Добыча и обогащение сырья

Минеральное нерудное сырье добывают из месторождения, разрабатываемых открытым способом. Комплекс операций, связанных с добычей и доставкой сырья в производство, называется карьерными работами. Карьерные работы выполняют в несколько этапов:
1) подготовительный – включает подготовку поверхности месторождения к разработке (вырубка леса, перенос дорого, мелиоративные мероприятия по осушению болот и т.д.);
2) строительный – включает строительство транспортных коммуникаций, обеспечивающих допуск к рабочим горизонтам месторождения, вскрышные работы (удаление поверхностной почвы), а также добычные работы (непосредственное извлечение полезных ископаемых);
3) выемочные и погрузочные работы – заключаются в подаче добытых полезных ископаемых специальным оборудованием (экскаваторами, скреперами, бульдозерами и транспортерами) из карьера в транспортные средства (ж/д вагоны или автотранспорт);
4) транспортировочный – включает доставку сырья из карьера в место назначения до пункта разгрузки (склад сырья на заводе);
5) рекультивационный – включает восстановление территории, нарушенной горными разработками.

Методы, используемые при разработке месторождений
В зависимости от типа и состояния породы (полезных ископаемых) проводятся мероприятия по:
- осушению;
- предохранению от промерзания;
- оттаиванию:
- механическому и взрывному рыхлению.
Для осуществления осушения месторождения устраивают водоотлив и дренажные канавы.
Для предохранения от промерзания – уменьшают теплопроводность поверхностного слоя вспашкой или боронованием, созданием искусственных снеговых или льдовоздушных покровов, строительством тепляков (специальных навесов).
Для оттаивания используют пар, горячую воду, сжигание топлива на поверхности мерзлых пород.
Для механического рыхления породы используют экскаваторы, скреперы, бульдозеры. Буровзрывное рыхление проводят в два этапа:: отделение породы от массива; дробление негабаритных кусков.

Виды карьерного транспорта:
- ж/д;
- автомобильный;
- конвейерный;
- гидравлический;
- пневматический.

Железнодорожный транспорт применяют при большом грузообороте (более 15 млн/м3 в год), а также при необходимости транспортировки на расстояние свыше 4 км;

Автомобильный – при небольшом грузообороте и незначительных расстояниях от карьера до места выгрузки;

Конвейерный – используется на карьерах с различными грузооборотами для перемещения сырья в рыхлом или измельченном состоянии на ленточных транспортерах.
+ возможность автоматизации транспортировки, возможность преодоления подъемов с наклоном до 18 о.
- низкая надежность оборудования при транспортировке высоковлажного глинистого сырья.

Гидравлический – используется только для транспортировки влажного сырья в виде шламов при перекачке насосами по трубопроводам.
- Большая материалоемкость, повышенная влажность материала приводит к увеличению расхода тепла и электроэнергии на сушку сырьевых материалов.

Пневматический – используется для перемещения сыпучих материалов путем создания перепада давления воздуха или газа.
+ герметичность, простота и компактность оборудования, возможность использования на любом рельефе местности;
- высокий расход энергии, большая материалоемкость.

Обогащение сырьевых материалов
Обогащение – совокупность операций по первичной обработке сырьевых материалов с целью удаления примесей и пустой породы.

Основными методами, используемыми при обогащении сырья являются следующие:
- гравитационные – основаны на различии плотностей компонентов сырья;
- магнитные – основаны на магнитной восприимчивости компонентов сырья;
- флотационные – основаны на различиях физико-химический свойств поверхности материала.

Обогащению подвергают кварцевые пески, глины, каолины полевые шпаты и пегматиты. В зависимости от вида сырьевых материалов применяют различные способы их обогащения.

Обогащение кварцевых материалов
Для обогащения кварцевых песков используют:
1) промывку – для удаления пылевидных глинистых частиц при обработке в гидроциклонах;
2) флотооттирку – для удаления железистых примесей, находящихся в виде пленок на поверхности кварцевых зерен. Этот комплексный метод включает флотацию, механическую оттирку зерен от пленки и промывку песка.
Метод основан на различной смачиваемости поверхностей частиц материала. Частицы гидрофобного материала всплывают на поверхность; частицы гидрофильного – оседают. По окончании обогащения песок обезвоживают в центрифугах и высушивают.
3) электромагнитную сепарацию – используют при содержании крупных металлических частичек, улавливающихся магнитом (примеси руды)
4) Химическая обработка – используется при необходимости тщательного удаления железистых примесей (пленок, зерен гематита и т.д.)
В этом случае осуществляется обработка химреактивами (серной или соляной кислотой, гидроксалатом натрия) для перевода железистых примесей в растворимое состояние. Затем следует тщательная промывка до нейтральной реакции для удаления следов реагента.

Обогащение полевых шпатов и пегматитов
Полевые шпаты и пегматиты обогащают с целью удаления кварца, вредных примесей слюд и оксидов железа. Обогащение производится в несколько этапов:
- измельчение породы;
- помол;
- электромагнитная сепарация;
- рассев на фракции;
- флотация в кислой среде;
- промывка;
- обезвоживание;
- сушка;
- упаковка.

Обогащение каолинов
Каолины обогащают с целью удаления частиц отощающих (кв. песка) и окрашивающих примесей (оксидов железа и титана), а также слюд. С этой целью используют следующие методы:
1) микрогравитационный (электролитный) – каолин измельчают, распускают в воде с добавкой электролитов (используются для уменьшения влажности каолиновой суспензии). Более тяжелые частицы кварца оседают на дно бассейна, а очищенная каолиновая суспензия перекачивается в другую емкость. куда добавляют коагуляторы. Далее суспензию обезвоживают, сушат, измельчают и расфасовывают.
- наличие электролитов в обогащенном каолине ухудшают литейные и формовочные свойства керамических шликеров, используемых для литья изделий.
2) воздушногравитационный (сухой) – каолин сушат, измельчают и пропускают через систему сепараторов и циклонов, где происходит отделение кварцевых частиц и их удаление.
- возникают трудности при улавливании самой мелкой фракции каолинов, в результате чего ухудшается их пластичность.
3) гидроциклонный (безэлектролитный) – разделение материала и кварцевых примесей возникает в результате возникновения центробежных сил в гидроциклоне. Более тяжелые частицы кварца отбрасываются к стенкам циклона и выводятся через нижнее выпускное отверстие. Более легкие частицы каолина уносятся потоком воды через верхнее отверстие. Этот метод позволяет разделить обогащенный каолин на фракции с учетом пожеланий заказчика.
- необходимость значительного разбавления каолиновой суспензии удорожает обезвоживание и сушку обогащенного каолина.
4) химическое отбеливание (гидросульфатное восстановление) – как правило, совмещают с гидроциклонным обогащением при необходимости получения высокочистых материалов. Материалы обрабатывают химическими реактивами с целью растворения железистых примесей, после чего тщательно промывают до нейтральной реакции, обезвоживают на фильтр-прессе. Полученные коржи сушат, измельчают и расфасовывают.

Обогащение глин
Для обогащения глин используют методы естественной обработки, механической обработки и физико-химические методы, искусственно изменяющие соотношение между компонентами глины, а также условия их взаимодействия.
К методам естественной обработки относят замораживание и оттаивание глины, складированной в буртах под открытым небом в течение долгого времени (год и более). Именно этот метод использовался в древнем Китае для улучшения свойств глин, применяемых для производства фарфора. При многократном замораживании и оттаивании глины происходит ее самоизмельчение (диспергирование), обеспечивающее улучшение пластических и формовочных свойств материала. Кроме того постоянная промывка глины дождями способствует удалению из материала вредных растворимых солей, вызывающих высолы на поверхности готовых изделий.
Механическая обработка подразумевает измельчение глин и тщательное перемешивание, что также способствует улучшению пластичности и усреднению по химическому составу материала.

К физико-химическим методам относятся следующие:
1) увлажнение водой или пароувлажнение – может осуществляться однократно или двукратно при подаче воды или пара в глиномялку. При увлажнении увеличивается однородность глинистой массы по влажности, улучшаются формовочные свойства за счет повышения пластичности глины. Пароувлажнение является более эффективным способом, т.к. пар способен проникнуть в очень мелкие поры и капилляры, где конденсируясь на поверхности материала увлажняет большую поверхность, одновременно прогревая ее (важно для последующей сушки полуфабриката). Как правило в промышленности используют комбинированное увлажнение глин.
2) Подогрев глин используется в том случае, если карьерная влажность глины намного превышает ее формовочную влажность. Наиболее эффективным является использование для подогрева глин огневого калорифера со шнековым питателем.
3) Вакуумирование – осуществляется на вакууммялках (для тонкокерамических масс) и вакуумпрессах (для грубокерамических масс) с целью удаления воздуха из глин (где его содержится порядка 10 %). Наличие воздуха в глинистой массе является одной из причин неоднородности глинистой массы по влажности. Это приводит к неравномерному уплотнению массы при формовании и к ухудшению ее формовочных свойств. Воздух, не удаленный из массы является также причиной образования микротрещин в керамических материалах. Вакуумирование позволяет повысить прочность полуфабрикатов в 2-3 раза, на 6-8 % увеличить плотность отформованных изделий в воздушно-сухом состоянии, уменьшить водопоглощение обожженных изделий на 10-15 %.
4) Введение химических добавок – используют для улучшения формовочных и сушильных свойств:
- СаО (негашеная известь) –для уменьшения карьерной влажности;
- ССБ (0,5-3%) – для повышения пластичности глинистой массы;
- СаСl₂ и NaCl (0,5 % сверх 100%) – для увеличения и уменьшения влагопроводности соответственно;
- керосин – для улучшения формовочных и сушильных свойств;
- Лигносульфонат натрия (0,2-0,4 % сверх 100%) – для снижения формовочной влажности (При его использовании в 2 раза повышается плотность отформованного полуфабриката и на 50-60 % повышается прочность обожженных изделий)
- нефтеотходы – для улучшения формовочных и сушильных свойств, для улучшения спекания материалов.