Инновации в технике и технологии обогащения янтаря
М.А. Перепелкин, канд. техн. наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, доцент кафедры горного дела, ФГБОУ ВО Северо-Восточный государственный университет, г. Магадан, РФ
В.И. Склянов, канд. техн. наук, заведующий кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых, ФГБОУ ВО Норильский государственный индустриальный институт, г. Норильск, РФ
В.В. Тютюнин, канд. техн. наук, директор ООО «Инжи Инжиниринг», г. Иркутск, РФ
М.В. Козлов, руководитель службы по развитию и строительству, АО «Калининградский янтарный комбинат», п. Янтарный, Калининградская область, РФ
Общие сведения о янтаре
Продуктом жизнедеятельности доисторических хвойных деревьев (преимущественно сосен) является особый минерал, янтарь. При классификации минералов его относят к группе камней, имеющих органическое происхождение. В отличие от других ископаемых смол, похожих на янтарь по комплексу минералогических признаков, в научной литературе прибалтийский янтарь называется «сукцинитом». Источником его образования являются жидкие смолы, выработанные хвойными деревьями около 45–50 млн лет тому назад. К этому времени приурочено окончание третичного геологического периода, который оставил в недрах земли залежи янтаря. Приморский участок является частью крупного уникального Пальмникенского месторождения янтаря, расположенного на западном побережье Земландского (Самбийского) полуострова возле поселка Янтарный, Калининградской области [1].
Янтарь залегает в песчано-глинистых отложениях в виде россыпи кусков различного размера. Являясь природным образованием, эти куски имеют неправильную форму. Янтарь встречается в виде окатанных галек, желваков, различных натечных образований и даже в виде капель. Довольно интересное образование в виде «капли…», по всей видимости, связано с падением жидкой смолы хвойных деревьев в воду.
Янтарь – высокомолекулярное органическое соединение, содержащее в среднем 79% углерода, 10,5% водорода и 10,5% кислорода. Его химическая формула C10H16O4. Наиболее характерной химической особенностью янтаря является наличие в нем янтарной кислоты от 2 до 8%, которая придает камню относительную прочность. Но при этом янтарь достаточно хрупкий, он разбивается при падении или ударе о тв¸рдую поверхность. Отличительным свойством янтаря является вязкость, которая позволяет относительно легко производить механическую обработку камня. Янтарь можно пилить, резать, сверлить, шлифовать, полировать.
Удельный вес (плотность) янтаря колеблется в пределах 1,05–1,10 г/см3 и практически равна аналогичному показателю морской воды.
На рис. 1, 2 и 3, представлены прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные разновидности янтаря.
Рис. 1 Прозрачный янтарь, в котором присутствуют единичные пустотки
Рис. 2 Полупрозрачный или просвечивающийся янтарь, в котором находятся большие скопления пустоток, приводящих к замутнениям (облачный, бастард)
Рис. 3 Непрозрачный янтарь (костяной и пенистый), в котором количество пустоток может достигать 900 000 на 1 мм3
Особую группу представляет янтарь с различного рода органическими включениями (с инклюзом). Под инклюзом понимают включения в янтаре в виде насекомых, животных, растений или отдельных их частей (рис. 4).
Рис. 4 Янтарь с инклюзом (ящерица)
Истинная расцветка янтаря скрывается под окисленной корочкой темно-коричневого цвета (корка выветривания). Твердость окисленной корки на 15–40% выше твердости неокисленного янтаря. Его поверхность в большинстве случаев покрывают различного рода морщинки, бугорки, извилины, а также раковины. По структуре янтарь представляет собой стеклянистую массу (иногда, как прозрачное стекло), но в основном это куски, замутненные микроскопическими пузырьками клеточного сока и воздуха.
На изломе янтарь блестящий, крупнозернистый, хрупкий при комнатной температуре. Твердость янтаря по десятибалльной шкале Мосса, созданной для ориентировочной оценки и сравнения относительной твердости материалов методом царапания – от 1,5 до 2,5 (для сравнения: твердость гипса – 2, кварца – 7, алмаза – 10).
При нагревании янтарь размягчается, а при нагревании до 315–350 °С, плавится (это свойство используют при калении и прессовании). Однако следует также добавить, что он не имеет строго определенной точки плавления. Плавлению предшествует размягчение с выделением паров. При повышении температуры до 350°С выделение паров прекращается и начинается плавление янтаря. Янтарь горит, распространяя приятный гвоздичный запах.
До 1980-х годов янтарь имел большое промышленное значение. К продуктам, производимым из янтаря, относятся: плавленый янтарь и янтарные лаки, янтарная кислота, янтарное эфирное масло, красители, химические поглотители, реактивы и т.д. Плавленый янтарь является полуфабрикатом для получения янтарного лака. Янтарная кислота применялась в медицине, сельском хозяйстве (как биостимулятор), в радиотехнической и лакокрасочной промышленности, в парфюмерии. Янтарное масло до сих пор используется в парфюмерной промышленности. Высокие диэлектрические свойства делали его незаменимым материалом в радиотехнике, электронике, приборостроении. Благодаря химической инертности, янтарь использовался для изготовления посуды для активных кислот, медицинских препаратов.
К сожалению, развитие химической промышленности сделало продукты из натурального янтаря неконкурентоспособными. Все товары, за очень малым исключением, в составе которых содержатся продукты передела янтаря, не имеют никакого отношения к натуральному янтарю, то есть сделаны с применением синтезированных веществ.
Промышленная добыча янтаря
Так называемая «голубая земля» является основной янтароносной породой, концентрации янтаря в которой достигают промышленных значений. «Голубая земля» представляется в виде сильно песчаной серо-зеленой глины. Отличительной ее особенностью является плохая сортированность. Коэффициент вариации гранулометрического состава (по Каплану) 1, 442.
Изначально вскрышные породы разрабатывались экскаваторным способом и по железнодорожной ветке отправлялись в отвал. После двух крупных оползней грунта в 1957 и 1958 гг., когда на дно карьера обрушилось около полумиллиона тонн земли, из строя оказалась выведена почти вся транспортная система, засыпано все оборудование, была применена гидротранспортная технология. Мощный гидромонитор размывает верхний слой пустых пород, превращая их в пульпу, которая землесосом перекачивается в море. На нижних уступах была применена бестранспортная технология с применением драглайнов ЭШ-11/70.
Добычные работы долгое время осуществлялись при помощи многоковшового экскаватора RK–350 с транспортированием янтароносной породы по конвейеру на обогатительную фабрику. Начиная с 2000 г. на добычных работах так же, как и на вскрышных работах, перешли на гидротранспорт. Но так как «голубая земля» значительно плотнее вскрышных пород, для её предварительного рыхления и складирования в конус используется драглайн ЭШ 6/45. Пульпа с янтарем по трубопроводу с помощью землесосной установки также поступает на обогатительную фабрику. Для уменьшения повреждения крупных кусков янтаря в рабочем органе насоса производится ручная выборка из потока пульпы до е¸ попадания в насос.
Собственно процесс обогащения состоит в дезинтеграции «голубой земли», отделении случайных валунов, гравия, фосфоритовых желваков и включений щепы, лигнита и т.п., а также выделения всплывшего янтаря в пульпе (суспензии) плотностью 1,12–1,15 г/см3.
На фабрике размытая водой «голубая земля» проходит через сито с отверстиями 2 мм, на котором большая часть растворенной в воде пустой породы уходит в отходы. Янтарь крупностью меньше 2 мм не подлежит улавливанию. Затем в сепараторе, в специальном растворе с плотностью выше, чем у янтаря, масса расслаивается, тяжелые частицы оседают на дно, мелкий янтарь с кусочками древесины всплывает на поверхность. Полученный на этом этапе продукт называется янтарь сырец и содержит в себе порядка 5–8% примесей.
Янтарь сырец в специальных контейнерах поступает на узел доводки, где сортируется на инерционном грохоте, сите с круглыми отверстиями диаметром 23 мм. Янтарь размером +23 мм отдается на ручную сортировку, а размером –23 мм – подвергается сушке в калориферных печах при температуре не выше 40°С, затем в специальных ваннах (щеповой и лигнитной) удаляется сначала всплывшая щепа, а потом утонувший лигнит, а затем подвергается грохочению на фракции 23–16, 16–14, 14–11,5, 11, 5–8, 8–4 и менее 4 мм. Янтарь фракции +23 относится к категории весовых и проходит все те же процессы, что и мелкий, но только вручную.
Янтарь после сортировки по размерам и характеристике должен соответствовать перечню и утвержденным образцам.
Влажность доведенного и сортированного янтаря не должна превышать 0,5%.
Специальные методы обогащения
С учетом развития современной оптической и рентгеновской техники в области детекции различных минералов, а также пневмомеханических и гидромеханических приводов становится возможным разработка новых современных устройств для сортировки, предконцентрации и улавливания янтаря, которые в свою очередь изменят технологию обогащения янтаря.
Применение специальных механизмов и устройств в обогащении какого-либо конкретного минерала в обогащении полезных ископаемых носят название специальных методов обогащения. В частности, специальные методы обогащения уже применяются для обогащения янтаря на Калининградском комбинате на стадии улавливания крупных разностей янтаря специальными работниками с применением сачков, когда плывущий крупный янтарь в потоке пульпы вылавливается перед его попаданием в зумпф основного гидротранспортного пескового насоса, во избежание разрушения и потери ценности крупных кусков ценного минерала, а также на стадии ручной сортировки обогащенного концентрата.
Специальные методы обогащения имеют два основных технологических предназначения – предконцентрация и сортировка. Предконцентрация применяется в случае низкого содержания ценного минерала в основной породе с целью выведения основной массы пустой породы перед процессом обогащения полезного ископаемого и сокращения затрат на переработку руды. Сортировка используется для выделения минералов по их крупности, цвету, включениям и различным иным особым характерным признакам.
В случае Калининградского янтарного комбината применение предконцентрации возможно для дополнительного извлечения янтаря из пульпы, направляемой в отвал, так как содержание янтаря в этом материале очень низкое и его обогащение обычными методами обогащения экономически неэффективно, однако для оценки перспективности применения этого метода требуются дополнительные технологические исследования. Наиболее перспективным для вышепоставленной задачи представляется тяжелосредный гидроциклон, который позволяет эффективно улавливать мелкие частицы янтаря.
Еще одним применением специальных методов обогащения на стадии улавливания крупных кусков янтаря вручную может быть автоматическая детекция крупных кусков, которые могли быть пропущены рабочими-сортировщиками перед зумпфом основного насоса.
Сортировка янтаря на специально разработанных сепараторах зависит от поставленных технологических задач. Сортировка янтаря может проходить в двух режимах – поточный или покусковой. Поточный режим сепарации имеет высокую производительность и обеспечивает извлечение янтаря на уровне 99,9%. Покусковой режим применяется для оценки каждого куска минерала и, в частности, очень хорошо справляется с такими технологическими задачами, как сортировка по цвету, прозрачности, наличию инклюзов и т.п.
Разработка специальных моделей сепараторов, выбор метода детекции, типа исполнительных органов зависят от того, в какой части технологической цепочки обогащения янтаря будет использоваться сепаратор.
Поточные сепараторы, как правило, представляют собой аппарат, у которого имеются бункер-погрузчик, конвейерная лента, источник излучения, приемник излучения (детектор), исполнительные механизмы и при¸мные бункеры.
Современные технологии сортировки позволяют построить сепараторы, способные работать на уровне абсолютной эффективности. Внедрение предлагаемых специальных методов обогащения янтаря позволит повысить сквозное извлечение янтаря, исключить человеческий фактор на некоторых стадиях обогащения, повысить чистую прибыль предприятия, однако для реализации предлагаемых мер на Калиниградском янтарном комбинате требуется проведение ряда исследований, которые позволят применить прорывные технологии, не имеющие аналогов в мире.
Перспективные методы классификации янтаря
При производстве янтаря, исходное сырье в большинстве случаев представляет собой неоднородную по крупности смесь, содержащую различные примеси и включения, которая в дальнейшем подлежит разделению на отдельные классы.
Машины для разделения смесей сыпучих материалов на классы имеют много общего, несмотря на использование их в различных отраслях промышленности. По существу, меняется только перерабатываемое сырь¸, а основные рабочие органы сортировочных машин остаются практически одними и теми же.
Основным способом разделения сыпучей смеси янтаря является ее классификация по размерным характеристикам на решетах. Несмотря на широкое применение в различных отраслях промышленности, данный способ имеет ряд недостатков и преимуществ, в зависимости от использования его при переработке того или иного вида сырья. Как правило, основным недостатком оказывается относительно низкая эффективность грохочения, что вынуждает производить установку нескольких поочередно работающих рабочих органов (к примеру, решет), либо производить сортировку сыпучих смесей в несколько стадий. При переработке янтаря на машинах данного типа главным недостатком является интенсивное воздействие на куски янтаря, которое вызывает его разрушение, что негативно сказывается на качестве получаемой продукции.
Как указывалось выше, по технологии Калининградского янтарного комбината, пройдя барабанную промывку, янтарь сортируется на инерционных грохотах. При всех процессах доводки и особенно при грохочении он подвергается довольно сильному механическому воздействию и при этом дробится.
Наиболее перспективным и интересным, на взгляд авторов, является метод разделения сыпучих смесей на фрикционных сортировочных машинах, который использует различие в коэффициентах трения отдельных составляющих сыпучей смеси [2].
Несмотря на то что машины, разделяющие сыпучие смеси по свойствам поверхности, существуют давно, до настоящего времени вопросу исследования рабочих органов этих машин, улучшению их конструкции, повышению эффективности их работы уделялось мало внимания.
До последнего времени нет достаточно обобщенных экспериментальных, теоретических и расчетных данных по этим машинам. Это несколько препятствует полному использованию указанных машин для эффективной сортировки сыпучего материала, вызывает затруднения при устранении конструктивных недостатков существующих машин, а также при разработке новых, основанных на этом принципе машин.
В работе фрикционных сортировочных машин, помимо трения, также имеет место состояние поверхности и форма частиц, в результате чего появляется возможность разделения сыпучих смесей на использовании различий в скоростях движения разделяемых частиц по плоскости под действием силы тяжести [3].
Скорость движения частиц по наклонной плоскости при заданном угле наклона зависит от состояния поверхности самих частиц, их формы, влажности, плотности, крупности, свойств поверхности, по которой они перемещаются, характера движения (качение или скольжение), а также среды, в которой происходит разделение.
В основу работы сортировочных машин положен тот или иной признак различия, характеризующий физико-механические свойства сыпучего материала: размеры кусков и свойства их поверхности. Для отделения пылевидных частиц, как правило, – свойства парусности и удельный вес.
В работе фрикционной сортировочной машины имеют значение статические и кинетические коэффициенты трения. Отсюда возникает необходимость рассмотрения вопросов трения и определения коэффициентов трения по рабочим поверхностям фрикционной машины.
Во фрикционных сортировочных машинах имеют место сухое трение скольжения и трение качения. При трении скольжения кусок материала продвигается по рабочей поверхности и соприкасается с ней почти неизменными точками своей поверхности. При трении качения точки контакта непрерывно меняются и относительная скорость контакта двух тел равна нулю [3, 4, 5].
Одним из интересных методов сортировки является метод горки с продольным движением полотна. Этот метод заслуживает особого внимания. В данном случае сортировка осуществляется посредством использования полотенной горки с продольным движением полотна (рис. 5).
Рис. 5 Лабораторная горка с продольным движением полотна
Наклон полотна и скорость его движения могут регулироваться. При изменении наклона питающий аппарат (на рисунке не показан) по высоте установки регулируется с расчетом подачи частиц сыпучей смеси на определенном расстоянии от полотна.
По этому методу для каждого рода частиц определяются максимальный угол наклона полотна, при котором ни одна частица не поднимается полотном вверх, и минимальный – когда все частицы поднимаются вверх; между этими значениями делаются промежуточные определения углов трения частиц с интервалом 1–2°. Однако и здесь можно наблюдать недостатки. При движении частицы на полотне занимают различные положения и имеют разные поверхности контакта трущихся поверхностей.
Наибольший интерес представляет горка с поперечным движением полотна. В данном случае частицы распределяются на различные фракции (классы) по коэффициентам трения [6, 7]. Гладкие и шарообразные частицы скатываются с левой стороны, а по мере возрастания величины коэффициента трения они относятся полотном дальше в правую сторону (рис. 6).
Рис. 6 Лабораторная горка с поперечным движением полотна
При заданных скорости полотна и угле наклона его к горизонту, зная размерные величины участков и пользуясь теоретическими траекториями для абсолютного движения частиц, заранее определяют углы трения для отдельных приемных зон [3]. Зная фрикционные характеристики частиц каждого их вида, можно производить качественное разделение сырья на фракции.
Использование фрикционных сортировочных машин может позволить производить сортировку янтаря без применения сильного механического воздействия, которое приводит к его дроблению. Данная проблема остро стоит на производстве, что не устраивает производителя, особенно фракция +14 мм и выше.
Предметом работы авторов является исследование и обобщение теоретических и экспериментальных данных по рабочим органам машин, применение которых является целесообразным при сортировке янтаря. Выполнение поставленной задачи возможно при условии глубокого изучения и исследования процесса и действия того или иного рабочего органа сортировочной машины.
Для применения данных методов в практике классификации янтаря необходимо решить ряд задач:
– изучить процесс и разработать теорию и методы расчета сортировочных машин для разделения янтаря;
– определить влияние основных параметров рабочих органов на эффективность разделения янтаря и установить оптимальный режим работы машин;
– провести анализ и выбрать для проектирования и эксплуатации наиболее рациональные типы и конструкции рабочих органов и основных параметров;
– разработать предложения по устранению выявленных недостатков у существующих сортировочных машин и по созданию более совершенных конструкций машин.
