Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В практике цинкового производства вельцевание – один из самых распространенных пирометаллургических процессов восстановления цинка [1]. В результате процесса образуется твёрдый остаток перерабатываемой шихты – клинкер вельцевания, который накапливается в отвалах или перерабатывается с разделением на магнитную железосодержащую и немагнитную углеродсодержащую фракции. Железосодержащие отходы гидрометаллургических технологий в силу содержания токсичных соединений мышьяка, сурьмы, свинца и высокой дисперсности требуют особых условий для складирования, так как вызывают эрозию и заражение земель вредными элементами. Прежде чем утилизировать или включить в переработку, надо понять, с каким химическим и минеральным составом мы имеем дело [2].

В настоящее время клинкер вельцевания, не содержащий значительного количества ценных компонентов, используют в дорожном строительстве как для покрытий, так и для структурных слоёв [3], в строительной области: производство кирпичей [4-6], цемента [7], бетона [8; 9].

Клинкер является, с одной стороны, многотоннажным твердым отходом цветной металлургии, а с другой – техногенным минеральным сырьем с высокими концентрациями железа, цветных и благородных металлов [10].

Вельц-клинкер различных предприятий отличается между собой химическим составом (табл. 1) и фазовыми составляющими. В связи с этим его плотность, магнитные и флотационные свойства различны. Эти отличия лежат в основе комбинирования методов механического обогащения, которые предлагается использовать при переработке клинкера. Комбинации методов отличаются набором и последовательностью применения различных методов обогащения.

Значительное количество клинкера образуется на Челябинском цинковом заводе, поэтому в условиях дефицита рудного сырья и необходимости снижения количества заскладированных отходов представляет научный и практический интерес разработка технологии переработки клинкера с получением медного концентрата или промпродукта и максимальным использованием имеющихся технических и технологических возможностей обогатительного производства.

Анализ исследовательских работ показывает, что разработанные на данный момент схемы позволяют получить в разной комбинации следующие продукты: медьсодержащий, углеродсодержащий, железосодержащий и золотосодержащий. Магнитному разделению подвергается, как правило, только исходный клинкер. Но имеется пример включения в магнито-флотационную схему операции магнитной сепарации доизмельченной магнитной фракции второго приема магнитной сепарации исходного клинкера, объединенной с хвостами медной флотации. Флотационное разделение медистого клинкера проводится по двум вариантам: с выделением коксика (операция угольной флотации) в первом приеме флотации или с выделением коксика после предварительного флотационного выделения меди [11].

Получаемые по обогатительным схемам продукты из-за недостаточно полного разделения техногенных фаз клинкера характеризуются повышенным содержанием примесей.

Цель исследования – определить оптимальные условия магнитного и гравитационного разделения лежалого клинкера вельцевания Челябинского цинкового завода и порядок соответствующих операций в технологической схеме, при которых происходит наилучшее селективное выделение в одноименный концентрат углерода и более высокое извлечение меди в объединенный продукт перед флотацией.

Материалы и методы исследования

Технологические исследования проведены на пробе лежалого клинкера Челябинского цинкового завода и продуктах разделения клинкера сухой магнитной сепарацией. Использованы методы гравитационного, магнитного обогащения клинкера. Эксперименты проведены на лабораторном оборудовании лаборатории обогащения полезных ископаемых МГТУ им. Г.И. Носова: подготовка клинкера до требуемой крупности осуществлялась в рольганговой барабанной шаровой мельнице, сухая магнитная сепарация выполнялась на электромагнитном роликовом сепараторе 138Т-СЭМ, мокрая магнитная сепарация на анализаторе трубчатом 298 СЭ, обогащение магнитного концентрата проводили на лабораторном концентрационном столе 30б-КЦ.

Результаты исследования и их обсуждение

Сделанный оптико-микроскопический анализ пробы показал, что преобладающими немагнитными фазами клинкера, с которыми ассоциированы медьсодержащие фазы, являются мелилит и троилит [12], и что для первичного разделения железосодержащих и углеродсодержащих фаз проба должна быть доведена до крупности -3 мм. Гранулометрический анализ (табл. 2) и магнитный анализ с использованием ручного магнита (Н= 42,8 кА/м) пробы клинкера, доведенной до класса -3 мм, показал, что в пробе преобладают классы крупность -3+1 и -1+0,5 мм (по 56,1% и 34,72 % соответственно) и самое большее извлечение металлов приходится также на эти классы, но при этом наибольшая массовая доля железа, меди и цинка, соответственно 37,98; 4,73; 6,24%, приходится на класс -0,074 мм.

Таблица 1

Химический состав клинкера различных предприятий

Таблица 2

Гранулометрический состав и распределение металлов по классам крупности

Рис. 1. Суммарное извлечение железа, меди, цинка и углерода в магнитную фракцию

Железо, медь и цинк распределяются по классам крупности пропорционально выходу класса крупности. Более высокая концентрация цветных металлов в тонком классе является результатом наличия хрупких железо-, медь- и цинксодержащих фаз, склонных к переизмельчению.

Результаты проведенной магнитной сепарации для классов крупности -3 мм, -1 мм и -0,5 мм (рис. 1) показали, что при магнитной сепарации материала крупностью – 3 мм происходит наибольшее извлечение меди, цинка и углерода в магнитную фракцию, составляющее 72,16%, 66,07%, 37,76% соответственно. Извлечение меди и углерода в магнитную фракцию снижается до 54,92% и 9,04% при уменьшении крупности до – 0,5 мм, а извлечение цинка сначала уменьшается до 43,71%, а затем снова увеличивается до 52,69%.

Отмечено, что вследствие более полного раскрытия сростков магнитных и немагнитных железосодержащих клинкерообразующих фаз извлечение железа в магнитную фракцию возрастает при снижении крупности с – 3 мм, до – 0,5 мм.

Определено, что при максимальной из изученных напряженностей магнитного поля 125 кА/м наблюдается максимальное в серии опытов извлечение железа и углерода, но при этом массовая доля значительно снижается. Выход магнитной фракции железа увеличивается при снижении массовой доли, а выход углерода увеличивается в магнитном продукте при увеличении напряженности магнитного поля (рис. 2).

Установлено, что за рациональные параметры при разделении пробы сухой магнитной сепарацией целесообразно принять крупность материала 1 мм и напряженность магнитного поля 102 кА/м, при которых массовая доля углерода находится в одних и тех же пределах, что и при меньшей напряженности, а извлечение железа в магнитный продукт составляет 74,69%, углерода – 20,3%.

Рис. 2. Зависимость выхода, содержания и извлечения компонентов в магнитный продукт от напряженности магнитного поля

Таблица 3

Коэффициенты разделения гравитационным методом сростков медных минералов с троилитом и коксом d=0,1-2 мм

* зеленый цвет – обогащение эффективно, желтый цвет – эффективное обогащение при крупности материала не более 0,07–0,15 мм, белый цвет – обогащение затруднено.

Проанализирована возможность гравитационного разделения сростков на концентрационном столе. Рассчитаны плотности сростков медных минералов халькозина и халькопирита с троилитом, мелилитом и коксом, и определен коэффициент разделения гравитационным методом (табл. 3).

Изучена возможность выделения железосодержащих фракций клинкера, являющихся немагнитными, в тяжелый продукт гравитационным разделением на концентрационном столе (табл. 4). Анализ результатов для разной крупности материала показал, что рациональной крупностью является – 0,5 мм, так как извлечение углерода в магнитную фракцию значительно уменьшается. Увеличение наклона деки приводит к снижению выхода тяжелой фракции, оптимальным углом наклона выбран угол 10°, расход воды 0,5 дм3/мин.

На основании полученных результатов провели опыты разделения по схемам (рис. 3): концентрационный стол – магнитная сепарация; магнитная сепарация – концентрационный стол. Большее извлечение меди получили из схемы магнитная сепарация – концентрационный стол. Результаты представлены в таблицах 5, 6.

В результате эксперимента с использованием схемы магнитная сепарация – измельчение немагнитного продукта – концентрационный стол получили более высокое извлечение в объединенный продукт Cu – 93,67% и более низкое извлечение углерода C – 30,9%.

Рис. 3. Схемы проведения опытов: а) концентрационный стол – магнитная сепарация; б) магнитная сепарация – концентрационный стол

Таблица 4

Результаты обогащения немагнитной фракции клинкера на концентрационном столе (d max 0,5 мм, угол наклона деки 10°)

Таблица 5

Результаты опытов по схеме концентрационный стол – магнитная сепарация

Таблица 6

Результаты опытов по схеме магнитная сепарация – концентрационный стол

Таблица 7

Результаты опытов

Рис. 4. Схемы лабораторного эксперимента

В связи с тем что извлечение углерода в объединенном продукте осталось на уровне 30,9%, в схему добавили доизмельчение магнитной фракции до – 0,5 мм, вторую магнитную сепарацию (рис. 4а) и концентрационный стол для немагнитной фракции второй магнитной сепарации (рис. 4б). Полученные результаты представлены в таблице 7.

В результате по схеме (рис. 4а) в объединенный продукт получили наименьшее извлечение углерода 13,53%, и при этом извлечение меди и железа в объединенный продукт низкое: 64,64% и 61,75%.

По схеме (рис. 4б) получили наилучшие показатели извлечения в объединенный продукт меди 92,05% и железа 93,36% при наименьшем извлечение углерода 16,31%. Массовая доля меди в объединенном продукте составила 4,7%, при этом массовая доля углерода – 3,49%. Использование двух концентрационных столов нерентабельно для одной и той же крупности материала, целесообразно возвратить немагнитную фракцию, полученную после второй магнитной сепарации, на концентрационный стол вместе с измельченной до – 0,5 мм немагнитной фракцией первой магнитной сепарации.

Выводы

1. Проведены комплексные исследования, включающие: гранулометрический анализ и исследования на обогатимость магнитной сепарации, концентрации на столе, позволяющие определить рациональную крупность для эффективного разделения клинкера и схему для более полного концентрирования меди в объединенный продукт для последующей флотации.

2. Исследованиями установлено, что рациональной крупностью для эффективной магнитной сепарации в два приема является крупность -3 и -0,5 мм, что обусловлено наличием в исходном материале кокса, склонного к переизмельчению и налипанию его на магнитные частицы. Рациональной крупностью для эффективной концентрации на столе является также крупность -0,5 мм, что подтверждается расчетными значениями коэффициента М = (ρт – ρж) / (ρл – ρж) (коэффициент Мейстера) для кокса и рядовых, богатых сростков халькозина и халькопирита с основными фазами клинкера в диапазоне 1,75 – 3,58.

3. Определены условия магнитного разделения – напряженность 102 кА/м, и гравитационного разделения – угол наклона деки концентрационного стола 10°, крупности материала – 3 мм и – 0,5 мм соответственно, расход воды 0,5 дм3/мин.

4. В результате исследования трех альтернативных схем в качестве основной принята схема, включающая комбинацию гравитационных и магнитных методов в следующей последовательности: магнитная сепарация клинкера крупностью -3 мм, напряженность 102 кА/м – измельчение магнитного и немагнитного продукта до крупности -0,5 мм – вторая магнитная сепарация – концентрационный стол, с возвращением немагнитной фракции, полученной после второй магнитной сепарации, на концентрационный стол вместе с измельченной немагнитной фракцией первой магнитной сепарации.

5. В результате реализации схемы получен объединенный продукт с массовой долей меди 4,7% при извлечении в него меди 92,05%, массовая доля железа – 39,74% при извлечении в него железа 93,36%, массовая доля углерода – 3,49% при извлечении в него углерода 16,31% и углеродсодержащий продукт c массовой долей углерода 38,47%, который может быть возвращен в процесс вельцевания.