Сухое обогащение каолина с использованием центрифугальной мельницы и воздушных классификаторов

1. Введение.

Каолин - горная порода, состоящая в основном из минерала каолинита; может содержать примеси зёрен кварца,
полевого шпата, слюды и небольших количеств других минералов.

Каолинит (белая глина) — глинистый минерал из группы водных силикатов алюминия.

Химический состав Al4[Si4O10](OH)8; содержит 39,5% Al2O3, 46,5% SiO2 и 14% H2O.

Все месторождения каолина подразделяются на первичные и переотложенные - вторичные. Первичный
и вторичный каолины в сыром виде используются для изготовления огнеупорных материалов. Более широким
спросом пользуется обогащенный каолин, содержащий минимальное количества песка, до 0.3-1.0% окислов
железа и титана и других примесей. Обогащённый каолин используют многие отрасли промышленности:
керамическая для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, электротехническая, промышленность
огнеупорных изделий, бумажная, кабельная, резинотехническая, пластмассовая, химическая, парфюмерная и др.

Целью данной работы являлось определение возможности сухого обогащения первичного каолина месторождения
Альянс на пневматических классификаторах и оценка возможности производства каолина сухого обогащения
различного назначения.

2. Минеральный и химический состав каолина месторождения Альянс.

Таблица 1. Средний минеральный состав каолина

 Таблица 2. Химический состав пробы первичного каолина.

3. Проведение технологических лабораторных опробований сухого обогащения каолина на пневматических классификаторах.

3.1. Методика проведения испытаний.

В основе технологии сухого обогащения каолина лежит сушка и селективное измельчение, при котором каолинит
в силу своей относительной мягкости (твердость по Моосу - 1÷2) переходит в тонкодисперсные фракции, а
кварцевый песок более прочный (твердость по Моосу - 6÷7) остается преимущественно в крупных фракциях.

В ряде промышленных предприятий при сухом обогащении каолин-сырец проходит сушку в сушильном барабане
до остаточной влажности 0,7–0,8%. Высушенный каолин подвергают помолу в центрифугальных мельницах, из
которых песковая фракция крупностью более 0.3÷0.5мм эвакуируется самотеком через разгрузочное отверстие,
а остальной более тонкий продукт в виде аэродисперсного потока подается в воздушно-центробежный
классификатор. В воздушно-центробежном классификаторе каолин разделяется на тонкий и грубый продукты
разделения относительно регулируемой граничной крупности. Грубый продукт разделения является промпродуктом,
тонкий продукт разделения – обогащенный каолин. Воздушный поток с тонким продуктом разделения проходит
несколько стадий пылеочистки в групповых циклонах и аппарате тонкой очистки. Грубый продукт разделения
и песковая фракция могут дополнительно перечищаться для более полного выделения каолинита. Для более
глубокого обогащения возможно использование других дополнительных процессов сепарации.

Алгоритм лабораторных испытаний частично отражал промышленную технологию обогащения:

• предварительное измельчение
• селективная дезинтеграция
• пневматическая гравитационная сепарация.
• пневматическая центробежная сепарация.

Исходный каолин предварительно измельчался до крупности менее 10мм после чего измельчался в макетном
образце центрифугальной периодической мельницы (Фото 1). Измельченный каолин разделялся на макетном
образце 2-х продуктового каскадно-гравитационного классификатора КГК (Фото 2). Тонкий продукт
разделения после КГК разделялся на макетном образце центробежного динамического классификатора КЦД (Фото 3).

  Фото 1. Макет центрифугальной мельницы периодического действия.

Фото 2. Макет каскадно-гравитационного классификатора КГК.

Фото 3. Макет центробежного динамического классификатора КЦД.

3.2. Результаты опробования.

2.2.1. Окружная скорость рабочих органов центрифугальной мельницы – 17м/с, время обработки 3 минуты.

Исходная проба каолина измельчалась на центрифугальной мельнице с окружной скоростью рабочих органов
17м/с по аналогии с работой центрифугальной мельницы «Украинской каолиновой компании» (г. Глуховцы).
Время обработки составляло 3 минуты, что ориентировочно соответствовало работе промышленной
центрифугальной мельницы непрерывного действия при производительности на проход 8 т/ч.

Измельченный материал разделялся на классификаторах КГК и КЦД.

Режим работы классификатора КГК настраивался таким образом, чтобы крупность грубого продукта
разделения составляла +0.5-1.0мм.

Режим работы классификатора КЦД настраивался таким образом, чтобы крупность тонкого продукта
разделения составляла менее 0.045–0.063мм, что соответствовало величине окружной скорости около 5.2м/с,
что, как минимум, в 3÷4 раза менее окружных скоростей вращения роторов промышленных классификаторов.

Массы и относительные выходы продуктов разделения представлены в таблице 1.

Таблица 1.

 Продукты разделения были отправлены в ИЦ ГП «Институт ВНИИСМ» на определение свободного кварца и
фракционного состава тонкого продукта разделения и в лаборатории ОАО «Керамин» на определение
химического состава продуктов разделения и фракционного состава тонкого продукта разделения. Результаты
анализов представлены в приложениях 1, 2.

Из анализов ИЦ ГП «Институт ВНИИСМ» следует, что исходная проба содержала достаточно много свободного
кварца 71.5%. Грубый, средний и тонкий продукты разделения содержали свободного кварца 85.6, 71.4 и
41.2% соответственно. Наличие большого количества свободного кварца в тонком продукте разделения заставило
вначале усомниться в корректности анализов. Для проверки тонкий продукт разделения распускался и
отмучивался в воде в течение 2-х недель, затем промывался через сито 20мкм. Остаток на сите 20мкм
составил 2.9%. Таким образом, получалось, что кварц в тонком продукте разделения очень мелкий.

Анализ результатов по химическому составу продуктов, проведенный ОАО «Керамин», представленный
в приложении 2, подтвердил большое содержание свободного кварца в исходном и продуктах разделения.
Учитывая, что химическая формула каолинита содержит 39,5% Al2O3 и 46,5% SiO2, а другие минералы
в руде практически не содержат Al2O3 (наличие полевых шпатов в пробе незначительно, т.к. содержание
в продуктах Na2O+K20 <1-2.5%), по содержанию Al2O3 был проведен расчет каолинита и свободного кварца
в продуктах. Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2.

 После повторного анализа режимов работы промышленной центрифугальной и макетной мельницы определили,
что из-за не учета различий в диаметрах мельниц, макетная мельница работала с перегрузкой в 3 раза большей,
чем промышленная, что, по-видимому, и вызвало намол кварца в тонкий продукт разделения. Более того
в процессе обработки, по-видимому, произошла оттирка железноокисных пленок с поверхности песка,
т.к. содержание Fe2O3 в тонком продукте разделения более чем в 10 раз превышает его содержание в грубом продукте разделения.

Было принято решение обработать материал на более щадящих режимах, соответствующих перегрузкам
промышленной центрифугальной мельницы, что соответствовало скорости вращения рабочих органов макетной мельницы 10 м/с.

2.2.1. Окружная скорость рабочих органов центрифугальной мельницы – 10м/с, время обработки 3 минуты.

Результаты химических анализов, проведенных в лаборатории ОАО «Керамин» представлены в приложении 3.

Массы и относительные выходы продуктов разделения представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты расчета содержания каолинита и свободного кварца по содержанию Al2O3 в продуктах разделения представлены таблице 4.

Таблица 4.

Как следует из результатов химического анализа продуктов разделения (приложение 3) и таблицы 4 все продукты
разделения содержали значительное количество свободного кварца.

Таким образом, даже при этом режиме обработки материала произошел намол кварца.

Был проведен дополнительный анализ крупности продукта, поступающего в центрифугальную мельницу на
селективную дезинтеграцию. В продукте содержалось до 38 % свободного кварца крупностью от 5 до 10мм.
В связи с тем, что зазор между рабочими органами центрифугальной мельницы и внутренней поверхностью
корпуса в макетном образце существенно меньше, чем в промышленном, что могло послужить дополнительным
фактором измельчения крупных кусочков кварца, принято решение на селективную дезинтеграцию в макет
центрифугальной мельницы направлять продукт крупностью менее 5мм. Более того принято решение
снизить окружную скорость рабочих органов мельницы до 5 м/с, что соответствовало перегрузке 14 g.

В настоящий момент эксперименты на указанном режиме проведены, образцы продуктов разделения будут
отданы в ОАО «Керамин» для проведения анализов.

4. Предварительные выводы о результатах опробования.

4.1. Технология сухого обогащения каолина, моделируемая ОДО «Ламел-777» на макетных образцах, соответствует
промышленной технологии, реализованной на ряде предприятий Украины и России.

4.2. Макет центрифугальной мельницы периодического действия не в полной мере моделирует работу
промышленной центрифугальной мельницы непрерывного действия, т. к. через него не реализована подача
воздушного потока, постоянно эвакуирующая из мельницы измельченный тонкодисперсный продукт
крупностью менее 0.2–0.5мм, что положительно сказывается на селективной дезинтеграции в промышленной ЦФМ.

4.3. На представленных режимах (1 и 2) работы макета центрифугальной мельницы реализована слишком
интенсивная дезинтеграция материала, приводящая к намолу свободного кварца в тонкий и средний продукты разделения.

4.4. Грубый продукт разделения (кварцевый песок) достаточно хорошо очищается от глинистых составляющих
и содержал свободного кварца от 86 до 95% посредством воздушного классификатора, в данном случае
каскадно-гравитационным классификатором.

4.5. Крупность продуктов разделения достаточно просто регулируется режимами работы воздушных
классификаторов КГК и КЦД, что позволит провести оптимизацию продуктов разделения по относительным
массовым выходам и вещественным составам.

4.6. Крупность тонкого продукта разделения, обогащенного каолина, составляла менее 45–63 мкм и в случае
необходимости могла быть существенно уменьшена.

4.7. Необходимо оптимизировать режимы работы макета центрифугальной мельницы и крупности исходного
сырья для устранения или минимизации намола тонкодисперсного кварца, который ухудшает минеральный состав тонкого и среднего продуктов разделения.

4.8 Данная технология переработки нерудных материалов может с успехом использоваться для переработки и
обогащения различных видов глин, диатомита, графита и т. п.

Приложение 1. Результаты анализа продуктов разделения на содержание свободного кварца и фракционный
состав тонкого продукта разделения, проведенные ИЦ ГП «Институт ВНИИСМ» (v=17 м/с, t=3 мин.).

Приложение 2. Результаты анализа химического состава продуктов разделения и фракционный состав тонкого
продукта разделения, проведенные ОАО «Керамин» (v=17 м/с, t=3 мин.).

Приложение 3. Результаты анализа химического состава продуктов разделения и фракционный состав тонкого
продукта разделения, проведенные ОАО «Керамин» (v=10 м/с, t=3 мин.).