Разработка основ высокоэффективной технологии утилизации отходов горно-обогатительной переработки руд КМА
А.Ю. Прокопов, В.И. Голик, С.А. Масленников, О.В. Базавова
Проблема отрицательного воздействия различных сфер производства на окружающую среду является весьма актуальной, ее решение необходимо на государственном и международном уровнях [1, 2]. Целью настоящей работы является снижение вредного воздействия на компоненты окружающей среды при разработке месторождений и обогащении железных руд.
По разным оценкам, на территории РФ сосредоточено от 15,6 до 26% мировых запасов железной руды. Однако по объему добычи наша страна находится лишь на пятом месте, значительно уступая Китаю, Бразилии, Австралии и Индии. Неудовлетворительное положение с добычей руд нашло отражение в Стратегии социально-экономического развития на период до 2025 г., где развитие данного направления признано приоритетным [3].
В настоящее время в России доминирующим является открытый способ - с его помощью добывается около 90% всей железной руды РФ. С отработкой запасов залегающих на небольших глубинах можно ожидать перехода к подземному способу [4 - 6]. Под землей в России добывается 8% от общих объемов извлечения железной руды, из них половина приходится на «Евраз ВГОК» и «Евразруду». Подземный способ разработки железорудных месторождений является основным на действующих предприятиях Алтая-Саянской территории [7]. Рудники - Абаканский, Казский, Таштагольский и Шерегешский - извлекают более половины объема подземной добычи железных руд в России.
В пределах месторождения КМА подземным способом разрабатывают Коробковское месторождение, это шахта им. Губкина (ОАО «Комбинат КМАруда», Белгородская обл.) и Яковлевское месторождение - Яковлевский рудник (ООО «Металл-групп», Белгородской области) [8,9]. Для этих условий авторами разработана ресурсосберегающая технология добычи железной
руды с закладкой выработанного пространства при использовании в качестве вяжущего и инертного заполнителя отходов обогащения.
Использование для закладки или изготовления закладочных смесей отходов обогащения без доизвлечения металла является паллиативом и ведет к образованию реакторов миграции химически опасных элементов в подземные воды и далее - в поверхностные экосистемы. Для снижения содержания металлов в отходах можно использовать технологию механохимической активации, положительно зарекомендовавшую себя при переработке отходов полиметаллических руд [10].
Образцы для исследований отбирались из хранилища Лебединского ГОКа. Изучение минерального состава показало, что в состав хвостов входят: кварц, магнетит, гематит, карбонат, слюда, пирит, ильменит, силикат, и полевой шпат. Химический анализ состава отобранной для исследования пробы хвостов показал наличие следующих соединений: БЮ2 - 64%, Бе - 8%, А1203 - 5,2%, Мп - 3,2%, К2О - 0,7%, Р - 0,1%, Са - 0,8%, Mg0 - 0,2%, Си - 5-10" 3%, N1 - 4 10-3%, 7п - 5 10"4%, Аб, Ва, Ве, В1, Со, Сг, Ы, Мо, РЬ, БЬ, Бп, Бг, И, V, У - на уровне (30-50) 10-6%.
Характеристика гранулометрического состава представлена в табл. 1.
Таблица 1
Крупность хвостов обогащения железистых кварцитов
Вид отходов Остатки на ситах, %
0,63 0,315 0,14 0,071 <0,071 Сумм.
Хвостохранилище 0,5 3,2 27,6 21,4 47,3 100
На первом этапе был изучен процесс выщелачивания хвостов растворами одновременно с активацией в дезинтеграторе.
В ходе исследования с использованием математического планирования эксперимента изучалась зависимость извлечения железа из измельченных хвостов обогащения железистых кварцитов от содержания в выщелачивающем растворе серной кислоты и хлорида натрия, соотношения жидкой и твердой фаз (далее Ж:Т) и скорости вращения роторов дезинтегратора. Для планирования был использован трехуровневый некомпозиционный план
Бокса-Бенкена. Уровни и интервалы варьирования независимых факторов в экспериментах приведены в таблице 2.
Таблица 2
Пределы изменения независимых факторов
Уровни и интервалы варьирования Независимые факторы и их обозначение
Содержание в выщелачивающем растворе, г/л Соотношение Ж:Т при выщелачивании, Х3, ед. Частота вращения роторов, Х4, Гц
И2804, Х1 ша, Х2
Нулевой уровень, Хi = 0 6 90 7 125
Интервал варьирования 4 70 3 75
Верхний уровень, Хi = -1 10 160 10 200
Нижний уровень, Хi = 1 2 20 4 50
Исследование проводилось следующим образом: отвешивалось 50 г высушенного материала, выщелачиваемого в единичном эксперименте; отмеренную навеску добавляли в выщелачивающий раствор заданного для данного единичного эксперимента состава; полученную пульпу пропускали через дезинтегратор; после завершения выщелачивания продукционный раствор фильтровался и направлялся в химическую лабораторию для анализа содержания в нем металлов. После проведения серии экспериментов, определенной планом, полученные результаты подвергаются регрессионному анализу (табл. 3), в ходе которого определяются рациональные значения независимых параметров процесса, т.е. технология механохимической обработки.
Таблица 3
Результаты регрессионного анализа экспериментальных данных
Уравнение регрессии Показатели значимости
е = 2.447 + 1.736Х1 + 0,714Х2 + 0,48Х3 + 0,372Х4 + 0,655Х12 + 0,705Х22 - 0,27Х32 + 0,142Х1Х3 + 0,147Х1Х4 + 0,136Х2Х3 + 0,198Х2Х4 + 0,184Х3Х4 Я2 = 0,954; = 0,3393; Б = 75,47
Примечание. Безразмерные переменные определяются из выражений:
„ Сн2за4 -6 у _Сшс1 - 90 (Ж : Т) - 7 / -125
л, —-, л 2 —-, л, =-; л. —-.
1 4 2 70 3 3 ; 4 75
где СНг0 - содержание И2304 в выщелачивающем растворе, г/л.; СНаС1 -
содержание №С1 в выщелачивающем растворе, г/л.; Ж:Т - соотношение жидкой и твердой фаз; / - скорость вращения роторов дезинтегратора, Гц.
План эксперимента включал 24 опыта, максимальное из полученных значений составило 8,5% извлеченного от исходного содержания металла, минимальное 0,4
Материал после выщелачивания хвостов в момент их активации в виде пульпы с выщелачивающим раствором содержал: А1203 - 3,7%, Мп - 2,3%, К20 - 0,2%, Р - 0,06%, Са - 0,20%, Mg0 - 0,11%.
Технология механохимической активации отходов обогащения железных руд позволяет снизить содержания железа до 9% от исходной величины, при этом извлекается наиболее легкодоступная часть металла, и после использования в закладке переработанных таким способом отходов процессы естественного выщелачивания развиваются медленнее и в подземные воды переходит значительно меньшее количество железа.
После анализа полученных результатов, а также их сравнения с результатами переработки по подобной технологии отходов полиметаллических руд, наиболее перспективным направлением дальнейших изысканий признано исследование многократной активации отходов обогащения железистых кварцитов в установке типа дезинтегратор, а также изучения вяжущего эффекта активированных в сухом состоянии хвостов.
Литература:
1. Зерщикова, М.А. Последствия загрязнения окружающей среды и их влияние на экономические показатели [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/ п1у2011/326 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. Магомадова, Х.А. Проблемы социально-эколого-экономической эффективности взаимодействия общества и природы [Электронный ресурс] //
«Инженерный вестник Дона», 2012, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/666 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
3. Голик, В.И. Исследование технологии выщелачивания металлов из хвостов обогащения [Текст] / В.И. Голик, С.Г. Страданчнко, С.А. Масленников // Уголь, 2012. - №9. - С. 91-93.
4. Голик В.И., Масленников С.А. Механо-химико-активационная технология извлечения металлов из скальных руд [Текст] // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012. - №9. - С. 20-25.
5. Golik V. Mechanochemical activation of the ore and coal tailings in the desintegrators [Текст] // MPES Conference, Dresden, Germany, 14th- 19th October 2013 - Dresden/Freiberg: «Springer», 2013. - S. 1047-1056.
6. Golik V. Activation of Technogenic Resources in Disintegrators [Текст] // MPES Conference, Dresden, Germany, 14th- 19th October 2013 - Dresden/Freiberg: «Springer», 2013. - S. 1101-1106.
7. Филиппов, П.А. Разработка и научное обоснование геотехнологий добычи железных руд при освоении природных и техногенных месторождений Западной Сибири [Текст]: дис. д-ра техн. наук: 25.00.22: защищена 11.03.12 : утв. 12.04.13 / Филиппов Петр Алексеевич - Новосибирск, 2012. -256 с. - Библиогр.: С. 232-256.
8. Добыча железных руд подземным способом Белгород и Белгородская обл. [Электронный ресурс] // Добыча полезных ископаемых. Справочник компаний добывающей отрасли. - Режим доступа: http://oremine.ru/prishwe81/gdob14.html, свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус.
9. Минерально-сырьевая база [Электронный ресурс] // Белгородская областная дума. - Режим доступа: http://www.belduma.ru/infoobl/34/, свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус.
10. Авакумов, Е.Г. Механические методы активации химических процессов. 2-е изд., перераб. и доп. / Новосибирск: Наука, 1986. - 305 с.