Некоторые минералогические свойства термически обработанного шлака АО «Алмалыкский ГМК»

АННОТАЦИЯ

Отвальные шлаки медного производства – это скопление минералов, в которых, кроме меди, содержатся и другие элементы, формирующие их свойства.  К категории медных причисляют те типы руд, в которых данного металла содержится такое количество, чтобы его было экономически целесообразно извлекать промышленными методами. Таким условиям удовлетворяют руды, содержание меди в которых находится в пределах 0,5–1%. В статье обсуждается результаты исследования о минералогической характеристике быстроохлажденного шлака медного производства. В статье описывается форма нахождения сульфидов меди в составе шлака медного производства. Быстрое охлаждение проводится в различных интервалах времени и температур. Приводится петрографическое исследование быстроохлажденного шлака.

ABSTRACT

Waste slags of copper production are an accumulation of minerals, which, in addition to copper, contain other elements that form their properties. The category of copper includes those types of ores in which this metal contains such an amount that it would be economically feasible to extract it by industrial methods. These conditions are met by ores with a copper content in the range of 0.5–1%. The article discusses the results of research on the mineralogical characteristics of the rapidly cooled slag of copper production. The article describes the form of finding copper sulfides in the composition of the slag of copper production. Rapid cooling is carried out at various intervals of time and temperature. A petrographic study of the rapidly cooled slag is presented.

Ключевые слова. быстроохлажденный шлак, медные шлаки, минерал, силикаты, ортосиликат, фаялит, абразивность, техногенные отходы.

Keywords. fast-cooled slag, copper slag, mineral, silicates, orthosilicate, fayalite, industrial waste.

В мире научные исследования по пирометаллургическому производству меди, направлены на извлечение цветных металлов из шлаков металлургического производства, путем вовлечения их в основное производство с одновременным решением экологических проблем. Пирометаллургическое производство меди, связано с образованием большого количества техногенных образований, в виде отвальных шлаков плавильных печей, объем которых в несколько раз превышает объем готовой продукции. С развитием высокопроизводительных автогенных печей Ванюкова, в отвальных шлаках увеличилось содержание меди и они перешли в ранг сырьевых техногенных отходов. Отходы занимают значительную территорию плодородной земли, отрицательно влияя на экологию, сохранение которой является важной задачей действительности.

На металлургических заводах при пирометаллургической переработке руд и концентратов образуются шлаки, которые являются техногенными отходами производства. Отвальными шлаками горно-металлургических производств являются отходы, содержащие ценные компоненты минерального сырья, позволяющие отнести их к техногенным месторождениям, как объектам комплексного использования сырья. Для их повторной переработки не требуются затраты, связанные с добычей руды и рудоподготовки.

Ежегодно на шлаковый отвал поступает около 400 тыс. т. отвальных шлаков с содержанием железа 30-35 %, меди до 1,5 %, золота 0,2 - 0,4 г/т. Шлаковые отвалы являются источником загрязнения окружающей среды и вместе с тем, можно рассматривать их как техногенное железорудное месторождение, содержащее цветные и благородные металлы.

«Алмалыкский ГМК» является лидером по производству цветных металлов в Республике Узбекистан. На предприятие производятся более 18 видов продукции. Производства сопровождается образованием полупродуктов и продуктов, а также отходов, которые можно использовать в виде металлургической руды.

Одной из наиболее сложных проблем при переработке шлаков является измельчение, которое связано с большими материально-энергетическими затратами.

Причиной высоких энергетических затрат при флотации шлаков медного производства, особенно при их предварительной подготовке, путем медленного охлаждения является их высокая твердость и абразивность, поэтому для решения задачи экономической эффективности обеднения шлаков надо найти способ снижения энергозатрат, а также расхода брони и мелющих тел при их измельчении.

Связи с этим была проведена исследование для улучшения измельчаемости и легко флотируемости отвальных шлаков с помощью использования быстрого охлаждения, т.е. проводится двухстадийное охлаждение [1].

Авторы изложили, что режимные параметры технологического процесса металлургической плавки осуществляются формированием физико-химического и химико-минералогического свойств шлаков и зависят от начального и конечного этапов плавки металла. По характеру присутствие соединений каждой стадии плавки можно контролировать и регулировать приемами процесса плавки. Установление явлений ликвации в шлаковых расплавах объясняется несовместимостью кислых расплавов (97-98% SiO₂) с очень высокой вязкостью, что затрудняет отделение металла от шлака и обуславливает в значительной степени потери металлов. Определение, в каких фазах шлаков имеются полезные компоненты, указывают на наиболее выгодные минеральные составы шлаков для повышения извлечения из шлаков ценных компонентов при металлургическом переделе [2].

Петрографическими методами могут быть установлены исключительные свойства минерального состава, формы нахождения и размеры частиц зерен, характер их взаиморасположения и образования, распределение стекловатой массы, численность микропор, а также трещины, зависящие от температурных условий кристаллизации.

Изучение минералогического состава двухстадийно охлажденного отвального шлака показывает, что пересчет состава фаялита относится к довольно крупному и идиоморфному, но вместе с тем удлиненному призматическому кристаллу с ребристо-зазубренными краями, указывающими на незаконченность оформления кристаллического габитуса. Возможно, это связано с пресыщенностью шлакового расплава кремнеземом, обуславливающим постепенную смену кристаллизующихся ортосиликатов (фаялита) метасиликатами (ферросилитом) [3].

На первой стадии в области высоких температур и жидкой или полужидкой состоянии шлаков идет его медленное охлаждение, при медленном охлаждении формируются крупные сульфидные частицы. После окончания этого процесса шлак подвергается быстрому охлаждению, при котором в твердой структуре образуются и консервируются термические напряжения, который приводит к росту измельчаемости, а иногда и самоизмельчаемости шлаков.

При охлаждении шлаков снижается скорость диффузии сульфидов, что ведет к образованию сульфидных частиц малого размера [4].

Полезные компоненты в шлаках медеплавильного производства представлены сульфидами меди, основным из которых является халькозин Cu₂S. Кроме того, в шлаках обнаруживается борнит, халькопирит, ковелин.

В образце рис-1 видны ровные сколы, без отчетливой бугристости, сохраняющиеся в виде небольших участков в углубленных сколах. Очевидно, на рельеф поверхности влияет время возникновения контракционных трещин за счет сращения объема расплава остывающего шлака. В трещинах, возникших за время остывания происходит большее расширение, которое вызывает заметное разбухание обломка в сторону раскрывшейся трещины с образованием бугристого рельефа за счет отхода тепла в сторону полости трещины. Блеск шлака пробы №2 несколько тусклый и становится более матовым. При разливе структура шлака, из-за пластинчатой деформации, приобретает флюидальность, выражающуюся часто в виде микропрослоек на отдельных изломах (рис. 1-2).

Рисунок 1. Шлак первый микрозернистый

1-медь замещает халькозин; 2-треснутый халькозин; 3-корродированный халькозин; 4-халькозин

На рис. 2 наблюдается первичное образование уже достаточно крупных частиц халькозина.

Рисунок 2. Шлак кислородно-факельной печи

1-халькопирит; 2-фаялит; 3-магнитит в виде дендритов; 4-медные частицы

На рис. 2 видно, что минерал меди, в виде халькопирита уже достаточно сформировался в крупную частицу, а также имеются мелкие медные частицы, не успевшие укрупнению [3].

Характерно ориентированное выделение вдоль слоистости микрочастиц металлической меди, заметной макроскопически. В тех местах, где размеры микрочастиц металлической меди очень незначительны, там проявляется медово-красная полоса побежалости, ориентированная также как включения металлической меди вдоль микро-слоистости. Твердость шлака по шкале Мооса почти такая же, как и в первой пробе, но по величине микротвердости несколько меньше, чем в первой пробе, т.е. не превышает 1459-1467 кг/мм² [5].

Рисунок 3. Шлак с крупными выделениями халькозина

1-куприт; 2-халькозин.

На рис. 3 показана уже полностью сформировавшаяся крупная частица халькопирита.

Проба, взятая через 60 минут после выливания и быстрого охлаждения шлака по окраске становится сероватой. Шлак здесь дробится в виде равномерно объемных кусков, размеры которых достигают приблизительно 50х60 мм, порфировые выделения почти не образуются (рис. 4-5).

Рисунок 4. Шлак с гетерогенным корольком

1-халькозин-халькопиритная эвтектика; 2-магнетит; 3-поры; 4-стекло.

Шлак при этом сохраняет массивную текстуру и отчетливую порфировую структуру, заметную невооруженным глазом. Порфировые выделения белого цвета изометричны, иногда слегка удлинены. Размеры их по длине около 1 мм, с редким исключением, когда наблюдаются порфировые выделения размером до 3 мм. Количественно объем порфировых выделений составляет около 10-12 %. Эти выделения вероятнее всего принадлежат кристаболиту или тридимиту, они по шкале Мооса имеют твердость меньше 7.

По значению микротвердость, измеренная на ПМТ-3, находится в пределах 1437 кг/мм² массы, почти равна твердости выделений, составляя 1430-1432 кг/мм². Таким образом, можно констатировать, что размеры обломков, разделенных контракционными трещинами, с течением времени укрупняются, а твердость шлака в этом направлении несколько понижается. Вероятно, степень измельчаемости при дроблении этих шлаков в дробилках нивелируется в зависимости от размера кусков и практической выгоды не имеет [3].

Рисунок 5. Шлак со спутанно волокнистой структурой фаялита

1-халькозин; 2-мелкие выделения магнетита.

Из рис. 4-5 видно, что магнетит и фаялит тесно кристаллизованы и минералы меди потеряны в них.

Быстроохлажденные шлаки отличаются хорошей измельчаемостью, обладают мелкокристаллической структурой с максимальным количеством аморфной стеклофазы, содержащей основное количество сульфидов. Отметим, что в шлаках, охлажденных в течении 20 минут после слива, сульфидные включения находятся в очень мелком виде, что не позволяет извлекать их флотацией, в шлаках же после 40 и 60 минутного быстрого охлаждения размер сульфидов вполне приемлем для последующего их извлечения.

Таким образом, можно сформулировать следующие краткие выводы:

1. В биминеральных фаялит-магнетитовых шлаках МПЗ АО «Алмалыкский ГМК» силикаты имеют очень сложный состав. Они разделяются на ортосиликаты основного фаялита и насыщенные SiO₂ метасиликаты-ферросилиты.

2. Фигуративные точки кремнеземистых метасиликатов в тройной диаграмме фаялит-кремнизем-лейцит располагаются в поле ликвидусной фазы -тридимита. Это может подтвердить ликвационную природу стекла (SiO₂) среди кристаллического фаялита.

3. Наличие между полями фаялита и тредимитадвухликвидусного поля указывает на постепенный переход от метасиликатов (ферросилита) к ортосиликату (фаялиту) при понижении температуры. При этом возможность появления твердых растворов метасиликатов в ортосиликате не исключена.

Полученные результаты могут быть использованы для корректировки технологии плавки медных руд месторождений Алмалыкского района с целью понижения уноса медных и других попутных металлов, структурно связанных с силикатами.

Список литературы:

1. Хасанов А.С., Аскарова Н.М., Мусаев Р.А. Минералого-химические особенности фаялитов медеплавильных шлаков МПЗ Алмалыкского ГМК // Материалы научной конференции «Рудно-магматические системы орогенных областей». Ташкент, 5-7 мая 2010 г. - С. 126-132.
2. Аскарова Н.М., Хасанов А.С., Мусаев Р.А. Особенности минералогического состава медеплавильных шлаков АГМК // Материалы научной конференции. – Ташкент 2005. - С. 69-75.
3. Самадов А.У., Аскарова Н.М. Флотационные свойства быстроохлажденного шлака медного производства // Навоий, Горный вестник Узбекистана, 2018. - № 4 - С. 103-106.
4. Abdurahmonov S.A., Qarshiyev H.K., Nurmatov M.A. Polimetall sulfidli konsentratlarni qayta ishlashning samarali texnologiyalari // ResearchJet Journal of Analysis and Inventions Vol. 1 No. 01 (2021): rjai published: 2021-01-30.
5. А.С Хасанов, А.Н Шодиев, Ш Н Туробов, Ш Б Каршибоев, К Х Рахимов, А.А Ахматов Способы извлечения редких металлов из техногенных отходов металлургического производства// International scientific review of the technical sciences, mathematics and computer science//2019 Problems of science ISBN: 978-1-64655-019-7 Число страниц: 82