Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет Курс профессиональной переподготовки Технологии урановых добывающих и перерабатывающих предприятий

ПОДГОТОВКА РУДНОГО МАТЕРИАЛА К ВЫЩЕЛАЧИВАНИЮ к.т.н., доцент кафедры ХТРЭ Николай Степанович Тураев

Добыча руды -Легче всего добывать руду из россыпных месторождений (золотоносные пески, монацитовые пески). -Труднее перерабатываются коренные месторождения. В силу того, что редкие металлы содержатся в руде в малых количествах, выбор метода добычи диктуется физико- химическими свойствами вмещающих пород, таких как песчаники, известняки. В зависимости от характера залегания рудного тела создаются рудники различных типов: 1) открытые рудники (карьеры); 2) подземные рудники, в том числе рудники-штольни, в которых разрабатываемый пласт соединяется с дневной поверхностью наклонной или горизонтальной выработкой, рудник-шахта, где пласт соединяется с поверхностью вертикальной выработкой. Основной метод добычи коренных руд – буровзрывной.

Подготовка рудного материала к выщелачиванию В карьерах могут получаться глыбы до 600–1000 мм, в подземных рудниках до 300 мм. Для проведения технологических процессов требуется меньшая крупность рудного материала: -для радиометрической сортировки необходима крупность 40–200 мм; -для отсадки 6–10 мм в одном режиме и 0,5–4 мм – в другом; -для обогащения на концентрационных столах – 0,1–2 мм. Николай Степанович Тураев

В большинстве случаев подготовка руды включает в себя 4 стадии: 1) Крупное дробление (размер кусков исходной руды – 300–1500 мм, крупность конечного продукта 100–300 мм, степень измельчения 2–6). 2) Среднее дробление (крупность исходного материала 100–300 мм, конечного материала – 10–50 мм, степень измельчения 5–10). 3) Мелкое дробление (исходный материал 10–50 мм, конечный – 2–10 мм, степень измельчения 10–50); 4) Измельчение (исходный материал 10–20 мм, конечный 0,07–0,3 мм, степень измельчения 100). Николай Степанович Тураев Для проведения выщелачивания нужно обеспечить раскрытие ценных минералов и большую удельную площадь поверхности выщелачиваемой руды, для этого необходимо измельчить руду до 0,07–0,3 мм.

Дробление и измельчение производят путем раздавливания (I), удара (II), истирания (III) и раскалывания (IV). Способы измельчения материалов Николай Степанович Тураев Под степенью измельчения i понимается отношение поперечника наиболее крупного куска до измельчения (D) к поперечнику наиболее крупного куска после измельчения (d), i = D/d

Николай Степанович Тураев Способ измельчения выбирают с учетом физико-механических свойств измельчаемого материала, в первую очередь, его твердости и характера излома. -Для руды с большой твердостью более эффективным является удар и раздавливание, для вязких материалов предпочтительнее истирание, для хрупких – раскалывание. 1) Крупное дробление осуществляется в щековых или конусных дробилках. Наибольший размер кусков материала, поступающего на дробление, зависит от величины загрузочного отверстия дробилки, называемого зевом, а степень измельчения может изменяться в некоторых пределах соответствующей установкой размеров выходного отверстия дробилки, называемого шпальтом.

Схемы движения щек в щековых дробилках I - с наибольшим размахом в шпальте; II - с наибольшим размахом в зеве; III - с параллельным движением щеки. Николай Степанович Тураев Щековые дробилки

Николай Степанович Тураев Щековая дробилка с наибольшим размахом в шпальте 1 – станина; 2 – подвижная щека; 3 – неподвижная щека; 4 – ось подвижной щеки; 5 – эксцентриковый вал; 6 – шатун; 7 – распорные плиты; 8, 9 – регулировочные клинья; 10 – тяга; 11 – пружина; 12 – маховик; 13 – шкив.

Николай Степанович Тураев Конусные дробилки раздавливают куски материала путем непрерывного нажатия вертикального усеченного конуса, эксцентрично вращающегося в другом полом конусе. Конусные дробилки Конусная дробилка с верхней опорой вертикального вала для крупного дробления 1 – станина; 2 – наружный неподвижный конус; 3 – внутренний конус (дробящая головка); 4 – вал дробилки; 5 – гайка вала; 6 – опорная втулка; 7 – вкладыш-эксцентрик; 8 – коническая зубчатая передача; 9 – загрузочная воронка; 10 – головка корпуса; 11 – привод.

Достоинства конусных дробилок: -Высокая удельная производительность - от 0,75 до до 3400 т/ч; -Больший коэффициент полезного действия вследствие использования энергии упругой деформации не додавленных кусков. Николай Степанович Тураев

2) Для среднего дробления используются конусные и валковые дробилки (дробильные валки). Валки действуют по принципу раздавливания путем непрерывного нажатия на материал. Валки состоят из рамы 1 и двух цилиндрических валков 2 одинакового диаметра, которые вращаются на параллельных горизонтальных осях навстречу друг другу. Схема дробильных валков 1 – рама; 2 – валки; 3 – подвижная ось; 4 – неподвижная ось; 5 – пружина.

3) Для мелкого дробления используются валковые дробилки и стержневые мельницы. После осуществления отдельных стадий дробления часто производится грохочение, то есть разделение дробленого материала по крупности. Для этого применяются качающиеся грохоты, вибрационные грохоты и вращающиеся барабанные грохоты. Качающийся грохот 1 – корпус; 2 – сито; 3 – пружинящие стержни; 4 – шатун; 5 – эксцентрик. В большинстве технологических схем грохочение производится после крупного дробления для того, чтобы выделить мелкую фракцию и направить ее мимо конической дробилки среднего дробления непосредственно на измельчение в шаровые мельницы. Николай Степанович Тураев

4) Измельчение производится в шаровых или стержневых мельницах. Измельчение материала происходит под действием ударов падающих шаров или стержней и путем истирания материала между шарами и внутренней поверхностью корпуса. Предельная скорость вращения мельницы (n крит ), когда крайний слой шаров в верхней точке подъема прилипает к корпусу и не падает, находится из равенства силы тяжести и центробежной силы: об/мин. и об/мин. гдеD – диаметр барабана, м. Рабочая скорость вращения принимается равной 75% от критической.

Николай Степанович Тураев Цилиндрическая шаровая мельница 1 – барабан; 2 – стальные плиты (футеровка); 3 – шнековый питатель; 4 – патрубок для выхода измельченного материала. Для уменьшения пылеобразования измельчение производится в водной среде при соотношении твердой и жидкой фаз Т:Ж от 1:1 до 2:1. Отношение Т:Ж тем больше, чем крупнее исходный материал. Вода способствует правильной загрузке, распределению руды в мельнице, обеспечивает быстрое прохождение пульпы, облегчает выгрузку, предохраняет мельницу от нагрева трущихся частей.

Николай Степанович Тураев Затраты на дробление и измельчение руды составляют 10–15% от стоимости гидрометаллургического передела, из них 80–90% приходится на стадию измельчения, так как именно на этой стадии наблюдается наибольшая степень измельчения (35–500). Поскольку расход энергии на измельчение пропорционален степени измельчения, то для уменьшения энергетических затрат необходимо избегать переизмельчения руды. Переизмельчение уменьшают, сокращая время пребывания измельчаемого материала в мельнице. Оно выбирается таким, чтобы до нужного размера измельчалось от 1/5 до 1/7 рудного материала. Из мельницы пульпа поступает в гидравлический классификатор, разделяющий твердую фазу по крупности на принципе отстаивания.

Николай Степанович Тураев Схема спирального классификатора 1 – корыто; 2 – спираль; 3 – сливной порог. Недоизмельченный материал (пески) оседает на дно, поднимается спирально вверх по корыту и возвращается в шаровую мельницу. Количество песков составляет от 4/5 до 6/7 от количества твердой фазы. Мелкая фракция (готовый продукт) выносится водой через верхний слив классификатора и направляется в сгуститель. Шаровая мельница работает в замкнутом цикле с классификатором.

Николай Степанович Тураев Общая трехстадийная схема подготовки руды очень громоздка, включает большое количество аппаратов. Поэтому заманчива возможность замены многостадийных схем дробления и измельчения одностадийным процессом самоизмельчения, то есть бесшарового измельчения руды с помощью крупных кусков самой руды в «каскадных» мельницах. - В отличие от шаровых мельниц, в которых отношение длины барабана к диаметру составляет 1,56–1,64, каскадные мельницы при большом диаметре (5–11 м) имеют малую длину барабана (треть диаметра).

Николай Степанович Тураев Каскадная мельница типа Аэрофолл – Крупные куски руды поднимаются вверх с помощью продольных ребер барабана и, падая с большой высоты, дробят руду. – Удаление измельченной руды производится воздушным потоком с последующим контролем крупности с помощью воздушного классификатора. – Степень измельчения можно регулировать скоростью воздушного потока.

Физическое обогащение урановых руд В настоящее время более 70% урана добывается из рядовых руд с содержанием урана менее 0,3%, в том числе около 40% – из бедных руд с содержанием менее 0,1 % урана. Для сокращения массы перерабатываемой руды проводят процессы физического обогащения, если это позволяют свойства перерабатываемой руды. Процесс обогащения заключается в разделении руды на два и более продуктов с концентрированием в каждом из них одного минерала или группы родственных минералов. Продуктами процесса обогащения являются: 1) Концентрат, в котором собираются полезные минералы; 2) Хвосты, содержащие основную массу минералов пустой породы; 3) Промежуточный продукт – продукт, процесс обогащения которого по тем или иным причинам не закончен. Николай Степанович Тураев

Эффективность процесса обогащения характеризуется следующими показателями: 1) выход концентрата – массовое отношение концентрата к руде: 2) степень сокращения – величина, обратная выходу концентрата: 3) степень извлечения (ε) – отношение количества ценного компонента, перешедшего в концентрат, ко всему количеству его, содержащемуся в исходной руде; 4) степень обогащения – отношение концентрации ценного компонента в концентрате и руде (С конц/С руд.) Николай Степанович Тураев

Процесс обогащения может быть направлен на: 1) получение богатых концентратов; 2) получение отвальных хвостов; 3) удаление сопутствующих минералов, которые могут усложнить проведение последующих технологических операций (выщелачивание, отстаивание, фильтрация, ионный обмен и др.). 4) попутное извлечение других ценных составляющих руды. Выбор и применимость различных методов обогащения зависит от различия соответствующих свойств минералов ценных компонентов и пустой породы.

Методы физического обогащения 1) Гравитационное обогащение урановых руд (основаны на различии плотностей минералов и связанной с этим различной скоростью осаждения минеральных зерен в воде или воздухе) а) Отсадка; б) Обогащение на концентрационных столах; в) Обогащение в тяжелых суспензиях. 2) Флотация (на основе различной смачиваемости поверхности минералов) 3) Радиометрическое обогащение урановых руд (на основе измерения интенсивности радиоактивного излучения) 4) Электромагнитная сепарация (основана на различии в магнитных свойствах минералов) Николай Степанович Тураев

-Гравитационные методы обогащения основаны на различии плотностей минералов и связанной с этим различной скоростью осаждения минеральных зерен в воде или воздухе. -В вакууме все тела независимо от их величины и плотности падают с одинаковой скоростью: -В любой материальной среде скорость падения будет меньше вследствие сопротивления среды движению падающего тела. Если принять, что зерно минерала имеет форму шара и что падение его происходит в спокойной среде, то на зерно будут действовать три силы Гравитационное обогащение урановых руд

Q - cила тяжести, Q выт - выталкивающая сила среды (Архимедова), R - cила сопротивления среды Николай Степанович Тураев

Сила тяжести Выталкивающая сила среды (Архимедова сила) Сила сопротивления среды Здесьd – диаметр шаровой частицы, м; и – плотности частицы и среды, ; g – ускорение силы тяжести ( ); – коэффициент сопротивления среды. F – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения тела (для шара ; W ос – скорость осаждения частицы в среде, м/сек.

Николай Степанович Тураев В начальный момент скорость осаждения частицы мала, поэтому сила сопротивления среды мала и сила тяжести превышает силу сопротивления и архимедову силу, частица движется с ускорением. По мере увеличения скорости осаждения сила сопротивления увеличивается и быстро устанавливается равновесие сил: Из данного равенства мы можем вычислить предельную скорость осаждения

Николай Степанович Тураев Для определения скорости осаждения частицы необходимо знать величину коэффициента сопротивления ( ), который является однозначной функцией критерия Рейнольдса. На рисунке представлена зависимость коэффициента сопротивления при движении шарообразных частиц диаметром d от критерия Рейнольдса. Из графика видно, что существуют три различных режима движения, каждому из которых соответствует определенный характер зависимости коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса. Рис. Зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса

Николай Степанович Тураев. 1) Ламинарный режим (область действия закона Стокса) при Re= В области Стокса Сила сопротивления среды После сокращения получаем, т.е. Откуда получаем известное уравнение Стокса Таким образом, в области Стокса сила сопротивления пропорциональна скорости осаждения в первой степени, а скорость осаждения пропорциональна квадрату диаметра осаждаемой частицы и разности плотностей частицы и среды. Уравнение Стокса применимо для частиц мельче 100 микрон.

Николай Степанович Тураев 2) Автомодельный режим (область действия квадратичного закона сопротивления Ньютона) имеет место при Re=500-2·10 5 Здесь коэффициент сопротивления можно принять постоянным: =0,44. Подставив в уравнение это значение, получим В автомодельной области сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости осаждения, а скорость осаждения пропорциональна корню квадратному от диаметра и от соотношения. Уравнение автомодельной области применимо для частиц миллиметровых размеров.

Николай Степанович Тураев 3) Переходный режим при Re=2-500 при Для определения скорости осаждения используем уравнение Проводим следующие преобразования В итоге получаем

Николай Степанович Тураев Для расчета может быть использована также единая интерполяционная зависимость, связывающая критерии Рейнольдса и Архимеда для всех режимов осаждения (уравнение Тодеса): где критерий Архимеда Как видно, во всех областях скорость осаждения зависит и от плотности частиц и от их размера. При одинаковой плотности скорость осаждения частиц определяется их размером, на этом основано действие гидравлических классификаторов.