ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ХВОСТЫ МЕДНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ФАБРИК ПУТЕМ ТВЕРДОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

АННОТАЦИЯ

В статье описаны процессы извлечения тяжелых цветных металлов из металлургических отходов Алмалыкского горно-металлургического комбината, проблемы их образования и условия, в которых они могут возникнуть, а также информация о том, какие решения можно найти для их предотвращения. Помимо отделения хвостов из обогатительных фабрик Алмалыкского горно-металлургического комбината, содержащих ценные элементы, есть и шлаки полученных от плавки цветных металлов, также оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Способы уменьшения выброса шлака из плавильных печей изучаются, но полностью не устранены. Исследования показали, что содержание железа в отходах от MOФ составляет 52%, при этом рассмотрены способы уменьшения их количества при переработке отходов из хвоста и восстановления железа пирометаллургическим способом.

ABSTRACT

The article describes the processes of extracting heavy non-ferrous metals from the metallurgical waste of the Almalyk mining and metallurgical plant, the problems of their formation and the conditions in which they can arise, as well as information on what solutions can be found to prevent them. In addition to the separation of tailings from the processing plants of the Almalyk Mining and Metallurgical Combine, containing valuable elements, there are also slags obtained from the smelting of non-ferrous metals, which also has a significant impact on the environment. Methods for reducing slag emissions from smelters are being studied but not completely eliminated. Studies have shown that the iron content in the waste from the MOF is 52%, while the ways to reduce their amount during the processing of waste from the tail and the reduction of iron by the pyrometallurgical method are considered.

Ключевые слова: хвосты, шлаки, отходы, плавильные печи, окружающая среда, загрязнение, хвостохранилища.

Keywords: tailings, slags, wastes, smelting furnaces, environment, pollution, tailing dumps.

Введение. Шлаковые отвалы наступают на пригородную территорию, занимают тысячи гектаров сельхозугодий, загрязняют воздушный бассейн и уродуют ландшафт. Оценка ущерба от загрязнения окружающей среды приводит к значительному расширению границ экономической целесообразности создания и применения безотходной технологии.

С учетом этого обстоятельства, безусловно, возрастает экономическая эффективность комбинирования производства, и возникают новые критерии для формирования производственных структур в промышленности, связанных с охраной окружающей среды.  В настоящее время в хвостохранилищах накоплено свыше 1 млрд. тонн хвостов обогатительных фабрик с содержанием меди 0,07 – 0,112 %. В них находится свыше 800 тыс. т меди, 10 тыс. т молибдена, 182 т рения, 500 тыс. тонн цинка и много других ценных компонентов. В отвальных шлаков выходящих отражательного и кислородно-факельной плавки при среднем содержания меди в них около 0,6 %, можно подсчитать, что в народно-хозяйственный оборот не вовлечено свыше 70 тыс. т меди.

Ежедневно таких шлаков дополнительно образуется свыше 1000 тонн. 

Одной из важнейших задач современного металлургического производства является повышение комплексности использования сырья за счет повышения извлечения основных и сопутствующих ценных компонентов, в том числе за счет переработки шлаков и отходов.

Хвосты являются долговременным источником загрязнения окружающей среды. Основная цель - не только перерабатывать хвостов из обогатительных фабрик с целью получения прибыли, но и освободить окружающую среду от вредных отходов [1-4].

В отходах и полупродуктах Алмалыкского горно-металлургического комбината накопилось большое количество хвостов обогатительных фабрик, шлаков медного производства и клинкера от переработки цинковых кеков. Эти материалы содержат цветные, благородные металлы и фактически находятся вне производственного цикла.

Вовлечение их в переработку позволит комбинату значительно расширить сырьевую базу без увеличения капитальных затрат на геологические и горные работы. 

В специальных хранилищах накоплены десятки тысяч тонн твердых конвертерных шлаков, в которых содержание меди составляет 2,5 – 3,5 %. В этих шлаках неиспользованным находятся тысячи тонн ценного металла. Особенно следует отметить, что ежегодно таких шлаков дополнительно образуется около 24000 тонн.

Металлургическая промышленность - это отрасль, требующая много сырья, топлива и энергии. Например, в цветной металлургии 61–62% средней стоимости продукции соответствует стоимости сырья, первичной и вторичной продукции, а 10–12% - стоимости топлива и энергии. Наиболее энергоемкими отраслями цветной металлургии являются твердые сплавы (80% от общей стоимости), медь (~ 70%) и свинцово-цинковые (-64%), наиболее энергоемкая алюминиевая промышленность.

Клинкер цинкового производства содержит свыше 2,2 % меди, 2,4 % цинка, 0,01 % кадмия, 5 – 8 г/т серебра и много других ценных компонентов. Около 300 тыс.т такого клинкера уже накоплено в отвалах, причем, при полной загрузке завода, в год образуется дополнительно около 70 тыс.т такого ценного материала [5-8].

Хвостохранилища и, особенно, шлаковые отвалы наступают на пригородную территорию, занимают тысячи гектаров сельхозугодий, загрязняют воздушный бассейн и уродуют ландшафт. Оценка ущерба от загрязнения окружающей среды приводит к значительному расширению границ экономической целесообразности создания и применения безотходной технологии.

С учетом этого обстоятельства, безусловно, возрастает экономическая эффективность комбинирования производства и возникают новые критерии для формирования производственных структур в промышленности, связанных с охраной окружающей среды.

Пирометаллургическое производство цветных метал­лов характеризуется высоким выходом шлаков по от­ношению к выплавленному металлу. Величина потерь цветных металлов со шлаком определяется многими факторами такими как подготовка шихты, параметры технологического режима плавки, физико-химические свойства расплавов.  Иногда при плавке количество шлаков в десятки раз превышает выход ценных промышленных промпродуктов, в которых концентрируется ме­талл. Поэтому, хотя содержание цветных металлов в шлаке относительно невелико (0,1 – 2,0%), общие по­тери составляют внушительную цифру. При решении сложной задачи снижения потерь ме­таллов с промышленными шлаками необходимо иметь точную информацию о формах нахождения металлов в жидких промышленных шлаках.

Принимая во внимание эти показатели, целесообразно определить способы уменьшения количества отходов, образующихся на обогатительных фабриках, которые оказывают влияние на окружающую среду.

Разумеется, отходы, хвосты и шлаки  отделяемые от производства, безусловно, не остаются незамеченными и воздействуют на природу. Узбекистана имеет негативное последствие из – за загрязнения почв, поливных земель ландшафтного обрамления и самых городских агломераций токсичными элементами: Se, Te, As, Sb, Hg, Pb, Zn, Cu, Mo, U и другими  компонентами. Эти вещества являются в геохимическую миграцию в виде выбросов газов и пыли, сбросов в хвостохранилища. На медных и цинковых предприятиях в процессах обжига, расплавления выделяются значительные количества газов, содержащих твердые частицы (пыль, возгоны) и газообразные продукты (СО, СО₂, SO₃, SO₂).

Интенсивными источниками загрязнения атмосферы периодического действия являются массовые взрывы на карьерах. Количество выбрасываемых при этом в атмосферу пыли и газы зависит от объема взрываемых пород, количество взрывчатых веществ, а также типа последних и некоторых геологических и технологических характеристик. При массовом взрыве горных массивов образуется пылегазовые облако объемом в сотни тыс.м³. Высота подъема достигает 1000 – 1500 м.

Распространяется пылегазовые облако значительное расстояние: при массовых взрывах на карьерах концентрация пыли в воздухе составляет 5 – 9 мг/м³ [2]. 

Среди предприятий цветной металлургии основную нагрузку на атмосферу (по объему выбросов) оказывает АГМК, выбросы которого составляют более 60 % выброса загрязненных веществ в атмосферу всей промышленности Алмалыкско-Ангренского района.

Почти на всех этапах добыча и обработка минеральных ресурсов ведет к загрязнению воздуха. В результате открытой разработки, размельчения и дробления образуется много пыли. Источником пыли могут также являться хвостохранилища.

В настоящее время добыча металлов из полезных ископаемых и драгоценных минералов из руд на месторождениях с использованием современных технологий является очень проблематичной ситуацией, и для перевода цветных и черных металлов в чистое металлическое состояние используются многоступенчатые технологии и оборудование. Результаты показывают, что эту технику невозможно представить без металлов. Примеры включают машиностроение, производство самолетов и ракет, электротехнику, химико-технологическое оборудование, медицинские приборы, сельскохозяйственную технику и т. д.

Процессы обогащения являются одним из важных процессов в эффективном извлечении металлов, и процессы состоят из нескольких сложных этапов, таких как дробление, измельчение, сортировка, обогащение флотацией и механическая и химическая обработка для отделения чистых металлов от минералогического состояния с использованием нескольких методов.

Объекты и методы. Объектом исследования являлись отходы медной обогатительной фабрики, анализ состава которых выявил следующие металлические элементы.

Таблица1.

Химический состав хвостов медной обогатительной фабрики

Окислительное свойство металлов имеет разные свойства для каждого вещества и элемента в разных условиях. Например, в нормальных условиях железо подвергнется коррозии, металл всегда будет окружен водой и влагой воздуха, а железо будет окисляться.

Многие металлы разлагаются в основном из-за электрохимической коррозии. Электрохимическая коррозия возникает в результате образования в металле мелких гальванических элементов. Причина образования гальванических элементов:

1) наличие других металлов помимо многих металлов;

2) Металл всегда окружен водой, влагой и электролитами. Например, позвольте металлической меди соприкасаться с железом во влажную погоду. Это создает гальванический элемент (железо - анод, медь - катод). Железо окисляется: ионы Fe - 2e^– = Fe²⁺.  

Fe²⁺ соединяются с ионами ON^- с образованием Fe(OH)₂.  Fe(OH)₂ превращается в Fe(OH)₃ под действием кислорода и влаги воздуха:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Железо со временем разъедает, и это указывает на механизм процесса. Если ионы водорода моль, электроны из железа возвращают ионы водорода без возврата кислорода в воздухе:

2H + 2e^– = H₂

Изучена кинетика восстановления железо-восстановительным углеродом. Закономерность окисления металлов начинается с образования тонких пленок в растворах. Эта фаза происходит как при низких, так и при высоких температурах. Однако толстые пленки не образуются при низких температурах, наоборот, тонкие пленки закрывают металлы при низких температурах. При исследовании в муфельной печи процесс проводили при 1100 °C, а загруженный продукт обжигали в течение 4 часов.

Чтобы предотвратить образование оксидных пленок, дверцу муфельной печи открывали каждые полчаса, загруженный продукт перемешивали и при перемешивании, следуя законам термодинамики, открывали оксидную пленку, закрывающую продукт дном фарфорового сосуда. При повышении температуры с каждым градусом он вступает в реакцию с восстановительным углеродом, оставляя на сосуде тонкую оксидную пленку.

Время от времени, если продукт смешивается, скорость окисления распространяется по всей поверхности, и период окисления ускоряется. Кинетика окисления металлов увеличивается. Эксперименты показывают, что кинетика окисления металлов подчиняется логарифмическим, обратным логарифмическим или кубическим законам. Согласно диаграмме, модификации железа при повышении температуры покрываются оксидными пленками, препятствуя проникновению температуры между ними в диффузионном состоянии. Поэтому на процесс выращивания должна влиять внешняя среда, и продукт следует смешивать. Изучена кинетика и механизм процесса.

Результаты и обсуждение. При изучении кинетики оксидов металлов их кинетика определяется отношением общей массы сгоревшего навески  к времени dm/dt.  В некоторых случаях масса обжига dd определяется толщиной поверхностного натяжения.

Окисление кислорода определяется образованием оксидной пленки при самых низких температурах. Повышение давления кислорода в системе несколько замедляет скорость, но присутствует при высоком давлении.

Как видно из рисунка 1, модификации железа изменяются с повышением температуры. При повышении температуры с каждым градусом он вступает в реакцию с восстановительным углеродом, оставляя на ожоге тонкую оксидную пленку. Если продукт время от времени перемешивать, скорость окисления углерода будет распространяться по всей поверхности, и период окисления ускорится. Кинетика восстановления металлов увеличивается. Эксперименты показывают, что кинетика восстановления металлов подчиняется логарифмическим, обратным логарифмическим или кубическим законам. Согласно диаграмме, модификации железа противостоят проникновению температуры в состоянии диффузии между ними при повышении температуры, покрывая их оксидными пленками, предотвращая восстановление регенерирующего углеродного железа.

Следовательно, необходимо перемешивать продукт, чтобы поглотить оксидную пленку, покрытую процессом выращивания, на который влияет внешняя среда.

В намагниченную часть железа из отходов медной обогатительной фабрики в качестве восстановителя добавляли углерод, поскольку он проявлял свойства гематитовых соединений по внешнему виду, и процесс проводился при открытом положении дверок муфельной печи. Протекает реакция по следующим видам:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Степень окисления металлов при высоких температурах, образование толстопленочного покрытия под действием температуры доказана теорией Вагнера.

При исследовании процесса распределение кислорода из газового потока по внешней среде не ограничивает общую скорость окисления. Если реагирующий оксид вступает в реакцию по крайней мере с одним компонентом системы, температура будет постепенно проявлять свое влияние и на другие параметры.

Исследования, проведенные на кафедре металлургии, показали, что было взято 2 разных образца и проведены эксперименты по разным показателям. Первый образец был взят из 30 г отходов медной обогатительной фабрики с высоким содержанием железа, и 5 г продукта из 30 г медного концентрата были намагничены и уравновешены в муфельной печи, нагретой до 1100 ° C, для извлечения 5 г углерода. образец был помещен, и образец сжигали  в течение 2 часов, и исследование показало, что 3 г железа было извлечено из 10 г всего загруженного продукта.

Второй образец представлял собой 60 г хвостов и добавлена в виде востановителя 30 г углерода, помещенных в муфельную печь, нагретую до 1100 ° C для извлечения, и образец сжигался в течение 4 часов, и из 90 г всего загруженного продукта было извлечено 17 г железа.

Заключение. Исследования, проведенные на кафедре металлургии, показывают, что способы извлечения высокопроизводительного железа из медьсодержащих отходов определены, в статье представлены результаты исследований, проведенных в муфельной печи. Из-за высокого процента железа, извлеченного из отходов, железо можно отделить путем восстановление. Опыт показал, что можно использовать восстановленную железа в других отраслях промышленности, и правильно оценены способы снижения количества вредных выбросов в окружающую среду. Из экспериментов, проведенных пирометаллургическим способом, было получено из 60 г загруженных отходов можно извлечь 17 г железа, что составляет 28% от 1 тонны хвостов.

Список литературы:

1. Sanchez M., Parada R., Marquez F., Jara R., Carrasco J.C., and Palacios J.Management of copper pyrometallurgical slags: giving additional value to copper mining industry// VII International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts. The South African Institute of Mining and Metallurgy. 2004. P. 543-550.
2. Peng Z., Gregurek D., Wenzl C., and White J.F. Slag Metallurgy and Metallurgical Waste Recycling //JOM.2016. Vol.68.Iss.9. P. 2313-2315.
3. Cui Z., Wang Z., Bian R., Wei C., Zhao B (2018) Application Study on Technology of Reducing Copper Content in Discarded Slag. In: Davis B. et al. (eds) Extraction 2018. The Minerals, Metals and Materials Series. Springer, Cham.
4. Anna Potysz,, Eric D. van Hullebusch., Jakub Kierczak., Malgorzata Grybos., Piet N.L. Lens & Gilles Guibaud. Copper Metallurgical Slags – Current Knowledge and Fate: A Review. P. 2424-2488. (2015).
5. Юсупходжаев A.А., Хожиев Ш.Т., Эргашев С.Ш. Ресурсосберегающие технологии в металлургии меди// Сборник статей победителей IX Международной научно-практической конференции “World Science: Problems and Innovations”, состоявшейся 30 апреля 2017 г. в г. Пенза.// МЦНС «Наука и Просвещение», г.Пенза, 2017, Часть 1, № 176.с.157-160.
6. Юсупходжаев А.А., Хожиев Ш.Т., Мирзажонова С.Б. Анализ состояния системы в металлургии. Монография. – Beau Bassin (Mauritius): LAP LAMBERT Academic Publishing, 2020. P. 189. ISBN 978-620-2-52763-7
7. Юсупходжаев А.А., Худояров С.Р., Мирзажонова С.Б. «Механизм образования расплавов при плавке сульфидных медных концентратов в отражательной печи» «Горный вестник Узбекистана - 2». 2014 г. с.106 – 109.
8. Юсупходжаев А.А., Худояров С.Р., Мирзажонова С.Б. “Использование физических свойств компонентов шихты для анализа металлургических процессов». «Горный вестник Узбекистана - 4». 2013 г., № 55 с. 30-32.
9. Yusupkhodjayev A.A., Khojiev Sh.T., Mirzajonova S.B. Usage of reducing – sulfidizing agent sin copper-bearing slags depletion. Сборник статей Международной научно-практической конференции «Управление социально-экономическими системами: «Теория, методология, практика», состоявшейся 15 июня 2017 г. в г.Пенза.// МЦНС «Наука и Просвещение», г.Пенза, 2017, Часть 1, № 190. с. 19 – 21.
10. Ванюков А.В., Зайцев В.Я. «Теория пирометаллургических процессов». Металлургия. М. 2004 г. с.430
11. Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Шлаки и штейны цветной металлургии. Металлургия. М. 2011 г. с. 430 г.
12. Юсупходжаев А.А., Мирзажонова С.Б., Хожиев Ш.Т. Повышение комплексности использования сырья при переработке сульфидных медных концентратов// Proceedings of the III International Scientific and Practical Conference “Scientific and Practical Results in 2016. Prospects for their Development” (December 27 – 28, 2016, Abu-Dhabi, UAE). Ajman, 2017, № 1(17), Vol. 1, c. 45 – 48.