На правах рукописи
КАЙРАЛАПОВ ЕРЛАН ТОКПАЕВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
ПИРО - ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЗАБАЛАНСОВЫХ МЕДНЫХ РУД
ЖЕЗКАЗГАНСКОГО РЕГИОНА
Специальность: 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2014 1
Работа выполнена в научно-исследовательском центре инновационных технологий ТОО «КазГидроМедь» Республики Казахстан, г. Караганда
Научный руководитель:
Доктор технических наук Парецкий Валерий Михайлович Кандидат химических наук Каримова Люция Монировна
Официальные оппоненты:
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор, Стрижко НИТУ «МИСиС», профессор Леонид Семенович кафедры цветных металлов и золота Леонтьев Кандидат физ. мат. наук, Владимир Гильевич ИМЕТ им. А.А.Байкова, РАН, вед. н. сотр. лаборатории физикохимического анализа и металлургии цветных и редких металлов ОООО «Институт Гипроникель»
Ведущая организация:
Защита состоится «27» марта 2014 г. в 14-00 на заседании диссертационного Совета Д 217.041.01 в Государственном научноисследовательском институте цветных металлов «ГИНЦВЕТМЕТ» по адресу: 129515, г. Москва, ул. Академика Королева, д. 13;
тел.: (495) 615-39-82, факс: (495) 615-61-73.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный научноисследовательский институт цветных металлов».
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 129515, г. Москва, ул. Академика Королева, Тел. (495) 615-39-82, факс (495) 615-58-21, e-mail: gintsvetmet.msk @gmail.com; [email protected]
Автореферат разослан « » февраля 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук И.И.Херсонская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Основной сырьевой базой ТОО «Корпорация Казахмыс» является Жезказганское месторождение медистых песчаников, которое отрабатывается производственным объединением «Жезказганцветмет», имеющим в своем составе 6 действующих рудников. За 80 лет эксплуатации Жезказганского месторождения из недр извлечено уже более 1 млрд. тонн руды, что составляет 75% от общего количества запасов.
Неизбежным следствием многолетней интенсивной разработки любого месторождения является количественное и качественное истощение сырьевой базы. Для Жезказганского региона восполнение сырьевой базы – важнейшая социально-экономическая проблема, т.к. сокращение объемов производства неизбежно приведет к потере рабочих мест. Так, во втором полугодии 2013г.
произошло закрытие на реконструкцию Жезказганского металлургического завода (ЖМЗ), 2013-2015гг. закрытие действующих рудников.
В связи с сокращением запасов богатых монометаллических руд на сегодняшний день, актуальной задачей является поиск новых технологий переработки забалансовых бедных или полиметаллических руд с содержанием меди 0,2 – 0,35%. К такому сырью относятся забалансовые медносульфидные руды Жезказганского региона, содержащие редкие металлы. Его переработка по действующим пирометаллургическим технологиям приводит к значительным потерям извлекаемых металлов. Известные гидрометаллургические схемы также не дают высокого извлечения ценных компонентов.
Поэтому разработка новой рентабельной комбинированной технологии комплексной переработки забалансовых медно-сульфидных руд, позволяющей повысить степень извлечения ценных компонентов в товарные продукты (снижая себестоимость), представляет собой актуальную задачу, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.
Работа выполнена по госпрограмме «Научно-техническое обеспечение развития горно-металлургической отрасли Республики Казахстан на 2012- годы» по теме «Технология переработки забалансовых медносульфидных руд»; по заказу ТОО «Корпорация Казахмыс» по теме: «Научные исследования и разработка технологии комплексной переработки забалансовой руды Жезказганского месторождения».
Цель работы. Научное обоснование и разработка новой рентабельной технологии комплексной переработки продуктов обогащения забалансовых медносульфидных руд, позволяющая повысить степень извлечения ценных компонентов в товарные продукты.
Задачи исследований:
1. Обоснование необходимости разработки эффективной технологии переработки забалансовых руд Жезказганского региона;
2. Изучение особенностей состава забалансового медьсодержащего сырья Жезказганского региона;
3. Выбор наиболее эффективной операции предварительного концентрирования сырья по меди;
4. Отработка технологии компактирования и обезвоживания чернового медного концентрата;
5. Определение режимов обжига чернового медного концентрата с целью последующей эффективной переработки;
6. Разработка технологической схемы и оценка ее экономической эффективности.
Объект исследования.
Объектом исследования является забалансовая медносульфидная руда Жезказганского региона типа медистых песчаников.
Методы исследований. При выполнении работы был использован комплекс физических, химических и физико-химических методов. Экспериментальные исследования проводились в лабораторном и укрупненнолабораторном масштабах, в т.ч. с использованием пилотных установок. В ходе работ применялись математические методы планирования эксперимента, вероятностная модель прочности окускованных материалов. Определение химического состава выполнялось методами атомно-эмиссионного, атомноабсорбционного, спектрофотометрического методов анализа, фазового состава проводилось с использованием рентгенофазового, термогравиметрического методов анализа, термических и кинетических параметров процесса термической обработки образцов проводилось с использованием дериватографического метода анализа.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием сертифицированных физико-химических методик исследования, надежностью исходных данных, оценкой полученных результатов методом нелинейной множественной корреляции, удовлетворительной сопоставимостью лабораторных исследований и испытаний на опытно-промышленном участке.
Научная новизна 1. Разработаны математические модели, описывающие закономерности обезвоживания гранул по следующим показателям: относительная убыль массы при сушке, относительная убыль массы при последующем досушивании гранул, степень их обезвоживания, статическая прочность гранул применительно к черновому медьсодержащему концентрату, полученному из забалансового сырья Жезказганского региона.
2. Разработан алгоритм управления сохранением целостности гранул чернового концентрата при статической нагрузке в бункерах и реакторе, управляемыми параметрами которого являются: высота слоя, размеры гранул, температура сушки для последующей термической обработки.
3. Изучены кинетические зависимости процесса обжига некондиционных медных сульфидных концентратов при автогенном режиме окисления. Установлено, что в интервале температур 400-7000С увеличение расхода кислорода от 20-100 см3/с ускоряет процесс окисления в 1,5-2 раза по сравнению с окислением воздухом, без оплавления гранул и их спекания. Установлено, что достаточно высокую степень извлечения меди в условиях автогенного обжига концентрата, гранулированного на смеси из раствора лигносульфонатов (сульфит-спиртовая барда =1,05) и серной кислоты 10%, можно достичь при условиях: t –500 – 6000С, – 40 - 60 мин., d – 8 - 12 мм. Выход кека при этих условиях составляет 75%.
4. На основе обобщенного уравнения продолжительности, расхода смеси воздуха и кислорода, разработан алгоритм управления температурой процесса автогенного обжига бедных сульфидных медных концентратов.
Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Разработанная технология позволяет вовлечь в сферу производства забалансовые медносульфидные руды.
2. Для обеспечения сохранности гранул не менее 80% установлена допустимая высота слоя в бункере и реакторе для среднего диаметра высушенных гранул.
3. В результате укрупненно - лабораторных исследований процесса обжига медных сульфидных концентратов в условиях автогенного режима окисления установлено, что для предотвращения оплавления присутствующих в концентрате сульфидов и продуктов их окисления обжиг в печи шахтного типа должен осуществляться с ограничением скорости подачи воздуха в зону реакций в зависимости от содержания серы в концентратах.
4. Установлена взаимосвязь особенности фазового состава гранул после обжига чернового концентрата (содержание сульфатов и оксидов металлов) с результатами их последующей обработки, которые определяют выбор технологических приемов, обеспечивающих извлечение меди на последующих стадиях.
5. Выполненные ориентировочные технико-экономические расчеты показали достаточно высокую эффективность разработанной технологии: при условии организации производства по переработке 2 млн. тонн забалансовых руд в год капитальные затраты окупятся в течение 9 месяцев.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель прочности гранулированного чернового медного концентрата на смеси из раствора лигносульфонатов и серной кислоты, применительно к забалансовому сырью Жезказганского региона;
2. Результаты исследования процессов обезвоживания и сульфатизирующего обжига гранул чернового медьсодержащего концентрата в виде зависимостей технологических показателей процессов от режимных параметров;
3. Технологическая схема комплексной переработки забалансового медьсодержащего сырья Жезказганского региона.
Апробация работы Основные результаты работы доложены и обсуждены на Межд. науч. практич. конф. «Актуальные проблемы науки», г. Кузнецк, 2011; XI Междун.
науч. -практич. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. СанктПетербург, 2011; Межд. науч. конф. «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030» (Сагиновские чтения №3), посв.-20 - летию Независимости Казахстана»; Межд. науч.-практ. конф. «Гетерогенные процессы в обогащении и металлургии» Абишевские чтения, г. Караганда, 2011; VI Межд.науково-практ. Интернет-конференціі «Спецпроект: аналiз наукових досліджень», Дніпропетровськ, 2011; Межд. заочной научн. конф. «Актуальные вопросы технических наук», г. Пермь, 2011; Materialy VII Mezinarodni vedecko-prakticka conference «Aplikovane vedecke novinky-2011», Praha; VII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka i inowacja-2011;
Межд. молодежной науч. школы «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», г. Москва, 2012; VIII Мiжнародноі науково-практичноі конференціі «Альянс наук: вчений – вченому», Днiпропетровськ, 2013; Межд. молодежной науч. конф. «БУДУЩЕЕ НАУКИ – 2013», г. Курск, Межд. научн.практ. конф. «Наука и современность: вызовы XXI века», г. Киев, 2014.
Личный вклад автора Заключается в обосновании цели и задач исследований, планировании работ, выполнении экспериментов, в обработке и систематизации полученных результатов, а также в подготовке статей и материалов для публикаций и участия в конференциях.
Автор глубоко признателен научным руководителям: советнику генерального директора, д.т.н. Парецкому В.М. (ФГУП «Институт» ГИНЦВЕТМЕТ»), ведущему научному сотруднику, к.х.н. Каримовой Л.М. (НИЦИТ ТОО «КазГидроМедь») за постоянную поддержку, консультации и подготовку диссертации к защите. Автор искренне благодарит зав. лабораторией комплексного использования конденсированных отходов д.т.н. Жумашева К.Ж., зав. лабораторией энтропийно-информационного анализа д.т.н. Малышеву В.П. (ХМИ им. Ж. Абишева) за помощь и ценные советы при подготовке диссертации к защите. Автор благодарит сотрудников научно-исследовательского центра инновационных технологий ТОО «КазГидроМедь», ХМИ им. Ж. Абишева за сотрудничество и помощь при проведении укрупненно-лабораторных испытаний.
Публикации Основное содержание диссертации изложено в 23 работах. Из них 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 1 приложения и списка литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на листах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 44 таблицы и 1 приложение.
Во введении обоснована актуальность разрабатываемой проблемы, определены основные задачи и цели работы; излагаются защищаемые положения, новизна и практическая значимость результатов исследования.
В первой главе проведен критический анализ литературных источников, совпадающих с тематикой диссертационной работы. Показана перспективность использования забалансового медного сырья. Обоснована необходимость ведения обжига медного сырья с использованием печей шахтного типа.
Сделан вывод о необходимости сульфатизирующего обжига чернового медного концентрата для последующей гидрометаллургической переработки.
Во второй главе изложены теоретические основы и методики проведения исследований по вероятностной теории прочности окатышей для расчета допустимой высоты слоя и высоты падения при хранении и транспортировке гранул, методики расчета кажущейся энергии активации обжига чернового медного концентрата и дифференциально-термического анализа чернового медного концентрата, а также описана материальная и приборная база, которые были использованы при проведении расчетных и экспериментальных исследованиях в данной работе.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований забалансовой руды Жезказганского региона.
3.1. Подготовка руды к обогащению Объектом работы является забалансовая медносульфидная руда Жезказганского региона типа медистых песчаников, химический и фазовый состав руды рудных минералов меди представлен в таблицах 1 и Химический состав (в %) забалансовой медной руды карбонатов – 6,0; хлорита – 3,0.
Cu в окисленных ми- Cu во вторичных Cu в первичных суль- Всего Из усредненной технологической пробы руды отобраны образцы на минералогический анализ. При визуальном осмотре руда имеет серый цвет, текстура массивная (плотная), структура тонкозернистая, псаммитовая. Размеры обломочных зерен 0,1 – 0,2 мм. Обломки зерен песчаника по форме угловатые, реже угловато-окатанные. Рудные минералы представлены ксеноморфными зернами сульфидов: борнитом (Cu5FeS4), халькозином (Cu2S), халькопиритом (CuFeS2) и единичными мелкими зернами пирита (FeS2), из окислов отмечен вторичный гематит, как продукт окисления пирита. Зерна халькопирита редки, как правило, замещены халькозином. Кроме того, наблюдаются процессы обратного обогащения, на контакте халькозина с халькопиритом возникают в единичных случаях реакционные каемки борнита (рис. 1). Борнит, окисляясь, покрывается тонкой пленкой ковеллина (Cu2S · Cu2S2).
Рис. 1. Мермикитовые образования борнитов в халькозине х а) светло-серое – включения борнита в белом зерне халькозина, б) светло-серое – борнит, белое – халькозин Изучена кинетика измельчения в лабораторной шаровой мельнице забалансовой медьсодержащей руды крупности 0-3 мм. Полученные данные представлены в таблице 3.
Таким образом, исследования по кинетике измельчения забалансовой руды показывают, что проба подвергается измельчению менее интенсивно, что обусловливается минералогическим и гранулометрическим составом руды.
Результаты измельчения забалансовой руды Жезгазганского месторождения.
№ п/п Время измельчения, мин Содержание класса -0,074 мм,% Флотационное обогащение забалансовой медьсодержащей руды Полученную измельченную руду направляли на флотацию. Флотацию проводили на флотомашине производства Механобр марки ФЛА - 237. Время основной и контрольной флотации 6 и 4 минут, расход бутилового ксантогената 80 г/т, МИБК 40 г/т. В результате обогащения получили концентрат с выходом 7,35%, извлечением в концентрат 92,95%, химический состав представлен в табл. 4.
3.3. Изучение прочностных характеристик сырых и высушенных окатышей из чернового медного концентрата забалансовой руды при использовании в качестве связующего раствор серной кислоты Необходимым условием подготовки сырья к обжигу в шахтных печах, является гранулирование исходного материала. При этом большое значение имеет получение гранул, прочностные характеристики которых должны позволять выдерживать нагрузки, возникающие при транспортировке и перегрузках, а также при переработке в обжиговой печи. Для решения этой задачи требуется изучить условия получения наиболее прочных окатышей.
Как показали результаты исследований, грануляция шихты на воде оказалась нецелесообразной в связи с низкой прочностью окатышей для обжига, что послужило основанием для использования традиционного раствора связующего - лигносульфоната (техническое название: сульфит-спиртовая барда). Кроме того, эти же исследования по обжигу концентрата показали недостаточную степень сульфатизации при обжиге, что снижало степень извлечения меди в раствор при выщелачивании. Повышение этих показателей оказалось возможным при использовании 10%-го раствора серной кислоты. При этом взаимодействие серной кислоты с карбонатами происходит в процессе окатывания и сушки гранул. Поэтому в качестве связующего использовалась смесь из раствора лигносульфонатов (сульфит-спиртовая барда =1,05 г/см3) и серной кислоты 10%. Исследованию подвергались гранулы, полученные из чернового концентрата, химический состав которого приведен в таблице 4.
Для определения оптимальных условий сушки и прочности гранул были проведены опыты на основе математического планирования эксперимента.
Изучали влияние температуры (t, 80-200 оС), продолжительности сушки (, 5мин.), расхода воздуха (V, 20-100 см3/с), размера гранул (d, 5-12 мм.) на обезвоживание гранул с максимально полным удалением не только физической, но и конституционной влаги после сушки (W1) и после их досушивания при 105 оС (W3), определение статической прочности гранул. Полученные частные зависимости относительной убыли массы гранул представлены на рисунке 2.
Для определения выхода целых гранул в каждом независимом опыте путем наложения фиксированной нагрузки отбирали по 25 окатышей. По полученным данным построили зависимости от влияния различных факторов на эффективное поверхностное натяжение гранул (рисунок 3). Подбор аппроксимирующих функций проведен с учетом физического смысла изучаемых зависимостей.
Как следует из зависимостей (рисунок 2), на W1 влияют температура и время термообработки. При варьировании скорости воздуха в принятом интервале убыль массы гранул остается неизменной, что говорит о кинетическом режиме процесса сушки.
По мере увеличения размера гранул увеличивается и количество влаги, присутствующей в гранулах (рисунок 2 г). Эти эффекты обусловлены изменением размера гранул за счет увеличения площадей сечения последних. С другой стороны, облегчается диффузия паров воды из центра гранул наружу, возрастает убыль их массы при нагревании. Однако в крупных гранулах, возможно, происходит растрескивание, за счет чего и происходит удаление влаги.
Существенное приращение функции W1 в интервале температуры 150- С обусловлено, вероятно, тем, что наибольшая часть кристаллогидратов разлагается в данных условиях. Эти реакции сопровождаются интенсивным выделением паров воды. Дальнейшее повышение температуры в меньшей степени влияет на относительное изменение массы гранул.
Полученные частные зависимости W3 от варьируемых факторов практически повторяют по форме одноименные зависимости W1. Это подтверждает суждение о том, что значительное влияние на формирование функций W1 и W оказывают процессы удаления химически связанной влаги.
Величина влажности последнего не зависит от условий термообработки материала. Значение W3 должно быть неизменным. Несоблюдение этого условия свидетельствует о протекании процессов разложения гидратированных соединений. Только в данном случае W3 может зависеть от температуры.
Таким образом, саму процедуру определения W3 можно рассматривать как способ уточнения механизма обезвоживания материала и определения вклада, вносимого химическими реакциями в итоговые результаты процесса.
Полученные уравнения для относительной убыли массы после сушки с учетом значимых функций для описания совокупности действующих факторов обобщаются в виде их произведения с нормировкой по центральному экспериментальному значению для всех функций условию: t = 120 oС, = 60 мин, d = 10 мм, V = 60 см3/с, значение W1, ц =8,3656%.
Рис. 2. Зависимости относительной убыли массы гранул после сушки (W1) и после их досушивания при 105 0С (W3) Обобщенное уравнение выразится как При сопоставлении результатов эксперимента и расчета нашли значения коэффициента нелинейной множественной корреляции для относительной убыли массы после сушки R =0,9085, tR =18,760>2, что подтверждает адекватность описания данных эксперимента настоящим уравнением.
«