Збага́чення ко́ри́сних копа́лин — сукупність процесів первинної обробки мінеральної сировини, що мають на меті відділення всіх цінних мінералів від порожньої породи, а також взаємне розділення цінних мінералів.
Загальна інформація Добута з надр Землі гірнича маса являє собою суміш грудок окремих мінералів, мінеральних комплексів, зростків мінералів і вмісних порід різних розмірів, форми зерен, які мають різні фізичні, фізико-хімічні і хімічні властивості. Ефективність використання корисної копалини залежить головним чином від вмісту в ній корисного компонента і наявності шкідливих домішок. Корисні копалини, що добуваються, тільки в тих випадках піддаються безпосередній переробці металургійними, хімічними та іншими методами, коли їхня якість відповідає вимогам, висунутим до даної сировини. Але такі корисні копалини в природі зустрічаються рідко. Вміст корисних компонентів у сировині, що добувається, може складати від часток відсотка (мідь, нікель, кобальт і ін.) до декількох відсотків (свинець, цинк і ін.) і декількох десятків відсотків (залізо, марганець, вугілля і ін.). Безпосередня переробка бідних за вмістом корисних копалин технічно і економічно недоцільна. Тому в більшості випадків корисні копалини піддаються спеціальній переробці з метою їхнього збагачення.
Збагачення корисних копалин являє сукупність процесів механічної переробки мінеральної сировини з метою вилучення цінних компонентів і видалення пустої породи і шкідливих домішок, що не являють практичної цінності в даних техніко-економічних умовах.
Попереднє збагачення корисних копалин дозволяє:
– збільшити промислові запаси сировини за рахунок використання родовищ бідних корисних копалин з низьким вмістом цінних компонентів;
– підвищити продуктивність праці на гірничих підприємствах і знизити вартість руди, що добувається, за рахунок механізації гірничих робіт і суцільної виїмки корисної копалини замість вибіркової;
– підвищити техніко-економічні показники металургійних і хімічних підприємств при переробці збагаченої сировини за рахунок зниження витрати палива, електроенергії, флюсів, хімічних реактивів, поліпшення якості готових продуктів і зниження втрат корисних компонентів з відходами;
– здійснити комплексне використання корисних копалин, тому що попереднє збагачення дозволяє вилучити з нього не тільки основні корисні компоненти, але і супутні, що містяться в малих кількостях;
– знизити витрати на транспортування до споживачів більш багатих продуктів, а не всього об'єму видобутої корисної копалини;
– виділити з мінеральної сировини шкідливі домішки, що при подальшій його переробці можуть погіршувати якість кінцевої продукції, забруднювати навколишнє середовище і загрожувати здоров'ю людей.
Первинна переробка корисних копалин здійснюється на збагачувальних фабриках, що являють собою потужні високомеханізовані підприємства зі складними технологічними процесами.
Діапазон використання людством корисних копалин надзвичайно широкий. Тому подальша їх переробка здійснюється на коксохімічних, металургійних (чорна і кольорова металургія), хімічних (нафтохімічних, агрохімічних тощо), енергогенераційних підприємствах, у будівельній, фаянсовій, ювелірній, а також харчовій та атомній промисловості. Крім того, корисні копалини застосовуються також при абразивній обробці матеріалів, у оптиці, як чутливі елементи датчиків, як сировина для нанооб'єктів тощо, що вимагає спеціальних методів їх переробки.
При збагаченні можливе отримання як кінцевих товарних продуктів (вапняк, азбест, графіт та інш.), так і концентратів (вугілля, руд), придатних для подальшої хімічної або металургійної переробки. Збагачення — найважливіша проміжна ланка між видобутком корисних копалин і їх використанням. В основі теорії збагачення лежить аналіз властивостей мінералів і їх взаємодій у процесах розділення — мінералургія.
Збагачення дає змогу істотно збільшити концентрацію цінних компонентів. Вміст важких кольорових металів міді, свинцю, цинку в рудах становить 0,3-2 %, а в їхніх концентратах — 20-70 %. Концентрація молібдену збільшується від 0,1-0,05 % до 47-50 %, вольфраму — від 0,1-0,2 % до 45-65 %, зольність вугілля знижується від 25-35 % до 2-15 %. В задачу збагачення входить також вилучення шкідливих домішок мінералів (арсен, сірка, кремній тощо). Вилучення цінних компонентів у концентрат у процесах збагачення становить від 60 до 95 %.
Операції обробки, яким піддають на фабриці гірничу масу, підрозділяють на: основні (власне збагачувальні); підготовчі і допоміжні. Всі наявні методи збагачення засновані на розходженні у фізичних або фізико-хімічних властивостях окремих компонентів корисної копалини. Існує ґравітаційне, магнітне, електростатичне, флотаційне, бактеріальне та ін.
Історія збагачення корисних копалин
Збагачення корисних копалин спершу виникло як необхідний етап одержання кінцевого продукту, зокрема як елемент вервечки: «видобування — збагачення — витоплення металу (міді, золота, срібла, їх сплавів)». Тому у давніх описах гірничих технологій збагачення мінеральної сировини стоїть поряд з власне гірничими роботами і металургією, точніше в проміжку між цими процесами. Описи окремих процесів, операцій, які ми сьогодні відносимо до галузі збагачення в добу античності ми зустрічаємо у давньогрецького історика Полібія (201—120 до н. е.) — автора «Загальної історії» («Історії») в 40 томах, у 37-томній «Природничій історії» римського історика Гая Плінія Секунда (23(24) — 79 рр. н. е.), у «Географії» давньогрецького географа та історика Страбона (64 до н. е. — 24 н. е.), творах давньоримського історика Аппіана (кінець 1 ст. — 70-і роки II ст.) та інших.
Технологічний ефект збагачення
Збагачення корисних копалин уможливлює подальшу ефективну металургійну, хімічну та іншу їх переробку. Крім того, попереднє збагачення корисних копалин дає змогу:
збільшити промислові запаси мінеральної сировини за рахунок використання родовищ бідних корисних копалин з низьким вмістом корисних компонентів; підвищити продуктивність праці на гірничих підприємствах і знизити вартість руди, що добувається, за рахунок механізації гірничих робіт і суцільної виїмки корисної копалини замість вибіркової; підвищити техніко-економічні показники металургійних і хімічних підприємств при переробці збагаченої сировини за рахунок зниження витрат палива, електроенергії, флюсів, хімічних реактивів, поліпшення якості готових продуктів і зниження втрат корисних компонентів з відходами; здійснити комплексне використання корисних копалин, тому що попереднє збагачення дає змогу вилучити з нього не тільки основні корисні компоненти, але і супутні, що містяться в малих кількостях; знизити витрати на транспортування до споживачів багатших продуктів, а не всього обсягу видобутої гірничої маси, що містить корисну копалину; виділити з мінеральної сировини шкідливі домішки, що при подальшій її переробці можуть погіршувати якість кінцевої продукції, забруднювати довкілля і загрожувати здоров'ю людей.
Переробка корисних копалин здійснюється на збагачувальних фабриках, що нині являють собою могутні високомеханізовані підприємства зі складними технологічними процесами.
Класифікація процесів збагачення
Переробка корисних копалин на збагачувальних фабриках включає ряд послідовних операцій, у результаті яких досягається відділення корисних компонентів від домішок. За своїм призначенням процеси переробки корисних копалин розділяють на підготовчі, основні (збагачувальні) і допоміжні (заключні).
Підготовчі процеси
Підготовчі процеси призначені для розкриття або відкриття зерен корисних компонентів (мінералів), що входять до складу корисної копалини, і поділу її на класи крупності, що задовольняють технологічні вимоги наступних процесів збагачення. До підготовчих відносять процеси дроблення, подрібнення, грохочення і класифікації.
Дроблення і подрібнення — технологічна операція та процес руйнування і зменшення розмірів грудок мінеральної сировини (корисної копалини) під дією зовнішніх механічних, теплових, електричних сил, направлених на подолання внутрішніх сил зчеплення, що зв'язують між собою частинки твердого тіла.
Дроблення і подрібнення за фізикою процесу не мають між собою принципових відмінностей. Умовно прийнято вважати, що при дробленні одержують продукти крупніші 5 мм, а при подрібненні — дрібніші 5 мм. Розмір максимальних зерен, до якого необхідно роздробити або подрібнити корисну копалину при її підготовці до збагачення, залежить від розміру включень основних компонентів, що входять до складу корисної копалини, і від технічних можливостей обладнання, на якому передбачена наступна переробка дробленого (подрібненого) продукту.
Розкриття зерен корисних компонентів — дроблення або (та) подрібнення зростків до повного вивільнення зерен корисного компонента та одержання механічної суміші зерен корисного компонента і пустої породи (міксту). Відкриття зерен корисних компонентів — дроблення або (та) подрібнення зростків до вивільнення частини поверхні корисного компонента, що забезпечує доступ до нього реагенту.
Грохочення і класифікація застосовуються з метою розділення корисної копалини на продукти різної крупності — класи крупності. Грохочення здійснюється розсіванням корисної копалини на решетах і ситах з каліброваними отворами на дрібний (підрешітний) продукт і крупний (надрешітний). Грохочення застосовується для розділення корисних копалин за крупністю на просівних (просіюючих) поверхнях, з розмірами отворів від часток міліметра до декількох сотень міліметрів.
Класифікація матеріалу за крупністю здійснюється у водному або повітряному середовищі і базується на використанні розбіжності у швидкостях осадження частинок різної крупності. Великі частинки осаджуються швидше і концентруються в нижній частині класифікатора, дрібні частинки осаджуються повільніше і виносяться з апарата водним або повітряним потоком. Одержувані при класифікації крупні продукти називаються пісками, а дрібні — зливом (при гідравлічній класифікації) або тонким продуктом (при пневмокласифікації). Класифікація застосовується для розділення дрібних і тонких продуктів по зерну розміром не більше 1 мм.
Основні (збагачувальні) процеси
Основні (збагачувальні) процеси призначені для розділення вихідної мінеральної сировини з розкритими або відкритими зернами корисного компонента на відповідні продукти. У результаті основних процесів корисні компоненти виділяють у вигляді концентратів, а породні мінерали видаляють у вигляді відходів, які направляють у відвал. У процесах збагачення використовують відмінності мінералів корисного компонента і пустої породи у густині, магнітній сприйнятливості, змочуваності, електропровідності, крупності, формі зерен, хімічних властивостях і ін.
Відмінності в густині мінеральних зерен використовуються при збагаченні корисних копалин гравітаційним методом. Його широко застосовують при збагаченні вугілля, руд і нерудної сировини.
Магнітне збагачення корисних копалин ґрунтується на неоднаковому впливі магнітного поля на мінеральні частинки з різною магнітною сприйнятливістю і коерцитивною силою. Магнітним способом, використовуючи магнітні сепаратори, збагачують залізні, марганцеві, титанові, вольфрамові та інші руди. Крім того, виділяють залізисті домішки із графітових, талькових і інших корисних копалин, застосовують для регенерації магнетитових суспензій.
Відмінності в змочуваності компонентів водою використовується при збагаченні корисних копалин флотаційним методом. Особливістю флотаційного методу є можливість штучного регулювання змочуваності і розділення дуже тонких мінеральних зерен. Завдяки цим особливостям флотаційний метод є одним з найуніверсальніших, він застосовується для збагачення різноманітних тонковкраплених корисних копалин.
Розходження в змочуваності компонентів використовується також в ряді спеціальних процесів збагачення гідрофобних корисних копалин — масляній аґломерації, масляній ґрануляції, полімерній (латексній) і масляній флокуляції тощо.