хрупким и ломким и чугун, и сталь. Слишком дорого обходится выплавка чугуна и из руды, в которой содержание железа менее 30–40 %. Такие руды, прежде чем пустить на плавку, необходимо «обогатить» — отобрать из них железные минералы и отбросить пустую породу. Об этом знали еще древние металлурги. «Плавить негодную руду вместе с годной невыгодно, — писал в середине XVI в. Агрикола. — Поскольку природа рождает металлы по большей части не в чистом виде, а в смешанном с землями, загустелыми растворами и камнями, необходимо эти ископаемые по возможности отделить еще до плавки».
Разделение природных смесей на минералы, основанное на различии их физических и химических свойств, можно назвать, используя тот же греческий корень, минералургией.
Большинство минералов различаются по внешнему виду. Но внешний вид — цвет, блеск, форма кристаллов, спайность, зернистость — играет самую незначительную роль в сортировке минералов. Разнообразие других физических и физико-химических свойств минералов не менее велико, чем внешние признаки. Такие свойства, как плотность, электропроводность, магнитная проницаемость, смачиваемость водой, жиром, ртутью и другие, используются в различных аппаратах для сортировки минералов.
Минералы, обладающие близкими свойствами, например плотностью, в этих аппаратах собираются вместе, в один продукт. Этот продукт, называемый концентратом, богаче ценным минералом, чем исходная руда. Произошло частичное обогащение руды. Продукт, обедненный ценным минералом, состоящий в основном из пустой породы, получил название «хвосты».
Если в концентрат с минералами, близкими по плотности, входят минералы с различной электропроводностью, то можно провести дальнейшее обогащение — разделение минералов по электропроводности. Так, используя различные физические свойства, можно получать все более и более богатые концентраты.
Но минералы— это еще не чистые металлы, а их химические соединения, которые можно разрушить только химическими методами. Этим занимаются металлурги, применяющие растворы кислот и солей или высокие температуры для выделения металлов из концентратов.
Граница между физикой и химией минералов — это граница между минералургией и металлургией. Разумеется, эта граница, как и вообще все границы в науке и технике, весьма условна. Она стирается все больше и больше, как и граница между современной физикой и химией. Все теснее переплетаются между собой смежные отрасли науки и техники. Они не могут существовать друг без друга — физика и химия, мипералургия и металлургия.
Разделение компонентов по их свойствам (плотности, магнитной восприимчивости, электрической проводимости, смачиваемости и т. д.) основано на создании градиента концентрации, т. е. расслоении частиц минералов, ионов или молекул в жидкой или газовой средах, а также их концентрировании на границах раздела фаз: жидкость-газ; твердое тело — жидкость. «Растаскивание» частиц различных минералов, их размещение в различных зонах обогатительных аппаратов производится с помощью силовых полей: магнитных, электрических, гравитационных, адсорбционных и т. д. Комбинированная переработка осуществляется при использовании нескольких свойств с применением сочетания полей в одном аппарате (комбинированный процесс) или в ряде последовательно расположенных аппаратов (комбинированная технологическая схема). Комбинированное обогащение минерального сырья производится без изменения фазового и химического состава входящих в руду минералов, т. е. в результате сочетаний обогатительных методов. Комбинированные обогатительные схемы обычно включают в качестве первичного процесса гравитационный (обогащение в тяжелых суспензиях, отсадку, обогащение в винтовых сепараторах, на шлюзах и т. д.), а затем магнитную сепарацию или флотацию. Такие схемы обогащения типичны для железных (гравитация — магнитная сепарация), марганцевых (гравитация-флотация) и редкометальных руд (гравитация — магнитная или электрическая сепарация — флотация).
Если обогатительными методами или их комбинацией не удается получить кондиционные концентраты, применяется гидро- или пирометаллургическая доводка. Гидрометаллургическая доводка — это выщелачивание вредных компонентов из черновых концентратов, например фосфора или кремнезема из железных, марганцевых, вольфрамовых концентратов. Комбинированные схемы, в которых последовательно применяются различные методы, позволяют наиболее полно извлекать ценные компоненты из минерального сырья; комбинированные процессы дают наиболее высокую чистоту концентратов.
Технологию переработки соответствующих руд, схему минералургии определяют история образования месторождения, химия и физика процессов кристаллизации рудного тела — как говорят геологи, генезис месторождения — и связанный с этим парагенез минералов и элементов. Более того, генезис руды определяет концентрацию минералов, их взаимное прорастание, вкрапленность, а следовательно, схему рудоподготовки, последовательность методов обогащения, всех технологических операций.
По существу, природные и технологические процессы подчиняются одним и тем же физическим и химическим законам с той разницей, что в природе они могут протекать тысячелетиями до установления термодинамического равновесия, а в технологических процессах время зависит от производительности аппаратов.
Различным генетическим типам месторождения присущи определенные процессы природной концентрации элементов и минералов.
Гравитационные свойства минералов играют решающую роль при образовании осадочных месторождений — россыпей всех видов. Магматические процессы являются некоторым аналогом пирометаллургических, по происходят при высоких давлениях. К собственно магматическим относятся процессы непосредственной кристаллизации минералов из магмы.
Концентрация элементов в природе связана главным образом с процессами гравитации, выщелачивания, фильтрации, осаждения, сорбции, сублимации (возгонки), плавления и кристаллизации. Эти процессы имеют определенные технологические аналоги, но их значение существенно различно в геологии и минералургии.
Из большого числа известных в природе минералов в промышленных месторождениях встречаются лишь несколько сот. Для технологии обогащения руд представляют интерес минералы, содержащие ценные компоненты, и минералы вмещающих пород. Таких минералов (не считая разновидностей) насчитывается около 250.
При переработке минерального сырья существенны не только отдельные свойства минералов, но и их сочетания, а также крупность частиц. Далее мы покажем, какие физические свойства можно использовать при обогащении смеси минералов, в каком диапазоне крупности «работают» те или иные обогатительные процессы и аппараты.
Твой блеск и жадный, и усталый,
Металл проклятый, символ зла!
Э, благородные металлы,
Неблагородные дела!
В. Павлинов
Подцарство самородных минералов, состоящих из атомов одного сорта металлов или неметаллов, самое малочисленное. Из металлов промышленное значение имеют благородные — золото, серебро, платиноиды и их сплавы. Самородное железо встречается в метеоритах. Из неметаллов важнейшими являются модификации углерода: уголь, графит и алмаз. До сих пор добывается и самородная сера.
Когда люди освоили огонь и научились плавить металл, на смену каменному веку пришел бронзовый. Самородки меди и золота встречались во многих местах земного шара, сравнительно легко извлекались из россыпей и обладали многими ценными для человека свойствами. Из них можно было выковывать оружие и другие предметы. Потребность в них быстро росла. Особую ценность приобрело благородное, нержавеющее золото, которое на многие века стало предметом
