Устройство для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала Российский патент 2024 года по МПК C22B11/02 F27B17/00 C22B9/05 

Устройство для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала относится к цветной металлургии, в частности, к пирометаллургическим устройствам для извлечения микродисперсного золота из труднообогатимых рудных и техногенных материалов.

Известно устройство для обогащения медно-никелевого сульфидного материала, включающее термостойкую емкость, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки газом расплава, минерального материала, который разделяется на расплавы штейна и шлака, снабженную патрубками для продувки шлака и сливными желобами для шлака и штейна. (Ванюков А.В. и др. Плавка в жидкой ванне. М.: Металлургия, 1988, 208 с.)

В этом устройстве происходит турбулентное перемешивание шлака и штейна при его продольном движении. Патрубки для продувки расплава газом расположены по длине устройства с его боковых сторон, что отражается на его габаритах и неоправданных затратах объемов газа. В случае использования золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала золотосодержащие дисперсные сульфидные капельки, находящиеся в шлаке ниже уровня патрубков, не будут захватываться газовыми пузырьками и не будут укрупняться. Неукрупнённые дисперсные капли останутся в шлаке, что приведет к потерям золота и других ценных компонентов (платины, серебра, меди, никеля).

Известны устройства для обогащения золотосодержащего материала, включающие вертикальную термостойкую емкость, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки газом расплавленного материала, снабженную патрубком для подачи газа под давлением, сливной трубопровод и дозатор. (Патент РФ № 161572; опубл. 27.04.2016. Бюл. № 12 и Патент РФ № 173389; опубл. 24.08.2017. Бюл. № 24.)

Недостатком известных устройств является то, что в них можно перерабатывать только силикатно-карбонатные минеральные материалы, содержание сульфидов в которых незначительное. Подача газа под давлением в устройстве осуществляется в нижней части термостойкой емкости, благодаря чему будет продуваться весь объем расплавленного медно-никелевого сульфидного материала, который состоит из сульфидного (штейна) и оксидного (шлака) расплавов. Часть сульфидных капелек при такой продувке будет выноситься газовыми пузырьками из штейна в шлак, что приведет к дополнительным потерям золота и других ценных компонентов, так как шлак уходит в отвалы. К тому же будут происходить завышенные затраты энергии на продувку всего объема расплава.

Прототипом выступает устройство для обогащения золотосодержащего сульфидного минерального материала, включающее вертикальную термостойкую емкость, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки газом расплава, которая разделена по вертикали на штейновую и шлаковую части расплавов, снабженную боковыми патрубками для подачи газа под давлением для продувки расплава шлака, сливной трубопровод для слива расплава шлака, сливной трубопровод для слива расплава штейна и дозатор (Давыдов С.Я., Амдур А.М., Апакашев Р.А., Федоров С.А. Образование шлаковых расплавов техногенных золотосодержащих материалов и применение хвостов обогащения в стройиндустрии // Новые огнеупоры. - 2022. - № 3. - С. 3-7).

В заявленном устройстве патрубки для подачи газа в расплав шлака под давлением монтированы по бокам термостойкой емкости и не обеспечивают равномерный продув по всему сечению шлака.

Технической задачей предлагаемого решения является обогащение штейна и обеднение золотосодержащего шлака за счет процесса укрупнения дисперсных золотосодержащих сульфидных капель путем их флотации газовыми пузырьками в шлаке. Укрупнение таких капель значительно ускорит процесс их осаждения в слой штейна. Продувка газом через отверстия колец, которые расположены в «шахматном порядке», позволит равномерно распределить пузырьки по всему объему шлака и также равномерно перемешивать его. Продувка газом только слоя шлакового расплава положительно отразится на уменьшении энергозатрат.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала, включающем вертикальную термостойкую емкость, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки газом расплавленного материала, которая разделена по вертикали на штейновую и шлаковую части расплавов, снабженную боковыми патрубками для подачи газа под давлением для продувки расплава шлака, расположенные над сливным трубопроводом для слива расплава шлака и дозатор, вертикальная емкость снабжена термостойкой решеткой, которая выполнена из отдельных загнутых в кольцо пустотелых трубок, а для обеспечения подачи газа по всему сечению расплава упомянутые пустотелые трубки содержат отверстия, выполненные по внутреннему и наружному периметру стенок боковых частей пустотелых трубок, которые направлены в сторону вертикальной оси и в сторону боковой стенки термостойкой емкости, а полости закольцованных трубок и патрубка для подачи газа выполнены сообщающимися, причем ряды отверстий каждого кольца выполнены со сдвигом по отношению соседних колец в шахматном порядке.

На фиг. 1 показана схема устройства для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - момент отрыва золотосодержащей сульфидной капли от газового пузырька в шлаке; на фиг. 5 - газовый пузырек, всплывающий с сульфидной капелькой в шлаке.

Устройство для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала включает вертикальную термостойкую емкость 1, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки газом расплава. В результате при расплавлении сульфидного материала в термостойкой емкости 1 образуется два слоя расплава - штейн, который будет находиться в нижней части 3, и шлак, который будет находиться в верхней части 4. Для вдувания газа в расплав шлака 4 под давлением термостойкая емкость 1 оснащена патрубком 5, установленным над границей уровня 6 расплавов шлака и штейна и над сливным трубопроводом 7 для слива расплава шлака. Количество сульфидного материала, загружаемое в устройство, подбирается таким образом, чтобы после его расплавления граница между расплавами штейна и шлака находилась на уровне 6, а верхняя граница расплав шлака не превышала уровень 2. Выше уровня 6 в верхней части 4 термостойкой емкости 1 установлен сливной трубопровод 7 для слива расплава шлака, оснащенный шиберным затвором 8. В донной нижней части 3 термостойкой емкости 1 установлен сливной трубопровод 9 для слива расплава штейна, оснащенный шиберным затвором 10. В верхней части 4 внутренней полости термостойкой емкости 1 монтирована огнеупорная решетка 11. Огнеупорная решетка 11 для подачи и распределения газа выполнена в виде отдельных пустотелых колец (фиг. 2 и 3), собранных из отдельных загнутых в кольца 13 пустотелых керамических трубок. Для подачи газа по всему сечению шлакового расплава в стенках боковых частей пустотелых колец 13 выполнены двухсторонние отверстия 14, направленные в сторону вертикальной оси 15 и в сторону боковой стенки термостойкой емкости 1. Ряды отверстий 14 каждого пустотелого кольца 13 выполнены по внутреннему и наружному периметру стенок боковых частей пустотелых трубок на их горизонтальных осях 16 каждого пустотелого кольца 13 и со сдвигом по отношению соседних колец в «шахматном порядке». При этом полость патрубка 5 (фиг. 3) для подачи газа и полости пустотелых колец 13 выполнены сообщающимися. Расстояние между пустотелыми кольцами 13 должно быть в три и более раз больше самых крупных измельченных частиц сульфидного материала, загружаемого в термостойкую емкость.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. В термостойкую емкость 1 через дозатор 12 загружается золотосодержащий медно-никелевый сульфидный материал в измельченном виде. Дозатор 12 закрывается. Происходит нагрев материала до образования расплавов штейна и шлака. Появляется граница 6 между расплавами штейна и шлака. Расплавы штейна и шлака имеют разную плотность и не смешиваются друг с другом. Толщина расплава шлака в 1.5 - 2 раза больше толщины расплава штейна (Уткин Н.И. Металлургия цветных металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 440 с). Начинается подача инертного газа под давлением в расплав шлака через патрубок 5, расположенный над границей 6. Время подачи газа 5-10 мин. В процессе продувки расплава шлака газовые пузырьки движутся к поверхности расплава шлака. При движении на своем пути поверхность каждого пузырька собирает на себе несколько золотосодержащих дисперсных сульфидных капелек. Эти капельки объединяются в крупные капельки. Укрупненные золотосодержащие сульфидные капельки отрываются от поверхностей пузырьков. Момент отрыва капли золота (Matte) от газового пузырька (Gas) в расплаве шлака (Slag) показан на фиг. 4. Схема этого процесса представлена в литературе (Давыдов С.Я., Амдур А.М., Апакашев Р.А., Федоров С.А. Образование шлаковых расплавов техногенных золотосодержащих материалов и применение хвостов обогащения в стройиндустрии // Новые огнеупоры. - 2022. - № 3. - С. 3-7). Далее, не смачиваясь с керамикой трубчатой решетки 11, капельки опускаются между кольцами 13 в слой расплава штейна, обогащая его золотом. В результате уменьшается количество золотосодержащих капелек в расплаве шлака, что приводит к его обеднению золотом, но при этом обогащается штейн. После окончания подачи газа делают выдержку расплавов штейна и шлака при закрытом дозаторе 12, чтобы дать время укрупненным каплям золота осесть в слой расплава штейна. Далее открывают дозатор 12 и сливают расплав шлака по трубопроводу 7. Затем открывают шиберный затвор 10 и сливают обогащенный золотом расплав штейна по трубопроводу 9.

Сквозные отверстия 14 в стенках боковых частей пустотелых колец 13 направлены к оси и в сторону боковой стенки термостойкой емкости. Пустотелые кольца 13 с отверстиями 14, выполненными в их средней части, выполнены сообщающимися с полостью патрубка 5, позволяют повысить извлечение золота из сульфидных материалов путем обеспечения более равномерного продува по всему сечению расплава шлака.

Чтобы пузырек всплывал с капелькой золота в расплаве шлака, необходимо выполнение следующего условия: выталкивающая сила F, приложенная к пузырьку, должна быть больше силы тяжести P, действующей на каплю:

,

или

,

где R - радиус пузырька, флотирующего каплю; r - радиус капли штейна; с - объемная доля от целой капли; - плотность расплава штейна; ρ_s - плотность расплава шлака; - плотность газа; ускорение свободного падения. (Amdur A.M., Fedorov S.A., Yurak V.V. Transfer of Gold, Platinum and Non-Ferrous Metals from Matte to Slag by Flotation // Metals. - 2021. - No 11. - pp. 1-14, Амдур А.М., Павлов В.В., Федоров С.А. Флотация дисперсных капель золота и штейна в расплавах. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2020:(3-1). С. 399-409.)

Из приведенного неравенства получим следующие соотношение радиусов капли и пузырька:

, R ≥ 0,7-0,9r.

Размеры пузырька, поднимающего каплю золота, могут быть даже меньше ее размеров, что видно из фиг. 5 (Amdur A.M., Fedorov S.A., Yurak V.V. Transfer of Gold, Platinum and Non-Ferrous Metals from Matte to Slag by Flotation // Metals. - 2021. - No 11. - pp. 1-14). Оценена скорость всплывания газовых пузырей по уравнению Стокса: для максимально возможного радиуса 4,2 мм скорость всплывания будет составлять примерно 0,5 мм/с. При этом радиус пузырька, который сможет флотировать каплю золота максимально возможного рассчитанного радиуса 4,2 мм, должен быть не менее 3,8 мм.

Проведены опыты с измельченной до класса 0,071 мм медно-никелевой сульфидной рудой (содержание золота около 1 г/т). Руду нагревали и плавили в корундовых тиглях при температуре 1300°С в печи сопротивления с графитовым нагревателем с выдержкой после продувки в течение 30 мин. Расплав шлака продувался газом CO₂ (расход газа 0,2-0,3 л/мин в течение 5 и 10 мин), который не окисляет сульфидные капли. Результаты опытов показали, что после продувки расплава шлака произошло снижение содержания серы в шлаке более чем в 4 раза. Это в свою очередь привело к снижению содержания золота в шлаке в 1,5-2 раза (до продувки - 0,45 г/т, после продувки - 0,22-0,29 г/т) и обогащению золотом расплава штейна.

При интенсивной продувке газом шлаковый расплав интенсивно перемешивается, образующиеся пузыри начинают взаимодействовать, причем процессы их коагуляции и дробления происходят непрерывно. Образуется рой пузырей, поднимающийся в объеме расплава. Закономерности движения и строения этой сложной газожидкостной системы в значительной мере отличаются от случая независимого движения отдельных пузырей в расплаве.

Среднеобъемный размер пузырей при интенсивной продувке расплавов газом зависит от газовой нагрузки (величины, равной расходу газа на единицу площади поперечного сечения аппарата), поверхностного натяжения и плотности расплава:

где d - средний диаметр пузыря, см; σ - поверхностное натяжение, мН/м; ρ_ж - плотность расплава, г/см³; u_s - газовая нагрузка, см³/(с⋅см²), (Ванюков А.В. и др. Плавка в жидкой ванне. М.: Металлургия, 1988, 208 с.).

При скорости выхода газа из отверстий, превышающей скорость всплытия пузырьков, будет образовываться факел газа с одновременным дроблением крупных и коагуляцией мелких пузырьков. Газовый поток будет распадаться с образованием дискретных газовых конгломератов сразу же после внедрения в жидкую фазу. При более высоких скоростях газожидкостной смеси коагуляция пузырей приведет к образованию газовых пробок.

Следует отметить то, что если ряды отверстий на каждой пустотелой закольцованной трубке, через которые происходит продувка расплава шлака, будут располагаться друг напротив друга, это может привести к вышеописанным газовым пробкам. Наиболее эффективное расположение рядов отверстий в таком случае со сдвигом по отношению рядов отверстий соседних колец в «шахматном порядке».

В результате предлагаемое усовершенствованное устройство позволяет повысить извлечение золота из рудных и техногенных материалов, включив в их число сульфидные, что позволяет расширить область использования разработки для извлечения платины и других благородных и цветных металлов.

Предлагаемая разработка позволяет обогатить золотосодержащий расплав штейна и обеднить золотосодержащий расплав шлака за счет процесса укрупнения сульфидных капель и осаждения их в слой расплава штейна путем их флотации газовыми пузырьками в расплаве шлака. Это значительно ускорит процесс укрупнения таких капель и осаждения их в слой расплава штейна. Продувка газом через отверстия пустотелых колец, которые расположены в «шахматном порядке», позволит равномерно распределить пузырьки по всему объему расплава шлака, а также равномерно перемешивать его. Продувка газом слоя только расплава шлака отразится на уменьшении энергозатрат за счет уменьшения расчетного давления и скоростных режимов струй газового потока.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к пирометаллургическим устройствам для извлечения микродисперсного золота из труднообогатимых рудных и техногенных материалов. Устройство для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала, содержащее вертикальную термостойкую емкость, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки нейтральным газом расплавленного материала, разделенную на штейновую и шлаковую части расплавов, снабженную сливным трубопроводом для слива шлака, боковыми патрубками для подачи газа под давлением для продувки расплава шлака, расположенными над сливным трубопроводом для слива расплава шлака, и дозатором, при этом вертикальная емкость снабжена термостойкой решеткой, выполненной из отдельных загнутых в кольцо пустотелых керамических трубок, а для обеспечения подачи нейтрального газа по всему сечению расплава шлака упомянутые пустотелые керамические трубки содержат отверстия, выполненные по внутреннему и наружному периметру стенок боковых частей пустотелых керамических трубок, которые направлены в сторону вертикальной оси термостойкой емкости и в сторону боковой стенки термостойкой емкости, а полости загнутых в кольцо пустотелых керамических трубок и патрубка для подачи газа выполнены сообщающимися, причем ряды отверстий каждого кольца выполнены со сдвигом по отношению соседних колец в шахматном порядке. Технический результат - обогащение золотосодержащего расплава штейна и обеднение золотосодержащего расплава шлака. 5 ил.

Устройство для обогащения золотосодержащего медно-никелевого сульфидного материала, содержащее вертикальную термостойкую емкость, выполненную с возможностью нагрева, расплавления и продувки нейтральным газом расплавленного материала, разделенную на штейновую и шлаковую части расплавов, снабженную сливным трубопроводом для слива шлака, боковыми патрубками для подачи газа под давлением для продувки расплава шлака, расположенными над сливным трубопроводом для слива расплава шлака, и дозатором, отличающееся тем, что вертикальная емкость снабжена термостойкой решеткой, выполненной из отдельных загнутых в кольцо пустотелых керамических трубок, а для обеспечения подачи нейтрального газа по всему сечению расплава шлака упомянутые пустотелые керамические трубки содержат отверстия, выполненные по внутреннему и наружному периметру стенок боковых частей пустотелых керамических трубок, которые направлены в сторону вертикальной оси термостойкой емкости и в сторону боковой стенки термостойкой емкости, а полости загнутых в кольцо пустотелых керамических трубок и патрубка для подачи газа выполнены сообщающимися, причем ряды отверстий каждого кольца выполнены со сдвигом по отношению соседних колец в шахматном порядке.