ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследованы технологии обжига цинковых концентратов с целью получения огарков, растворимых в водных растворах. Проведённые лабораторные эксперименты позволили определить оптимальный состав шихты с добавлением известняка и сточных вод перерабатывающего завода, содержащих оксиды щёлочноземельных металлов. Эти добавки значительно снижают образование ферритов и силикатов цинка, что способствует повышению эффективности процесса выщелачивания и увеличению извлечения цинка. Эксперименты показали, что даже небольшое количество щелочных добавок уменьшает образование побочных продуктов в 1,5–1,7 раза, обеспечивая экологическую устойчивость и снижение энергозатрат.

ABSTRACT

This study explores the roasting technology of zinc concentrates to produce cinders soluble in aqueous solutions. Laboratory experiments identified the optimal charge composition by incorporating limestone and wastewater from the processing plant, which contains oxides of alkaline earth metals. These additives significantly reduce the formation of zinc ferrites and silicates, enhancing the leaching process and increasing zinc recovery. The experiments demonstrated that even small amounts of alkaline additives decrease the formation of by-products by 1.5–1.7 times, improving process efficiency while ensuring environmental sustainability and energy savings.

Ключевые слова: цинковые концентраты, обжиг, физико-химические процессы, полиметаллическая переработка, эффективность, устойчивое развитие, реакционные механизмы, побочные продукты, оксиды щелочных металлов, водорастворимые кристаллы.

Keywords: Zinc concentrates, Roasting, Physico-chemical processes, Polymetallic processing, Efficiency, Sustainable development, Reaction mechanisms, By-products, Alkaline metal oxides, Water-soluble crystals.

Снижение содержания цинка в цинковых окалинах, получаемых гидрометаллургическими процессами, при одновременной экономии дополнительного углеродсодержащего топлива имеет особое значение. В данной работе важном аспектом было изучение физико-химических процессов, происходящих в ходе классического процесса обжига цинковых концентратов в печах для обжиге в кипящем слое. Множество развитых стран, таких как США, Германия и Великобритания, а также ведущие страны по переработке цинкового сырья, такие как Китай, Австралия и Индия, уделяют особое внимание предотвращению образования нежелательных соединений в процессе переработки цинковых концентратов.

Это связано с необходимостью повышения эффективности и экологической устойчивости процессов извлечения из сырья. Оно требует всестороннего понимания реакционных механизмов и влияния операционных параметров на образование побочных продуктов, которые могут препятствовать общей утилизации цинка. Кроме того, исследуются новые технологии обжига, такие как оптимизация условий кипящего слоя и внедрение инновационных добавок, для минимизации образования вредных соединений при максимизации выхода цинка.

 Решая эти задачи металлургическом отрасль может добиться более устойчивого подхода к переработке цинковых сырье, что будет способствовать снижению углеродистых выбросов и эффективному использованию ресурсов [1,2].

По всему миру ведутся целевые исследования, направленные на разработку технологий переработки цинковых концентратов, позволяющих сократить использование энергетических ресурсов. В этой области особенно важным является развитие технологий, предотвращающих образование мало растворимых и нерастворимых соединений цинка в процессе обжига сульфидных цинковых концентратов в печах для обжига в кипящем слое. Улучшение переработки цинковых концентратов также считается важным для обеспечения сохранения ресурсов [3].

В нашей Республике разрабатываются меры по организации современного производства цинка. Эти меры необходимы для переработки широкого ассортимента концентратов из различных месторождений с высоким содержанием железа и кремния, которое может проявляться неравномерно как во времени, так и в количестве. Кроме того, под воздействием внешних условий наблюдается неконтролируемое изменение продолжительности полиметаллической переработки сульфидного цинкового сырья [4,5].

Авторы данной работы поставили перед собой задачу провести исследование для улучшения технологического режима переработки сульфидных цинковых концентратов путём введения производственных отходов с перерабатывающих заводов, содержащих щёлочноземельные металлы, а также с достаточным содержанием железа и кремния с последующим развитием и внедрением процесса обжига для получения цинковых концентратов, растворимых в водных растворах [6,7].

Значимость результатов лабораторных исследований, провиденных авторами, обусловлена влиянием содержания известняка и соединений щёлочноземельных металлов на обжиг, а также влиянием природных минералов на формирование структурно-фазового состава и распределение цинка в других соединениях, особенно с железом и кремнием, что приводит к образованию таких соединений, как ферриты и силикаты цинка, а также ускоряет скорость окислительных реакций сульфидных соединений [8].

Для этой цели предлагается вводить в обжиговую смесь определённое количество таких соединений, как Na₂O, K₂O, CaO, MgO и BaO, которые имеют большую химическое сродства к FeO и SiO₂, чем оксид цинка. Это позволит, даже при умеренных температурах и значительно более высокой скорости, связывать оксиды железа и кремния в прочные соединения, создавая условия, при которых оксид цинка остаётся в свободном состоянии. Данное решение существенно увеличит степень перехода цинка в раствор при выщелачивании и снизит содержание цинка в окалинах, что приведёт к увеличению полного извлечения цинка в готовую продукцию [9].

Объектами экспериментальных исследований были выбраны сульфидный цинковый концентрат и обжиговая смесь, подготовленная для обжига в печи  кипящею слое (КС) на Цинковом заводе АО “АГМК” а также известняк и технический кислород.

Дополнительные добавки вводились в обжиговую смесь тремя способами:

1) дополнительные добавки тщательно смешивались в сухом виде до получения однородной массы; 2) чтобы обеспечить хороший контакт между компонентами загрузки и введёнными дополнительными добавками, загрузка, подготовленная по первому методу, была увлажнена водой, c последующей подготовки гранул; 3) для обеспечения полною контакта компонентов загрузки с введёнными добавками, была приготовлена водная суспензия добавочного компонента, которая была смешана с цинковым  концентратом, полученная пульпа измельчалась в фарфоровой ступке и высушивалась. Затем высушенная смесь дробилась и обжигалась.

Помимо добавления химически чистых оксидов щелочных и щёлочноземельных металлов, обжиговая смесь также готовилась путём смешивания цинкового концентрата с сточными водами перерабатывающего завода АО “АГМК”, которые содержат значительное количество оксидов щелочных и щёлочноземельных металлов (в виде суспензий и ионов). Как и в случае подготовки партии по методу 3, пульпа высушивалась, измельчалась и обжигалась.

В лабораторных условиях использовался цинковый концентрата, содержащий 50,88% цинка, 7,21% железа и 4,13% диоксида кремния. Количество добавленного известняка варьировалось от 0,5 до 7% по массе загрузки. Для этого было выбрано 100 кг сульфидного цинкового концентрата, известняка и обжиговой смеси.

Для изучения причин уменьшения образования ферритов и силикатов цинка цинковые концентраты обжигались в стационарном режиме в муфельной печи и в динамическом режиме на установке ЛПКС, которая состояла из лабораторной шахтной печи типа SNOL 1.6/11-IZ. Обжиг проводился при предварительном нагреве до 950°C.

Результаты экспериментов по изучению образования ферритов и силикатов во время обжига показали, что добавление даже небольшого количества оксидов щелочных и щёлочноземельных металлов в шихту приводит к заметному уменьшению количества ферритов и силикатов цинка в огарке (рис. 1, линии 2, 4).

Рисунок 1. Влияние дополнительных добавок, введенных в обжиговую смесь, на образование ферритов и силикатов цинка во время обжига

Из рисунка 1 первый столбец понижает ферритов в шлаке при обжиге на установке ЛПКС;

второй столбец показывает ферритов в шлаке при обжиге в лабораторной муфельной печи;

третий столбец показывает что силикатов в шлаке при обжиге на установке ЛПКС;

четверть столбец показывает силикатов в шлаке при обжиге в лабораторной муфельной печи.

Наилучшие показатели по снижению содержания ферритов и силикатов цинка в шлаке были получены при обжиге смеси шихты, подготовленной третьим методом. Это можно объяснить тем, что при влажном методе подготовки партии практически происходит полное окружение частиц цинкового концентрата оксидами щелочных и щёлочноземельных металлов.

Использование CaCO₃ в качестве дополнительной добавки к обжиговой смеси оправдано тем, что при обжиге при высоких температурах карбонат кальция разлагается с образованием оксида кальция и углекислого газа, которые непосредственно участвуют в предотвращении образования ферритов и силикатов цинка [10].

При обжиге шихты в динамическом режиме на лабораторной установке «ЛПКС» снижение содержания ферритов и силикатов не наблюдалось (рис. 1, линии 1, 3). Это объясняется тем, что при обжиге в кипящем слое не достигается полного контакта между частицами концентрата и оксидами щелочных и щёлочноземельных металлов.

Согласно полученным экспериментальным данным, добавление оксидов щелочных и щёлочноземельных металлов приводит к 1,5-1,7-кратному снижению образования ферритов и силикатов, при этом наилучшие результаты достигаются при использовании известняка в качестве добавки.

Оптимальное количество добавки, то есть известняка, зависит от содержания диоксида кремния, а также от количества железа в концентрате. На основании этого было определено, что оптимальным способом подготовки шихты для обжига является смешивание с водной суспензией вводимых дополнительных добавок (CaCO₃, Na₂CO₃) с цинковым концентратом (влажная подготовка шихты), что обеспечивает практически полное окружение частиц цинкового концентрата оксидами щелочных и щёлочноземельных металлов.

Список литературы:

1. Ismailov J., Berdiyarov B., Nosirkhujayev S., Ochildiyev K., Nuraliyev O. Possibilities for improving the technology of roasting zinc concentrates // GEOTECH-2024. E3S Web of Conferences 525. (2024). 04003.
2. Ismailov J.B. Berdiyarov B.T. Khojiev S.T. Ochildiev Q.T. Study of the solubility of zinc ferrite in a mixture of citric and sulfuric acids // Universum: технические науки. – 2023. –  №. 10(115). – C. 53-55.
3. Якубов М., Джумаева Х., Мухамеджанова Ш., Умаралиев И. Исследование возможности использования техногенных сырьевых материалов при плавке сульфидных медных концентратов в печи Ванюкова на АО «Алмалыкский ГМК» // Неорганические материалы. 2023. Т. 5. С. 14-19.
4. Рамазанова Р. Исследование извлечения цинка и железа из проблемного окисленного цинкового руды // В: Наука и образование: материалы XI Международной научно-практической конференции, 2016. С. 103-108. Мюнхен, Германия.
5. Свенс К., Керстиенс В., Рункель М. Недавние достижения в области современных технологий переработки цинка // Эрцметалл. 2003. Т. 2. С. 94-103.
6. Бердияров Б., Юсупходжаев А., Хасанов А. Улучшение технологии термической обработки цинкового концентрата с целью повышения комплексного использования сырья // Международный журнал передовых исследований в науке, инженерии и технологиях. 2019. Т. 6. Февраль. Индия.
7. Линь Ф. Кинетика реакции образования Zn₂SiO₄ при обжиге высокосиликатного сфалерита // Нежелезные металлы. 2001. Т. 3. С. 514-517.
8. Кокаева Г., Комков Н. Изучение процесса обжига низкосортных сульфидных цинковых концентратов // В: Материалы Международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ - 2008», 2008. С. 47-50.
9. Mukhamedzhanova Sh, Nuraliyev O., Ismailov Zh., Karimzhonov B., Ochildiyev Q., Improvement of the Technology of Copper Production by Involving in the Processing of Industrial Waste JSC “Almalyk MMC” in Uzbekistan // “INTERAGROMASH 2022” Global Precision Ag Innovation 2022, vol. 2, 2023. C. 2193-2199.
10. Berdiyarov B.T., Matkarimov S.T., Ismailov J.B. Recovery of the recovery zinc concentrate in a weakly reducing gas atmospheric environment // Technical science and innovation: Vol. 2/2022: ISSN: 2181-0400. (05.00.00; № 16). P.4-10.