Технология комплексной переработки высококремнистой и труднообогатимой минеральной руды с получением концентрата РЗМ и высокодисперсного диоксида кремния

Технологическая схема переработки высококремнистой и труднообогатимой руды месторождения Кундыбай с получением концентрата оксидов РЗМ и осажденного диоксида кремния ("белой сажи"). Режимные параметры основных операций, проверка технологии в лаборатории.

Рубрика Химия
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 20.09.2018
Размер файла 226,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Акционерное общество «Институт металлургии и обогащения»;

Горно-металлургический институт, Некоммерческое акционерное общество «Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева», г. Алматы, Республика Казахстан

Технология комплексной переработки высококремнистой и труднообогатимой минеральной руды с получением концентрата РЗМ и высокодисперсного диоксида кремния

1Бочевская Елена Геннадьевна - кандидат технических наук, доцент, и. о. заведующего лабораторией;

2Каршигина Зауре Байтасовна - доктор философии (PhD), научный сотрудник;

3Саргелова Эльмира Абдихаликовна - магистр, инженер, лаборатория редких рассеянных элементов,

4Абишева Зинеш Садыровна - академик Национальной Академии наук Республики Казахстан, доктор технических наук, профессор, директор,

Email: Bochevskaya636@scientifictext.ru

Аннотация

месторождение оксид кремний осажденный

В статье представлена технологическая схема переработки высококремнистой и труднообогатимой руды месторождения Кундыбай с получением концентрата ? оксидов РЗМ и осажденного диоксида кремния («белой сажи»). Определены режимные параметры основных операций. Технология проверена в укрупнено-лабораторных условиях. Сквозное извлечение ?оксидов РЗМ в концентрат и кремния в товарный продукт от их исходного содержания в руде составило ~ 82,7 и 73,4% соответственно. Концентрат содержит ~1,0% ?оксидов РЗМ, в нем преобладают церий, неодим, иттрий и лантан. Получен образец «белой сажи» с содержанием диоксида кремния 87% и удельной поверхностью 312 м2/г.

Ключевые слова: руда, редкоземельные металлы, осажденный диоксид кремния, извлечение, концентрат, белая сажа, технология.

Abstract

In the article the technological scheme of processing of high-silicon and difficult-enriching ore of the Kundybai deposit with the production of a concentrate of У REM oxides and precipitated silica ("white soot") is presented. The mode parameters of the basic operations are determined. The technology has been tested in the enlarged-laboratory conditions. The end-to-end recovery of the REM oxides into the concentrate and silicon into the commercial product from their initial content in the ore was ~ 82.7 and 73.4%, respectively. The concentrate contains ~ 1.0% of У REM oxides; cerium, neodymium, yttrium and lanthanum predominate in it. A sample of "white soot" with a silica content of 87% and 312 m2/g specific surfaces was obtained.

Keywords: ore, rare earth metals, precipitated silicon dioxide, recovery, concentrate, white soot, technology.

За последние 50 лет объем производства редкоземельных металлов увеличился в 25 раз (с 5 тыс. т до 125 тыс. т в год) [1]. Развитие высокотехнологичных областей техники влечет за собой увеличение спроса на РЗМ. По оценкам консалтинговой компании Industrial Mineral Company of Australia (IMCOA), ежегодный мировой спрос на редкие земли к 2020 г. достигнет 200-240 тыс. т [2].

Перед металлургической отраслью Казахстана в Послании Президента Республики Казахстан Н.А. Назарбаева «Стратегия - 2050» поставлена задача «наращивать разработку редкоземельных металлов (РЗМ), учитывая их значимость для наукоемких отраслей - электроники, лазерной техники, коммуникационного и медицинского оборудования».

В Казахстане, несмотря на имеющийся потенциал, переработка собственных редкоземельных ресурсов находится на начальном этапе. Имеющееся предприятие ТОО «Иртышская редкоземельная компания» (IRESCO), где перерабатывают привозные концентраты из Соликамского магниевого завода с получением редкоземельных металлов, не загружено в полную мощность в связи с недостаточностью обеспечения сырьем - кондиционными редкоземельными концентратами. В настоящее время в качестве потенциальных источников редкоземельных металлов рассматриваются урановые хвостохранилища, растворы подземного выщелачивания урановых руд и минеральные месторождения РЗМ.

В Казахстане из собственно редкоземельных месторождений наиболее перспективным является месторождение Кундыбай, расположенное в Костанайской области. Содержание суммы редких земель в руде находится в пределах 0,048-0,064%, а по некоторым данным [3] достигает 0,320%, в том числе неодима, тербия и европия, являющихся наиболее ценными из них - 0,120, 0,020 и 0,006%, соответственно.

Рудопроявление месторождения Кундыбай представляет собой новый генетический тип месторождений РЗМ, не имеющий аналогов в мире [4]. Оно характеризуется связью с корой выветривания метаморфических пород, неизвестной ранее ассоциацией минералов РЗМ (черчит, иттрорабдофанит, неодимовый и иттриевый бастнезит) при уникально высоких содержаниях европия и других дефицитных лантаноидов. Значительная часть РЗМ находится в форме неизвлекаемой при флотационном и гравитационном методах обогащения. В связи с этим в качестве альтернативы могут быть эффективны гидрометаллургические способы извлечения редкоземельных металлов.

На сегодняшний день основным видом сырья для производства РЗМ в мире служит монацит. Монацитовый концентрат перерабатывается сернокислотным и щелочным способами [5]. Большее предпочтение отдается сернокислотному способу, т.к. он более экономичен и универсален. Следует отметить, что в монацитовом концентрате содержание суммы оксидов РЗМ находится на уровне 58 - 65%, а руда месторождения Кундыбай содержит примерно в 600 раз меньше РЗМ и значительно больше примесей.

Известны способы [6], когда гидрохимической обработке подвергались редкоземельные коры выветривания, в которых ?R2О3 составляла 0,10-0,15%. Способы основаны на сернокислотном выщелачивании сырья, извлечении и концентрировании РЗМ из сернокислых растворов. Полученные шламы не подвергаются дальнейшей обработке. Авторами [7] опубликованы результаты исследований по извлечению РЗМ из раствора выщелачивания кор выветривания Китая. Для извлечения РЗМ из растворов рассмотрены экстракционный, сорбционный и мембранный способы.

При переработке руд месторождения Кундыбай предусматривается получение не только концентрата РЗМ, но также и осажденного диоксида кремния, что накладывает определенные требования и условия к рассматриваемым процессам и требует создания новой технологической схемы.

Осажденный диоксид кремния («белая сажа»), обладающий высокой удельной поверхностью и специфичной структурой, применяется как усиливающий наполнитель для шинных резин, искусственных кож и обувных материалов [8-11].

Аморфный диоксид кремния в чистом виде почти не встречается в природе. Его можно получить только технологическим способом. В зависимости от способа получения известны как пирогенный, так и осажденный аморфный диоксид кремния [12]. При производстве осажденного кремнезема обычно используют силикат щелочного металла и серную кислоту. Кварцевый песок является кремнийсодержащим материалом, из которого получают силикат щелочного металла [13].

Пирогенный диоксид кремния по своим качественным характеристикам превосходит осажденный, однако, он более дорогостоящий. Получение осажденного диоксида кремния дешевым способом, который бы максимально близко соответствовал пирогенному продукту, - одна из важнейших задач в производстве диоксида кремния.

Производство осажденного кремнезема в США составляет около 145,000 тонн SiO2 [14] и цены на него меняются в значительной степени (от $1 до $4,5 за кг) в зависимости от области его применения.

Особенностью доступных казахстанских сырьевых источников является низкое содержание РЗМ и сложный минералогический состав, заключающийся, как правило, в высоком содержании кремнийсодержащих соединений.

Высококремнистые руды месторождения Кундыбай, содержащие в своем составе, соответственно, около 60% (масс.) кремния в пересчете на его диоксид, могут стать перспективными сырьевыми источниками получения не только редкоземельных металлов, но и высокодисперсного диоксида кремния. Переработка этих руд до сих пор не осуществляется из-за отсутствия эффективной технологии.

Объектом исследований являлась руда, % (масс.): 59,06 SiO2, 19,14 Al2O3, 6,21 Fe2O3, 0,68 TiO2; 1,55 K2O; 1,26 MgO; 0,54 СаО и др., сумма редкоземельных элементов (?РЗЭ) составляла 438,0 г/т.

В работе представлена технологическая схема комплексной переработки труднообогатимой минеральной руды с получением концентрата РЗМ и осажденного диоксида кремния (рисунок 1).

Технологическая схема переработки руды (рисунок 1) включает операции: сульфатизацию, выщелачивание сульфатного продукта (спека) водой, осаждение РЗМ-содержащего гидратного осадка из раствора щелочью, выщелачивание РЗМ-содержащего осадка, получение оксалатов РЗМ с последующим их прокаливанием и получением концентрата ?оксидов РЗМ, промывка кремнийсодержащего кека, его автоклавное выщелачивание с получением силикатного раствора (78-85 г/дм3 SiO2), очистка раствора силиката натрия от алюминия и осаждение из него «белой сажи».

Рис. 1. Технологическая схема переработки руды месторождения Кундыбай с получением концентрата РЗМ и «белой сажи»

Разработанная технология проверена в укрупнено-лабораторных условиях на имеющемся оборудовании.

Режимные параметры технологии комплексной переработки руды:

• Сульфатизация проводилась с рудой, предварительно смешанной с раствором 9 моль/дм3 серной кислоты при соотношении Т:Ж = 1:0,36 и температуре 200°С. Время сульфатизации 2 ч. Полученный РЗМ-содержащий сульфатный спек, содержал, % (масс.): 48,7 SiO2, 15,0 Al2O3, 5,18 Fe2O3 и 0,03051 ?РЗМ.

• Водное выщелачивание измельченного сульфатного спека осуществляли при интенсивном перемешивании с включенной вращающейся мешалкой n = 500 об/мин и поддержании следующих условий: температура 90°С; соотношение Т:Ж = 1:2,5; продолжительность - 4 ч. При оптимальных условиях водного выщелачивания получен кремнийсодержащий кек, % (масс.): 64-70 SiO2; 12-15 Al2O3; 4-6 Fe2O3.

• Осаждение РЗМ-содержащего гидратного осадка проводили при температуре 50єС и постоянном перемешивании полученного сульфатного раствора с добавлением раствора гидроксида натрия с концентрацией 310 г/дм3 до рН = 7. После окончания добавления раствора NaOH пульпа перемешивается в течение 2 ч. Полученный РЗМ-содержащий гидратный осадок, % (масс.): 0,16 ?РЗМ, 29,3 Al2O3 и 13,9 Fe2O3 выщелачивали раствором гидроксида натрия при интенсивном перемешивании и заданных температуре и времени процесса.

• Получение оксалатных солей осуществляли при постоянном перемешивании и контактировании РЗМ-содержащего кека с раствором 2 моль/дм3 щавелевой кислоты H2C2O4, температуре 90єС, соотношении Т:Ж = 1:5 в течение 3 ч. Промывка обогащенного РЗМ продукта горячей водой, сушка и его прокаливание при температуре 900єС в течение 2 ч с получением концентрата ?оксидов РЗМ.

Концентрат РЗМ, содержит ~1,0% ?оксидов РЗМ, 14,8 % Al2O3 и 70,1% Fe2O3. Содержание оксидов редкоземельных металлов в концентрате РЗМ представлено в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, в полученном продукте из металлов группы редких земель преобладают церий, неодим, иттрий и лантан.

Таблица 1. Содержание оксидов РЗМ в концентрате

Оксид РЗМ

Содержание, %

Оксид РЗМ

Содержание, %

Y2O3

0,1543

Gd2O3

0,0620

Sc2O3

0,0323

Tb2O3

0,0061

La2O3

0,1365

Dy2O3

0,0342

Ce2O3

0,2398

Ho2O3

0,0034

Pr2O3

0,0859

Er2O3

0,0073

Nd2O3

0,1640

Tm2O3

0,0019

Sm2O3

0,0298

Yb2O3

0,0130

Eu2O3

0,0082

Lu2O3

0,0037

Концентрат проанализирован на содержание редких земель с использованием нейтронноактивационного метода анализа. Результаты анализов подтверждают состав и указывают на присутствие металлов группы редких земель в концентрате.

• Автоклавное выщелачивание кремнийсодержащего кека раствором 180 г/дм3 гидроксида натрия при соотношении Т:Ж=1:6, температуре 220єС и продолжительности процесса - 3 ч проводилось на автоклавной установке, которая представляет собой воздушный термостат с перемешивающей крестовиной для установки 6 автоклавов объемом 0,3 дм3. Скорость перемешивания крестовины - 60 об/мин. Контроль давления внутри высокотемпературного реактора, температура среды и задатчика программы температурного режима осуществляли с помощью электронного блока управления нагревом с индикацией температуры. Давление внутри реактора 2,0 - 2,5 мПа.

• Очистка раствора силиката натрия от алюминия и осаждение «белой сажи» проводится постепенным добавлением 40% раствора серной кислоты при интенсивном перемешивании с включенной вращающейся мешалкой.

• Промывка осажденного диоксида кремния до рН 6-6,5, сушка осадка при 300єС, истирание «белой сажи» на сите 0,14.

Обработка результатов укрупненно-лабораторных испытаний и их анализ показал, что извлечение ?РЗМ из руды месторождения Кундыбай на различных переделах составило на стадии, %: сульфатизации руды - 100,0; водного выщелачивания спека - 84,0; осаждения гидратного осадка - 100,0; выщелачивания гидратного осадка - 100,0 и получения концентрата ?оксидов РЗМ - 98,5.

В таблице 2 представлен состав «белой сажи». Осадок «белой сажи» соответствует требованиям ГОСТа 18307-78. Содержание диоксида кремния в «белой саже» составило 87 %. Удельная поверхность (S) полученного осажденного диоксида кремния составила 312 м2/г.

Таблица 2. Физико-химические показатели «белой сажи», полученной в результате укрупненно-лабораторных испытаний

Вес «белой сажи, г

Содержание, % (масс.)

S, м2

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Fe2O3

Na2O

ГОСТ 18307 - 78

87,0

0,1

0,8

0,17

1,1

120?20

Осадок «белой сажи»

3235

87,0

0,08

0,32

0,07

н/о

312

Сквозное извлечение ?оксидов РЗМ в концентрат и кремния в товарный продукт от их исходного содержания в руде составило ~ 82,7 и 73,4%, соответственно.

Укрупненно-лабораторные испытания показали принципиальную возможность переработки труднообогатимой высококремнистой минеральной руды месторождения Кундыбай с получением концентрата РЗМ и осажденного диоксида кремния - «белой сажи», удовлетворяющей требованиям ГОСТа 18307-78.

Предлагаемая технология позволит дополнительно выпускать экспортно-ориентированную продукцию и решить проблему импортозамещения тонкодисперсного диоксида кремния в Республике Казахстане. Потенциальными потребителями предлагаемой технологии могут являться компании, заинтересованные в получении диоксида кремния и редкоземельной продукции.

Работа выполнена по гранту № 1524/ГФ4 Министерства образования и науки Республики Казахстан

Список литературы / References

1. Самсонов М.Ю., Семягин И.Н. Обзор мирового и российского рынка редкоземельных металлов [Электронный ресурс]. 2014. lib.ieie.su›docs/SamsonovObzorECO2014-2.pdf/ (дата обращения: 20.04.2014).

2. Редкие элементы: рынок дает добро // Международный деловой журнал KAZAKHSTAN. Редакционный обзор, 2013. № 3. С. 56-58.

3. Козлов В.А. Научное обоснование развития собственной сырьевой базы редких и редкоземельных металлов Казахстана. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ign.kz/index.php?dn=down&to=open&id=52/ (дата обращения: 20.04.2014).

4. Найманбаев М., Бектурганов Н., Лохова Н., Балтабекова Ж. Технологии для редкоземельной индустрии // Горно-металлургическая промышленность, 2015. № 7. С. 56-61.

5. Зеликман А.Н. Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана. М.: Металлургиздат, 1960. 384 с.

6. Шарипов М.Ш., Стряпков A.B. Гидрохимическое извлечение РЗЭ из высококремнистого глинозёмсодержащего сырья // Сб.: Проблемы химии и металлургии Центрального Казахстана. В 4-х т. Т. 1. Цветная металлургия и неорганическая химия. Алма-Ата: Наука, 1985. С. 118-125.

7. Tian Jun, Yin Jingqun, Chen Kaihong, Rao Guohua, Jiang Mintao, Chi Ruan. Extraction of rare earths from the leach liquor of the weathered crust elution-deposited rare earth ore with non-precipitation // International Journal of Mineral Processing, 2011. V. 98. P. 125-131.

8. Silicas // Elastomerics, 1991. 123. № 8. P. 31.

9. Cochrane H. and Lin C.S. The influence of fumed silica properties on the processing, curing and reinforcement properties of silicone rubber // Rubber Chem. and Technol., 1993. 66. № 1. P. 48-60.

10. Заявка 2302325 Япония. Метод извлечения кремния из кислых стоков. / Сёва дэнко К.К. Заявл.17.05.1989. Опубл.14.12.1990.

11. Патент Японии JP 09286611 A2 Manufacture of high-purity silica for sealing material fillers for electric devices from metal smelting slags / Nippon Steel Chemical Co. Ltd. Japan, 4 Nov. 1997.

12. Fathi Habashi. Handbook of Extractive Metallurgy. WILEY-VCH, Heidelberg. Germany, 1984. Vol. 4. Р. 584 - 660.

13. Smart M. Silicates and Silicas. Chemical Economics Handbook Marketing Research Report 766 - 4000 A, 2001. 126 p.

14. Flеrke O.W. and etc. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim, Germany Wiley-VCH Verlag GmbH.8087, 2001. 193 p.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Технология производства диоксида титана, области применения. Получение диоксида титана из сфенового концентрата. Сернокислотный метод производства диоксида титана из ильменита и титановых шлаков. Производство диоксида титана сульфатным и хлорный методом.

    курсовая работа [595,9 K], добавлен 11.10.2010

  • Технология производства меди из окисленных руд методом кучного выщелачивания. Расчет рационального состава окисленной медной руды. Выбор оптимальных параметров переработки руды и минимизация рисков, связанных с недостижением проектных показателей.

    курсовая работа [445,8 K], добавлен 12.04.2015

  • Определение условий ультразвукового диспергирования растворов уранилнитрата на лабораторной установке. Проведение эксперимента по термохимической денитрации реэкстракта урана в прямоточно-трубчатой электропечи с получением оксидов, проверка эффективности.

    дипломная работа [381,4 K], добавлен 27.11.2013

  • Прямое азотирование кремния. Процессы осаждения из газовой фазы. Плазмохимическое осаждение и реактивное распыление. Структура тонких пленок нитрида кремния. Влияние поверхности подложки на состав, структуру и морфологию осаждаемых слоев нитрида кремния.

    курсовая работа [985,1 K], добавлен 03.12.2014

  • Технология получения серной кислоты контактным методом. Разработка технологической схемы включающей, сжигания серы, окисления диоксида серы и его абсорбции с получением товарной серной кислоты. Выбор и расчет основного аппарата – контактного аппарата.

    дипломная работа [551,2 K], добавлен 06.02.2013

  • Строение атома кремния, его основные химические и физические свойства. Распространение силикатов и кремнезема в природе, использование кристаллов кварца в промышленности. Методы получения чистого и особо чистого кремния для полупроводниковой техники.

    реферат [243,5 K], добавлен 25.12.2014

  • Обзор руднотермических печей, применяемых при производстве кремния. Пересчет химического состава сырья и углеродистых восстановителей, применяемых при производстве кремния в мольные количества химических элементов с учетом загрузочных коэффициентов.

    курсовая работа [516,0 K], добавлен 12.04.2015

  • Стереографические проекции элементов симметрии и рутильной модификации диоксида титана. Стандартная установка кристаллографических и кристаллофизических осей координат. Изображение заданной грани на сетке Вульфа. Расчет дифрактограммы диоксида титана.

    курсовая работа [1,9 M], добавлен 26.11.2014

  • Физико-химические основы процесса производства аммиака, особенности его технологии, основные этапы и назначение, объемы на современном этапе. Характеристика исходного сырья. Анализ и оценка технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.02.2012

  • Рентгеновский структурный анализ. Основные экспериментальные методы рентгеноструктурного анализа: метод Лауэ, порошка, вращения кристалла, малоуглового рассеяния, Дебая-Шеррера. Определение атомной структуры по данным дифракции рентгеновских лучей.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.12.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.