Флотация (франц. flottstion, от flotter - плавать на поверхности воды) - это метод обогащения, основанный на различии физико-химических свойств поверхности материалов, их способности смачиваться водой. Одни минералы (гидрофобные) в тонкоизмельченном состоянии в водной среде не смачиваются водой, прилипают к вводимым в воду пузырькам воздуха и всплывают с ними на поверхность, другие минералы (гидрофильные) смачиваются водой не прилипают к пузырькам воздуха и остаются в объеме пульпы.
Из ста семидесяти известных на данный момент медьсодержащих минералов в промышленных масштабах используется около семнадцати (таблица 1). Практически во всех медьсодержащих рудах, так же как и в полиметаллических, имеются сульфиды железа (таблица 2).
Таблица 1. Характеристика основных медных материалов
| Минерал | Формула | Массовая доля Cu, % | Плотность, г/см3 | Твердость |
| Первичные сульфиды | ||||
| Халькопирит | CuFeS2 | 34,6 | 4,1-4,2 | 3-4 |
| Вторичные сульфиды | ||||
| Халькозин | Cu2S | 79,9 | 5,5-5,8 | 2,5-3,0 |
| Ковеллин | CuS | 64,5 | 4,6-4,7 | 1,5-2,0 |
| Борнит | Cu5FeS4 | 63,3 | 4,5-5,3 | 3,0 |
| Блеклые руды (сульфосоли) | ||||
| Тетраэдрит | Cu2Sb4S2 | 45-51 | 4,4-5,1 | 3-4 |
| Теннантит | Cu2As4Si2 |
45-51 | 4,4-5,1 | 3,5 |
| Оксиды | ||||
| Куприт | Cu2O | 88,8 | 5,8-6,2 | 3,5-4,0 |
| Тенорит | CuO | 79,9 | 5,8-6,4 | 3,5-4,0 |
| Карбонаты | ||||
| Малахит | Cu2(CO3)(OH)2 | 57,4 | 3,9-4,1 | 3,5-4,0 |
| Азурит | Cu3(CO3)2(OH)2 | 55,3 | 3,7-3,9 | 3,5-4,0 |
| Силикаты | ||||
| Хризоколла | CuSiO3*nH2O | До 45 | 2,0-2,3 | 2-4 |
| Сульфаты | ||||
| Халькантит | CuSO4*5H2O | 25,4 | 2,2 | 2,5 |
| Брошантит | Cu2(SO4)(OH)6 |
34,8 | 3,8-3,9 | 3,5-4,0 |
Таблица 2. Характеристика основных сульфидных минералов железа
| Минерал | Формула | Массовая доля, % | Плотность г/см3 | Твердость | |
| железа | меди | ||||
| Пирит | FeS2 | 46,5 | 53,5 | 4,9-5,2 | 6,0-6,5 |
| Марказит | FeS2 | 46,5 | 53,5 | 4,9 | 6,0-6,5 |
| Пирротин | Fe1-xS | 58,8-61,8 | до 41 | - | 3,2-4,5 |
Для легкообогатимых руд с равномерной вкрапленностью медных минералов на фабриках небольшой производительности применяют обычно одностадиальные схемы, которые включают операции измельчения и классификации, основную флотацию, контрольную и одну–три перечистные.
На фабриках большой производительности получили распространение двухстадиальные схемы, по которым после I стадии измельчения до крупности 45–60 % класса –0,074 мм выделяются грубый медный концентрат и пиритсодержащие хвосты. Грубый медный концентрат доизмельчается до 85–95 % класса –0,074 мм и поступает на перечистные операции.
При переработке руд с высоким содержанием первичных шламов и растворимых солей флотацию целесообразно осуществлять в двух циклах – песковом и шламовом. При раздельной флотации создаются наиболее благоприятные условия для флотации крупных и мелких частиц – шламов (отходов продукта, составляющих пылевые и мелочные его части, получаемые в виде осадка при промывке какого-либо рудного материала), которые обычно повышают общий расход реагентов, подавляют флотацию крупных частиц, налипая на них, создают обильную и прочную пену. Схема с раздельной флотацией применяется, например, на Джезказганской фабрике (Казахстан), на фабриках «Бьютт» и «Твин-Бьюттс» (США).
Вкрапленные медные руды (медно-порфировые, медистые песчаники и жильные руды), отличающиеся невысоким содержанием пиритной серы и меди (0,4–2,0 %), в зависимости от содержания пирита могут перерабатываться с получением только медного концентрата или медного и пиритного концентратов. В первом случае применяется коллективная флотация, а во втором – коллективно-селективная или прямая селективная.
По текстурным особенностям медьсодержащие руды подразделяются на массивные, или сплошные, и вкрапленные.
Сплошные руды обычно более богатые, характеризуются высоким содержанием серы, представленной пиритом, в срастании с которым находятся сульфиды меди и цинка. Соотношение меди, цинка и серы, например, в сплошной медно-колчеданной руде достигает 1:1:20 (25). Такими сплошными рудами являются медные и медно-цинковые руды Урала, относящиеся к труднообогатимым рудам.
Сплошные руды обычно более богатые, характеризуются высоким содержанием серы, представленной пиритом, в срастании с которым находятся сульфиды меди и цинка. Соотношение меди, цинка и серы, например, в сплошной медно-колчеданной руде достигает 1:1:20 (25). Такими сплошными рудами являются медные и медно-цинковые руды Урала, относящиеся к труднообогатимым рудам.
Вкрапленные руды являются более бедными по содержанию цветных металлов, которое в рядовых рудах не превышает 1–2 %, а в бедных – 0,4–1,0 %. В зависимости от содержания меди в перерабатываемой руде медные руды условно подразделяются на богатые (более 2 % Cu), средние (0,8–2,0 % Cu), бедные (0,5–0,8 % Cu) и забалансовые (менее 0,3 % Cu). Богатые сульфидные руды, содержащие 2–3 % Cu, с высоким содержанием серы (35–42 %) могут иногда направляться непосредственно на плавку в шахтных печах. Однако в мировой практике в настоящее время 80 % Cu извлекается из концентратов, получаемых при обогащении медных руд.
Сульфидные минералы меди (хальелпирит – CuFeS2, халькозин Cu2S, ковеллин CuS, борнит Cu5FeS4) хорошо флотируются сульфгидрильными собирателями (твердые кристаллические вещества имеют характерный запах, не обладают пеноообразующими свойствами, что позволяет регулировать их расходы в широких пределах без нарушения процесса пенообразования) на основе двухвалентной серы в довольно широком диапазоне рН, так как они обладают высокой сорбционной способностью, которая зависит от степени окисленности сульфидной поверхности и содержания меди. По флотируемости ксантогенатами (солями ксантогеновой кислоты ROC(=S)SH) медные минералы можно расположить в такой последовательности: халькопирит < борнит < ковеллин < халькозин.
Месторождения медно-порфировых руд по запасам меди являются самыми крупными. На их базе работают крупнейшие медно-обогатительные фабрики производительностью до 90 тыс. тонн руды в сутки и более. В основном к первичным медно-порфировым рудам относятся молибденит-халькопиритовые с невысоким содержанием (2–5 %) пирита. Основные технологические особенности обогащения этих руд:
– одностадийное измельчение до крупности 60–65 % класса –0,074 мм перед коллективной медно-молибденовой флотацией;
– доизмельчение черновых концентратов до 85–90 % класса –0,074 мм с получением богатых медных концентратов;
– создание в коллективной флотации поддерживается рН 10–12 подачей извести для подавления пирита (хотя для флотации молибденита оптимальное значение рН = 7,5–8,0).
Наибольшее распространение для этих руд получила схема с доизмельчением промпродукта и переработкой его в отдельном цикле. Пиритный концентрат из таких руд, как правило, не выделяется (за исключением фабрики «Чукикамата», Чили). Медно-порфировые руды (пирит, халькопирит, халькозин) перерабатываются на Алмалыкской и Балхашской фабриках (Узбекистан, Казахстан).
Для медных руд со средним содержанием пирита применяют как коллективно-селективные, так и прямые селективные схемы. При обогащении по коллективно-селективным схемам отделение медных минералов и пирита от минералов пустой породы происходит при грубом измельчении (до 45–50 % класса –0,074 мм), когда возможно получение хвостов с отвальным содержанием меди. Тогда по схеме коллективно-селективной флотации после измельчения до вышеуказанной крупности проводится коллективная флотация сульфидов меди и железа при рН не выше 7,5 (концентрация свободной СаО не превышает 20–50 г/м3). Получаемый коллективный медно-пиритный концентрат после доизмельчения до 80–95 % класса –0,074 мм перемешивается с известью при рН 12,0–12,5 (400–500 г/м3 свободной СаО) и цианидом для подавления пирита и направляется на медную флотацию. Хвосты контрольной медной флотации вкрапленных руд, как правило, содержат не более 30–35 % S, поэтому направляются на пиритную флотацию, которая проводится после удаления избыточной щелочности до рН 5–7.
В качестве собирателей сульфидных медных минералов применяются ксантогенаты (соли ксантогеновой кислоты ROC(=S)SH, средний расход обычно 10–30 г/т) и дитиофосфаты (10 г/т). Широко используется сочетание реагентов-собирателей. Например, при флотации медных руд за рубежом применяется реагент Z-200 (изопропилэтил-тионокарбамат), который является наиболее селективным по отношению к пириту в сочетании с изопропиловым или амиловым ксантогенатами. Часто используется сочетание сульфгидрильных собирателей с аполярными (машинное масло, керосин и т.п.). В СНГ наибольшее распространение получил бутиловый ксантогенат (С5Н9OS2K), который применяется на всех медных фабриках.
Общая доля ксантогенатов, используемых на фабриках США, составляет ~60 %, дитиофосфатов – около 40 %. Подавители минералов пустой породы при флотации медных вкрапленных руд обычно не применяются. Но если в пульпе повышенное содержание шламов, то в основную медную флотацию и в перечистки медного концентрата добавляют жидкое стекло (до 0,4 г/т). Если же в руде присутствуют окисленные медные минералы, то в измельчение и в основную медную флотацию подается сернистый натрий (200–300 г/т)
Требования, которым должны соответствовать медный и пиритный концентраты, представлены в таблице 3 и 4.
Таблица 3. Требования по качеству медного концентрата (по ОСТ 48-77-82)
| Марка концентрата | Содержание, % | ||
| меди, не менее | примесей, не более | ||
| цинка | свинца | ||
| КМ-0 | 40 | 2 | 2,5 |
| КМ-1 | 35 | 2 | 3 |
| КМ-2 | 30 | 3 | 4 |
| КМ-3 | 25 | 5 | 4,5 |
| КМ-4 | 23 | 6 | 4,5 |
| КМ-5 | 20 | 7 | 4,5 |
| КМ-6 | 18 | 8 | 4,5 |
| КМ-7 | 15 | 8,5 | 5,0 |
| ППМ | 12 | 11 | 8 |
Таблица 4. Технические требования к пиритным концентратам, полученным при флотации сульфидных руд (по ГОСТ 444-51 "Колчедан флотационный")
|
Марка колчедана серного флотационного |
Массовая доля, % | ||
| серы, не менее | примесей, не более | ||
| свинца и цинка | влаги | ||
| КСФ-1 | 47 | 1 | 3,8 |
| КСФ-2 | 45 | 1 | 3,8 |
| КСФ-3 | 42 | 1 | 3,8 |
| КСФ-4 | 38 | 1 | 3,8 |
Требования к получаемым медным и пиритным концентратам определяются в зависимости от типа руды и принятого метода их металлургической обработки.