения железных руд довольно популярно. Это потому, что воздушно-импульсные жиги способны генерировать большие амплитуды импульсов, необходимые для флюидизации глубокого слоя тяжелой руды, особенно кусковой железной руды.

В процессе жигинга частицы вводятся в жиговый слой (обычно экран), где они выталкиваются вверх пульсирующим столбом воды или телом, в результате чего частицы взвешиваются в воде. По мере рассеяния импульса уровень воды возвращается в исходное нижнее положение, и частицы снова оседают на жиговом слое. Пока частицы подвергаются гравитационной энергии в взвешенном состоянии в воде, те, что с более высокой плотностью, осаждаются быстрее, чем те, что с более низкой, в результате чего концентрация материала с более высокой плотностью накапливается внизу, на жиговом слое. Частицы теперь концентрированы по плотности и могут быть извлечены из жигового слоя отдельно. В случае обогащения железной руды более плотный материал — желаемый обогащенный концентрат, а остальное нужно отбросить как плавучие (или хвосты). Принцип процесса жигинга показан на рис. 2.

Рис. 2 Принцип процесса жигинга

Хотя жиги просты в эксплуатации, процесс жигинга в целом довольно сложен и сильно влияет несколько взаимосвязанных факторов (взаимодействующих переменных или параметров). Эти факторы напрямую связаны с одним или несколькими подпроцессами, на которые процесс жигинга можно разделить. Основные подпроцессы — сам жиг и приводная единица, обеспечивающая заданный импульсный рисунок, а также загрузка, распределение загрузки, эвакуация стратифицированного материала и механизм транспортировки из жига. Многие факторы жигинга 본질но управляемы (манипулируемые переменные), но некоторые неуправляемые факторы (переменные возмущения), связанные с обрабатываемой рудой, также играют важную роль в процессе разделения. Это некоторые основные причины, влияющие на производительность жига. Жиговый слой обычно делится на две зоны. Концентратная зона состоит из нижних слоев, где содержание тяжелой руды должно быть больше 95 %. Этот предел представляет определенное качество концентрата.

Существует два основных параметра жига, влияющих на производительность жиг. Эти параметры: (i) форма импульса, и (ii) период времени, в течение которого руда импульсируется. «Форма импульса» — широкий термин, описывающий многое. Некоторые из них: (i) амплитуда импульса, (ii) частота импульса, и (iii) крутизна импульса, которая обычно относится к ускорению водяного столба в начале импульса или его отклонению от синусоидальной формы. «Период времени» относится к времени пребывания руды в жиговом слое. При правильно установленной форме импульса для оптимальной скорости стратификации все еще необходимо обеспечить достаточное время пребывания (зависящее от ширины, глубины, длины жига), чтобы трудный материал (мелкий и близкий к гравитационному) успел мигрировать в ожидаемый слой в соле.

Обнаружено, что изменение формы импульса влияет на скорость разделения и качество разделения. Обычно скорость и качество работают против друг друга, и успешный дизайн жига использует форму импульса, дающую приемлемое разделение в экономически целесообразном времени пребывания. Следовательно, вызов при проектировании жига — выбрать с уверенностью технологию жига, которая правильно размерена и предлагает адекватную форму импульса для обеспечения максимальной производительности и гибкости.

Для обогащения железной руды использование воздушно-импульсных жиг более популярно. Это потому, что они способны генерировать большие амплитуды импульсов, необходимые для флюидизации глубокого слоя тяжелой руды, особенно кусковой железной руды. Фундаментальный принцип воздушно-импульсного жигинга — впрыск низкого давления воздуха (менее 1 атмосферы) в камеру с открытым основанием, для ускорения водяного столба через слой материала, жигаемого. Существует два способа реализации этого принципа. Либо воздушный карман проходит через ширину жига под экранной палубой, либо он расположен с одной стороны жигового слоя. Первая реализация известна как «подпоточно-импульсный» жиг, вторая — как «боково-импульсный» жиг. Использование воздуха вместо механической системы связано с тем, что в случае механической системы мгновенная мощность, необходимая для ускорения водяного столба до требуемой скорости, очень высока за короткий период. Надув, подающий воздух в ресивер, работает непрерывно при разумной средней потребляемой мощности. Надув используется для подачи воздуха вместо компрессора или гидравлического пакета, так как для заданного энергопотребления надув проще в обслуживании, чем компрессор или гидравлический пакет.

Воздушно-импульсный жиг имеет конструкцию, состоящую из экранной палубы для поддержки жигового слоя и пропускания водяного импульса, генерируемого в воздушных камерах, для подъема слоев к приемлемой высоте для конкретного материала и воды в желобе. Вода в желобе течет через слой с постоянной скоростью для помощи эффективности разделения и поддержания слоя флюидизированным дольше. В конце жига поплавок измеряет ход слоя и указывает высоту продуктового слоя. Высота продуктового слоя — индикатор для программируемого логического контроллера (ПЛК) открывать или закрывать продуктовые затворы малыми приращениями для контроля высоты продуктового слоя в узкой полосе вокруг заданного значения. Хвосты переливаются через перелив в конце жига, а продукт собирается в бункере под жигом. Верхние и нижние зонды запускают и останавливают питатель для контроля извлечения продукта. Импульс создается воздухом, входящим и выходящим из воздушных камер, расположенных под экранной палубой. Воздух заставляет воду в воздушной камере вниз, создавая импульс на рудном слое, и выпускает воздух, позволяя рудному слою осесть на экранной палубе жига перед следующим импульсом. Воздух генерируется надувом и хранится в рабочем воздушном сосуде. Клапаны типа поппет контролируют воздух, входящий и выходящий из воздушных камер. Уровень интерфейса воздух/вода в воздушных камерах измеряется уровневыми зондами, которые контролируют синхронизацию поппетных клапанов для поддержания постоянного хода в воздушной камере. Типичная схема жига с воздушно-импульсным приводом показана на рис. 3.

Рис. 3 Типичная схема жига с воздушно-импульсным приводом