Инновационный подход к подготовке отвальных шлаков медного производства для дальнейшей переработке

АННОТАЦИЯ

В данной статье была рассмотрена подготовка отвальных шлаков медного производства к переработке. Отвальные шлаки естественного и медленного охлаждения отличаются высокой абразивностью и твердостью, которые препятствуют вскрытию сульфидных минералов. Это влияет на извлечение ценных компонентов из шлаков при переработке. Технология двухстадийного охлаждения способствует лучшему измельчению шлаков и снижению затрат на энергоресурсы и мелющие тела.

ABSTRACT

This article discussed the preparation of dump slags from copper production for processing. Since the dump slags of natural and slow cooling are characterized by high abrasiveness and hardness, which prevent the opening of sulfide minerals. This affects the recovery of valuable components from slags during processing. The two-stage cooling technology improves slag grinding and reduces energy and grinding media costs.

Ключевые слова: шлак, двухстадийное охлаждение, сульфидные минералы, техногенные отходы, минерал, быстрое охлаждение, медленное охлаждение, естественное охлаждение.

Keywords: slag, two-stage cooling, sulfide minerals, industrial waste, mineral, rapid cooling, slow cooling, natural cooling.

Истощение богатых рудных месторождений и повышение требований к охране окружающей среды указывают на необходимость особого внимания на повышение комплексности использования сырья и применения инновационных сберегающих технологий с использованием техногенных отходов производства в виде отвальных шлаков медного производства. В связи с этим извлечение меди из медных шлаков является одной из важнейших задач цветной металлургии сегодняшнего дня.

Особенностями 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 рудоподготовкой [4].

В зависимости от характера последующей переработки шлаков применяют различные методы их подготовки, при которой они приобретают дополнительные свойства, благоприятствующие этой переработке.

Для последующей флотации шлаков в настоящее время считается, что необходимо получить хорошо раскристаллизованный шлак с крупными включениями сульфидов, которые являются легкофлотируемыми. Это достигается применением медленного охлаждения шлака. Для складирования шлака в отвалах используют его неорганизованное естественное охлаждение [1].

Медленное охлаждение шлаков осуществляется в ямах, траншеях или иных емкостях. Слой шлака составляет до 1 м и более. После заливки шлака его засыпают теплоизолирующим слоем дробленого шлака. Продолжительность охлаждения составляет несколько суток. После охлаждения шлак извлекается из емкости, и он поступает на дробление и измельчение, предшествующие флотации.

Однако абразивность и твердость шлака при высоких содержаниях SiO₂, что характерно для шлаков большинства автогенных процессов, очень высока, что делает его измельчение чрезмерно энергоемким, и эта технология становится экономически неприемлемой. Это обстоятельство стало причиной перехода большинства заводов дальнего зарубежья на электротермическое обеднение шлаков, несмотря на гораздо более низкое извлечение меди [3].

В отвальных шлаках отражательной печи сульфидные частицы размером 1–30 мкм распределены в стекловидной фаялитовой фазе и ассоциированы с кристаллами магнетита. Шлаки кислородно-факельной плавки также состоят из стекловидной фаялитовой фазы в виде кристаллов магнетита размером 0,1–1 мм. В фаялите также могут присутствовать зерна магнетита размером 0,01–0,2 мм. Сульфидная фаза представлена тонкой взвесью размером около от 1 мкм до 100–200 мкм [2].

В работе указано, что медьсодержащие соединения отвальных шлаков содержат железо и медь в ассоциации с серой и кислородом, а также медьсодержащие фазы, которые неоднородны по составу и окружены шлаковой фазой. Минералы в техногенных отходах идентичны природным по строению кристаллической решетки, химическому составу, однако отличаются изоморфизмом, и это, скорей всего, влияет на флотируемость отвальных шлаков. Очевидно, что флотация отвального шлака, который является конгломератом минералов техногенного происхождения, будет отличаться от флотации аналогичных по составу природных минералов [2].

Причиной высоких энергетических затрат для извлечения меди по флотационной технологии медного производства, особенно при их предварительной подготовке, путем медленного охлаждения является их высокая твердость и абразивность, поэтому для решения задачи экономической эффективности флотации шлаков надо найти способ снижения энергозатрат, а также расхода брони и мелющих тел при их измельчении. В связи с этим для улучшения измельчаемости шлаков без ухудшения их флотируемости изучен процесс двустадийного охлаждения медного шлака [3].

На первой стадии в области высоких температур и в жидком состоянии шлаков идет его медленное охлаждение, при котором формируются крупные сульфидные частицы, а после окончания этого процесса шлак подвергается быстрому охлаждению, при котором в твердой структуре образуются и консервируются термические напряжения, которые и приводят к росту измельчаемости, а иногда и самоизмельчаемости шлаков.

На основе теоретического анализа данной работы предложен способ охлаждения полужидких шлаков – получение сульфидной взвеси приемлемой для флотации структуры и получение легкоизмельчаемых шлаков. При охлаждении шлаков снижается скорость диффузии сульфидов, что ведет к образованию сульфидных частиц меньшего размера.

Для изучения влияния скорости охлаждения на структурные свойства шлаков при холодной воде (cточные воды предприятия) были отобраны пробы в разных режимах охлаждения. 1 – проба отбиралась через 20 минут после розлива шлака, 2 – через 40 минут, 3 – через 60 минут, 4 – естественно охлажденный шлак [5].

Таким образом, были проведены сравнительные опыты на измельчаемость естественно охлажденных и двухстадийно охлажденных отвальных шлаков медного производства (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость скорости быстрого охлаждения отвального шлака от времени отстаивания

Результаты исследования показали (рис. 1), что образование структуры сульфидных соединений в шлаке при двухстадийной технологии охлаждения не зависит от скорости охлаждения, а скорость охлаждения шлака зависит от температуры и времени отстаивания.

Отвальный шлак был охлажден водой через разные промежутки времени, вследствие чего были получены куски шлака разной твердости.

Шлак после 20-минутного быстрого охлаждения и измельчения в течение 10 минут тонина помола класса –0,074 мм составляет 75 % (рис. 2, кривая 1). Дальнейшее продолжение измельчения не требуется. При измельчении шлака, охлажденного в течение 40 минут максимальное количество измельченного класса –0,074 мм достигло 90 % при 40-минутном измельчении (рис. 2, кривая 2). С увеличением времени отстаивания шлака измельчаемость ухудшается, и требуется дополнительное время для измельчения (рис. 2, кривая 3). Естественно охлажденный шлак (рис. 2, кривая 4) измельчается 70 % до класса –0,074 мм при времени измельчения 60 минут.

Рисунок 2. Зависимость измельчения отвальных шлаков естественного и быстрого охлаждения от времени

1 – отвальный шлак после 20 минут отстаивания; 2 – отвальный шлак после 40 минут отстаивания; 3 – отвальный шлак после 60 минут отстаивания; 4 – естественно охлажденный шлак

Основным фактором в процессе измельчения отвальных шлаков является раскрытие сростков агрегатов меди. Раскрытие сростков агрегатов меди в каждом классе крупности фракции шлаков определялось микроскопическим анализом. Определено, что максимальное раскрытие агрегатов меди во всех изучаемых шлаках наблюдается при содержании класса минус 0,010 мм, а при помоле шлаков до класса –0,074 мм происходит раскрытие агрегатов меди на 80–90 % [5]

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что измельчаемость шлака определяется величиной термических напряжений и возрастает с увеличением скорости двухстадийного охлаждения отвального шлака медного производства после завершения его кристаллизации, способствующей эффективности флотации и снижению затрат на энергоресурсы и мелющие тела на 30 %, а также при измельчении двухстадийно охлажденных шлаков сульфидные взвеси меди вскрываются при помоле –0,074 мм, для вскрытия минералов необязательно проводить измельчение до –0,044 мм. При этом извлечение меди в концентрат после флотации составляет  70–71 %, что свидетельствует об увеличении меди в концентрате и экономии расхода мелющих тел и энергоресурсов.

Технология двухстадийного охлаждения отвального шлака меняет свою структуру кристаллизации, становится более хрупким, что делает его легко измельчаемым и легко флотируемым.

Список литературы:

1. Аскарова Н.М. Совершенствование технологии переработки отвальных шлаков медного производства : дис. … д-ра филос. техн. наук (PhD). – Навои, 2020. – 120 с.
2. Аскарова Н.М. Флотационное извлечение меди из шлаков, охлажденных в разных скоростях охлаждения // Материалы республиканской научно-технической конференции «Перспективы развития техники и технологии и достижения горно-металлургической отрасли за годы независимости Республики Узбекистан» (Навои, 12–14 мая 2011 г.). – С. 143.
3. Аскарова Н.М., Самадов А.У. Возможности переработки шлаков медного производства гидрометаллургическим способом // Вестник науки и образования. – 2020. – № 10 (88). – С. 36–40.
4. Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Шлаки и штейны цветной металлургии. – М. : Металлургия, 1969. – 406 с.
5. Samadov A.U., Askarova N.M. Study of the Physical-mineralogical Properties of Quickly-chilled Slag and Possible Methods of its Further Processing // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – India : National Institute of Science Communication and Information Resources, 2019. – Vol. 6. – Issue 4. – Р. 8962–8967.