Гравитационное обогащение золотосодержащих руд

В настоящее время гравитационное концентрирование золота достаточно широко применяют на золотоизвлекательных фабриках во всех странах мира, в том числе и тех, которые являются основными производителями данного металла.

По характеру перерабатываемого сырья эти фабрики разделены на 3 группы:

• кварцевые и кварцево-сульфидные руды, содержащие благородные металлы преимущественно в цианисторастворимой форме.
• упорные для цианирования пиритные и мышьяково-пиритные руды с тонковкрапленным золотом в сульфидах, а также руды, содержащие сорбционно-активное углистое вещество.
• комплексные руды, содержащие, наряду с золотом и серебром, тяжелые цветные металлы (медь, свинец, цинк, сурьму), а также уран.

Внутри каждой группы определено количество предприятий, применяющих процессы гравитационного, флотационного обогащения и цианирования (табл.1, 2).

Таблица 1. Масштабы применения гравитации, флотации и цианирования 

Таблица 2. Гравитационное обогащение руд

Гравитационное обогащение золотосодержащих руд - 

практикуют более 1/3 предприятий, однако гравитация без сочетания с другими процессами почти не применяется.

В последние годы, в технологии гравитационного обогащения золоторудного сырья достигнут большой прогресс. Это проявляется, прежде всего, в создании новых аппаратов, способных извлекать не только крупные, но и очень мелкие частицы металлического золота, освобождаемые в процессе измельчения руды такие как центробежные концентраторы и центробежные отсадочные машины, в которых интенсивность разделения частиц золота и других минералов с меньшей плотностью зерен многократно возрастает. 

В подавляющем большинстве случаев гравитацию применяют в сочетании с цианированием, флотацией или обоими этими процессами. Для Простых руд наиболее характерны схемы гравитационного и гравитационно-флотационного обогащения с цианированием хвостов флотационных, а в ряде случаев и гравитационных концентратов. Главное назначение гравитации в этих вариантах — выведение из руды крупного свободного золота в продукты (концентраты), перерабатываемые в отдельном от основной массы руды металлургическом цикле.

Кроме повышения (как правило на 2-4% общего извлечения золота), это позволяет предотвратить или, по крайней мере, существенно снизить аккумуляцию золота в измельчительных и перемешивающих аппаратах.

Флотация, как и гравитационное обогащение, относится к методам механического обогащения, когда концентрирование и разделение минеральных компонентов осуществляется без нарушения их кристаллической структуры и химического состава. К числу таких методов могут быть также отнесены магнитная, электрическая и радиометрическая сепарации (включая фотометрическую сортировку), разделение минералов по форме и крупности частиц, избирательная адгезия (улавливание липкими поверхностями) и некоторые другие процессы. Однако в отличие от перечисленных выше методов, в том числе и от гравитационных, флотация базируется на применении химических реагентов, выполняющих самые различные функции.

В основу флотационного обогащения, осуществляемого, как правило, в водной среде, заложен принцип придания зернам извлекаемого компонента гидрофобных свойств, благодаря чему они не смачиваются водой и «выталкиваются» на границу жидкой и газовой фаз, даже если плотность этих зерен во много раз превышает плотность воды.

Гидрофобность минеральным зернам придают реагенты-коллекторы (собиратели), вводимые в суспензию и закрепляющиеся на поверхности извлекаемых частиц, например сульфидов. Процесс отделения последних от остальной рудной массы («хвостов» флотации) интенсифицируется за счет аэрирования пульпы воздухом, использования специальных вспенивателей и реагентов, депрессирующих флотацию минералов пустой породы, а также за счет регулирования водородного показателя (рН), т.е. создания кислой, щелочной или нейтральной среды пульпы.

Благодаря чрезвычайно широкому ассортименту флотационных реагентов, общее количество которых составляет порядка 6-8 тысяч, созданы возможности концентрирования флотационным путем фактически любых минералов. На этой же основе разработаны принципы и методы разделения (селекции) различных минеральных смесей с получением индивидуальных продуктов (концентратов), удовлетворяющих рыночным требованиям и условиям их последующего использования или химико-металлургической переработки. В этом плане флотация, как способ механического обогащения минерального сырья, обладает очень большими возможностями, что обуславливает ее широкое использование в различных отраслях промышленности, в том числе в цветной и чёрной металлургии, угольной промышленности, при производстве алмазов, фосфора графита, барита, магнезита, чистых коалиновых глин и других минеральных продуктов. В настоящее время флотацией ежегодно перерабатывают более 2 млрд. т полезных ископаемых, и это является лучшей характеристикой этого технологического процесса.

Флотация играет достаточно важную роль при обогащении золоторудного сырья. Однако при этом учитывается одно важное обстоятельство, которое отличает возможности флотации золотосодержащих руд от большинства руд цветных металлов. Для последних характерно четкое разделение основных технологических переделов: обогащения руд и металлургической переработки концентратов. Эти стадии осуществляют на отдельных предприятиях (обогатительных фабриках, металлургических заводах), которые часто входят в состав различных производственных объединений. В то же время подавляющее количество золотоизвлекательных фабрик работают по схемам с законченным циклом обработки руды до конечной товарной продукции – слитков золота (сплава Доре). По этой причине переработку руд на золотодобывающих предприятиях, как правило, производят по комбинированным схемам, сочетающим операции гравитационно-флотационного обогащения с цианированием и другими химико-металлургическими операциями (плавка, обжиг, автоклавное или биохимическое окисление и др.). 

Флотационное обогащение руд на золотоизвлекательных фабриках

По флотационной активности в рудах, золотосодержащие минералы могут быть расположены в следующей последовательности (в порядке убывания):

- сростки металлического золота с сульфидами железа (пирит, арсенопирит) и сульфидами тяжелых цветных металлов (халькопирит, галенит и др.);

- собственно золотосодержащие сульфиды, в которых золото присутствует в виде тонких металлических включений;

- свободные зерна золота и природных сплавов золота с серебром (электрум, кюстелит и др.)

Наибольший эффект от применения флотации обеспечивается при извлечении золота из руд с преимущественно сульфидной минерализацией. К окисленным золотосодержащим рудам флотация применяется крайне редко, поскольку она не обеспечивает удовлетворительных показателей извлечения металла в концентраты, сильно уступая в этом отношении процессу прямого цианирования руды. Однако использование флотации оказывается очень полезным в процессе минералогических исследований для выделения из окисленных руд тонких зерен свободного золота для их последующего микроскопического исследования с целью установления крупности и морфологии золотин. Как правило, процесс флотации золотосодержащих руд производят в слабощелочной среде (рН=7-9). Для создания такой среды применяют соду или известь (последняя используется реже, т.к. обладает слабовыраженным депрессирующим свойством по отношению к золотосодержащему пириту, а в некоторой степени и к самородному золоту).

В качестве собирателей (коллекторов) применяют этиловый или бутиловый ксантогенаты. В качестве пенообразователя обычно используют сосновое масло или крезол. Для активации пирита в пульпу (при измельчении) подается медный купорос.

Депрессия минералов пустой породы, в том числе глин, производится силикатом и (реже) сульфидом натрия. Последний также применяется для сульфидирования поверхности частиц окисленных минералов (малахит, азурит, церуссит, англезит, смитсонит и др.) с целью придания им флотационной активности.

Для флотации золото- и серебросодержащих руд, в зависимости от их вещественного состава, применяют самые различные аппараты: многокамерные механические, пневмомеханические, пневматические, а также большеобъемные (чановые) флотомашины. В последние годы разработаны и успешно функционируют на ряде золотодобывающих предприятий флотационные колонны, предназначенные для обогащения тонкоизмельченных и шламистых руд для концентрирования самородного золота и крупнозернистых золотосодержащих сульфидов в циклах измельчения руды. Мгновенная флотация рассматривается как альтернатива гравитационным методам извлечения золота из «свежеизмельченных» руд и эффективно применяется на фабриках.

Применяют флотацию в качестве единственного технологического процесса крайне редко. В основном это предприятия, перерабатывающие комплексные руды, которые наряду с золотом и серебром, содержат другие цветные металлы (медь, свинец, цинк, сурьму) в концентрациях и минеральных формах, допускающих возможность и экономическую целесообразность попутного извлечения этих металлов в ликвидную товарную продукцию. Осуществление флотации в специальном реагентном режиме позволяет выделять из золотосодержащих руд кондиционные по составу медные, свинцовые, цинковые и сурьмяные концентраты, которые направляют для последующей переработки на специализированные металлургические заводы. В эти концентраты при флотации переходит также и значительная часть присутствующих в исходном сырье благородных металлов. Возможности их последующего извлечения определяются технологией основного металлургического производства.

Основной стратегией золотодобывающих предприятий, осуществляющих комплексную переработку полиметаллических руд, кроме получения при флотации кондиционных концентратов цветных металлов, является обеспечение максимально возможного извлечения золота на месте с использованием других технологических процессов, в частности гравитационного обогащения и цианирования. Такого рода комбинированную гравитационно-флотационно-цианистую технологию при переработке комплексных руд практикуют большинство предприятий.

Благоприятными объектами для использования флотации являются технологически упорные руды, золото в которых тесно ассоциировано с сульфидами железа и не может быть извлечено цианированием без применения достаточно сложных и дорогих подготовительных процессов: окислительного обжига, автоклавного или биохимического окисления сульфидов.

Флотация позволяет не только сконцентрировать золотосодержащие сульфиды (пирит, арсенопирит) в небольшом объеме концентрата, направляемого на металлургическую обработку, но и осуществить разделение этих сульфидов, например пирита и арсенопирита или пиритов различной генерации, различающихся по содержанию золота.

Как один из вариантов обогащение бедных золотых руд (Аu 2,2 г/т) происходит по комбинированной гравитационно-флотационной технологии. В процессе флотации используют специальный активатор металлического золота и сростков золота с пиритом. В сочетании с амиловым ксантогенатом калия (коллектор пирита) и углекислой содой, вводимой в пульпу для поддержания оптимального значения рН=8,4-8,6, реагент позволяет извлечь в концентрат 85% золота с сохранением в хвостах флотации порядка 75% пирита, представленного в основном фракциями, не содержащими золота. С учетом гравитации общее извлечение золота в концентраты на фабрике составляет более 90% — при выходе концентратов всего лишь 1,9% от руды.

При переработке углистых сульфидных руд улучшение качества и снижение выхода золотосодержащих концентратов достигается за счет предварительного флотационного выведения из руды отвальных по содержанию золота угольных фракций или же путем последовательной флотации углерода и сульфидов с тщательным подбором реагентного режима на каждой стадии.

При одновременном наличии в рудах упорного (в сульфидах) и легко цианируемого золота флотационное обогащение дополняют операцией цианирования, которому подвергают либо исходные руды перед флотацией, либо хвосты флотационного обогащения. Получаемые при флотации пиритные и арсено-пиритные концентраты также перерабатывают на месте методом цианирования, но только после предварительного химического, термохимического или биохимического вскрытия золотосодержащих сульфидов.

На предприятиях, перерабатывающих простые по составу руды с относительно легкоцианируемым золотом, флотацию применяют только в том случае, если она обеспечивает получение отвальных по золоту хвостов и если при этом существенно снижаются затраты по гидрометаллургическому переделу, поскольку цианированию подвергается не вся масса руды, а только флотационные концентраты. 

Флотация стала чрезвычайно разнообразным процессом по применяемым реагентам и аппаратурному оформлению, что позволяет использовать ее значительно шире чем раньше, в том числе на бедных и сложных рудах. За счет флотации удается повысить извлечение золота и обеспечить приемлемую рентабельность отработки месторождений. В то же время многовариантность процесса требует разносторонних и тщательных лабораторных и технологических исследований руд, а также большого опыта и знаний, чтобы найти именно тот вариант, который обеспечит наилучший эффект для конкретных условий.

Основой современной технологии извлечения золота, а также серебра из руд коренных месторождений является цианирование, заключающееся в избирательном (селективном) выщелачивании благородных металлов водными растворами щелочных цианидов: натрия, калия, кальция. Затем растворенные металлы выделяются из растворов различными методами с получением в конечном итоге высококачественной товарной продукции — металлических слитков (металл Доре), направляемых на аффинажные заводы. В ряде случаев аффинирование золота и серебра производится непосредственно на месте, т.е. в условиях золотодобывающего предприятия.

Необходимо отметить, что в прежние времена цианирование гравитационных концентратов, содержащих крупные частицы золота и других тяжелых минералов (в частности сульфидов), в аппаратах бакового типа (механических и пневмомеханических агитаторах) считалось неприемлемым из-за низкой скорости растворения золота и трудностей поддержания суспензии во взвешенном состоянии, результатом чего являлось оседание тяжелых фракций на дне аппаратов. В настоящее время эти проблемы решаются благодаря использованию горизонтальных барабанных перемешивателей, а также аппаратов с принудительной циркуляцией цианистых растворов и конусных реакторов. Эти аппараты позволяют обрабатывать цианированием золотосодержащие гравиоконцентраты практически с любой гранулометрической характеристикой. Таким образом, традиционная технология гравитационного концентрирования золота с глубокой доводкой первичных концентратов до богатых «золотых головок», пригодных для плавки на золото серебряный сплав (металл Доре), дополняется альтернативным методом гидрометаллургической переработки концентратов с умеренным содержанием металла, после их одно- или двукратной перечистки на — концентрационных столах или других доводочных аппаратах. 

Эффективность такого варианта еще более возрастает, если цианированию подвергают не только гравиоконцентраты, но также и хвосты гравитационного обогащения руды (с использованием более «мягкого» режима выщелачивания), поскольку в этом случае существует возможность направлять твердые остатки «концентратного» цикла в общий гидрометаллургический процесс с получением в конечном итоге единого товарного продукта.

История мировой горно-металлургической промышленности, вероятнее всего, не знает других примеров столь динамичного развития и освоения технологических процессов, каковым является цианистое выщелачивание золота. Об этом, например, свидетельствуют следующие цифры. Процесс цианирования запатентован в октябре 1887 г.. В следующем 1888 г. создана демонстрационная полупромышленная установка, а в 1889 г. построена первая в мире фабрика с цианированием золотосодержащих руд. Еще через год вступила в строй вторая промышленная установка цианирования, производство золота на которой за 4 года возросло с 9 кг (1890 г.) до 9 т (1893 г.), т.е. в тысячу раз. Последовавшее за этим бурное развитие технологии цианирования привело к тому, что данный процесс очень быстро занял ведущее место в общем мировом производстве золота из рудного сырья, которое за 110 лет (1890-2000 гг.) выросло с 200 до 2500 т в год. В течение последних 20 лет с использованием цианирования из руд коренных месторождений получено в мире 92% золота (остальные 8% приходятся на долю металла, извлекаемого попутно из руд тяжелых цветных металлов: меди, свинца, сурьмы и др.).

Технологические преимущества цианирования, осуществляемого с использованием растворов с очень низкой концентрацией цианида (0,3-1 г/л и ниже) заключается, прежде всего, в том, что оно производится в слабощелочной среде (рН=9,5~11,5) при нормальной («комнатной») температуре и атмосферном давлении, что определяет высокую экономическую эффективность цианирования золотых руд. 

Важную роль сыграли разработки Горного Бюро США (Burea of Mine, US BM) по адсорбционному извлечению золота из цианистых cpeд гранулированными активированными углями (1952 г.) и кучному цианистому выщелачиванию (КВ) крупнокусковых руд и рудных отвалов (1969 г.).

Первое коммерческое предприятие кучного выщелачивания золота с угольной адсорбцией было создано в 1974 г. применительно к отвалам горных пород, содержащим менее 2,5 г/т золота, что в то время делало нерентабельной переработку их по обычной фабричной технологии. В 80-х годах прошлого столетия процесс KB получил чрезвычайно широкое распространение в золотодобывающей промышленности США, а затем и в других странах. Этому способствовала очередная разработка USBM по предварительной агломерации тонкодробленых и шламистых руд перед KB (1979 г.). В России за последние 10 лет, создано порядка 20 промышленных предприятий, осуществляющих кучное выщелачивание золоторудного сырья, с общим объемом переработки более 5 млн.т в год.

Как правило, кучному выщелачиванию подвергаются руды, добываемые открытым способом, с содержанием золота от 0,5 до 1,5 г/т, из которых цианированием извлекается от 50 до 80% металла. Это обеспечивает рентабельную работу предприятия различного масштаба: от 0,5 до 15 млн.т руды в год. Иногда применяются сочетания операций кучного и дамбового выщелачивания руд.

Основная масса руды подвергается кучному выщелачиванию после предварительного дробления до 65 мм и агломерации дробленой руды с известью и раствором цианида. Переработку бедных руд (Au менее 0,5 г/т ) производят без дробления и агломерации методом дамбового выщелачивания. Извлечение золота в растворы составляет 70%, в т.ч. 80% — при кучном и 65% — при дамбовом выщелачивании.

Другим направлением повышения эффективности гидрометаллургического процесса является интеграция операций кучного и дамбового выщелачивания с  фабричной технологией цианирования.

Процесс дамбового выщелачивания осуществляют на руде «забойной» крупности без предварительного дробления. Извлечение золота из растворов производят на отдельной установке. Насыщенные золотом угли обоих циклов выщелачивания объединяют и подвергают элюированию по стандартной технологии. Общее извлечение золота составляет 90%, в том числе в цикле фабричной технологии — 95% и при дамбовом выщелачивании — 73%.

Возможность рентабельной переработки методом цианирования бедных золоторудных материалов подтверждается практикой работы предприятий, осуществляющих доизвлечение золота из лежалых хвостов обогащения прошлых лет. Данный вопрос, учитывая его значимость (в том числе и для российской золотодобывающей промышленности), заслуживает специального рассмотрения в отдельной публикации. Здесь следует лишь отметить, что с учетом минимальных затрат на разработку данного вида «технологенных» месторождений золота и подготовку лежалых хвостов к последующей гидрометаллургической переработке (цианирование по фабричной технологии) рентабельность процесса обеспечивается при извлечении золота на уровне 0,4-0,5 г/т исходного сырья. 

Объектами применения цианирования являются не только бедные, но и достаточно богатые золотосодержащие материалы, в частности, концентраты флотационного и гравитационного обогащения руд.

Что касается гравитационных золотосодержащих концентратов, то до последнего времени единственным приемлемым методом их переработки считалась глубокая доводка (перечистка) с последующей плавкой получаемых «золотых головок» на металлические слитки. Однако сейчас созданы специальные аппараты, позволяющие выщелачивать цианистыми растворами крупные зерна металлического золота. 

Важным направлением использования цианистого процесса является переработка упорных руд и концентратов. К таковым относят материалы, содержащие дисперсные включения золота в плотных и нерастворимых в цианиде зернах сульфидов железа: пирите и арсенопирите. Длительное время изучалась возможность переработки таких материалов «бесцианидными» гидро- или пирометаллургическими методами. Но положительных, с экономической точки зрения, результатов так и не получено. Поэтому практически все ныне действующие золотодобывающие предприятия осуществляют извлечение золота из упорных пиритных и арсено-пиритных руд (концентратов) тем же цианистым процессом, но только после дополнительного механического (тонкий и сверхтонкий помол), химического (автоклавное окисление), термохимического (обжиг) или биохимического вскрытия золотосодержащих сульфидов. Как правило, эти подготовительные операции стоят значительно дороже, чем само цианирование. Однако в совокупности они обеспечивают высокое извлечение золота в конечную товарную продукцию и общую экономическую эффективность технологического процесса.

Существенную роль цианирование играет и при переработке комплексных золотых руд, содержащих медь, свинец, сурьму, цинк и другие тяжелые цветные металлы, попутное извлечение которых представляется технологически возможным и экономически целесообразным.