Направления совершенствования механохимических процессов при утилизации хвостов обогащения руд

Размещено на http://www.allbest.ru/

Направления совершенствования механохимических процессов при утилизации хвостов обогащения руд

В.И. Голик, В.Б. Келехсаев, Ю.А. Майстров, А.С. Олисаев; Северо-Кавказский государственный технологический университет

Рассмотрена проблема безотходного извлечения металлов из хвостов первичной переработки руд. Представлена обобщенная концепция развития механохимической технологии извлечения металлов путем выщелачивания в дезинтеграторе. Рассматривается теория и практика механохимического извлечения металлов из руд, и дается оценка существующего положения.

В статье освещены проблемы повышения скорости и полноты извлечения металлов, оставшихся после первичной переработки методами традиционного обогащения, приводится аргументация и научное описание новых методов интенсификации выщелачивания металлов в дезинтеграторе. Особое внимание уделено эффективности комплексирования способов воздействия на минерал с целью повышения извлечения, что позволит снизить эксплуатационные затраты.

Область применения прорывной технологии безотходного извлечения металлов из омертвленного убогого сырья может быть повышена путем использования новых и перспективных технологий, основанных на увеличении энергетики процессов. Экспериментально подтвержден феномен безотходного извлечения суммы металлов в коллективный концентрат путем многократной активации в дезинтеграторе.

Необходимо осваивать новую технологию с получением экономических, экологических и стратегических преимуществ. Открывается кластер новых проблем, например, селективное извлечение металлов из коллективного раствора, оптимизация стойкости рабочего органа дезинтегратора, утилизацию маточных растворов и т.п.

Ключевые слова: металл, руда, механохимия, извлечение, выщелачивание, дезинтегратор, воздействие, эксперимент, активация

Abstract

Directions for improvement of mechanochemical processes of utilizing ore tailings

V.I. Golik, V.B. Kelekhsaev, Yu.A. Majstrov, A.S. Olisaev; North-Caucasian State Technological University

The article is devoted to the problem of waste-free extraction of metals from the tailings of primary ore processing. It represents a generalized approach of development of a mechanochemical technology of metal extraction by leaching in disintegrator and includes a summary of existing views on the problem, an analysis of prospects of the technology and the real steps taken in this direction. In the article, the theory and practice of mechanochemical extraction of metals from ores is examined and the assessment of the existing state of subject matter is given.

The essence of the problem is that for the expansion of applications of the recommended technology, it must be improved. The article includes an introduction, a purpose statement and the results of improvement on the level of patents in Russian Federation. The article highlights the problems of increasing the speed and fullness of the extraction of metals remaining after primary processing by traditional beneficiation methods, provides arguments and scientific description of the new methods of intensification of metal leaching in a disintegrator.

Particular attention is paid to the effectiveness of combination of the methods of interaction with a mineral in order to increase the degree of extraction which allows to reduce operating costs. The essence of the above is the following: the scope of application of the breakthrough technology of waste-free metal extraction from deadstock poor raw materials can be improved by the use of new and prospective technologies based on the increase of process energetics. The main significance of the study lies in the experimental confirmation of the phenomenon of waste- free metal extraction into bulk concentrate by repeated activation in a disintegrator.

The study's advantage is the argument for the need of development of the new technology in order to gain economic, environmental and strategic benefits. The study is pioneering. It opens up a cluster of new problems, for example, selective extraction of metals from a collective solution, optimizing the resistance of the working body of disintegrator, utilizing master solutions, etc.

Key words: Metal, ore, mechanochemistry, extraction, leaching, disintegrator, impact, experiment, activation

Введение

Хорошо освоенные в различных отраслях промышленности дезинтеграторы позволяют обрабатывать материалы крупностью до 2,5 мм со скоростью удара до 250 м/с. В зависимости от свойств материала и режима обработки при их использовании получают тонину порошков от грубого порошка (95% менее 500 мкм) до тонкого порошка (95% менее 20 мкм).

Если функции измельчения фаз и перемешивания при приготовлении смесей и суспензий используются довольно широко, то феномен механической активации веществ при интенсивных режимах обработки используется сравнительно редко.

Основные области применения дезинтегратора -- лабораторные и исследовательские работы, тестирование и подготовка к анализу различных веществ. В середине прошлого столетия Й. Хинт теоретически обосновал и экспериментально доказал феномен изменения состояния вещества в процессе активации большой механической энергией, однако только сейчас он получает осмысление.

Феномен активации при обработке в дезинтеграторной установке (ДУ) наблюдается во многих отраслях, что подтверждает корректность метода:

— фосфоритную муку растения усваивают в несколько раз лучше, чем муку, измельченную в мельнице;

— портландцемент из клинкера обеспечивает одинаковую прочность через 16 дней вместо 28 дней;

— производство искусственного камня из силикальцита обходится в 2 раза дешевле при уменьшении расхода энергии на 50%;

— активация стекольной смеси и шихты для производства огнеупоров на 20 °С понижает температуру плавления или обжига, в 2 раза увеличивает скорость процесса;

— обработка железной руды на 100 °С снижает температуру восстановления металла и на 20% уменьшает затраты времени;

— обработка вольфрамовых концентратов на 10% увеличивает степень извлечения металла и на 15-20% скорость гидротермической обработки;

— обработка медных и железорудных концентратов совместно с вяжущим до 35% повышает прочность окатышей;

— активация воды увеличивает рост растений на 30-40%, животных на 20%, рыб на 45-100%, повышает стойкость растений к экстремальным условиям на 20%, а добавка активированной воды в количестве 10 мл на 1 кг веса животных на 20% увеличивает привес и т.п.

В горной практике промышленное использование дезинтегратора осуществлено в 1980-х гг. на месторождении «Шокпак» (Северный Казахстан) МАЭП СССР в цепи закладочного комплекса. Установка ДУ-65 была оборудована четырех- и трехрядными роторами с защитным самофутерующимся слоем и двигателями мощностью от 200 до 250 кВт. Установка располагалась на трех уровнях с площадью основания 5-7 м [1].

Сырьем служили гранулированные кислые хвосты Карагандинского металлургического завода. По вяжущей способности эквивалентом 1 кг стандартного цемента М-400 являлось 4 кг активированных хвостов.

В условиях 10-летней эксплуатации определено, что активация в ДУ обеспечивала при равных условиях приращение прочности до 30% больше, чем обработка в шаровой мельнице. Выход до после ДУ 55% активного класса с доработкой в вибромельнице до 70% активной фракции позволил свести расход промышленного цемента до 30 кг/м³.

Солидный срок использования с закладкой около 100 000 м³ пустот ежегодно позволяет положительно оценить результаты промышленного эксперимента и рекомендовать его как реальную возможность получения многопланового эколого-экономического эффекта.

Работами ученых Северо-Кавказской школы экспериментально доказана перспективность комбинирования технологий механической активации в дезинтеграторах и химического выщелачивания [2].

Процесс комбинированной механохимической активации металлосодержащего сырья заключается в том, что в рабочий орган дезинтегратора вместе с сырьем подается выщелачивающий реагент, а извлечение металлов в раствор происходит одновременно с разрушением кристаллов при запрессовке раствора в образующиеся микротрещины.

Цель работы. Для доказательства эффективности предлагаемой технологии используется комплексный метод исследований, включающий критический анализ существующих представлений и многолетний эксперимент по единой комплексной программе. На основе полученных результатов разрабатываются новые способы интенсификации процесса, защищенные на уровне патентов.

Экспериментальное исследование с целью определения количественных параметров перевода металлических компонентов в раствор при комбинировании базового варианта агитационного выщелачивания и нового варианта выщелачивания в дезинтеграторе осуществлено на хвостах обогащения цветных и черных металлов и углей с использованием дезинтегратора ДУ-11, изготовленного в Центре прикладной механохимии «Гефест». Продолжительность эксперимента четыре года. Исходное содержание цинка и свинца в хвостах обогащения по 0,05%.

Рис. 1. Аспекты использования дезинтеграторов: 1 -- для улучшения качества в составе бетонов; 2 -- для извлечения металлов и улучшения качества в составе бетонов

Исследованию подлежат два направления использования дезинтеграторов (рис. 1):

1) активация твердых полезных ископаемых для улучшения качества изделий из них;

2) активация твердых металлосодержащих полезных ископаемых и хвостов первичной переработки для улучшения качества изделий из них и извлечения металлов.

Полученные результаты

При сравнении вариантов механохимического извлечения металлов получены результаты:

— выщелачивание в дезинтеграторе с последующим выщелачиванием вне его по сравнению с простым агитационным выщелачиванием увеличивает извлечение:

из хвостов обогащения -- по свинцу -- в 1,4 раза, по цинку -- в 1,2 раза, из забалансовой руды -- по свинцу -- в 1,7 раза, по цинку -- в 2,1 раза;

— выщелачивание в дезинтеграторе по сравнению с вариантом раздельной активации в дезинтеграторе и выщелачивания увеличивает извлечение примерно на такую же величину, но резко различается временем достижения этого результата.

Если при агитационном выщелачивании коэффициент извлечения металлов оценивается величиной 0,40, то извлечение в дезинтеграторе обеспечивает коэффициент:

— из хвостов обогащения -- по свинцу -- 0,56, по цинку -- 0,48;

— из забалансовой руды -- по свинцу -- 0,68, по цинку -- 0,82;

При исходном содержании свинца и цинка в хвостах 0,05% во вторичных хвостах будет содержаться не более 0,025% металлов, что позволяет использовать их для производства некоторых видов товарной продукции строительного назначения. Некондиционное сырье утилизируется полностью, при этом устраняются негативные последствия его хранения.

В раствор выщелачивания извлекаются все металлы, содержащиеся в исходной минеральной массе. При решении вопросов извлечения металлов из раствора экономическая эффективность процесса увеличивается многократно, что особенно важно для переработки хвостов комплексных ценных руд.

Экспериментально определено, что при переработке хвостов обогащения минералов различных типов -- полиметаллов Садона, угля российского Донбасса и железистых кварцитов КМА в раствор извлекается от 50 до 80% ранее теряемых в хвостах металлов. При необходимости путем увеличения циклов переработки со снижением остаточное содержание понижается до норм ПДК.

Установленные закономерности механохимического выщелачивания весьма различающихся типов убогого сырья в дезинтеграторах включают в себя:

— процесс извлечения металлов управляется путем изменения параметров переработки;

— выщелачивание в дезинтеграторе по сравнению с агитационным выщелачиванием вне его обеспечивает равное извлечение металлов на два порядка быстрее;

— после извлечения металлов до уровня санитарных требований вторичные хвосты пригодны для изготовления товарной продукции без ограничения.

Важные аспекты технологии -- увеличение прочности смеси за счет увеличения активных фракций крупностью до 0,076 мм до 50% и повышение однородности и подвижности смесей [3].

В мировой горной практике преобладает мнение, что действенной мерой снижения глобальной опасности хвостов переработки для окружающей среды может быть полная утилизация химически опасных хвостов обогащения металлических руд [4]. В настоящее время этого можно достичь только путем перевода металлических компонентов в раствор выщелачиванием. Развитие этой технологии сдерживается продолжительностью процесса и трудностью контроля полноты извлечения.

Новая технология позволяет путем увеличения циклов переработки снижать содержание металла в хвостах до допускаемого уровня. По сравнению с альтернативными вариантами выщелачивания она обеспечивает одинаковое извлечение металлов на два порядка быстрее. Такие возможности недоступны для технологий традиционного обогащения.

Естественно, что новая технология нуждается в решении кластера технологических проблем, например, повышении стойкости рабочего органа дезинтегратора, селективизации извлечения металлов и солей из комплексного раствора, нейтрализации маточников и т.п. Решение этих вопросов получит естественное ускорение по мере увеличения области использования механохимической технологии.

Совершенствование процессов механохимической активации или выщелачивания в дезинтеграторе нуждается в усилении слагающих его механохимических компонент использование известных в смежных отраслях процессов (таблица).

Таблица 1. Направления совершенствования процессов выщелачивания металлов