OPTIMIZATION OF METALLURGICAL AND BENEFICIATION PROCESSES IN THE PROCESSING OF COPPER-CONTAINING SLAGS AND PHOSPHORITES

УДК 669

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены научно-технологические основы комплексной переработки медьсодержащих шлаков, полиметаллических и фосфоритовых руд с целью повышения эффективности извлечения цветных, благородных, редких и редкоземельных металлов. Исследование основано на применении современных пирометаллургических, гидрометаллургических и обогатительных методов переработки минерального и техногенного сырья. В работе изучены процессы плавки в печи Ванюкова, флотации с использованием композиционных реагентов и микропузырьковых технологий, а также процессы кислотного выщелачивания, сорбции и селективного осаждения металлов. Установлено, что оптимизация фазового состава шлаков и технологических параметров процесса способствует снижению содержания меди в отвальных шлаках до 0,5–0,7 % и повышению степени извлечения ценных компонентов. Показано, что применение усовершенствованных флотационных технологий позволяет снизить потери металлов при обогащении на 15–20 %, повысить эффективность переработки сырья и уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду. Дополнительно подтверждена возможность получения высокочистого селена, а также эффективного извлечения редких и редкоземельных элементов из фосфоритового сырья. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность интегрированного подхода к глубокой переработке техногенного и минерального сырья, обеспечивающего ресурсосбережение и повышение экономической эффективности металлургического производства.

ABSTRACT

The article examines the scientific and technological foundations of the integrated processing of copper-containing slags, polymetallic ores, and phosphorite raw materials aimed at increasing the recovery efficiency of non-ferrous, precious, rare, and rare-earth metals. The research is based on the application of modern pyrometallurgical, hydrometallurgical, and beneficiation methods for processing technogenic and mineral raw materials. The study investigates Vanyukov furnace smelting, flotation using composite reagents and microbubble technologies, as well as acid leaching, sorption, and selective precipitation processes. It was established that optimization of slag phase composition and technological parameters reduces copper content in discarded slags to 0.5–0.7% and significantly increases the recovery degree of valuable components. The application of advanced flotation technologies decreases metal losses during beneficiation by 15–20%, improves raw material processing efficiency, and reduces environmental impact. In addition, the possibility of obtaining high-purity selenium and the efficient recovery of rare and rare-earth elements from phosphorite raw materials was confirmed. The obtained results demonstrate the high efficiency of an integrated approach to the deep processing of technogenic and mineral resources, ensuring resource conservation and improving the economic efficiency of metallurgical production.

Ключевые слова: медьсодержащие шлаки; фосфоритовые руды; флотация; печь Ванюкова; гидрометаллургия; редкоземельные элементы; извлечение металлов

Keywords: copper slags; phosphorite ores; flotation; Vanyukov furnace; hydrometallurgy; rare earth elements; metal recovery

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие металлургической промышленности характеризуется возрастающей потребностью в эффективной переработке сложного минерального и техногенного сырья, содержащего цветные, благородные и редкие металлы. Особую актуальность приобретает проблема комплексного использования медьсодержащих шлаков и полиметаллических руд, содержание ценных компонентов в которых, как правило, не превышает 0,5–1,0 % для меди и 1–5 % для цинка, что существенно осложняет их рентабельную переработку традиционными методами [7, 2]. Наряду с этим, фосфоритовые руды всё активнее рассматриваются не только как источник фосфора, но и как перспективное сырьё для извлечения редких и редкоземельных элементов, концентрация которых требует применения высокоселективных технологий.

Традиционные пирометаллургические и флотационные технологии не всегда обеспечивают высокий уровень извлечения металлов вследствие сложного минералогического состава и тонкодисперсного распределения полезных компонентов. В связи с этим возрастает роль интегрированных подходов, сочетающих пирометаллургические, гидрометаллургические и обогатительные методы, включая флотацию с применением микропузырьковых технологий, сорбционное выщелачивание и вакуумную дистилляцию. Разработка и оптимизация подобных комплексных технологических схем является актуальной научно-практической задачей, направленной на повышение степени извлечения ценных компонентов, снижение технологических потерь и уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду [14].

Научная новизна исследования заключается в разработке интегрированной технологической схемы переработки медьсодержащих шлаков, полиметаллического и фосфоритового сырья, в рамках которой обоснованы оптимальные параметры плавки в печи Ванюкова (SiO₂ — 30–31 %, Fe₃O₄ ≤ 5 %), обеспечивающие снижение содержания меди в отвальном шлаке до 0,5–0,7 %. Применение микропузырьковых технологий и композиционных реагентов позволило сократить потери при флотации с 20–25 % до 15–20 %, а использование гидрометаллургических методов — подтвердить возможность извлечения редкоземельных элементов из фосфоритов и получения высокочистого селена (≥ 99,9 %).

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования служили медьсодержащие шлаки печи Ванюкова (ПВ), полиметаллические руды и фосфоритовое сырьё. Переработка шлаков осуществлялась методом высокотемпературной плавки в печи Ванюкова с регулированием состава расплава по основным компонентам: содержание SiO₂ поддерживалось на уровне 30–31 %, концентрация магнетита ограничивалась до 5 %, влажность шихты не превышала 6,5 %. Для интенсификации процесса разделения фаз «шлак–штейн» применялся дополнительный электрический подогрев [5]. Общая конструкция используемого агрегата представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкция печи Ванюкова

 1 – загрузка (шихта); 2 – подача исходного материала; 3 – перегородка шлака; 4 – дутьевые фурмы; 5 – шлаковый сифон; 6 – электроды; 7 – шлак; 8 – шлаковый слой; 9 – штейн; 10 – под печи

Флотационное обогащение полиметаллического сырья проводилось с использованием микропузырькового генератора водо-воздушной микроэмульсии, обеспечивающего формирование пузырьков диаметром 20–50 мкм, и композиционных флотационных реагентов на основе смеси собирателей [11]. Параметры процесса контролировались по размеру пузырьков, времени флотации и степени извлечения ценных компонентов. Для доизвлечения тонкодисперсного золота дополнительно применялись гравитационные методы с использованием центробежного сепаратора [1, 9].

Получение высокочистого селена осуществлялось методом вакуумной дистилляции чернового селена с разделением зон конденсации по температурному градиенту [4]. Состав и чистота конечного продукта определялись методом рентгенофлуоресцентного анализа на энергодисперсионной микроаналитической системе INCA Energy 450, сопряжённой со сканирующим электронным микроскопом JSM 6610 LV (JEOL). Переработка фосфоритового сырья включала последовательные стадии гидрометаллургического выщелачивания и сорбционного концентрирования редких и редкоземельных элементов с применением ионообменных смол. Эффективность всех процессов оценивалась по степени извлечения целевых компонентов и уровню технологических потерь [6, 10, 13].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Проведённые исследования показали, что эффективность переработки медьсодержащих шлаков в значительной степени определяется химико-минералогическим составом расплава [3]. При оптимальных условиях плавки в печи Ванюкова — содержании SiO₂ на уровне 30–31 % и концентрации магнетита не более 5 % — достигается устойчивое разделение фаз «шлак–штейн» и снижение содержания меди в отвальном шлаке до 0,5–0,7 % (рисунок 1). Применение дополнительного электрического подогрева позволило интенсифицировать процессы массо- и теплообмена, обеспечив более полное извлечение меди в штейн и повышение стабильности технологического режима.

Рисунок 1. Зависимость содержания меди в шлаках ВФ-1 (1) и ВФ-2 (2) от содержания магнетита

Анализ полученных зависимостей показал, что увеличение концентрации магнетита свыше 8 % сопровождается ростом содержания меди в шлаке, что обусловлено нарушением фазового равновесия расплава и ухудшением условий разделения фаз. Данная закономерность подтверждает необходимость строгого контроля состава шлака как ключевого технологического параметра процесса [8, 12].

Рисунок 2. Основные технологические показатели переработки медьсодержащих шлаков до и после оптимизации параметров плавки в печи Ванюкова

В ходе исследований флотационного обогащения установлено, что применение микропузырькового генератора совместно с композиционными реагентами обеспечивает существенное улучшение технологических показателей процесса. Как следует из данных таблицы 1, использование генератора позволяет снизить размер пузырьков с 300–550 до 20–50 мкм, сократить время флотации с 15–24 до 11–17 минут и уменьшить потери ценных компонентов с 20–25 % до 15–20 %.

Таблица 1.

Сравнительный анализ параметров флотации при использовании микропузырькового генератора

Дополнительно установлено, что применение центробежных аппаратов при гравитационном обогащении обеспечивает повышение извлечения тонкодисперсного золота на 3–4 %, что обусловлено более эффективным разделением частиц по плотности и формированием концентрата с повышенным содержанием металла.

По результатам рентгенофлуоресцентного анализа продукта вакуумной дистилляции установлено, что содержание селена в полученном порошкообразном продукте составляет 99,928 % при суммарном содержании примесей менее 0,1 % (таблица 2), что соответствует требованиям, предъявляемым к высокочистым маркам технического селена.

Таблица 2.

Результаты рентгенофлуоресцентного анализа порошкообразного селена

Применение гидрометаллургических методов – последовательного выщелачивания и сорбции – при переработке фосфоритового сырья подтвердило возможность эффективного извлечения редких и редкоземельных элементов из сложных минеральных систем. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности комплексного использования фосфоритов в качестве дополнительного источника ценных компонентов в рамках единой технологической схемы переработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение интегрированной технологической схемы, объединяющей плавку в печи Ванюкова, флотационное обогащение с микропузырьковым генератором и гидрометаллургические методы, обеспечило существенное повышение эффективности переработки медьсодержащих шлаков и фосфоритового сырья. Оптимизация состава расплава (SiO₂ — 30–31 %, Fe₃O₄ ≤ 5 %) позволила снизить содержание меди в отвальном шлаке до 0,5–0,7 %, повысить извлечение цинка до 85–90 % и сократить потери при флотации с 20–25 % до 15–20 %.

Методом вакуумной дистилляции получен высокочистый селен с содержанием основного компонента 99,928 %, что принципиально превосходит показатели традиционных технологий обжига. Применение гидрометаллургических методов подтвердило перспективность комплексного извлечения редких и редкоземельных элементов из фосфоритового сырья. Полученные результаты свидетельствуют о практической значимости разработанного подхода и его готовности к промышленному внедрению.

Список литературы:

1. Kenzhaliyev B.K., Yesimova D.M., Surkova T.Y., Amanzholova L.U., Akchulakova S.T. «Preparation of productive solutions for extraction of rare earth elements» // Vestnik KazNITU, 2021, №5, С. 367–373.
2. Rulyov N., Tussupbayev N., Turusbekov D., Semushkina L., Kaldybayeva Z. «Microbubble flotation technology for sulfide ore beneficiation» // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 2021, Vol. 42, №4, P. 215–223.
3. Li Y., Zhang W., Chen X., Wang H. «Recovery of valuable metals from copper smelting slags by flotation and hydrometallurgical methods» // Journal of Cleaner Production, 2022, Vol. 330, P. 129–138.
4. Abisheva Z.S., Kenzhaliyev B.K., Zagorodnyaya A.N. «Innovative technologies for selenium extraction from metallurgical products» // Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syrya, 2022, №2, С. 45–56.
5. Khuzhakulov, N. B., Ruziev, U. M., Bozorov, M. F. U., & Goyibnazarov, R. G. U. (2021). Extraction of iron concentrate from gold-bearing tailings of hydrometallurgical production. Universum: technical sciences, (3-1 (84)), 92-95.Wang L., Zhao K., Sun Y. «Hydrometallurgical processing of phosphorite ores for rare earth element recovery» // Hydrometallurgy, 2022, Vol. 213, P. 105–117.
6. Hu X., Li Q., Zhou T. «Optimization of copper slag cleaning in Vanyukov furnace» // Metallurgical and Materials Transactions B, 2022, Vol. 53, №6, P. 4120–4131.
7. Ahmedov H.R., Ruziyev U.M., Bozorov M.F. «Complex processing of technogenic mineral raw materials containing non-ferrous metals» // Universum: технические науки, 2022, №7(100), С. 18–24.
8. Chen J., Liu P., Yang S. «Application of composite flotation reagents in copper and polymetallic ore beneficiation» // Minerals Engineering, 2023, Vol. 198, P. 108–119.
9. Khuzhakulov, N. B., Ruziev, U. M., & Nasirova, N. R. (2021). Studies of the influence of biocake quality on the performance of sorption leaching. Universum: technical sciences, (5-2 (86)), 20-23.Abdisamievich, S. A., Mamarasulovich, R. U., & Azamatugli, K. O. (2025). DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR OBTAINING ALUMINA FROM LOCAL RAW MATERIALS. Sanoatda raqamli texnologiyalar/Цифровые технологии в промышленности, 3(2), 105-111..
10. Kenzhaliyev B.K., Abisheva Z.S., Dyusenova S.B. «Integrated processing technologies for technogenic mineral wastes» // Complex Use of Mineral Resources, 2023, №1, P. 22–35.
11. Zhang H., Wu Y., Li M. «Rare earth elements extraction from phosphogypsum and phosphorite wastes» // Separation and Purification Technology, 2023, Vol. 307, P. 122–134.
12. Luo Z., Chen G., Wang X. «Effect of microbubble generators on flotation efficiency of fine mineral particles» // Powder Technology, 2024, Vol. 435, P. 119–128.
13. Sun W., Li J., Zhao H. «Sorption extraction of rare earth elements from phosphoric acid solutions» // Journal of Rare Earths, 2024, Vol. 42, №3, P. 388–399.