CC BY
351
УДК 622.7:553.576
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ ОБОГАЩЕНИЯ КВАРЦЕВОГО СЫРЬЯ А.Д.Афанасьев1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведен обзор методов оптической, магнитной, электростатической, гравитационной сепарации применительно к обогащению кварцевого сырья. Выполнен анализ патентов, посвященных технологиям обогащения кварцевого сырья. На основании выполненного анализа предложено включить в технологическую схему производства сферических высокочистых гранул переделы по оптической, магнитной и гравитационной сепарации. Табл. 2. Библиогр. 32 назв.
Ключевые слова: обогащение; кварцевое сырье; сферические кварцевые гранулы; сепарация.
THE REVIEW OF TECHNOLOGIES FOR QUARTZ RAW MATERIAL CONCENTRATION A.D. Afanasiev
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author reviews the methods of optical, magnetic, electrostatic, gravitational separation with reference to the concentration of quartz raw material. He performs the analysis of patents dealing with the technologies of quartz raw material concentration. Based on the executed analysis the author proposes to include into the technological scheme of spherical high-clean granules production redistributions on optical, magnetic and gravitational separation. 2 table. 32 sources.
Key words: concentration; quartz raw material; spherical quartz granules; separation.
Введение. На базе ООО «Усольехимпром» (Иркутская обл.) с 2010 г. совместно с ИрГТУ реализуется проект организации производства сферических кварцевых гранул и кварцевой крупки чистотой 99, 99 -99,999% БЮ2 фракционного состава 5-30 мкм и 100300 мкм. Данный проект имеет принципиальное значение для развития отечественной микроэлектроники, позволит создать рентабельное высокотехнологичное производство по экспорту наукоемкой продукции и использовать инфраструктуру, производственные мощности и кадровый потенциал развитого промышленного региона.
Сферические кварцевые гранулы находят применение в специализированных и перспективных отраслях: производство композиционных материалов (компаундов) на основе твердых эпоксидных смол для герметизации микроэлектронных устройств (интегральных схем), производство фотонных кристаллов, спейсеры, производство прецизионной керамики, в качестве наполнителей в хроматографических колонках, а также в качестве компонентов косметических продуктов (в средствах защиты от ультрафиолетового излучения, кремах и пастах). Кроме того, уровень чистоты кварцевой крупки позволит использовать ее в производстве тиглей, изделий из кварцевого сырья (стержней, труб, слитки и др.).
Статья посвящена обзору существующих технологий обогащения кварцевого сырья.
Сырьевая база. Наибольший интерес для синтеза особо чистого кварца представляет скопление свободного и чистого кремнеземов (БЮ2) - в виде жильного кварца, кварцитовидных песчаников, кварцитов и чистых кварцевых песков.
Основной породообразующий материал песков и песчаников - кварц, валовое содержание которого составляет более 98%. Глинистый материал, присутствующий в количестве до 2-2,5%, представлен мар-шаллитом (80-85%) и каолинитом (15-20%). Содержание тяжелой фракции в песках невелико и составляет 0,03-0,5%. Из минералов тяжелой фракции по данным минералогического анализа отмечаются лейкоксен, циркон, рутил, ильменит. В единичных знаках присутствуют биотит, турмалин, гранат, эпидот, сфен.
Гранулированный кварц, который в течение долгого времени считался самым чистым кварцевым сырьем, в настоящее время в связи с ужесточением требований к чистоте кварцевых продуктов отходит на второй план. Несмотря на его химическую чистоту в исходном сырье, получение высокочистых кварцевых концентратов из данного кварца затруднительно, так как основные примеси являются структурными и не могут быть удалены в процессе технологического передела.
Несмотря на то что кварц является устойчивым минералом к изоморфизму и характеризуется стабильной структурой, в его решетку входят структурные примеси, концентрации которых могут значительно варьировать. Количество структурных примесей в кварце зависит от его генезиса и определяется в основном термодинамическими условиями образования, химизмом растворов, скоростью роста [1-4].
В табл. 1 представлен химический поэлементный состав кварцев месторождений Иркутской области и республики Бурятия и очищенных кварцев стандарта IOTA.
1Афанасьев Александр Диомидович, доктор физико-математических наук, проректор по международной деятельности, зав. кафедрой квантовой физики и нанотехнологий Физико-технического института ИрГТУ, тел.: (3952) 405070. Afanasiev Alexander, Doctor of physical and mathematical sciences, Pro-rector on the International Activity; Head of the chair of Quantum Physics and Nanotechnologies of Physical-Technical Institute of ISTU, tel.: (3952) 405070.
Таблица 1
Концентрация примесей в различных видах кварцитов и кварцитах стандарта IOTA_
Содержание элемента в n -10" 4 % (ppm)
Месторождение/ марка Al Ca Fe Ti Li Na K Cu Mg Mn Ge Zr Zn, Sr, Co, Ni, Cr, V, P, B
Чулбонское 5-17 3,915 3-5 1,5 <1 - 0-10 0,15 13,9 1 <1 - -
Малокутулахское 20 2 3-4 3,4 3 8,2 4,3 - 0,5 - - - -
Патомское 25 0,5 0,57 2,2 1,9 1,4 1,4 0,01 0,21 0,08 - - -
Бур-Сарьдаг 2 3,3 2 <1 <1 <10 <10 <0,1 1,9 <1 - - -
Окинское 5 9 3 <1 <1 <10 <10 0,1 11 <1 - - -
Черемшанское 10450 5-10 17450 115 <1 570 220490 0,10,4 45150 <5 - - -
Надежный 3 3,7 2 <1 <1 10 10 <0,1 3,9 <1 <1 - -
Гоуджикид 4 6,3 <1 <1 <1 <10 <10 0,1 5,1 <1 <1 - -
IOTA-LT 32,9 4,6 3,1 1,1 0,6 5,9 5,8 - 0,1 - - - -
IOTA-Standart 17,7 0,5 0,7 1,1 0,6 1 0,6 0,05 0,1 0,1 0,9 0,8 <0,05
IOTA - 4 класс 9 0,6 0,6 1,5 0,4 0,9 0,4 0,05 0,1 0,05 0,6 0,1 <0,05
IOTA- 6 класс 8 0,4 0,15 1 0,1 0,1 0,1 0,05 0,05 0,05 0,6 0,1 <0,05
Особое требование к кварцитам предъявляется по содержанию железа - оно не должно превышать 0,06%. Железо содержится в виде примесных минералов, как свободных, так и сросшихся с кварцевыми зернами, в минеральных примесях внутри зерен, в виде пленок, в структурных примесях. Основной структурной примесью в кварце является Л!3+, изоморфно входящий в решетку минерала.
Основными минеральными примесями в кварце являются слюды, полевые шпаты и гранат. Минеральные примеси, присутствующие в кварце, образуют в стеклах разноокрашенные свили.
Таким образом, можно сделать вывод, что особо чистый кварц имеет диапазон средних содержаний БЮ2 - 99,6-99,8 %. При этом необходимо понимать природу образований этих примесей.
Авторами [5] проведены исследования оптических характеристик и структурно-текстурных особенностей кварцевого сырья Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинская оптических характеристик. Установлено, что наиболее перспективным сырьем для производства особо чистого кварца является кварцевое сырье, содержащее незначительное количество как газово-жидких, так и минеральных включений, легко удаляемых при обогащении кварцевых концентратов.
В свою очередь, развитие современных технологий обогащения кварцевого сырья позволяет говорить о возможности практически полного удаления минеральных примесей в кварце, за исключением субмикроскопических минеральных примесей, например, волосовидных включений рутила. Примером этому является 10ТЛ-кварц (мировой стандарт высокочистого кварца), который производится из плагио-пегматито-гнейсов в результате технологической обработки сырья с применением высокоинтенсивной магнитной сепарации, флотации, высокотемпературного хлорирования [6]._
В связи с этим рассмотрим более детально различные варианты, применяемые на стадиях переделов обогащения кварцевой руды.
Оптическая сепарация. За рубежом наибольшее распространение при сепарации кварцевого сырья получили фотометрические сепараторы. Высокая эффективность работы сепараторов обусловлена большим количеством воздушных клапанов (в зависимости от ширины ленты - от 96 до 224), что позволяет более точно выбивать выбранный материал. Синхронизация электронной системы сепаратора с персональным компьютером позволяет производить его быструю настройку, а также открывает возможность непрерывного контроля процесса сепарации с определением качественно-количественных показателей продуктов сепарации за любой отрезок времени.
Фотометрическая сепарация относится к эмисси-онно-радиометрическим методам обогащения. Радиометрическая сепарация обладает рядом преимуществ перед традиционными технологиями - является экологически чистым, безводным, хорошо автоматизированным процессом [7]. При этом на качество разделения при радиометрической сепарации не оказывают влияния поверхностные, магнитные, электрические и гравитационные свойства минералов, что дает возможность разделения труднообогатимых компонентов минерального сырья [8].
В настоящее время известно более 30 способов радиометрического обогащения. Несмотря на разнообразие радиометрических процессов, в конструкции и работе различных сепараторов много общего.
На сепараторах последовательно автоматически осуществляются следующие операции: формирование потока руды и подача его в зону облучения; облучение, регистрация и оценка вторичного излучения и, наконец, разделение по этому признаку руды на продукты, различающиеся по содержанию ценных компонентов или вещественному составу._
В то же время авторы [7] считают, что наиболее эффективным и универсальным средством для решения задач обогащения и разделения руд на технологические сорта является рентгенорадиометрическая покусковая сепарация (РРС).
Рентгенорадиометрический метод основан на использовании рентгеновских характеристических спектров химических элементов, входящих в состав минералов и возбуждаемых, главным образом, изотопными источниками гамма- или рентгеновского излучения. В сепараторах используются малогабаритные генераторы рентгеновского излучения низкой мощности (про-стрельного типа), обеспечивающие полную радиационную безопасность обслуживающего персонала. В подавляющем большинстве не требуют отмывки сепарируемого материала.
Проведены сравнительные испытания обогащения руды, использованные методики РРС и ПФМС на основе сепараторов фирм «РАДОС» и «ОРТОБОРТ» модели иРБ и и1_Б показали, что технические и эксплуатационные характеристики обеих технологий сопоставимы, в т.ч. и по уровню используемой промышленной компьютерной техники и программного обеспечения.
Однако технические характеристики фотометрических сепараторов фирмы ОРТОБОРТ позволяют сортировать более мелкий материал от 0,5 мм. На данный момент диапазон крупности рентгенорадио-метрической сепарации составляет -300+10 мм.
К недостаткам ПФМС относят:
• отмывку руды до необходимой чистоты поверхности кусков руды;
• обеспечение необходимых климатических условий для работы сепараторов (отапливаемые помещения от +10°С);
• высокие требования к качеству сжатого воздуха, от воздуха зависит надежность и долговечность электропневматических клапанов (эжекторов);
• высокая стоимость сепараторов.
Авторы [9] утверждают, что рентгенорадиометри-ческая сепарация, если обеспечивается достаточная чистота поверхности кусков руды и крупность от 30 до 200 мм, позволяет достигать показателей, близких тяжелосреднему разделению, а в некоторых случаях и более высоких. При этом мелкую руду (менее 20-25 мм) приходится обогащать гравитационными либо магнитными методами, либо в полном объеме подвергать флотации. К недостаткам рентгенорадиометриче-ских сепараторов относят сравнительно невысокую единичную производительность.
Магнитная сепарация. Широкое применение для обогащения руд, в частности удаления железистых примесей, находят процессы магнитного обогащения, основанные на различии магнитных свойств разделяемых компонентов.
Существуют различные магнитные сепараторы для сухого и мокрого обогащения сильномагнитных и слабомагнитных материалов. Для извлечения сильномагнитных минералов выбирают сепараторы со слабым полем, для слабомагнитных минералов - сепараторы с сильным полем. Обычно магнитное обо-
гащение материалов крупностью 3-50 мм проводят сухим способом, материалов мельче 3 мм - мокрым.
В практике магнитного обогащения применяют классификацию минералов по их магнитным свойствам. Кварц относится к немагнитным минералам, не извлекаемым при магнитном обогащении, удельная магнитная восприимчивость х < 10-7 м3/кг. При этом в тех же пределах магнитной восприимчивости (от -1 до + 10, 10-8 м3/кг) вместе с кварцем находится еще 26 минералов (апатит, лейкоксен, пирит и т.д.) [10].
Для успешного магнитного разделения двух минералов, имеющих одинаковую магнитную восприимчивость, но различные точки Кюри, применяют термомагнитную сепарацию. Сепарацию ведут при промежуточной температуре, соответствующей значительному снижению магнитных свойств у одного минерала при сохранении практически неизменными у другого.
Магнитная восприимчивость зерна кварца пропорциональна количеству микровкраплений, а эффективность магнитного сепаратора определяется минимальным значением магнитной восприимчивости зерна, извлекаемого в магнитный продукт. Таким образом, чем эффективнее сепаратор, тем меньше количество микровкраплений будет в зернах кварца, выделенных в немагнитный продукт, что и определяет степень его очистки.
С увеличением содержания твердого компонента в пульпе при мокрой магнитной сепарации производительность сепаратора увеличивается, однако качество продуктов обогащения снижается. Увеличение разжи-женности пульпы, как правило, обеспечивает повышение качества магнитной фракции, но одновременно возрастают также потери магнитных минералов с хвостами, так как увеличивается скорость прохождения пульпы через рабочую зону сепаратора. Оптимальное содержание твердых частиц в питании сепараторов находится в пределах 30 - 40 %.
По конструктивному исполнению основного рабочего органа и виду среды, в которой происходит разделение, сепараторы делятся на: барабанные для мокрой сепарации, барабанные для сухой сепарации, валковые для мокрой сепарации, валковые для сухой сепарации, дисковые для сухой сепарации. В зависимости от направления движения продуктов относительно друг друга различают сепараторы с прямоточной, противоточной и полупротивоточной ваннами.
В промышленных условиях при обогащении кварца наибольшее распространение получили высокоинтенсивные магнитные сепараторы с мокрой средой.
В высокоинтенсивных магнитных сепараторах для обогащения в мокрой среде (WHIMS - Wet Hight Intensity Magnetic Separator) создается высокая напряженность поля и пульпа проходит через матрицу для выделения магнитной фракции. Сепараторы бывают барабанного или роликового типа.
Авторы [11] отмечают, что традиционные роликовые сепараторы обеспечивают более сильное магнитное поле, так как имеют практически нулевой зазор между магнитным роликом и внутренней поверхностью ленты, в отличие от барабанных сепараторов, которым для нормальной работы зазор все же необходим.
К проблемам высокоинтенсивных сепараторов WHIMS авторы [12, 13] относят:
1. Забивание матрицы приводит к снижению пропускной способности и эффективности, в результате чего установку нужно отключать для принудительной очистки.
2. Захват немагнитных частиц приводит к снижению качественных показателей процесса с возможным увеличением циркуляционных нагрузок или появлением необходимости в дополнительных этапах для перечистки или доизвлечения.
В настоящее время разработан сепаратор, который представляет собой уникальную конструкцию сепаратора WHIMS, в которой используются вертикальная карусель, стержневая матрица и механизм пульсации.
Чижевский [14] говорит, что применение сухой магнитной сепарации является одним из перспективных направлений создания высокоэффективных и энергосберегающих технологий переработки минерального и техногенного сырья. Эффективность сухой магнитной сепарации может быть резко повышена за счет более полного раскрытия сростков при уменьшении крупности дробленых продуктов, поступающих на сепарацию, что, в свою очередь, обеспечит значительное снижение затрат на рудоподготовку [15].
Оптимальным для мелкого материала считают способ сухой магнитной сепарации во взвешенном состоянии, где происходит освобождение и выпадение механически увлеченных частиц, самоочистка сталкивающихся частиц от налипших мелких частиц и повышение качества магнитного продукта в каждой последующей зоне сепарации [16, 17].
Авторы [18] отмечают, что в 1995 г. для глубокой очистки зернистых материалов и порошков крупностью 0,075-0,5 мм (кварцевый песок, кварцевая крупка), содержащих небольшое (до 1%) количество слабомагнитных примесей, успешно применялись валковые сепараторы типа ЭВС-В с верхней подачей питания в сухой среде.
В [19] предлагают технологическую схему с применением магнитной сепарации фракции -0,63+0,16 мм. Первая стадия сепарации осуществляется при напряженности магнитного поля 0,45 Тл - выводятся сильномагнитные частицы. Вторая стадия осуществляется на трехступенчатом роликовом магнитном сепараторе при напряженности магнитного поля на поверхности роликов 1,80-1,9 Тл.
Авторы [20] отмечают, что для получения особо чистого кварцевого сырья метод сухой или мокрой магнитной сепарации рационально применять после флотации, химической обработки, окислительной прокалки или электростатической сепарации.
Другие считают[21], что магнитной сепарацией в совокупности с электрической сепарацией позволяют проводить глубокую очистку жильного кварца крупностью менее 0,5 мм. Обеспечивается выделение кварца с массовой долей примесей менее 1*10-3 - 1*10-4 %, что подтверждено укрупненными промышленными испытаниями.
Электростатическая сепарация. Электрическая сепарация применяется для обогащения железных
руд и неметаллических полезных ископаемых (напр., кварц - полевошпатового концентрата) доводки черновых концентратов руд редких металлов и алмазов, , для обогащения золота.
Электрическую классификацию можно применять при обеспыливании и классификации металлических и неметаллических порошков, различных неорганических и органических веществ и др.
В [22] исследованы возможности очистки кварцевой крупки с помощью барабанного сепаратора, в котором комплект коронирующих и отклоняющих электродов [А.с. № 939090 СССР, МКИ В 03 с 7/02] позволяет создавать поле коронного разряда, электростатическое поле и их комбинацию. В каждом блоке сепарируемый материал делится на два продукта: кварцевый продукт (непроводники) и хвосты (проводники). Кварцевый продукт идет на перечистку, хвосты не перечищаются, сразу выводятся из процесса.
Для очистки осадительного электрода от кварца установлены специальные коронирующие электроды и далее по ходу вращения осадительного электрода устройство для механической очистки.
Авторами [22] отмечено, что жильный кварц с различных месторождений зачастую не отвечает требованиям производства и нуждается в глубоком обогащении. Состав и содержание примесей, даже в пределах одного месторождения, как показывает практика, могут изменяться в широких пределах. Основными минеральными примесями являются рудные минералы, слюды, полевые шпаты, а также вторичные минеральные образования на поверхности кварца. Наибольшие трудности связаны с извлечением при этом минералов повышенной крупности (0,25 - 0,5 мм), а также сростков их с кварцем. Массовая доля минеральных и технологических примесей в глубокообога-щенной крупке, используемой в промышленном производстве электронной техники, колеблется в настоящее время от 0 до 10-4 %.
Действующая на предприятии автоматизированная система обогащения кварцевого сырья включает в себя ряд технологических операций: магнитную сепарацию в слабом и сильном магнитных полях, флотацию и пенную сепарацию, окислительный обжиг, химическую обработку в смеси плавиковой и соляной кислот. Данные операции обеспечивают получение кварца нужного качества во всех случаях, в связи с чем были проведены исследования и разработана технология очистки» кварцевого сырья с помощью электрической сепарации. Электросепаратор был установлен завершающим аппаратом в технологической схеме предприятия.
Отделение от кварца неэлектропроводных примесей рекомендовалось осуществлять в электрическом поле после трибозарядки, а частиц рудных минералов - в поле коронного разряда.
В ходе испытаний электрического сепаратора были определены параметры электрической сепарации, в частности напряжение и полярность коронирующих электродов, температура сепарируемого материала.
Исследования проводились на партиях гранулированного кварца нескольких месторождений после глубокого его обогащения и сушки в барабанных су-
шилках. На электрическую сепарацию поступала кварцевая крупка крупностью 0,1-0,5 мм.
Первоначально подбор режимов осуществлялся на материале с повышенной массовой долей примесей - 14-31 • 10-3%, в дальнейшем сепарации подвергалась крупка с массовой долей примесей 0,04-0,12 • 10-3%. Из результатов сепарации следует, что наименьшие потери кварцевого продукта при наибольшем извлечении примесей имеют место при напряжении на коронирующем электроде 20 кВ отрицательной полярности. Изучение влияния температуры показало, что для материала, имеющегося на производстве, нагрев в пределах от 20 до 120°С не приводит к изменению результатов сепарации.
Исследования выявили возможность снижения массовой доли примесей до 0,7-2,3 •10-3%, при выходе концентрата более 96% из кварцевой крупки с массовой долей примесей 14-31 10" %. А в случае сепарации глубокообогащенной крупки - с 0,04-0,12 10-3% до 0,02-0,04 • 10-3% при выходе концентрата более 97%. Достигнутая производительность составляла 150-200 кг/ч, потребляемая мощность - 1,5 кВт.
Результаты минералогического анализа показали, что электрическая сепарация позволяет значительно снизить остаточное содержание трудноизвлекаемых разностей рутила, сульфидов, сфена, роговой обманки, гидроксидов железа и марганца, аппаратурного железа и частицы слюды.
В промышленной линии электрический сепаратор является завершающим обогатителями аппаратом. В то же время проведенные исследования свидетельствуют о целесообразности установки электрического сепаратора и в начале технологической линии. Это позволит, кроме перечисленных примесей, удалять ожелезненный кварц и часть полевого шпата.
В [23] сообщается, что очистка природной кварцевой крупки, предназначенной для электронной промышленности, осуществляется на сепараторе ЗЭБК-32/50 из нержавеющей стали. В связи с высокими требованиями к чистоте крупки установка механических щеток является недопустимой и барабан очищается электродами очистки и воздухом с помощью щелевого сопла. Основными минеральными примесями являются рудные минералы, слюды, полевые шпаты, а также вторичные минеральные образования на поверхности кварца.
Таким образом, можно отметить, что интерес к электростатической сепарации объясняется тем, что:
1. Способ находит применение в широком спектре процессов обогащения минералов и руд.
2. В настоящее время освоена сепарация частиц крупностью 0,05-3,0 мм. Таким образом можно обеспыливать, классифицировать и разделять по вещественному составу различные материалы. Метод может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с магнитной сепарацией в начале технологической линии очистки, в промежуточных и в завершающей стадии.
3. Снижает содержание основных примесных компонентов кварца: рутила, сульфидов, сфена, роговой обманки, гидроксидов железа и марганца, аппаратурного железа и частиц слюды.
4. Экологически чистый процесс, не потребляющий воды и не загрязняющий окружающую среду реагентами.
5. Сепараторы просты в эксплуатации, не имеют быстроизнашивающихся дорогостоящих деталей; мощность приводов и высоковольтных источников сравнительно небольшая и не превышает нескольких киловатт.
6. Высокая производительность сепараторов обусловлена тем, что частицы находятся в электрическом поле в течение короткого промежутка времени. Например, на барабанном сепараторе это время составляет 0,02-0,2с.
Гравитационные процессы обогащения. Гравитационными процессами обогащения называются процессы, в которых происходит разделение минеральных частиц, отличающихся плотностью, размерами, формой, шероховатостью поверхности, смачиваемостью и другими физико-химическими свойствами (напр. склонностью к коагуляции и флокуляции) за счет различия в характере и скорости их движения в среде под действием силы тяжести и сил сопротивления. При этом может использоваться как сила земного притяжения (откуда и название метода), так и поля центробежных сил или электромагнитные - магнито-гидростатическая и магнитогидродинамическая сепарации. Основными факторами, влияющими на разделение частиц, является динамическое и статическое воздействие сред (воздуха, воды, суспензий).
Современная теория гравитационного обогащения рассматривает его как процесс установления равновесия и достижения минимума потенциальной энергии системой частиц, находящихся в поле тяжести в состоянии неустойчивого равновесия. Скорость гравитационного разделения оценивается по снижению центра тяжести системы, а его эффективность - по уменьшению потенциальной энергии смеси. В основе расчетов лежит определение относительных скоростей перемещения частиц разной плотности, размеров и формы в средах разной плотности и вязкости (в воздухе - «сухое» или пневматическое гравитационное обогащение, в жидкости - «мокрое»).
В [24] проведены исследования гравитационных сепараторов для обогащения мелкозернистых материалов: концентратор Knelson-3, концентратор Falcon SB-40 центробежный вибрационный концентратор ЦВК-100М (ОАО «Грант»), центробежный концентратор с плавающей постелью ЦКПП-120 (МНПО «Полиметалл»), винтовой шлюз ВШ-350 (ООО «Спирит»). Испытания проводились на искусственной смеси, состоящей из кварцевого песка крупностью - 0,2+0,02мм (плотность - 2,7г/см3) и 1% гранулированного ферросилиция (плотность - 6,9г/см3) крупностью 30 мкм. Исследования позволили выявить ряд особенностей в работе различных сепараторов для гравитационного обогащения тонкозернистых материалов. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
По гравитационному методу обогащения можно отметить, что:
1. Способ находит применение в большинстве процессов обогащения минералов и руд.
2. Аппараты гравитационного обогащения могут использоваться для разделения частиц, отличающихся плотностью, размерами, формой, шероховатостью поверхности, смачиваемостью и т.д.
3. Современное оборудование может эффективно использоваться для обогащения кварцевой крупки крупностью 0,05-3,0 мм.
4. «Мокрые» методы гравитационного обогащения являются самыми распространенными, требуют присутствия воды или др.жидкой фазы и тем самым способны загрязнять окружающую среду.
5. Сепараторы отличаются сравнительно низким энергопотреблением. Энергоемкость процесса зависит от выбранного способа.
6. Производительность сепараторов обусловлена выбранным способом гравитационного обогащения.
7. Разнообразие способов требует экспериментальных измерений при глубоком обогащении кварца.
Таблица 2
Результаты испытаний сепараторов различных конструкций на искусственной смеси кварцевого песка и гранулированного ферросилиция
Тип Выход Содержание Извлечение
сепаратора концен- тяжелой тяжелой
трата, фракции в фракции в
% концентрате, % концентрат,
%
Knelson-3 8,3 10,3 85,6
Falcon SB-40 7,8 11,1 86,6
ЦВК 100 8,3 11,6 96,3
ЦКПП-120 8,9 10,9 97,0
ВШ-350 10,0 8,2 82,0
Технологические схемы обогащения кварца.
На сегодняшний день известно много разнообразных технологических схем получения особо чистого кварца, направленные на снижение капитальных вложений и ведущие к интенсификации используемых процессов обогащения.
Авторы [Патент Р11 2132236 С1,1999] предлагают способ получения особо чистого кварца с массовой долей примесей 8,25*10-4%. Способ заключается в магнитной сепарации исходного сырья с выделением магнитной и немагнитной фракций. Немагнитную
Библиографический список
фракцию подвергают электроплазменной обработке в разрядной камере с одновременной поточной промывкой раствором жидкого стекла.
Недавно авторами [Патент Р11 2379232 С2,2009] предложен способ очистки кварцевого порошка в псевдожиженном состоянии посредством введения очищающего газа, содержащего галоген и/или галоге-новодород при температуре 1000-1300 оС. При этом кремнеземистый порошок подвергается воздействию разности потенциалов электрического поля (10-150 Гаусс).
В патенте [Патент Р11 2182113 С1,2000] предлагается технологическая схема: дробление, измельчение, электромагнитная сепарация, оттирка, флотация и термообработка. Полученные концентраты имеют суммарное количество примесей в пределах от (1,23-21,1)*10-4 %.
Известны способы очистки кварцевого сырья, основанные на термообработке и (или) кислотной (щелочной) мойке [25-31]. Отмечается, что состав кислот (щелочей) подбирается исходя из того, какие примеси содержатся в сырье.
Таким образом, основным критерием выбора технологии очистки кварцевого сырья в процессе получения сферического микрокварца является чистота поступающего в процесс сырья. Авторами [32] отмечено, что структурные примеси в кварце при современных технологиях переработки являются практически не удаляемыми, поэтому их концентрация фактически определяет предел обогатимости кварцевого сырья. Именно поэтому изучение структурных примесей в кварце является одной из важнейших задач при изучении обогатимости кварцевого сырья на стадиях поисково-оценочных работ.
Заключение. На основании проведенных работ по изучению опыта обогащения кварцевого сырья была предложена принципиальная схема получения сферического высокочистого кварца. В данную схему для обогащения и очистки кварцевого сырья включены следующие переделы: оптическая сепарация, магнитная сепарация, гравитационная сепарация и кислотная мойка. В 2011 году планируется проведение исследований с целью получения сферического кварца чистотой 99, 99 - 99,999%.
1. Емлин Э.Ф., Синкевич Г.А., Якшин В.И. Жильный кварц Урала в науке и технике. Свердловск: Сред.-Урал. кн. изд-во, 1988. 272 с.
2. Каменцев И.Е. Влияние условий кристаллизации на вхождение посторонних примесей в решетку кварца // Вестник Ленингр. ун-та. Серия геологии и географии. 1962. Вып. 3, № 18. С. 109-112.
3. Комов И.Л., Самойлович М.И. Природный кварц и его физико-химические свойства // М.: Недра, 1985. 124 с.
4. Франк-Каменецкий В.А, Каменцев И.Е. Микроизоморфизм и условия образования кварца // Проблемы кристаллохимии минералов и эндогенного минералообразования. Л.: Наука, 1967. С. 68-76.
5. Игуменцева М.А. Гранулированный кварц Кыштымского и Кузнечихинского месторождений (Южный Урал) // Материалы У-ой Международной Школы по Наукам о Земле 18Е8-2009 / Институт минералогии УрО РАН. Миасс, 2009.
6. Jung L. High purity natural quartz. Quartz Tehnology. - Inc., New. Jersey, 1992. - 550 p.
7. Новиков В.В., Корзакова А.В., Новиков С.В. Обзор и состояние технологии радиометрической сортировки и сепарации в целях уменьшения затрат на флотационное обогащение руд цветных металлов и золота // Мат-лы научно-практической конференции РИВС-2008 ООО «ЭГОНТ». Санкт-Петербург, e-mail: [email protected]
8. Радиометрическая сепарация и мелкопорционная сортировка квазибинарных систем гамма-гамма методом Старчик Л.П. РНЦ "Курчатовский институт".
9. Научно-практическая конференция РИВС-2008 Особенности использования физических методов предварительной концентрации руд. Д.т.н. А.В.Богданович (ЗАО «Механобр инжиниринг»), Е.Н.Шумская (ЗАО «НПО «РИВС»).
10. Справочник по обогащению руд. Основные процессы. Изд. 2. М.: Недра, 1983.
11. Dobbins М., Sherrell I. Significant developments in dry rare-earth magnetic separation // Society for Mining. Metallurgy, and Exploration Annual Meeting and Exhibit, February 22-25. Denver, 2009.
12. Доббинс М., Данн П., Шерелл Я. Последние достижения в области проектирования и применения магнитных сепараторов // Цветные металлы. 2010. № 2. Outotec(USA) Inc., Джексонвилль, США.
13. Dobbins М., Hearn S. SLon* magnetic separator: A new approach for recovering and concentrating iron ore fines // Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum Conference and Exhibition, April 29 - May 2. - Montreal, 2007.
14. Чижевский В.Б. Исследование процесса сухой магнитной сепарации мелкого материала во взвешенном состоянии (Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова) // Обогащение руд. 2007. № 4.
15. Баранов В. Ф., Сеитемова В. А., Ядрышников А. О. О модернизации технологии рудоподготовки отечественных железорудных фабрик // Обогащение руд. 2005. № 1.
16. А. с. 26450 РФ. МПК7 В 03 С 1/18. Устройство для извлечения магнитных частиц из сыпучего материала / В.Б. Чижевский, Р.С. Тахаутдинов, И. П. Захаров. № 2002111712/20; Заявл. 29.04.2002 // БИПМ. 2002. № 34. C.390.,
17. Чижевский В.Б. [и др.] Сухая магнитная сепарация во взвешенном состоянии — высокоэффективный способ обогащения мелкого материала // Материалы V Конгресса обогатителей стран СНГ. М.: Альтекс, 2005. Т. ГУ. С. 38-39.
18. Азбель Ю.И. Электромагнитные и магнитные сепараторы института Механобр // Обогащение руд. 1995. № 1 С. 89.
19. Патент RU 2392068 С1, 2009.
20. Чижевский В. Б. Исследование процесса сухой магнитной сепарации мелкого материала во взвешенном состоянии // Обогащение руд. 2006. № 2.
21. Новые направления в обогащении руд Кольского полуострова и Северной Карелии, проблемы их комплексной переработки и экологии в современных экономических условиях / А.Д. Маслов [и др.] Обогащение руд. 1995. № 4-5. С. 95.
22. Очистка кварцевой крупки с помощью барабанного сепаратора / В.И. Ревнивцев [и др.] // Обогащение руд. 1989. №4. С. 28-30.
23. Месеняшин А.И., Кравец И.М., Логачева Н.А. Электростатическая сепарация минерального и техногенного сырья // Обогащение руд. 2005. № 6. С. 23-28.
24. Богданович А. В., Васильев А. М. Исследование работы гравитационных сепараторов для обогащения тонкозернистых материалов // Обогащение руд. 2005. № 1. С. 12-15.
25. Авторское свидетельство СССР по заявке № 4414996/31-26, 1988.
26. Авторское свидетельство СССР по заявке № 4838161/33, 1990 кл. С 03 С 1/02.
27. Патент Ри 2198138 С2,2003.
28. Патент Ри 2041173 С1,1995.
29. Авт. Свид. СССР № 1791383 ,кл С 01 В 33/12, 1990.
30. Патент Ри 2220117 С1,2003.
31. Патент Ри 2385299 С1,2008.
32. Данилевская Л.А., Скамницкая Л.С., Щипцов В.В. Мине-ралого-технологическая оценка и перспективы использования сырья кварцевой жилы Меломайс (Карелия) // Обогащение руд. 2006. № 3. С. 15.
УДК 539.9
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ С ПОТОКАМИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ
А.Е. Балановский1, Н.А. Иванов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предложена математическая модель двухслойной низкотемпературной дуговой плазмы для процессов диспергирования и сфериодизации, представлены экспериментальные данные по исследованию скорости движения частиц в плазме. Ил. 8. Табл. 1. Библиогр. 15 назв.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма; плазмотрон; диспергирование; кремний.
RESEARCHES OF THE INTERACTION PROCESSES OF DISPERSE PARTICLES WITH THE STREAMS OF LOW-TEMPERATURE ELECTROARC PLASMA A.E. Balanovsky, N.A. Ivanov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors propose a mathematical model of two-layer low-temperature arc plasma for the processes of dispersion and spheroidization. They also present experimental data on the study of particle movement speed in plasma. 8 figures. 1 table. 15 sources.
Key words: low-temperature plasma; plasmatron; dispersion; silicon.
Введение. Основные перспективы в создании новых материалов, по мнению большинства исследователей, сегодня связаны с созданием в них нано- или микрокристаллической структуры. Одним из путей
создания наноматериалов является использование ультрадисперсных и дисперсных порошков. Работы в этой области идут широким фронтом, сейчас известно большое количество различных способов получения
1Балановский Андрей Евгеньевич, докторант, кандидат технических наук, тел.: 723988. Balanovsky Andrey, Competitor for a Doctor's degree, Candidate of technical sciences, tel.: 723988.
2Иванов Николай Аркадьевич, кандидат физико-математических наук, зам. директора физико-технического института ИрГТУ, тел.: 723988.
Ivanov Nikolay, Candidate of physical and mathematical sciences, Deputy Director of Physical-Technical Institute of ISTU, tel.: 723988.
