Научный прогресс в добыче полезных ископаемых

В данной работе рассматривается научно-технический прогресса в обогащении полезных ископаемых с точки зрения литературных трудов XV-начала XX вв., а также изучается вклад И.Н. Плаксина в развитие данной науки.

Обогащение руд как самостоятельная отрасль горно-металлургического производства осуществляется методами механической обработки, не связанной с химическими превращениями минералов. Химический состав минералов при этом остается неизменным; изменяются лишь количественные соотношения между содержаниями ценных минералов и пустой породы в исходном сырье и продуктах обогащения.

Принципиально к обогатительным процессам можно отнести также процессы первичной металлургической переработки рудного сырья, направленной на выделение из него ценного компонента в самостоятельный продукт методами химических воздействий.

Многочисленные способы механического обогащения основаны на использовании различия в физических свойствах минералов: плотности, крупности, формы, цвета и блеска, смачиваемости, магнитной восприимчивости и др.

Первые печатные источники по горному делу, в которые по традиции на протяжении ХVI-ХIХ вв. включалось и обогащение полезных ископаемых, появились в эпоху Возрождения и связаны с именами Ванноччо Бирннгуччо, Себастиана Мюнстера и Георгия Агриколы.

Создание трудов этих ученых именно в середине ХVI в. не было случайным. Чтобы объяснить закономерный характер их появления, необходимо хотя бы в общих чертах обрисовать состояние науки, техники, производства и рассмотреть задачи, которые стояли перед учеными в этот период времени.

Развитие техники первой половины ХVI в. характеризуется началом распространения мануфактур в Западной Европе. Этот процесс коснулся и горного дела. Цеховая организация ремесла, сыгравшая положительную роль в период развитого феодализма, стала тормозить дальнейшее развитие горного дела. Поэтому стали появляться мануфактурные предприятия, явившиеся одной из начальных форм капиталистического производства.

Характерной чертой развития техники в рассматриваемый период явилось широкое применение таких крупных изобретений как порох, бумага, книгопечатание, компас и т.д. Открытие пороха положило начало огнестрельной артиллерии, которая вызвала подлинную революцию в военном деле и предъявила особые требования к горно-металлургической промышленности, в том числе и к обогащению полезных ископаемых. Огромную роль в развитии науки, техники и культуры в целом сыграло книгопечатание.

На развитие горной промышленности Западной Европы оказали влияние и географические открытия. Например, введение в эксплуатацию богатых месторождений золота и серебра в Америке привело к некоторому упадку горного дела в Западной Европе, где разработка месторождений осуществлялась на более глубоких горизонтах, что значительно затрудняло и удорожало ведение работ.

В связи с общим ростом потребления металлов исключительное развитие получило обогащение руд. В мануфактурный период стали широко применяться основные, известные еще с древних времен, операции обогащения: обжиг, дробление, ручная сортировка, грохочение, измельчение, промывка и амальгамация. Получило развитие в качестве основного метода гравитационное обогащение.

К одному из деятелей эпохи Возрождения, чьи труды были посвящены горному делу и металлургии, относится Ванноччо Бирингуччо (1480-1539) — итальянский ученый и инженер. В течение долгого времени он изучал горнозаводское дело в Италии, Чехии, Германии и Австрии. В 1540 г. вшила его книга «Пиротехния», которая являлась своего рода технической энциклопедией того времени. Сообщаемые автором сведения основывались на его собственных наблюдениях.

«Пиротехния» состоит из десяти книг (глав). Наибольший интерес для обогащения полезных ископаемых представляют первые три книги. В них автор рассматривает вопросы, связанные со свойствами золота, серебра, свинца, дает описание различных полезных ископаемых, касается опробования руд и их обработки.

Вслед за книгой Ванноччо Бирингуччо в 1544 г. появился обширный труд «Космография» немецкого ученого Себастиана Мюнстера (1489-1552).

«Космография» содержит описание известных в ХVI в. стран. Этот труд в течение ста лет выдержал более 45 изданий на немецком, латинском, французском, итальянском, английском и чешских языках. Среди прочих сведений автор приводит много данных по горному делу, в том числе и по обогащению полезных ископаемых.

Интерес Мюнстера к вопросам горного дела и обогащения полезных ископаемых, правда, занимающим в «Космографии» сравнительно незначительное место, не случаен. Конец ХV и первая половина ХVI в. — это период роста горной промышленности, являющейся одной из передовых отраслей промышленности Германии.

Не являясь сам специалистом в области горного дела, Мюнстер опирался в основном на труды античных авторов и своих современников, в том числе на ранние сочинения Агриколы, относящиеся к 1530-1546 гг.

Однако кроме трудов Агриколы, Мюнстер использовал материалы, даже неизвестные Агриколе и представляющие интерес как наиболее ранние сведения по горному делу и обогащению.

Материалы монографии Мюнстера знакомят читателя со следующими обогатительными процессами: дроблением — ручным и при помощи пестов, приводимых в движение от наливного колеса; ручной рудоразборкой; мокрым обогащением (гравитационным), осуществляемым промывкой руды в корыте и в текущей по наклонной плоскости воде.

Значение работы Мюнстера «Космография» для разработки вопросов, связанных с обогащением полезных ископаемых, состоит в том, что она являлась одной из первых публикаций, в которой были освещены накопившиеся к середине ХVI в. фактические данные по развитию этой области.

Особое место среди литературных памятников по горному делу и обогащению полезных ископаемых занимает фундаментальный труд «De re metaiiica, libre XII» («О горном деле и металлургии в 12 книгах»), изданный в 1556. Автор его — немецкий ученый Георг (Георгий) Агрикола (1494-1555).

Г. Агрикола родился в Саксонии в г. Глаухау, получил образование в университетах Лейпцига и Болоньи. Работал врачом в г. Хемнице (Саксония), но заинтересовавшись минералогией переехал в г. Яхимов (Чехия) — крупнейший центр горнорудной промышленности. Занятия горным делом в стране, являвшейся на протяжении многих веков центром горнорудной промышленности Европы, дали богатейший материал для его трудов.

Первая работа Агриколы в области горного дела была напечатана в 1530 г. в Базеле и называлась «Берманиус или диалог о металлургии». В 1546 г. вышла целая серия его работ; «О происхождении и причинах того, что находится под землей», «О природе того, что вытекает из земли», «О природе ископаемых» и «О древних и новых металлах». Основной свой труд «О горном деле и металлургии в 12 книгах» Агрикола закончил в 1550 г. (опубликован был посмертно в 1556 г). Работа над этой книгой продолжалась около 20 лет.

Сочинение это носит энциклопедический характер. Отличительной чертой эпохи как раз и являлось создание подобных трудов применительно к различным областям науки и техники. Горное дело, обогащение полезных ископаемых, металлургия того времени, когда работал Г. Агрикола, переживали период быстрого развития и настоятельно требовали обобщения накопленного в течение многих веков опыта, систематизации знаний. Именно эти задачи впервые поставил и успешно разрешил Г. Агрикола, создав такую энциклопедию горнорудного дела, обогащения полезных ископаемых и металлургии, которой пользовались в течение длительного времени.

Труд Агриколы сыграл важную, прогрессивную роль не только как энциклопедия горно-металлургических знаний, но и при борьбе с противниками горного дела, которых было не мало в эпоху Возрождения. Несмотря на то, что в начале ХVI в. горное дело, обогащение полезных ископаемых и металлургия находились в Европе уже на достаточно высоком уровне, взгляды на необходимость их развития, в значительной степени унаследованные еще от феодализма, содержали пренебрежительное отношение к металлам, и, особенно, золоту. Представители таких воззрений доказывали нецелесообразность и даже вредность занятий в этих областях. Агрикола же ревностно отстаивал мысль, что горное дело полезно и необходимо человечеству, так как без применения металлов не обходится ни одна область человеческой деятельности.

Прогресс в горном деле, обогащении полезных ископаемых и металлургии вызвал появление новых трудов. К ним относятся сочинения: В.И. Геннина (1734 г), директора заводов Нижнего Гарца Шлютера (1738 г) и позднее М.В. Лоюносова (1763 г) и И.А. Шлаттера (1760 г).

За период, отделяющий энциклопедию Агриколы от книг И.А. Шлаттера и М.В. Ломоносова, в развитии горного дела России произошли серьезные изменения. В течение ХVI-ХVII вв. было открыто большое количество медных, серебряных и железных месторождений, начата их систематическая разработка. Во второй половине ХVII в. был создан металлургический центр в районе Тулы, снабжавший всю страну железом. Накопленный вековой народный опыт обобщался и передавался в рукописных руководствах.

Для расширения добычи и переработки полезных ископаемых для использования мирового опыта горного дела в Россию приглашались из других стран соответствующие специалисты. Особенно много их было приглашено во времена Петра Первого. В 1700 г. он учредил в Москве Приказ рудокопных дел, а в 1719 г. для руководства всей горной промышленностью была организована Берг-коллегия и провозглашена Берг-привилегия.

Возглавлял Берг-коллегию крупный ученый и государственный деятель Я.В. Брюс (1670-1735). Его деятельность стимулировала прогресс в добыче и переработке руд в стране. Под его руководством была создана прекрасная лаборатория для исследования и опробования руд и металлов.

Таким образом, в России создались благоприятные условия для /развития горного дела и обогащения. В первой половине ХУШ в. на территории России широко велась разведка полезных ископаемых. Были открыты основные угольные месторождения в Донецком, Подмосковном и Кузнецком бассейнах, начата разработка железных, медных и других руд на Урале.

Все это способствовало быстрому совершенствованию приемов и методов горного дела и обогащения полезных ископаемых в России. С трудами Агриколы русские хорошо были знакомы. Однако их не только изучали, но и дальше развивали, решали те вопросы, которые Агриколой» были только поставлены, или совершенно не затронуты.

Первым печатным трудом явилась книга И.А. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу», опубликованная в 1760 г., представляющий первый печатный учебник, непосредственно посвященный горному делу и обогащению полезных ископаемых. Само его появление, учитывая что автор рассматривал горное дело без металлургии и геологии, свидетельствовало о начавшейся дифференциации горной науки.

В книге сосредоточен обширный комплекс сведений по горно-обогатительной технике, достигнутой к середине ХVIII в. во всех странах мира. Шлаттер собрал и систематизировал большое количество практических данных, благодаря его сочинению русские горные специалисты смогли познакомиться с зарубежными новинками в оборудовании. Именно здесь впервые на русском языке было приведено описание паровой машины, сыгравшей выдающуюся роль в развитии многих отраслей техники, в том числе и горно-обогатительной.

Несмотря на определенные достоинства, книга Шлаттера не содержала существенных обобщений и анализа новых теоретических воззрений, а также достаточно глубоких оценок описываемых производственных процессов.

Совершенно особое место в истории всей горной науки, в том числе и обогащения полезных ископаемых занимает труд великого русского ученого М.В. Ломоносова «Первые основания металлургии, или рудных дел» (1763 г).

М.В. Ломоносов смотрел на обогащение руд не только с точки зрения повышения в них содержания металлов, но и с точки зрения улучшения качественных показателей дальнейшей металлургической переработки, например снижение потерь при плавке в результате удаления летучих компонентов.

Пятая часть труда посвящена отделению металлов и минералов из руд. В ней последовательно изложены способы дробления, рудоразборки, измельчения, мокрого обогащения, преимущественно шлюзового, а также отмучивания в чанах. Исходя из их описания, можно составить схему обогащения.

Многие ценные положения были изложены М.В. Ломоносовым и в других его работах, относящихся к горному делу, геологии и написанных им в период I741-I763 гг. Исключительное значение для истории обогащения полезных ископаемых имеет второе прибавление к «Первым основаниям металлургии» — трактат «О слоях земных». В высказанных здесь суждениях Ломоносов не отрывает одни явления природы от других, а рассматривает их как единое целое, связывая образование минералов и горных пород с геологическими процессами. Такой подход ученого полностью отвечает современным взглядам на эти вопросы.

На рубеже ХVIII-XIX вв. был опубликован трехтомный труд И.Ф. Германа «Сочинения о сибирских рудниках и заводах» (1797-1807 гг.). Он содержал описание и горнотехнические характеристики наиболее важных районов добычи и переработки золота, серебра, меди и других металлов, особенно в Сибири.

Обогащение сводилось к следующим операциям: дробление, измельчение, промывка на ручных и машинных вашгердах. В работе подробно рассказано о постройке и действии вашгердов, ведении промывки.

На протяжении нескольких десятилетий отечественная горно-техническая литература не пополнилась сколько-нибудь значительными произведениями. Для объяснения причин такого явления, необходимо хотя бы вкратце охарактеризовать социально-экономическое положение, которое сложилось в первой половине XIX в. и оценить его влияние на горно-металлургическое производство.

Начиная со второй четверти XIX в., в промышленности России стал все больше применяться вольно-наемный труд. Экономические потребности страны, строительство железных дорог, наконец, потребности в военных материалах вызывали настоятельную необходимость в качественном усовершенствовании добывающей и перерабатывающей промышленностях.

Произошли перемены и в технической реконструкции горно-обогатительных предприятий. Одним из основных достижений явилось внедрение в 30-е гг. XIX в. Ефимом Черепановым паровых машин, построенных впервые на Урале на Нижне-Тагильском, а затем на Кыштымском заводах. Россия была богата талантливыми изобретателями, которые часто были простыми самоучками. Однако применение новых изобретений, и вообще технический прогресс не находили должного развития в условиях крепостного хозяйства.

Несмотря на неблагоприятные условия, горнозаводская техника все же добилась известных успехов. Русский металл высоко ценился за границей. Превосходство качества русского железа послужило, например, даже поводом к подделке иностранными заводчиками русского клейма. При покупке русскому железу, хотя оно и стоило дороже, отдавалось предпочтение.

Рост потребления металлов требовал развития горно-перерабатывающей промышленности. Для освоения и усовершенствования горной техники необходимы были специальные кадры, а также соответствующие учебники и книги по горному делу.

В этих условиях в 1841 г. был опубликован трехтомный Горный словарь» Григория Ивановича Спасского (1783-1864).

Реформа 1861 г. способствовала развитию новых общественно-экономических отношений во всех областях русской промышленности, включая и горную. Во второй половине XIX в. по сравнению с первой, значительно возросла добыча золотых, железных руд и каменного угля. Сдвиги в горной промышленности, наблюдающиеся в России в конце XIX в. стимулировали развитие всей горной науки, в том числе и обогащения полезных ископаемых. [1]

Перед обогащением руду, как правило, приводят в такое состояние, при котором содержащиеся в ней минералы будут как можно полнее освобождены от сростков друг с другом. Это достигается при дроблении и измельчении руды и сортировкой измельченного материала по крупности грохочением или классификацией. В свою очередь полученный концентрат необходимо подготовить к металлургической переработке путем его обезвоживания.

Таким образом, процесс обогащения слагается из подготовки руды к обогащению, собственно обогащения и первичной подготовки концентрата к металлургической переработке.

Дробление и измельчение, сортировку по крупности и обезвоживание широко используют также непосредственно и в металлургическом производстве в качестве подготовительных и вспомогательных операций.

Большинство операций обогатительной технологии проводят в водной среде. Механическая смесь твердых материалов с жидкостью, обладающая текучестью, называется пульпой. Содержание воды в пульпах может быть сколь угодно большим.

Предварительное обогащение рудного сырья значительно более дешевыми методами по сравнению с металлургическими обеспечивает следующее:

1) повышает комплексность использования исходного сырья за счет выделения ценных компонентов в отдельные концентраты, пригодные для дальнейшей самостоятельной металлургической переработки;

2) удешевляет стоимость последующих металлургических операций и снижает себестоимость получаемых металлов в первую очередь за счет сокращения объема перерабатываемых материалов;

3) позволяет перерабатывать бедные руды, непригодные для прямой металлургической переработки.