Дослідження можливостей зниження втрат свинцю та міді зі шлаками - Автореферат

Серед дослідників існують теоретичні розбіжності з питання механізму й послідовності розчинення металів в шлаках, форм і кількості втрат; також не знайдені доступні методи визначення розчинених міді, свинцю, цинку в промислових шлаках. У звязку з цим виникає необхідність у проведенні комплексних досліджень спрямованих на зниження вмісту важких кольорових металів в шлаках, а також у розробці нових і вдосконаленню вже існуючих методів визначення втрат металів в промислових шлаках. Роботу виконано в рамках науково-дослідної роботи кафедри металургії кольорових металів Запорізької державної інженерної академії за державною програмою на тему: «Дослідження в галузі кольорових металів, напівпровідників і композиційних матеріалів» (3-I ДВ/04 затверджена 29.11.04), по науково-дослідній роботі: ”Дослідження фазових перетворень і розробка структурно-мінералогічних критеріїв оцінки втрат металів у шлаках кольорової металургії” (3-ІД /97 затверджена 25.12.96) У роботі використовувався комплекс методів: метод мікроскопії у відбитому й прохідному світлі для діагностики мінеральних фаз і для вивчення мікроструктури шлаків, які охолоджено з різною швидкістю, що дозволило встановити послідовність кристалізації фаз і явища ліквації; рентгенівський фазовий аналіз - для підтвердження правильності мікроскопічної діагностики і визначення рентгеноаморфності силікатних шлакових стекол; метод селективного хімічного розчинення - для витягування зі шлаків деяких мінеральних фаз в чистому вигляді з метою визначення їх складу хімічним аналізом; прикладний регресійний аналіз для визначення аналітичним шляхом початкових даних експериментальних плавок (складали план - матрицю експерименту); метод флотації для встановлення можливості витягування з деяких шлаків колективного сульфідного концентрату. виявлено, що склад краплинних сульфідних виділень в шлаках залежить від складу штейну і ступеня відновлення шлаку;Дослідники на підставі використання цих методик висувають різні механізми виникнення втрат важких металів зі шлаками і різні співвідношення розчинених і механічних втрат міді і свинцю. Далі в розділі приділяється увага формам вмісту свинцю і цинку, що знаходяться спільно в розкристалізованих промислових шлаках. Строітелєвим І.О. були встановлені в шлаках шахтної свинцевої плавки Усть-Каменогорського заводу наступні мінерали, які містять цинк: шпінель (Zn,Fe)O.(Al,Fe)2O3, вюстит ((Fe,Zn,Mg)1-XO, фаяліт [(Fe,Zn,Mg)2-XCAX]SIO4, мелилит (Ca,Na,K)2.(Zn,Fe,Mg,Al)(Si,Al)2O7, і 6% вюртциту a-ZNS, що виділяється зі шлаків при охолоджуванні. У даному розділі зазначається, що ще не вивчені складні і непостійні за складом сульфідні фази, що розчиняються в шлаках, закономірності зміни складу і кількості цих фаз в шлаках одного і того ж процесу. Четвертий розділ присвячено визначенню можливості оцінки розчинних і механічних втрат свинцю і міді в промислових шлаках за даними мікроскопії. метал шлак концентрат електропічРозчинені в рідких шлаках важкі кольорові метали виділяються при охолоджуванні у вигляді металевих і крапельно-рідких сульфідних фаз, а нікель і олово входять іноді в структуру деяких оксидних і силікатних фаз шлаків. У шлаках з нормальним ступенем відновлення міститься 0,7…0,8% розчиненого свинцю. Встановлено, що з відвальних і конвертерних шлаків, розплави яких контактували з мідними, свинцево-мідними, мідно-нікелевими і нікелевими штейнами, при охолоджуванні виділяються дрібні (менше 0,2 мм) краплиннорідкі сульфідні фази, до складу яких входять розчинені в шлакових розплавах важкі метали, залізо, мишяк, сурма, сіра і іноді навіть кисень. Склад сульфідних виділень в шлаках різних металургійних процесів різноманітний, залежить від складу штейну і ступеня відновлення шлаку. Частка механічних втрат свинцю при цьому підвищується з 0,4 до 1,7%, що супроводжується зростанням вмісту магнетиту в шлаках від слідів до 10…11% , і зниженням вмісту сірки знижується в пять разів (з 2,86 до 0,57%) головним чином за рахунок окислення сірки, що розчинена в шлаку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Встановлено основні структурно- мінералогічні крітеріі розчинних і механічних втрат важких кольорових металів у відвальних шлаках свинцевого, цинкового, мідного і нікелевого виробництв і в шлаках конвертування свинцево-мідних, мідних і мідно-нікелевих штейнів.

Розчинені в рідких шлаках важкі кольорові метали виділяються при охолоджуванні у вигляді металевих і крапельно-рідких сульфідних фаз, а нікель і олово входять іноді в структуру деяких оксидних і силікатних фаз шлаків. Розчинений в шлаках шахтної плавки свинець виділяється при охолоджуванні у вигляді металу. Виявлені відмінності його виділень від частинок веркблею. У шлаках з нормальним ступенем відновлення міститься 0,7…0,8% розчиненого свинцю. У конвертерному шлаку весь розчинений свинець може входити в структуру силікатного скла, в якому встановлено до 35% PBO. Розчинна мідь при охолоджуванні виділяється з шлаків конвертування і фюмінгування при в основному у вигляді металу. Розчинене олово при охолоджуванні шлаків видбивної плавки і електроплавки завжди виділяється у вигляді металу в шлаковому склі між кристалами силікатів.

2. Встановлено, що з відвальних і конвертерних шлаків, розплави яких контактували з мідними, свинцево-мідними, мідно-нікелевими і нікелевими штейнами, при охолоджуванні виділяються дрібні (менше 0,2 мм) краплиннорідкі сульфідні фази, до складу яких входять розчинені в шлакових розплавах важкі метали, залізо, мишяк, сурма, сіра і іноді навіть кисень.

Встановлено, що краплинні сульфідні виділення завжди різко відрізняються за складом від частинок штейну, що знаходилися в рідкому шлаку у вигляді суспензії. У найбільшій кількості сульфідні виділення містять шлаки початку I-го періоду конвертування. Підвищення в промислових шлаках вмісту оксиду кальцію з 0,7…2,2 до 17…18% і кремнезему з 18…25 до 47…52% зменшує кількість сульфідних виділень в 2,3…2,5 рази, що пояснюється зменшенням обєму іонно-електронних сиботаксичних груп, багатих на FEO, який визначає розчинність сульфідних фаз.

Склад сульфідних виділень в шлаках різних металургійних процесів різноманітний, залежить від складу штейну і ступеня відновлення шлаку.

3. На прикладі конвертерних шлаків від переробки свинцево-мідного і мідного штейнів і відвальних шлаків фюмінгування показано, що при зростанні ступеня окислення шлаку, зміні складу штейну до білого мату на практиці досягається зниження в них вмісту сірки в 8…10 разів в основному за рахунок сірки, що розчинена в розплаві шлаків. Це призводить до зменшення кількості сульфідних виділень в шлаку і зміни їх складу. У цих виділеннях головні сульфіди убувають в такій послідовності: (Zn,Fe)S>Fe1-XS>Cu2FES4> PBS> Cu2S).

При підвищенні ступеня окислення в шлаку конвертування нікелевого і мідно-нікелевого штейну убуває кількість сульфідних виділень, але зростає вміст розчиненого нікелю, що входить в структуру шлакового магнетиту, який містить до 6…7% нікелю.

У відвальних шлаках від виплавки нікелевого і мідно-нікелевого штейну розчинений нікель входить в структуру піротину (Fe,Ni)1-XS, що кристалізується з краплинних сульфідних виділень. Отримання під цими шлаками металізованого феронікелем штейну виключає за законом парагенезису можливість входження розчиненого в шлаковому розплаві нікелю в структуру оксидних і силікатних кристалічних шлакових фаз.

Цинк в невеликій кількості виділяється у вигляді сульфіду з шлаків, що охолоджуються. В основному катіони цинку входять в структури різних силікатних фаз частіше як ізоморфний замінник катіонів двовалентного заліза. Свинець на відміну від цинку не входить в структуру кристалічних шлакових фаз.

Встановлено, що конвертерні шлаки мають найбільш високу розчинність свинцю і міді. В ході конвертування свинцево-мідних штейнів розчинність свинцю в шлаках зростає з 1,4 до 12,4% і міді - від 0,4 до 2,5 %, що пояснюється значним зростанням ступеня окислення шлаку до кінця I-го періоду конвертації.

4. Розроблено простий за технікою виконання метод визначення величин розчинності свинцю, міді, нікелю, олова і сірки в промислових силікатних шлаках. Метод полягає в отриманні пластинок шлакового скла в процесі водної грануляції або гарту шлаку водним струменем, подрібненні їх до фракції -50 мкм, і видаленні з даних пластинок частинок штейну і металевих фаз селективним хімічним розчиненням сумішшю брому і метилового спирту при кімнатній температурі. Кількість розчиненого в рідкому шлаку кольорового металу визначають за його вмістом в пробі пластинок шлакового скла. Аналогічну методику запропоновано використовувати для надійного встановлення вмісту тривалентного заліза в шлаках.

5. Вивчені причини високих втрат свинцю зі шлаками і штейнами шахтної свинцевої плавки. Встановлено, що вміст загального свинцю в шлаках зростає в основному за рахунок підвищення його розчинності в шлаковому розплаві з 0,7 до 5,7% Pb. Частка механічних втрат свинцю при цьому підвищується з 0,4 до 1,7%, що супроводжується зростанням вмісту магнетиту в шлаках від слідів до 10…11% , і зниженням вмісту сірки знижується в пять разів (з 2,86 до 0,57%) головним чином за рахунок окислення сірки, що розчинена в шлаку.

Провідною причиною зростаючих втрат свинцю зі шлаком є зниження ступеня відновлення шлаку, яка залежить від сукупного впливу багатьох відомих чинників. Навіть при найвищому ступені відновлення, що досягається на практиці, в шлаках переважають катіони розчиненого свинцю, який при охолоджуванні виділяється у вигляді найдрібніших (менше 0,04 мм) крапель металу завдяки реакції: Pb2 2Fe2 = Pb0 2 Fe3 .

У шлаках шахтної плавки різних свинцевих заводів вміст свинцю зазвичай коливається в межах 1…3%, що викликано в основному змінною розчинністю свинцю в шлаках із-за нестабільності ступеня їх відновлення.

Знаходження в шихті шахтної плавки галеніту, недовідновлення свинцю цього сульфіду до металу в періоди зниження відновної здатності печі і необмежена розчинність галеніту в штейні є причинами отримання багатих свинцем штейнів. Над такими штейнами утворюються шлаки з високим вмістом розчиненого свинцю.

6. Описані причини, що перешкоджають точному визначенню хімічним аналізом вмісту тривалентного заліза або магнетиту в шлаках для оцінки ступеня їх відновлення. Запропоновано селективний розчинник, що видаляє з шлаків сульфіди і металеві фази та розкриває можливість точного визначення вмісту в шлаках тривалентного заліза.

Встановлено, що збільшення ступеня окислення шлаків різних металургійних процесів на практиці супроводжується зниженням вмісту сірки в 3…10 разів, що відкриває можливість контролю ступеня окислення шлаків за вмістом в них сірки.

7. Визначено, що причинами високих втрат міді з відвальними шлаками фюмінгування є періодичне проведення окислювального продування шлаку зі штейном, яке викликає підвищення вмісту розчиненої міді в шлаку з 0,20 до 0,67% і флотацію штейнових частинок в рідкому шлаку, який відстоюється, що збільшує частку механічних втрат міді з 0,1 до 1,4%.

8. Встановлено, що шлаки від виплавки олова відрізняються змінним складом, в якому кількісно переважають різні силікати: цинк - і кальцієвмісний фаяліт, піроксени геденбергіт-діопсидового ряду або авгіт, меліліт, гранат з мелілітом, псевдоволастоніт, анортит з піроксенами.

Причиною високих втрат олова є висока розчинність цього металу в шлакових розплавах внаслідок підвищеного вмісту в них заліза і недостатнього ступеня їх відновлення. Катіони Sn2 входять в структуру танталолопариту, мікроліту, гранату і авгіту, що кристалізуються з шлаків.

9. Придатність для витягування міді флотацією мають шлаки I-го періоду конвертування мідних штейнів і відвальні шлаки з підвищеним вмістом міді.

Запропоновано отримання конвертерних шлаків, які містять до 10…20% силікофериту 5FEO•Fe2О3•SIO2, що відкриває можливість додаткового укрупнення сульфідних виділень, зменшення виходу шлаку за рахунок скорочення витрати кварцового флюсу, і прискорення подрібнення шлаку.

У відвальних шлаках, що направляються на флотацію для обезміднення, доцільно знижувати вміст кремнезему 25…26%, а в штейні можна підвищувати концентрацію міді. Хвости флотації конвертерних і відвальних шлаків бажано використовувати як залізисті добавки до цементної шихти.

На свинцевих заводах в процесі фюмінгування отримують шлаки, придатні для витягування міді флотацією.

10. Теоретично обґрунтована можливість використання цинкового концентрату як сульфідизатора при збідненні шлаків міддю, свинцем і цинком в електротермічних печах. Укрупнено-лабораторні випробування показали, що використання нового сульфідизатора замість піриту несе ряд переваг.

11. Для безвідходної переробки шлаків кольорової металургії рекомендовано використання метода цементації, який дозволяє отримувати деметалізовані шлаки для виробництва багатьох будівельних матеріалів.

Крысенко Н.С., Косенко В. Н., Федоров Ю.П. О подготовке вторичного свинцового сырья к плавке // Состояние, проблемы и перспективы развития производства цветных металлов в Украине: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 1997. - С. 224-226.

Косенко В.Н., Крысенко Н.С. Снижение потерь металлов со шлаками свинцовой вторичной плавки // Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 1998. - №1. - С. 59-62.

Строителев И.А., Шишкин В.И., Косенко В.Н. Метод определения содержания растворенных в шлаках тяжелых цветных металлов и серы // Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 1998. - № 1. - С. 62-64.

Крысенко Н.С., Косенко В.Н., Коломойцева Т.А. Определение оптимального состава шлака в свинцовом производстве методом математической статистики // Металлургия и горнорудная промышленность. - 1999. - №1. - С. 54-55.

Строителев И.А., Шишкин В.И., Косенко В.Н. Сульфидизатор для обеднения шлаков медью, свинцом и цинком в электропечах // Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 1999. - №2. - С. 38-41.

Строителев И.А., Косенко В.Н. Возможности уменьшения потерь меди с отвальными шлаками свинцового производства // Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 2000. - №3. - С. 26-31.

Косенко В.Н. Гравитационная дифференциация в полиметаллических штейнах // Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 2003. -№8. - С. 108-109.

Косенко В.Н., Пожуев В.И., Грицай В.П., Скачков В.А. Об оптимизации состава шлаков шахтной плавки вторичного свинецсодержащего сырья // Металургія: Зб. наук. праць. - Запоріжжя: ЗДІА, 2006. - №14. - С. 118-120.

Косенко В.Н., Червоный И.Ф. Оценка степени восстановления металлургических шлаков // Теория и практика металлургии. - Днепропетровск, 2008. - С. 16-19.

Косенко В.Н. Об определении содержания растворенных цветных металлов в промышленных шлаках // Металургія: Зб. наук. праць. - Запоріжжя: ЗДІА, 2008. - №17. - С. 148-150.

Косенко В.Н., Строителев И.А. О снижении содержания тяжелых цветных металлов // Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення: II науково-технічна конференція. - К.: Знання України, 2003.- С.135-137.

Косенко В.Н., Строителев И.А. Переработка в электропечах шлаков цветной металлургии с применением нового сульфидизатора // Переработка энергоресурсных отходов. Проблемы и решение по очистке отходящих газов и теплоутилизации: III научно-практическая конференция. - К.: Знание Украины, 2003.

Глодова А.И., Косенко В.Н. Исследование потерь свинца в шлаке вторичной шахтной свинцовой плавки в зависимости от содержания в нем магнетита // XII науково-технічна конференція студентів, магістрантів і викладачів ЗДІА. - Запоріжжя: ЗДІА, 2007. - Ч. II. - С. 85.

Косенко В.Н. Улучшение качества подготовки шлаков к флотации с целью максимального извлечения из них меди и свинца // Стратегия качества в промышленности и образовании: III Международная конференция. - Днепропетровск - Варна: изд-во ВТУ, 2007. - Т. 1. - С. 274-273.

Косенко В.Н., Грицай В.П. Некоторые направления развития ресурсосберегающих технологий в цветной металлургии // Вирішення технологічних та медико-біологічних проблем при використанні промислових і побутових відходів: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2008.- С. 25-26.

Косенко В.Н., Грицай В.П. Применение методов математического моделирования с целью оптимизации состава шлака шахтной свинцовой плавки // Компютерне моделювання в хімії та технологіях: І науково-практична конференція з міжнародною участю. Черкаси, 12-16 травня 2008 р. - Черкаси, 2008. - С. 233-234.

Крисенко Н.С., Сланов А.Г., Падалка В.П., Крисенко Н.С., Черевик К.А., Косенко В.Н. Спосіб переробки побічної свинцевої сировини // Деклараційний патент України. від 15. 04. 2004.-№70762.-А.