فراوری مواد معدنی، هنر تصفیه سنگهای خام و محصولات معدنی بهمنظور جداسازی مواد معدنی ارزشمند از سنگهای باطله یا گنگ محسوب میشود. این اولین فرآیندی است که بر روی بیشتر سنگهای معدنی پس از استخراج بهمنظور تهیه مواد غلیظتر برای فرایندهای متالورژی استخراجی انجام میشود. عملیات اولیه خرد کردن و تغلیظ است، اما عملیات مهم دیگری در یک کارخانه فرآوری مواد معدنی مدرن از جمله نمونهبرداری و تجزیهوتحلیل و آبگیری نیز انجام میگیرد.
فرآوری مواد معدنی
نمونهبرداری و تجزیه و تحلیل معمولی از مواد خام در حال پردازش بهمنظور به دست آوردن اطلاعات لازم برای ارزیابی اقتصادی سنگ معدن و کنسانتره جهت فراوری مواد معدنی انجام میشود. علاوه بر این، کارخانههای مدرن دارای سیستمهای کنترل کاملاً خودکار هستند که تجزیهوتحلیل درون جریانی مواد را در حین پردازش انجام میدهند و تنظیمات را در هر مرحله بهمنظور تولید غنیترین کنسانتره ممکن با کمترین هزینه عملیاتی برعهده دارند.
نمونهبرداری نمونهبرداری عبارت است از برداشتن قسمتی از مواد معین برای تجزیهوتحلیل. این فرایند با دست یا ماشین انجام میشود. نمونهبرداری دستی معمولاً گران، آهسته و نادرست است، به طوری که معمولاً فقط در مواردی استفاده میشود که مواد برای نمونهبرداری ماشینی مناسب نباشد (مثلاً سنگ معدن لزج) یا جایی که ماشینآلات یا در دسترس نیستند یا نصب آنها بسیار گران است. امروزه بسیاری از دستگاههای نمونهگیری مختلف از جمله بیلها، وسایل نمونهبردارهای لولهای و نمونهبرداری خودکار در دسترس هستند. برای اینکه این ماشینهای نمونهبرداری نمایش دقیقی از کل لات ارائه کنند، مقدار یک نمونه، تعداد کل نمونهها و نوع نمونههای گرفتهشده از اهمیت تعیینکنندهای برخوردار است. تجزیهوتحلیل شیمیایی حتی قبل از قرن شانزدهم، طرحهای جامع سنجش (اندازهگیری ارزش) کانهها با استفاده از روشهایی که از نظر مادی با روشهای بهکار رفته در دوران مدرن تفاوتی ندارند، شناخته شده بود. اگرچه امروزه روشهای مرسوم آنالیز شیمیایی برای شناسایی و تخمین مقادیر عناصر موجود در کانیها و کانیها استفاده میشود، اما این روشها کند هستند و به اندازه کافی دقیق نیستند، به ویژه در غلظتهای پایین. در نتیجه، برای دستیابی به کارایی بیشتر، ابزارهای تحلیلی پیچیده مورد استفاده قرار میگیرند. در طیفسنجی فرآوری مواد معدنی، یک تخلیه الکتریکی بین یک جفت الکترود ایجاد میشود که یکی از آنها از ماده مورد تجزیهوتحلیل ساخته شده است. تخلیه الکتریکی بخشی از نمونه را تبخیر میکند و عناصر موجود در نمونه را برای انتشار طیفهای مشخصه تحریک خواهد کرد. تشخیص و اندازهگیری طولموج و شدت طیفهای انتشار، هویت و غلظت عناصر موجود در نمونه را نشان میدهد. در طیفسنجی فلورسانس پرتو ایکس، نمونهای که با اشعه ایکس بمباران میشود، تابش فلورسنت ایکس با طولموجهای مشخصه عناصر خود را منتشر میکند. مقدار پرتو ایکس ساطع شده به غلظت عناصر منفرد در نمونه مربوط میشود. حساسیت و دقت این روش برای عناصر با عدد اتمی پایین (پروتونهای کم در هسته مانند بور و بریلیم) ضعیف است، اما برای سربارهها، سنگ معدنها، زینترها و گندلهها مناسب است.
کانیشناسی جداسازی موفقیتآمیز یک ماده معدنی با ارزش از سنگ معدن آن را میتوان با آزمایش مایع سنگین تعیین کرد. در این آزمایش یک مقدار معین از یک سنگ معدنی در مایعی با وزن مخصوص بالا معلق میشود. ذرات با چگالی کمتر از مایع شناور میمانند، در حالی که ذرات متراکمتر فرومیروند. چندین بخش مختلف از ذراتی با چگالی یکسان را میتوان با این روش تولید کرد. تجزیهوتحلیل اندازه کانیهای درشت آسیاب شده را میتوان با عبور از غربالها یا صفحههای مخصوص که استانداردهای ملی و بینالمللی مختلفی برای آنها پذیرفته شده است، بر اساس اندازه طبقهبندی کرد. یکی از استانداردهای قدیمی (اکنون منسوخ شده است) سری تایلر بود که در آن صفحات سیمی با اندازه مش مشخص شده و بر حسب سیم یا دهانه در هر اینچ اندازهگیری میشدند. استانداردهای مدرن اکنون غربالها را بر اساس اندازه دهانه که بر حسب میلیمتر یا میکرومتر (۱۰-۶ متر) اندازهگیری میشود، طبقهبندی میکنند. ذرات معدنی کوچکتر از ۵۰ میکرومتر را میتوان با روشهای مختلف اندازهگیری نوری برای فراوری مواد معدنی طبقهبندی کرد که از پرتوهای نور یا لیزر با فرکانسهای مختلف استفاده میکند. خردسازی بهمنظور جداسازی اجزای ارزشمند یک سنگ معدن از سنگهای باطله، کانیها باید بهصورت فیزیکی از حالت درهمتنیده با خردایش آزاد شوند. به عنوان یک قاعده، خردسازی با خرد کردن سنگ معدن به زیر یک اندازه مشخص شروع میشود و با آسیاب کردن آن به شکل پودر خاتمه مییابد که ظرافت نهایی آن بستگی به ظرافت انتشار کانی مورد نظر دارد. در زمانهای اولیه، سنگشکنها و هاونهای کوچکی بودند که با دست کار میکردند و سنگزنی توسط سنگهای آسیاب که توسط انسانها، اسبها یا نیروی آب میچرخند انجام میشد. امروزه این فرایندها در سنگشکنها و آسیابهای مکانیزه انجام میشود. در حالی که خرد کردن بیشتر در شرایط خشک انجام میشود، آسیاب مرطوب نیز در بعضی از شرایط مورد استفاده قرار میگیرند. خرد کردن (Crushing) برخی از سنگ معدنها در طبیعت بهصورت مخلوطی از ذرات معدنی مجزا مانند طلا در بسترهای شن و نهرها و الماس در معادن وجود دارند. این مخلوطها به خرد کردن کمی نیاز دارند، زیرا اشیا با ارزش با استفاده از تکنیکهای دیگر فراوری مواد معدنی قابل بازیافت هستند (مثلاً شکستن مواد پلاسر در شویندههای چوبی). با این حال، بیشتر سنگها از تودههای سنگی سختی تشکیل شدهاند که باید قبل از رهاسازی کانیهای ارزشمند خرد شوند. بهمنظور تولید یک ماده خرد شده مناسب برای استفاده به عنوان خوراک آسیاب (۱۰۰ درصد قطعات باید کمتر از ۱۰ تا ۱۴ میلیمتر یا ۰.۴ تا ۰.۶ اینچ قطر داشته باشند)، خرد کردن بهصورت مرحلهای انجام میشود. در مرحله اولیه، دستگاههای مورد استفاده بیشتر سنگشکنهای فکی با دهانههایی به عرض دو متر هستند. این دستگاهها سنگ معدن را تا کمتر از ۱۵۰ میلیمتر خرد میکنند که اندازه مناسبی برای استفاده در مرحله خردایش ثانویه است. در این مرحله سنگ معدن در سنگشکنهای مخروطی به عمق کمتر از ۱۰ تا ۱۵ میلیمتر خرد میشود. سنگ زنی در این مرحله فرایند، مواد خرد شده را میتوان در آسیاب استوانهای متلاشی کرد. آسیاب استوانهای یک ظرف استوانهای است که با نسبتهای طول به قطر متفاوت ساخته شده است. این دستگاه محوری کاملاً افقی دارد که از بدنههای خاص ساخته میشود (به عنوان مثال، سنگهای سنگ چخماق). دستگاه دیگری که فرایندهای خرد کردن و آسیاب را با هم ترکیب میکند، سنگشکن رول است. این دستگاه اساساً از دو سیلندر تشکیل شده است که بر روی محورهای افقی نصب شده و در جهت مخالف حرکت میکنند. سیلندرها تحت فشار زیاد به هم فشرده میشوند، به طوری که خرد کردن در بستر مواد بین آنها انجام میشود. تغلیظ (Concentration) تغلیظ برای فراوری مواد معدنی شامل جداسازی مواد معدنی با ارزش از سایر مواد خام دریافتی از آسیاب میشود. در عملیات در مقیاس بزرگ، این امر با بهرهگیری از خواص مختلف مواد معدنی قابل جداسازی انجام میشود. این خواص میتواند رنگ (مرتبسازی نوری)، چگالی (جدایی گرانشی)، مغناطیسی یا الکتریکی (جداسازی مغناطیسی و الکترواستاتیک) و فیزیکوشیمیایی (جداسازی شناور) باشد.
جداسازی نوری این فرایند برای غلظت ذراتی استفاده میشود که رنگهای متفاوتی دارند (بهترین کنتراست سیاه و سفید است). رنگهایی که با چشم غیر مسلح تشخیص داده شود. علاوه بر این، آشکارسازهای الکترواپتیکی دادهها را در مورد واکنش مواد معدنی هنگام قرار گرفتن در معرض نور مادون قرمز، مرئی و فرابنفش جمعآوری میکنند. همین مورد، البته با استفاده از تابش گاما، جداسازی رادیومتری نامیده میشود. جداسازی گرانشی روشهای گرانشی از تفاوت در چگالی مواد معدنی به عنوان عامل تغلیظ کننده استفاده میکنند. در جداسازی با رسانههای سنگین (جداسازی سینک و شناور نیز نامیده میشود)، محیط مورد استفاده سوسپانسیون یک ماده معدنی سنگین ریز آسیاب شده (مانند مگنتیت یا آرسنوپیریت) یا محصول فنی فراوری مواد معدنی (مانند فروسیلیکون) در آب است. چنین سوسپانسیونی میتواند سیالی با چگالی بالاتر از آب را شبیهسازی کند. هنگامی که کانههای آسیاب شده به سوسپانسیون وارد میشوند، ذرات گنگ که چگالی کمتری دارند، تمایل به شناور شدن دارند و به عنوان باطله حذف میشوند، در حالی که ذرات کانیهای ارزشمند که چگالی بالاتری دارند، فرو میروند. مگنتیت یا فروسیلیس را میتوان با جداسازی مغناطیسی از باطله جدا و بازیافت کرد.
جداسازی شناور
فلوتاسیون پرکاربردترین روش برای تغلیظ کانیهای ریزدانه است. این ماده از خواص مختلف سطحی فیزیکوشیمیایی مواد معدنی بهره میبرد – به ویژه ترشوندگی آنها که میتواند یک ویژگی طبیعی یا تغییر مصنوعی توسط معرفهای شیمیایی باشد.
جداسازی مغناطیسی جداسازی مغناطیسی برای فراوری مواد معدنی بر اساس درجات مختلف جاذبه اعمال شده بر مواد معدنی مختلف توسط میدانهای مغناطیسی است. موفقیت این روش مستلزم آن است که ذرات خوراک در یک طیف اندازه خاص (۰.۱ تا ۱ میلیمتر) قرار گیرند. با نتایج خوب، کانیهای قوی مغناطیسی مانند مگنتیت، فرانکلینیت و پیروتیت را میتوان با جداکنندههای مغناطیسی با شدت کم از کانیهای گنگ حذف کرد. دستگاههای با شدت بالا میتوانند سنگهای آهن اکسیدی مانند لیمونیت و سیدریت و همچنین سنگهای آهندار منگنز، تیتانیوم و تنگستن و سیلیکاتهای حاوی آهن را جدا کنند. جداسازی الکترواستاتیک روش الکترواستاتیک ذرات با بارهای الکتریکی مختلف و در صورت امکان با اندازههای مختلف را جدا میکند. هنگامی که ذرات با قطبیتهای مختلف به میدان الکتریکی وارد میشوند، مسیرهای حرکتی متفاوتی را دنبال میکنند و میتوانند به طور جداگانه جمعآوری شوند. جداسازی الکترواستاتیکی در تمام کارخانههایی که شنهای معدنی سنگین حاوی زیرکون، روتیل و مونازیت را پردازش میکنند استفاده میشود. علاوه بر این، تمیز کردن سنگ آهن ویژه و کنسانتره کاسیتریت و همچنین جداسازی سنگ معدن کاسیتریت-شیلیت با روشهای الکترواستاتیک انجام میشود. آبگیری کنسانترهها و باطلههای تولید شده با روشهای ذکر شده در بالا باید آبگیری شوند تا مواد به حالت قابل حمل تبدیل شوند. علاوه بر این، آب مصرف شده را میتوان در مدارهای آب موجود کارخانه فراوری بازیافت کرد. فیلتراسیون فیلتراسیون در فراوری مواد معدنی عبارت است از جداسازی یک سوسپانسیون به کیک فیلتر جامد و یک فیلتر مایع به وسیله عبور آن از یک ماده فیلتر کننده نفوذپذیر. عوامل مهم در این فرایند، خواص تعلیق (به عنوان مثال، توزیع اندازه، غلظت)، خواص مواد فیلتر کننده (به عنوان مثال، عرض و شکل منافذ) و نیروهای وارد شده به سوسپانسیون هستند.