Технология обогащения бериллиевых руд

Введение

Бериллий был открыт в 1798 г. французским химиком Л. Н. Вокленом, но промышленное использование его началось лишь в 30-х годах 20-го столетия. Сплавы бериллия с другими металлами обладают рядом ценных механических свойств.
Металлический бериллий обладает рядом весьма ценных технических свойств: низкой плотностью, высокой прочностью и жаростойкостью. Модуль упругости бериллия составляет 1,4 по отношению к стали; это выдвигает бериллий в число наиболее перспективных конструкционных материалов. Отношение прочности бериллия к его массе выше, чем у алюминиевых, титановых, специальных и авиационных сталей.
Но несмотря на то, что соединения и сплавы бериллия, а также изделия из него обладают рядом ценнейших свойств, он долгое время не использовался в промышленности, так как технологический процесс переработки бериллиевых руд и получение чистого металла очень сложны. Сплавы, содержащие бериллий, являются важнейшей областью его использования.
Сплавы бериллия используются для производства деталей и конструкций, подвергающихся длительному интенсивному напряжению или трению при переменной или высокой температуре. Даже незначительная добавка бериллия к некоторым металлам резко повышает их механические свойства.
Наиболее широко используют бериллиевые сплавы на медной основе (бериллиевые бронзы), механические свойства которых во многих отношениях превосходят свойства качественных сталей.
Бериллий находит также применение в сплавах с алюминием, магнием,
никелем, железом, хромом, придавая этим сплавам вязкость, жаростойкость,
устойчивость к коррозии. Легкие и прочные бериллиево-алюминиевые конструкционные сплавы применяют в авиа- и ракетостроении, в космической технике. Медно-бериллиевые и никелево-бериллиевые сплавы сочетают в себе высокую прочность с коррозионной устойчивостью, отличаются высокой выносливостью и способностью к твердению в процессе термической обработки.
Из этих сплавов получают высококачественные ленты, прутки, проволоку и пружины малого диаметра. Сплавы признаны лучшим материалом для авиационных пружин, диафрагм в термостатах и других регулирующих приборах; применяют для изготовления многих деталей самолетов, кораблей, танков, пушек, снарядов, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей, радиоаппаратуры, телефонных и телеграфных аппаратов, в противопожарной технике, установках для электроуправления на заводах и фабриках, для изготовления безыскровых инструментов.
Целью данной работы является рассмотрение методов обогащения бериллиевых руд.


РУДЫ И МИНЕРАЛЫ БЕРИЛЛИЯ

Бериллиевыми рудами называют природные минеральные образования, содержащие бериллий.
Значительные месторождения минералов бериллия присутствуют на территории Бразилии, Аргентины. На их долю приходится примерно 40 % мировой добычи берилла. Кроме того, ведутся разработки в Африке, Индии, Казахстане. В России к значимым местам добычи бериллиевых руд относится Ермаковское месторождение в Бурятии и Малышевское месторождение в Свердловской области.
Реальная структура минерально-сырьевой базы бериллия в мире и России приведена в таблице 1.
Таблица 1
Распределение запасов бериллия по промышленным типам месторождений


В природе известно 40 минералов бериллия. Кроме того, он входит в состав многих минералов как примесь. Наибольший интерес представляют только шесть минералов (табл. 2); из них главным промышленным является берилл.
Таблица 2.
Главнейшие минералы бериллия

Минералы
Химическая формула Содержание, BeO, %
Встречается в рудах
Берилл Be3Al2[Si6O18] 11–14,3 Пегматитах, грейзенах, кварцевых жилах
Фенакит Be2SiO4 43,6–45,8 Скарнах, реже пегматитах
Хризоберилл ВеА12O4 18,1–20,7 То же
Гельвин
Mn4[BeSiO4]3S 11–14,2 Скарнах и пегматитах
Даналит
Fe4[BeSiO4]3S 12,7–14,7 То же
Бертрандит
Be4[Si2O7][OH]2 35–42 Пегматитах и грейзенах

Берилл имеет характерный гексагонально-призматический облик кристаллов. Удельный вес минерала колеблется от 2,63 до 2,91, показатели преломления Np=1,564–1,595; Nm=1,568–1,602. Удельный вес и показатели преломления возрастают по мере увеличения содержания щелочей. По химическому составу различают бесщелочной, натриевый, цезиевый, литиево-цезиевый (воробьевит) и другие бериллы. Часто в состав бериллов входит рубидий. В табл. 3 приведен химический состав некоторых разновидностей берилла.
Берилл является наиболее распространенным в земной коре бериллийсодержащим минералом. Кристаллическая структура берилла определяется наличием кольцевых анионных радикалов Si6О18, которые связаны ионами Ве и Al, расположенными между кольцевыми радикалами. Кольца радикалов Si6О18, располагающиеся друг над другом, образуют внутри свободный «канал», в котором могут помещаться ионы щелочей натрия, калия, лития, цезия, рубидия, а также воды и гелия.

Таблица 3.
Химический состав разновидностей берилла (содержание компонентов в вес. %)
Компоненты Изумруд Аквамарин Бесще-лочной
Натриевый Натроли-тиевый
Цезиевый Литиево-цезиевый
SiО2
А1203
Fe2O3
Cr2O3
ВеО
FeO
МnО
MgO
CaO
Li2O
Na2O
К2O
Rb2O
Cs2O
H2O 64,40
18,03
0,50
0,23
14,28
Сл.
0,19
0,52
0,16
Сл.
0,48
0,14
–
–
1,60 64,22
20,00
0,20
–
14,26
0,10
–
0,13
0,46
–
–
–
–
–
1,05 63,62
20,69
0,31
–
14,30
–
–
Сл.
–
–
–
–
–
–
1,25 64,40
18,52
0,35
–
12,78
–
–
0,13
0,20
0,26
0,91
–
0,05
–
2,38 63,60
18,53
0,15
–
11,74
–
–
0,07
0,18
0,78
2,43
–
0,44
–
2,44 64,64
19,10
0,14
–
11,32
–
Сл.
–
–
0,17
0,31
Сл.
1,42
1,72
1,21 62,76
19,75
0,06
–
12,66
–
0,05
Сл.
Сл.
0,83
1,27
–
–
1,14
1,35
Сумма 100,53 100,42 100,17 99,98 100,36 100,03 99,87

Берилл встречается в пегматитах с кварцем, микроклином, мусковитом, альбитом, танталониобатом; в грейзенах и кварцевых жилах- с кварцем, мусковитом, топазом, флюоритом, вольфрамитом, молибденитом.
В зависимости от примесей (определяемых условиями образования минерала), окраски и прозрачности различают несколько разновидностей: берилл, изумруд, аквамарин, воробьевит, гелиодор (рис.1).
Собственно берилл окрашен в зеленовато-белый, желтый, желтовато-зеленый, голубой, ярко-зеленый, иногда розовый цвет, имеются непрозрачные скопления, сростки кристаллов, мелкозернистые массы и т. д..
Изумруд содержит ничтожные примеси хрома, окрашивающего минерал в ярко-зеленый цвет; прозрачные экземпляры изумрудов, в которых нет трещин, высоко ценятся как драгоценные камни; разновидность изумруда (смарагд)- темного травянисто-зеленого цвета.
Аквамарин - прозрачная разновидность синевато- и зеленовато-голубой окраски, содержит примеси двухвалентного железа.
Воробьевит - разновидность розового цвета, содержащая цезий, иногда рубидий и марганец.


Рисунок 1

. Разновидности берилла: а) собственно берилл, б) изумруд, в)аквамарин
г) воробьевит, д) гелиодор, е) ростерит

Гелиодор - желтая и золотисто-желтая прозрачная разновидность, содержащая оксид трехвалентного железа.
Ростерит- бесцветные разности с примесью цезия.
К бесщелочным бериллам (сумма щелочей меньше 0,5%) относятся обычный берилл, аквамарин, гелиодор, изумруд; к щелочным бериллам (сумма щелочей более 0,5%) - натриевый, натролитиевый, литиево-цезиевый (воробьевит).
Красиво окрашенные прозрачные разности изумруда (смарагда), аквамарина, воробьевита и гелиодора применяют в ювелирном деле; после огранки их используют как драгоценные камни (изумруд массой более 5 карат ценится выше бриллиантов).


МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ БЕРИЛЛИЕВЫХ РУД
Промышленные минералы бериллия по своим физико-химическим свойствам близки к минералам пустой породы. Берилл, фенакит и бертрандит немагнитны, имеют плотность от 2.6 до 3 г/см3, т. е. такую же, как плотность основных минералов пустой породы. Поэтому магнитная сепарация и гравитационные методы обогащения к ним неприменимы.
В настоящее время применяют или могут быть применены следующие методы переработки бериллиевых руд:
ручная сортировка, основанная на различии цвета бериллиевых минералов. Применяется в забое, а также после различных стадий дробления при наличии крупнозернистого берилла от 10 мм (иногда от 6) и крупнее;
избирательное измельчение, основанное на высокой твердости берилла, хризоберилла, фенакита; применяются при наличии в руде мягких пород, например слюдистых сланцев, талька;
флотация (прямая и обратная) для руд с мелкой вкрапленностью ценных минералов; при этом могут применить собиратели анионного (жирные кислоты) и катионного типов;
радиометрическое обогащение, представляющее собой автоматическую сортировку по наведенной радиоактивности облучением бериллиевой руды γ-лучами; избирательно наведенная активность фиксируется счетчиком, который связан с исполнительным механизмом, сбрасываюшим куски берилла с конвейерной ленты н приемники для концентрата; возможно также выделение пустой породы из товарной руды, поступающей на флотацию;
комбинированные процессы переработки, включающие флотацию бедных руд и химико-металлургическую переработку богатых руд и флотационных концентратов. Процесс предусматривает перемешивание измельченной руды и концентратов с химическими реагентами, окускование их, обжиг при 820- 980°С (в зависимости от типа руды), химическое выщелачивание бериллия с последующим фильтрованием и удалением примесей, добавлением к фильтрату каустической соды дли получения гидроксида, а затем и оксида бериллия.

2.1 Сортировка и избирательное измельчение бериллиевых руд
Ручная сортировка применяется для руд, содержащих крупные куски ценных минералов, измельчение которых для обогащения механическим путем нерационально. Ручная сортировка руд, содержащих берилл, хризоберилл, изумруд и другие минералы бериллия, обычно начинается в забое, где осуществляется избирательная выемка крупных кристаллов. Сортировка руды производится стадиально, причем при додрабливании крупных кусков степень дробления должна быть минимальной. Перед сортировкой руду необходимо разделить на классы по крупности на грохотах, затем промыть. Крупные классы сортируют на ленточных конвейерах, а мелкие - на вращающихся столах.
Производительность труда рабочего резко изменяется в зависимости от крупности кусков руды и ценных минералов, подвергаемых сортировке. Например, при крупности кусков руды 60—100 мм производительность труда рабочего равна примерно 70-75 кг/ч берилла, а при крупности 6-12 мм только 0.1 - 0,5 кг/ч.
При обогащении изумрудов часто производят сортировку более мелких классов, для чего обычно применяют розовое освещение. Сортировку ведут с применением тщательного и аккуратного ручного скалывания при разделке изумрудов на алмазной пиле. Качество бериллиевых концентратов от рудоразборки обычно высокое (10—12% ВеО). Один из вариантов сортировки бериллиевых руд показан на рис. 2.
На качество рудоразборки и производительность труда рабочих сильно влияют освещение разделяемых кусков руды, очистка (отмывка) их от загрязняющей пыли и шламов, разница в цвете минералов. Извлечение берилла при сортировке очень низкое, поэтому мелкокристаллический берилл из хвостов после рудоразборки выделяют методом флотации.

Рисунок 2. Схема сортировки бериллиевых руд

Избирательное измельчение основано на различной твердости минералов, входящих в состав бериллиевых руд. При избирательном измельчении целесообразно применять мелкие шары или гальку, мельницу с центральной разгрузкой, причем частота вращения мельницы должна быть пониженной.
Легко измельчающиеся частицы отделяют от минералов бериллия на грохотах или чаще всего в спиральных и реечных классификаторах. Для второй стадии классификации применяют чашевые классификаторы, гидроциклоны, центрифуги, гидросепараторы. Обогащение бериллиевых руд методом избирательного измельчения целесообразно применять перед флотацией для удаления в отвал мягких и хрупких минералов породы, которые резко ухудшают процесс флотации, увеличивают расход флотационных реагентов. Фактически этот метод применяется и при ручной или радиометрической сортировке руд, когда менее твердые куски породы, измельчаясь ранее бериллиевых минералов, удаляются в подрешетный продукт. Следовательно, избирательное измельчение является предварительным или вспомогательным процессом, при котором возможно получить отвальные шламы, но трудно или невозможно получить кондиционные концентраты.
Иногда в рудах, содержащих слюдистые сланцы и тальк содержание минералов, обладающих низкой твердостью, составляет 70-80%. В этом случае степень обогащения бериллия в песковой части достигает 8-10, чаще она равна 2-4 (при выходе отвальных шламов 40-50%)