پرعیارسازی ثقلی زیرکن از ذخایر پلاسری اسکله پسابندر دریای عمان

دسته کانه آرایی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده محمودرضا عبدیان
تاريخ برگزاری ۳۰ بهمن ۱۳۸۵

 

مقدمه :

 

به منظور طراحى فرایند جدایش کانى‌ها در مراحل اولیه باید اطلاعات کافى از خواص و مشخصات کانیهای مورد نظر و  کانیهاى همراه داشت. سپس با شناسایى موارد اختلاف بین کانى‌ها اقدام به طراحى فرایند جدایش آنها از همدیگر مى گردد. یک کانى ممکن است به روش‌هاى مختلفى پرعیار شود، ولى همواره سعى در استفاده از ساده‌ترین و ارزان‌ترین روش مى‌باشد. ساده‌ترین و ارزان‌ترین آنها، روش‌هایی بر اساس تفاوت در خصوصیات فیزیکى کانى‌ها بنا شده‌ است.

ذخایر پلاسرى بدلیل تجمع بسیارى از کانى‌ها و فلزات باارزش، بعنوان یکى از انواع ذخایر مواد معدنى با کاربردهاى متنوع در صنعت، شناخته شده و بسیار قابل توجه مى‌باشند. این کانى‌ها که داراى وزن مخصوص بالا، مقاومت شیمیایى و مکانیکى زیادى هستند، قادرند توسط آب یا باد در سواحل دریاها، رودخانه ها و یا در بیابانها تشکیل ذخایر پلاسرى بدهند. کانى‌هاى مهمى که بصورت پلاسر یافت مى‌شوند عبارتند از: زیرکن، ایلمنیت، روتیل، منیتیت، کاستریت، مونازیت، الماس، طلا، پلاتین، سینابر و گارنت. از آنجا که زیرکن به دلیل وزن مخصوص بالا در گروه کانى‌هاى سنگین جاى دارد، لذا استفاده از روش‌هاى ثقلى مناسب‌ترین گزینه در مراحل ابتدایى کانه‌آرایى خواهد بود. با نگاهى به فلوشیت کارخانه‌هاى فرآورى زیرکن دنیا، ملاحظه مى‌شود که عمده‌ترین روش بکار رفته در مراحل اولیه پرعیارسازى زیرکن، استفاده از روش‌ها و تجهیزات ثقلى است.

 

◊◊◊◊

 

بحث :

 

۱- مشخصات منطقه‌اى و زمین‌شناسى

منطقه مورد مطالعه بین طول جغرافیایى

و  و عرض جغرافیایى و در امتداد خط ساحلى دریاى عمان قرار دارد. زمین شناسى این منطقه بیشتر تحت تاثیر کوههاى مکران قرار گرفته است. « مکران » شامل کوه‌هاى خاورى باخترى است که از سواحل دریاى عمان تا فروافتادگى جازموریان دنباله دارد. اسنید (۱۹۷۰)، مکران را به سه واحد فیزیوگرافى «پـادگانه‌هاى دریایى» به موازات ساحــل، « نهشته‌هـاى آبرفتى شمال پادگانه‌هــا» و « تپه‌ها و بلندى‌هاى مکران» تقسیم مى‌کند. از نظر لیتولوژى تراسهاى ساحلى که در امتداد خط فعلى ساحلى قرار دارند از ماسه سنگ و کنگلومرا و لایه‌هاى صدفى آهکى که تماماً متعلق به نقاط کم عمق دریاى پلیوسن مى‌باشند تشکیل شده‌اند]۱[.

 

۲- روش‌هاى آزمایشگاهى

براى مطالعه ماسه‌هاى ساحلی دریاى عمان و بررسى کانه‌آرایى آن بصورت مطالعات اکتشافى- کانه‌آرایى در فواصل تقریبى (۷۰۰-۵۰۰) متر از عمق (۳۰-۱۰) سانتى متر شنهاى ساحل نمونه بردارى گردیده است. سپس هر یک از آنها مورد آنالیزهاى مختلف قرار گرفته‌اند. که در نهایت نمونه اسکله‌ پسابندر به عنوان نمونه‌‌اى جهت انجام مطالعات کانه‌آرایى انتخاب گردید.

 

۲-۱- آماده‌سازى نمونه‌ها و بررسى‌هاى کانى‌شناسى و درجه‌آزادى

پس از همگن‌سازى و آماده‌سازى نمونه‌­ها، تحقیقات میکروسکوپى همراه با سایر آنالیزهاى XRF، XRD به منظور شناسایى کانى‌ها، نحوه درگیرى و بررسى درجه‌آزادى آنها انجام گردید. از نتایج آنالیز سرندی و XRF چنین برمى‌آید که نمونه معرف ساحل اسکله پسابندر داراى عیار ۹/۳% ZrO۲ بوده و تمرکز کانیهای محتوی ZrO۲ در زیر سرند ۸۰ مش پرعیار تر شده و به حدود ۹% رسیده است. نتایج XRD نمونه ها نیز بیانگر وجود کانى‌هایى نظیر زیرکن، ایلمنیت، منیتیت، کلسیت، کوارتز، هماتیت، رس، کرومیت، دولومیت و یوواروویت بوده است. از نظر مطالعات میکروسکوپى نیز وجود کانى‌هاى سنگینى نظیر زیرکن، ایلمنیت، روتیل، منیتیت، هماتیت، مونازیت و کرومیت تایید شده‌ است که همگى آنها داراى میزان قابل توجهى ‌مى‌باشند، و طى مطالعات انجام‌شده بیش از ۸۰%  آنها به درجه آزادى مناسب رسیده‌اند. از نظر توزیع فلزات سنگین، اختلاف قابل توجهى در میزان تمرکز آنها در ابعاد شناسایى شده است، که  قابلیت جدایش و کانه آرایى آنرا توجیه‌پذیر مى‌نماید]۲[.

 

۲-۲- مطالعات پرعیارسازى ثقلى

زیرکن در کانسارهاى ماسه‌ ساحلى همراه کانى‌هاى سنگین نظیر کانه‌هاى تیتانیم، مونازیت، گارنت، تورمالین و غیره مى‌باشد که کانى ‌باطله غالبا کوارتز است. روش اصلى کانه‌آرایى در این موارد روش ثقلى تر مى‌باشد. در روش‌هاى جدایش ثقلى باید بین چگالى کانى باارزش و گانگ اختلاف قابل توجهى وجود داشته باشد]۳[. مطابق قانون تاگارت جهت پرعیارسازى زیرکن با روش‌هاى ثقلى معیار پرعیارسازى ۲۲/۲ حاصل خواهد شد که مطابق معیارهاى پرعیارسازى در جداول مربوطه، در محدوده معیار ۷۵/۱ تا ۵/۲، جدایش براى ذرات زیر ۱۰۰ مش امکان‌پذیر است. با توجه به محدوده ابعادى زیر ۸۰ مش براى نمونه اسکله پسابندر استفاده از روش‌هاى ثقلى مناسب مى‌باشد.

 

۲-۲-۱- مارپیچ همفرى

مارپیچ همفرى از سال ۱۹۴۳ میلادى تا کنون در کانه‌آرایى داراى کاربردهاى مختلفى بوده است، و بیشترین کاربرد آن نیز در فرآورى کانسارهاى ماسه ساحلى مانند : ماسه‌هاى ایلمنیت‌دار، روتیل‌دار، زیرکن‌دار و مونازیت‌دار بوده است]۳[. جهت دستیابى به بیشترین بازدهى توسط مارپیچ، پارامترهاى مربوط به نوع و ژئومترى مارپیچ، ابعاد و عیار ذرات بار ورودى به عنوان ثابت در نظر گرفته شدند و در تنظیم غلظت پالپ ورودى محدوده مورد بررسى ۱۵ الى ۴۰% در نظر گرفته شد. پس از چهار مرحله آزمایش به صورت شهودى مقدار ۲۰% به عنوان مقدار بهینه انتخاب گردید. براى نحوه باردهى نیز از روش آماده‌سازى پالپ در ظرف جداگانه و استفاده آن به عنوان پالپ ورودى و نیز اختلاط در داخل محفظه مارپیچ استفاده شد که برای مورد اول به نتایج بهترى حاصل گردید. جهت تنظیم نرخ جریان سیال دبی‌های m۳/h  ۵/۰ ، ۱ ، ۵/۱ ، و ۲ در نظر گرفته شدند که نرخ جریان m۳/h ۱ به صورت شهودى به عنوان مقدار بهینه انتخاب گردید. پیشنهاد مى‌گردد این پارامتر در بررسى‌هاى بهینه‌سازى بیشتر مورد بررسى قرار گیرد.

 

۲-۲-۱-۱- مرحله اول مارپیچ

محصول بدست آمده از سرند (محصول زیر سرند ۸۰ مش) پس از آماده‌سازى در ظرف تشتکى با غلظت ۲۰% جامد توسط مارپیچ اول مورد پرعیارسازى واقع ‌گردید. همانطورى که از نتایج (جدول ۱) برمى‌آید، میزان پرعیارسازى مارپیچ در این مرحله حدود ۱% مى‌باشد ولى بازیابى قابل توجهى بدست آمده است. با توجه به نتایج حاصل شده از آزمایش اول مشاهده مى‌گردد که عیار ZrO۲ در باطله بالا است لذا باطله این مرحله بایستى مورد آزمایش دوباره مارپیچ قرار گیرد.

 

۲-۲-۱-۲- مرحله دوم مارپیچ

باطله بدست آمده از جداکننده مارپیچ اول، خوراک این مرحله از جدایش توسط مارپیچ شده است. با وجود اینکه عیار ZrO۲ در باطله مارپیچ دوم مقدار قابل توجهى است، ولى توزیع زیرکن در آن پایین است لذا بایستى باطله این جداکننده به مدار بازیابى نهایى باطله فرستاده شود. مراحل جدایش در فلوشیت پیشنهادى توسط مارپیچ در شکل‌ ۱ آورده شده است.

 

جدول ۱ : نتایج حاصله تا پایان آزمایشات پرعیارسازى توسط مارپیچ

نام مرحله

عیار ZrO۲ در خوراک (%)

عیار ZrO۲ در کنسانتره (%)

عیار ZrO۲ در باطله (%)

بازیابى مارپیچ

(%)

توزیع زیرکن در کنسانتره(%)

مرحله اول مارپیچ

۲/۹

۱۰

۰۲/۶

۸۵/۸۶

۱۱/۷۰

مرحله دوم مارپیچ

۰۲/۶

۹

۷/۴

۸۹/۴۵

۱۶/۲

منظور از توزیع زیرکن، روند توزیع آن از ابتداى فرایند پرعیارسازى تا مرحله مورد نظر مى‌باشد.

 

 

اگر در مجموعه مارپیچ، جهت رمق‌گیرى باطله از میز لرزان استفاده ننمائیم و جهت فرآورى فقط از مارپیچ استفاده گردد، بایستى باطله طى چند مرحله متوالى در مارپیچ‌هاى متوالى رمق‌گیرى گردد. لذا مجموعه‌اى از مارپیچ‌ها با سرریز جریان مخالف[۱] (CCD) مطابق شکل ۲ درنظر گرفته شد. با مدلسازى ساده روند کاهش عیار ZrO۲ در باطله مارپیچ، مى‌توان تعداد مراحل مارپیچ را جهت دستیابى به عیار زیر ۱/۰% محاسبه نمود. با توجه به محاسبات انجام شده کاهش عیار طى دو مرحله مارپیچ اگر نمونه وارد CCD شود، پیش بینی می شود به ۱۸ مارپیچ جهت رمق‌گیرى نیاز باشد. پیشنهاد می شود جهت اجرا و محاسبه دقیق تعداد مارپیچ‌ها، آزمایش‌های بیشتری انجام گیرد.

 

۱۸ = تعداد مارپیچ جهت رمق‌گیرى             ۲۸/۱ = ضریب کاهش عیار نمونه در مارپیچ

 

 

 

 

 

 

۲-۲-۲- میز لرزان

میز لرزان در بین وسایل جدایش ثقلى از موثرترین آنها مى‌باشد. از این وسیله جهت آرایش مواد نسبتا دانه‌ریز و همچنین آرایش نهایى موادى که با سایر روش‌هاى ثقلى پرعیار شده‌اند، استفاده مى‌شود]۳[.در اکثر فرایندهاى فرآورى مواد معدنى و طراحى مدار فلوشیت، تلاش مى‌شود تا در ابتدا بازیابى کانه مورد نظر در بالاترین سطح ممکن انجام گردد و در مراحل بعدى، فعالیت کانه‌آرایى بر پرعیارتر نمودن کنسانتره متمرکز ‌شود. در این تحقیق نیز مارپیچ به عنوان دستگاهى جهت بالا بردن بازیابى و میز لرزان جهت افزایش عیار زیرکن در ماسه‌هاى ساحلى در نظر گرفته شده است.

جهت دستیابى به بازدهى بیشینه در میز لرزان پارامترهاى دانه‌بندى خوراک، دامنه و فرکانس نوسان میز، شیب میز، دبى و غلظت پالپ و دبى آب شستشو بایستى به درستى انتخاب شوند. در بررسى فرآورى ثقلى نمونه زیرکن سواحل دریاى عمان پارامترهاى دانه‌بندى خوراک (۸۰- مش)، غلظت پالپ (۲۰ تا ۲۵% جامد) و دامنه و فرکانس میز (دامنه حدود ۲۰ میلیمتر و نوسان ۲۶۰ الی ۲۸۰ نوسان در دقیقه) به عنوان ثابت در نظر گرفته شدند. ولى پارامترهایى چون شیب میز، دبى پالپ و دبى آب شستشو طى بررسى‌هاى مقدماتى در حالت تقریبا بهینه انتخاب گردیدند. در تنظیم میزان شیب مناسب براى میز محدوده ۶ الى ۱۵ درجه برای شیب عرضی و ۲ الی ۸ درجه برای شیب طولی طى چهار آزمایش مورد بررسى قرار گرفت که پس از انجام آزمایش‌ها به صورت شهودى مقدار ۸-۱۰ درجه شیب عرضی و ۲-۴ درجه شیب طولی به عنوان مقدار بهینه انتخاب گردید. جهت تنظیم دبى پالپ و دبی آب شستشو، دبی‌های پالپ m۳/h  ۲/۱ ، ۸/۱ و ۴/۲ و دبى آب m۳/h  ۴/۲ ، ۳ و ۶/۳ براى جدایش ذرات، در نظر گرفته شد که هر چه دبى پالپ کم‌تر و دبى آب بیشتر باشد (تا حد خاصى که باعث تداخل کانى‌هاى سنگین و باطله نگردد)، جدایش بهتر انجام مى‌گیرد، ولى میزان آب بیشترى مورد نیاز است لذا دبی پالپ m۳/h ۲/۱ و دبی آب  m۳/h۳ به عنوان مقادیر تقریبا بهینه انتخاب گردیدند.

 

۲-۲-۲-۱- مرحله اول میز لرزان

جهت افزایش عیار نمونه، کنسانتره حاصل از عملیات پرعیارسازى به روش مارپیچ به عنوان خوراک وارد اولین دستگاه میز لرزان گردید. از نتایج حاصل شده از آزمایش‌هاى اولیه جهت بهینه‌سازى مقدماتى، در تنظیم شرایط مختلف استفاده گردیده‌ است. کنسانتره حاصل حاوى ۶۵/۱۳% ZrO۲ مى‌باشد ولى بازیابى آن تقریبا پایین (۱۸/۶۶%) است. میزان پرعیارسازى بیشتر میز نسبت به مارپیچ کاملا آشکار است ولى بازیابى این دستگاه جداکننده کمتر از مارپیچ مى‌باشد. نتایج حاکى از آن است که در کل، میز لرزان به علت کارآیى جدایش[۲] (SE) بیشتر نسبت به مارپیچ، وسیله مناسب‌ترى مى‌باشد. کارآیى جدایش میز و مارپیچ حدود ۳۲ و ۱۸% و بازیابى آنها به ترتیب ۱۸/۶۶ و ۹۸/۷۳% مى‌باشد، که نشانگر این مطلب است که با وجود بازیابى بالاتر مارپیچ، به علت پرعیارسازى بیشتر میزلرزان، میز وسیله مناسب‌ترى جهت پرعیارسازى ثقلى زیرکن مى‌باشد. لازم بذکر است که، میز لرزان به انرژى بیشترى جهت جدایش ذرات نیاز دارد درحالیکه مارپیچ به انرژى چندانی نیاز ندارد. در مطالعات فنى اقتصادى بایستى با توجه به هزینه‌هاى اولیه مارپیچ و هزینه جارى میز لرزان یکى از دو مورد را انتخاب نمود.

 

 

۲-۲-۲-۲- مرحله دوم میز لرزان

در این مرحله، باطله حاصل از عملیات میز لرزان مجددا مورد فرآورى به روش میز قرار گرفته است. در این مرحله شیب عرضی و طولی میز، بدلیل بالا بودن میزان باطله حدود ۸  و ۲ درجه تنظیم گردید تا مواد فرصت کافى براى جدایش داشته باشند و مدت زمان بیشترى نیز بر روى میز باقى بمانند.

با بررسى کارآیى جدایش جهت انتخاب دستگاه مناسبتر جهت پرعیارسازى و افزایش بازیابى زیرکن از باطله، نتیجه‌گیرى مى‌شود که کارآیى جدایش مرحله دوم میز لرزان تفاوت فاحشى با مرحله مشابه پرعیارسازى توسط مارپیچ دارد بطوریکه کارآیى جدایش میز و مارپیچ حدود ۳۲ و ۱۸% و بازیابى آنها به ترتیب ۹۶/۶۵ و ۲۵/۳۲% مى‌باشد.

 

۲-۲-۲-۳- مرحله سوم میز لرزان

محصول میانى حاصل از فرایند پرعیارسازى مرحله اول در این مرحله، بار دیگر توسط میز پرعیارسازى مى‌شود. شرایط آزمایش در این مرحله مشابه آزمایش میز مرحله اول است تا در صورت لزوم این مرحله در طراحى فلوشیت حذف گردد و محصول میانى مرحله اول دوباره به عنوان بار در گردش بر روى میز اول ریخته شود. از نتایج، چنین برمى‌آید که عیار ZrO۲ موجود در کنسانتره بطور قابل توجهى بالا رفته و محصول میانى نیز بایستى دوباره بر روى همان میز ریخته شود، باطله نیز باید به مدار بازیابى باطله، یعنى مرحله دوم میز لرزان فرستاده شود.

 

۲-۲-۲-۴- مرحله چهارم میز لرزان

در این مرحله محصول کنسانتره پرعیار تولید خواهد شد زیرا محصول کنسانتره میز اول دوباره مورد فرآورى به روش میز قرار مى‌گیرد. عیار ZrO۲ کنسانتره نهایى فرایند پرعیارسازى ثقلى، که در این مرحله حاصل شده ۱/۱۶% مى‌باشد. با توجه به بررسى‌هاى میکروسکوپى و درصد بالاى کانى‌هاى مغناطیسى عیار مناسبى جهت فرآورى به روش‌هاى مغناطیسى و الکترواستاتیکى بدست آمده است. در جدول۲ نتایج آزمایش‌هاى میز لرزان آورده شده است. مطابق با فلوشیت‌هاى پیشنهادى پرعیارسازى ثقلى،در شکل‌هاى ۳ و ۴ بازیابى ۴۱/۸۳%‌ حاصل شده است.

 

جدول ۲ : نتایج حاصل از انجام آزمایش‌هاى میز لرزان

نام مرحله

عیار ZrO۲ در خوراک(%)

عیار ZrO۲

در کنسانتره(%)

عیار ZrO۲ در میانى(%)

عیار ZrO۲ در باطله(%)

بازیابى

میز لرزان(%)

توزیع زیرکن در کنسانتره(%)

مرحله اول میز

محمودرضا عبدیان - کارشناس ارشد فرآوری مواد معدنی، دانشگاه یزد

عبدالمطلب حاجتی - عضو هیات علمی دانشگاه علم و صنعت ایران – واحد اراک

کمال صابریان - عضو هیات علمی آزمایشگاههای تحقیقاتی جابرابن حیان- سازمان انرژی اتمی ایران

سید ضیاءالدین شفائی - عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شاهرود

 

◊◊◊◊

 

چکیده :

کاربردهای متنوع زیرکن در صنعت، خصوصا در تهیه غلاف سوخت هسته‌ای باعث شده تا امروزه این کانی مورد توجه ویژه­ای جهت فرآوری قرار گیرد. روشهای پرعیارسازی ثقلی بعنوان یکی از  روش‌های ارزان و کاربردی در جدایش ذرات کانیهای سنگین با اختلاف وزن مخصوص بالا شناخته شده می باشند.  لذا در این تحقیق با توجه به معیار جدایش 24/2 زیرکن نسبت به کوارتز (طبق قانون تاگارت) و سابقه استفاده از دستگاههای جداکننده ثقلی در کانه‌آرایی این نوع از کانسارها، تلاش شده است تا از مارپیچ همفری و میز لرزان در جدایش ثقلی زیرکن استفاده گردد. بنابراین پس از تهیه نمونه مورد نظر، مراحل همگن سازی، دانه بندی، عیار سنجی، مطالعات میکروسکوپی و درجه‌آزادی نمونه ها انجام پذیرفت. نمونه‌های ساحلی اسکله پسابندر بطور متوسط دارای عیار 9/3% ZrO2 می‌باشند و شامل کانی‌هایی نظیر زیرکن، تیتان، ایلمنیت، منیتیت، مونازیت، کرومیت و کوارتز می‌باشند. بر اساس نتایج بدست آمده، بیش از 80% کانی‌های سنگین موجود در نمونه، بطور طبیعی آزاد شده‌اند. پس از انجام آزمایشات مارپیچ (دو مرحله) و میز لرزان (چهار مرحله) کنسانتره نهایی فرایند با عیار 1/16% و بازیابی کلی 41/83% بدست آمده است. کنسانتره حاصل جهت فرآوری با دیگر روش‌ها (مغناطیسی و الکترواستاتیکی) بسیار مناسب می‌باشد.

 

لغات کلیدی: کانی‌های سنگین، زیرکن، جدایش ثقلی، مارپیچ، میز لرزان، اسکله پسابندر

 

Abstract:

 

The use of Zircon in nuclear industries caused to give attention to ore processing activities. Gravity separation methods are cheap and applied methods in separation of high and low density particles. With attention to 2.24 C.C Zircon/Quartz and use of gravity separators in beach placers processing, spiral and shaking table were used. After sampling, preparing, granulometry, assaying, microscopic and degree of liberation studies were achieved. In Oman beach placers (Pasabandar), heavy minerals such as Zircon, Ilmenite, Rutile, Magnetite, and Chromite were recognized that over than 80 percent of those got to suitable degree of liberation. In achieved tests, after 2 stages of spiral and 4 stages of shaking table, total recoveries were obtained 83.41 and final grades 16.1. With due regarded results, can used the concentration in the other ore processing methods (magnetic and electrostatic separation).

 

Key words: Heavy minerals, Zircon, Gravity separation, Spiral, Shaking table, Pasabandar

کلید واژه ها: جدایشثقلی زیرکن ذخایرپلاسری دریایعمان کانیسنگین پرعیارسازی کانه آرایی سایر موارد