Впервые описания процессов обогащения полезных ископаемых встречается в еще в труде Георгиуса Агриколы «12 книг о металлах», как малозначительная операция между добычей руды и её плавлением. С развитием технологий, в особенности из-за замены ручной добычи механической, обогащение превратилось в большое научное направление. Такой рост вызван «неразборчивостью добывающих машин, захватывающих полезные ископаемые вместе с пустой породой.

Также в мире наблюдается истощение легкодоступных и богатых месторождений, поэтому разрабатываются более бедные – что, в свою очередь, повышает сложность обработки и увеличивает долю породы в добытом материале.

Вышеописанные обстоятельства приводят к тому факту, что исходный материал после добычи представляет собой смесь полезного ископаемого с пустой породой в разных пропорциях и сочетаниях. Наиболее частые случаи – кусковые (уголь, щебень, марганец и т. д.), зернистые или россыпные (золото, титан, драгоценные камни и т. д.), вкрапленные (железо, серебро и т. д.) и когда химические элементы находятся в единой кристаллической структуре (металлы).

Следует обратить внимание, что целевое полезное ископаемое обычно находится в природе в окисленном состоянии (связано с кислородом), поэтому методы восстановления (плавка, химическое восстановление, электролиз и т. д.) невозможны без предварительного удаления пустой породы.

Обогащение полезных ископаемых осуществляется с помощью различия в природных свойствах минералов (плотность, крупность, магнитная способность, поверхностные свойства, форма, цвет и т. д.). Обычно для процессов выбирается наиболее яркое, контрастное отличие.

Процессы обогащения делятся на три основные группы: подготовительные, процессы непосредственно обогащения и вспомогательные.

Первая группа включают в себя операции дробления, измельчения, классификации, шихтования, брикетирования. При этом происходят изменения в величине частиц. Во второй – меняется содержание ценного компонента. Вспомогательные операции необходимы для того, чтобы обогащенное полезное ископаемое и его отходы было удобно перевозить и использовать.

Полезные ископаемые обычно имеют черный цвет (уголь, железная руда), а порода – серый или белый, поэтому частицы обозначены соответственно.

Подготовительные процессы в зависимости от особенностей полезного ископаемого могут осуществляться на разном оборудовании, но преследуют четыре главные цели:

– дробление и измельчение предназначены для «раскрытия» (разрушения) материала, когда он представляет собой «сросток» (единый камень) с другим минералом (породой), минерал разрушают до такого состояния, когда частицы породы и ценного компонента становятся отделены друг от друга;

– классификация нужна для облегчения дробления материала методом изъятия уже разрушенных частиц из процесса, а также разделения материала на крупные и мелкие продукты, обогащаемые впоследствии разными способами в случае «кускового» полезного ископаемого, т. е. размер частиц которого могут изменяться от нуля до метра;

– шихтование применяется на больших фабриках для повышения однородности исходного материала на фабрику, что дает повышение качества конечного продукта;

– обдирка является операцией для отделения налипших частиц одного минерала от частиц другого или удаления «корки» минерала, образованным его же окисленным (ржавым) поверхностным слоем.

В зависимости от размеров частиц, полезные ископаемые условно делят на: кусковые (больше 3 мм), зернистые (от 0,2 мм до 3 мм), тонкие (от 0 до 0,2 мм). Кусковые и зернистые могут подразделяться на крупные, средние и мелкие. Для подразделения тонких минералов просто указывают размер частиц.

Процессы дробления и измельчения не имеют определенного разграничения. Условно считается, что дробление – для более крупного материала, а измельчение для более мелкого, или для второй стадии процесса.

Также обычно у операций дробления нет свободно двигающихся мелющих тел.

Отношение крупности материала до и после дробления или измельчения характеризует интенсивность разрушения, называется «степенью измельчения» и обозначается «і».

Применяют для руд высокой прочности.

Рис. 1.1. Принцип работы конусной дробилки.

Принцип работы конусной дробилки похож на растирание специй или мака в ручной ступе.

Дробилка состоит (рис. 1.1) из дробящего конуса, совершающего сложное движение, наподобие полета Земли вокруг Солнца и неподвижного внешнего конуса. В месте, где дробящий конус приближается к неподвижному происходит сжатие материала и его последующее разрушение, на противоположной стороне – выгрузка уже дробленного продукта.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Различают конусные дробилки для крупного, среднего и мелкого дробления. Конструктивно отличаются только размерами. Крупность помола регулируется зазором между конусами.

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Принцип работы щековой дробилки аналогичен раздавливанию чеснока в ручной чесночнице.

Дробилка состоит (рис. 1.2) из неподвижной и качающейся (подвижной) стальных пластин (щёк). Когда подвижная щека приближается к неподвижной происходит сжатие материала и его последующее разрушение, а когда щёки раздвигаются – происходит разгрузка дробленного продукта.

Щековая дробилка работает с порционной загрузкой исходного и выгрузкой дробленного материала.

Различают щековые дробилки с одной или двумя подвижными щеками. Конструктивно отличаются способом движения щёк. Крупность помола регулируется зазором между щёками.

Щеки могут двигаться разным способом. Только щековая дробилка со сложными качания дробящих щек может применяться для разрушения строительных железобетонных конструкций (фонарный столб), так как железные арматурные конструкции проходят вдоль разрушающих бетон щек, не ломая дробилку.

Рис. 1.2. Принцип работы щековой дробилки.

Применяют для материалов малой и средней прочности.

Дробилка состоит (рис. 1.3) из неподвижного и подвижного валков, вращающихся навстречу друг другу. Когда частица попадает между валками происходит сжатие материала и его последующее разрушение, если попадается слишком прочная частица подвижный валок смещается на пружине для предотвращения застревания или поломки.

Загрузка исходного и выгрузка дробленного материала происходят в непрерывном режиме.

Различают валковые дробилки с одной или двумя подвижными валками. Конструктивно отличаются размерами и наличием зубьев. Крупность помола регулируется зазором между валками.

Рис. 1.3. Принцип работы валковой дробилки.

Применяют для материалов средней и высокой прочности.

Принцип работы ротора дробилки самоизмельчения похож на садовую вращающуюся «поливалку».

Дробилка состоит (рис. 1.4) из ротора и неподвижного корпуса.

Исходный материал разделяется на два потока, один пускается по стенкам бочкообразного корпуса, а другой с помощью ротора с высокой скоростью «выстреливает» из центра к стенкам. В результате происходит удар материала о материал и его последующее разрушение.