CC BY
50
УДК 622.784. 622' 17.
К ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СУНГУЛИТОВЫХ И ВЕРМИКУЛИТОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ ИЗ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД КОВДОРСКОГО ФЛОГОПИТ-ВЕРМИКУЛИТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
© А.В. Звездин1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проводится разработка дополнительных технологий переработки вскрышных пород Ковдорского флогопит-вермикулитового месторождения в Мурманской области для извлечения из них вермикулита и сунгулита, являющихся ценным сырьем для получения вспученного вермикулита и термоактивированного сунгулита, и их применения в природоохранных мероприятиях. Дополнительные технологии включают узкополосное фракционирование, дробление наиболее крупной фракции с последующим фракционированием, вибросегрегацию полученного сырья по плотности, обжиг и аэродинамическое отделение сунгулита от вспученного вермикулита. Также приводятся схемные решения нестандартных технологических аппаратов, обеспечивающих реализацию указанных технологий.
Ключевые слова: вермикулит; сунгулит; термоактивация; вибросегрегация; обжиг; аэродинамическое разделение.
TO THE TECHNOLOGY OF SUNGULITE AND VERMICULITE CONCENTRATE PRODUCTION FROM KOVDOR PHLOGOPITE-VERMICULITE FIELD OVERBURDEN A.V. Zvezdin
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article develops additional technologies for the treatment of Kovdor phlogopite-vermiculite deposit overburden in the Murmansk region in order to remove vermiculite and sungulite, which are a valuable raw material for the production of exfoliated vermiculite and thermally activated sungulite, and use them in environmental actions. Additional technologies include narrowband fractionation, breaking of the largest faction followed by fractionation, vibrosegregation of the obtained raw material by density, firing and aerodynamic separation of sungulite from exfoliated vermiculite. Schematic solutions of non-standard technological devices ensuring the implementation of the described technologies are provided as well.
Keywords: vermiculite; sungulite; thermal activation; vibrosegregation; firing; aerodynamic separation.
Промышленная эксплуатация Ковдорского флогопит-вермикулитового месторождения в Мурманской области началась в 70-х гг. прошлого столетия. За эти годы в заскладированных вскрышных породах накопились сотни тысяч тонн вермикулита и сунгулита [2, 6], являющихся перспективным сырьем для получения вспученного вермикулита и магнезиально-силикатного реагента.
Вермикулит широко применяется в строительстве для теплоизоляционных засыпок, приготовления сухих строительных смесей, для производства жаростойких и огнезащитных изделий, а также в природоохранных мероприятиях: он фиксирует органический углерод и участвует в процессах почвообразования.
Сунгулит после термоактивации становится эффективным реагентом и может применяться для детоксикации техно-генно загрязненных земель и водных объектов путем снижения геохимической подвижности тяжелых металлов [1, 9].
О вермикулите известно давно и многое [3, 4, 8, 17, 18], а сунгулит - новый материал, еще не получивший широкой известности и применения. Сунгулит - это региональное название минерала лизарди-та из группы серпентина - коалина [9].
В составе исходного сырья, полученного после предварительной переработки, основными минеральными фазами являются, по массе: сунгулит ~ 10%, вермикулит ~13%, пироксен и оливин ~ 50%. Присутствуют в небольших количествах
1
Звездин Алексей Владиславович, директор Технопарка, тел.: 79500909091, [email protected] Zvezdin Aleksey, Director of the Technological Park, tel.: 79500909091, [email protected]
иддингсит, антигорит, окислы железа, полевой шпат, кварц, нефелин и др. минералы [6].
В горном институте КНЦ АН РФ разработана технология разделения сырья, включающая его дробление, гравитационное обогащение в гидравлическом сепараторе с отведением слива, сушку и последующую электромагнитную сепарацию гра-велистых песков, их обжиг и воздушную сепарацию [10]. Но она до сих пор не реализована из-за отсутствия энергоэффективных технологических печей. Кроме того, не решена задача отделения сунгулита от пироксен-оливиновой фазы после выделения из них вспученного вермикулита при обжиге в печи.
Рассмотрим элементы этой технологии и получаемые продукты [10].
Слив - это мелкозернистый материал, на 50% состоящий из частиц 0,1-0,2 мм с содержанием вермикулита около 20% и сунгулита ~ 14%. В слив переходит почти 34% исходного сырья, и он после обжига может использоваться в качестве мелиоранта [9]. Магнитная фракция на 95% состоит из ожелезненных пород, ее выход составляет более 53%, и этот материал можно применять как мелкозернистый заполнитель в строительных технологиях.
Немагнитная фракция и слив сепаратора являются носителями целевых продуктов - сунгулита и вермикулита. В ее составе вермикулит представлен в основном утолщенными листами до 5 мм в диаметре (~ 37%). Количество сунгулита составляет
25%, а из прочих примесей преобладают оливин-пироксеновые породы. Выход немагнитной фракции дает 13% [10].
На рис. 1 показан вермикулит-сунгулитовый конгломерат, полученный отсевом частиц менее 0,5 мм из немагнитной фракции. Средневзвешенный размер продукта-сырца составляет ~ 1,3 мм. Светлые гранулы - сунгулит, темные - оливин и пироксен, вермикулит представлен пластинками янтарного оттенка.
Взвешивание разделенных проб сунгулита, оливин-пироксена и вермикулита показало, что насыпные плотности перо о
вого (1026 кг/м3) и второго (1301 кг/м3) соотносятся как 0,789, следовательно, сунгулит легче на 21%. Поэтому дополнительная технологическая операция - вибросегрегация частиц по плотности - позволит получить сунгулитовый концентрат с содержанием целевых продуктов не ниже 90%.
Цель работы - разработка технологии обогащения немагнитной фракции для получения сунгулитовых и вермикулитовых концентратов путем реализации следующих технологических операций:
- узкополосного фракционирования [15];
- дробления полученной крупной фракции с частицами более 4 мм;
- повторного фракционирования;
- вибросегрегации сырья по плотности;
- обжига;
- аэродинамического отделения сунгулита от вспученного вермикулита.
Рис. 1. Вермикулит-сунгулитовый конгломерат, полученный из немагнитной фракции после выделения частиц размером менее 0,5 мм
Известно, что при термообработке сунгулит теряет в весе около двадцати процентов из-за выхода гидратной воды (вместе с этим он и приобретает химическую активность), а оливин-пироксеновая фаза по массе не меняется [7]. Поэтому для получения наиболее чистого сунгули-тового концентрата вибросегрегацию сунгулита и оливин-пироксеновой фазы можно проводить после термообработки сырьевого конгломерата в печи. Однако при этом часть тепловой энергии будет затрачиваться на нагрев оливина и пироксена, поэтому нужен обоснованный экономическими расчетами выбор последовательности предложенных технологических операций.
Работы по термоактивации серпен-тиновых минералов и изучению их свойств для целей детоксикации техногенно загрязненных территорий и водных объектов ведутся институтом химии и технологии редкоземельных элементов и минерального сырья КНЦ РАН, г. Апатиты. Установлено, что степень активации сырья тем выше, чем больше скорость нагрева материала. Оптимальными условиями термообработки является термоудар и выдержка при температуре 600°С в течение 20 минут [9].
Для реализации термоудара со скоростью нагрева 200-240 °С/с при термообработке могут быть использованы электрические модульно-спусковые печи, уже применяющиеся для вспучивания вермикулита [12-14] и обеспечивающие, в зависимости от фракции, энергоемкость обжига не более 160-190 мДж/м3
Снабженные системой рекуперации, такие технологические печи позволят дополнительно уменьшить энергоемкость на 8-10% [16].
Энергосберегающая электрическая модульно-спусковая печь (рис. 2) содержит дозатор 1 с лотком 2. В корпусе печи 3 под углом друг к другу расположены электрифицированные модули 4 с рекуператорами тепловой энергии 5, которые соединены с трубопроводами 6, изолированными термостойким материалом. Дополнительный неэлектрифицированный Г-образный модуль с коллекторами 7, тепловыми камера-
ми 8 и пространством обжига 9 расположен под нижним модулем 4 и снабжен в нижней части трубопроводом 10, соединенным с вытяжным вентилятором. На нижнем торце дополнительного неэлектрифицированного противня установлено щелевидное сопло 11, соединенное с патрубком 12 вытяжного вентилятора. Печь также содержит бункер для вспученного вермикулита 13, бункер для сунгулита, оливина и пироксена 14 и вентилятор 15.
Барабанный дозатор 1 по лотку 2 подает сырьевой конгломерат на верхний модуль 4. Пересыпаясь с одного модуля на другой, конгломерат подвергается воздействию теплового излучения, идущего с поверхностей электрических нагревателей. При этом частицы вермикулита вспучиваются. Часть теплового потока нагревает и активирует частицы сунгулита, а также частицы оливина и пироксена.
Другая часть лучистой энергии, отражаясь от основания и термокрышек модулей 4, выходит в виде теплового излучения через верхние торцевые части противней 4. Рекуператоры 5 «собирают» эту энергию, а вытяжной вентилятор прокачивает горячий воздух с температурой 530-550°С по трубопроводам 6, коллекторам 7 и тепловым камерам 8 дополнительного модуля. Тепловые камеры и изоляция Г-образного модуля только создают «парниковый эффект», исключая тепловые потери из пространства обжига 9 дополнительного модуля. Вермикулит окончательно вспучивается именно здесь за счет теплового излучения от тяжелых частиц сунгулита и оливин-пироксена, нагревшихся до максимальной температуры (700-750°С) значительно раньше за счет значительно более высокой теплопроводности.
На нижнем торце дополнительного модуля установлено щелевидное сопло, из которого выходит поток горячего воздуха, направленный перпендикулярно потоку выходящего из пространства обжига 9 конгломерата. Этим воздушным потоком легкие частицы вспученного вермикулита отделяются от тяжелых частиц сунгулита, оливина и пироксена. При этом вспученный
Рис. 2. Энергосберегающая печь с аэродинамическим разделителем компонентов
сырьевого конгломерата
вермикулит поступает в бункер 13, а более тяжелые частицы поступают в бункер 14. С помощью вентилятора 15 обеспечивается сбор пыли и отвод ее в бункер-осадитель и фильтр (на рисунке не показаны).
Производительность электрических модульно-спусковых печей при обжиге вермикулитовых концентратов различных размерных групп составляет 1,25-1,7 м3/ч. При термообработке рассматриваемых сырьевых конгломератов производительность уменьшится из-за значительной доли инертных (не вспучивающихся) компонентов, но и показатель производительности должен изменить размерность на т/ч или
сочетать две характеристики:
- производительность по легкой фракции (вермикулиту), м3/ч;
- производительность по тяжелой фракции, т/ч.
Далее тяжелые компоненты, сконцентрированные в бункере 14, подвергаются вибросегрегации.
Подобрав режим вибрации, обеспечивающий соблюдение условия
Аш2 = (2...3)д, где Аш2 - пиковое значение виброускорения; а g - ускорение свободного падения; можно пофракционно вводить конгломерат в режим псевдоожижения [5] и при одно-
временном вибротранспортировании разделять его, создавая двухслойный поток с верхним слоем из сунгулитовых частиц.
Еще более выраженного эффекта разделения сыпучей среды по плотности можно добиться приложением к рабочему органу вибромашины несимметричных колебаний [5], реализуемых, например, управляемым гидрообъемным вибровозбудителем, показанным на рис. 3.
Гидрообъемный вибровозбудитель с транспортирующим наклонным лотком, выполняющим функцию разделителя частиц по плотности, работает следующим образом. С помощью насоса и регулирующей гидроаппаратуры гидросистемы вибровозбудителя (на рисунке не показаны) в полости упругой оболочки 1 (на практике это рукав высокого давления) и полости 2 одностороннего гидроцилиндра создается начальное давление Р0, которое в дальнейшем поддерживается постоянным. Этим давлением Р0 полость упругой оболочки будет расширена за счет сжатия ее резиновых стенок. При вращении эксцентрика 5, работающего от гидромотора 6, поршень 7 совершает возвратно-поступательное движение с угловой скоростью ш. Маховик 8 служит для сглаживания пульсации угловой скорости ш. Объем жидкости, вытесняемый за полный ход поршня 7, равный 2 а0, возбуждает колебательное движение плунжера 2 с лотком 8.
Колебательная система вибростенда образована плунжером 2, соединенным с лотком 9, имеющими общую массу т (кг) и общую жесткость, сформированную суммарной жесткостью с (Н/м) пружин 4 и приведенную объемной жесткостью соб /2 (Н/м) упругой оболочки 2. При этом собственная частота колебательной системы ш0 определяется выражением:
=А Г + Соб/2, рад/с,
V т
о
где / - площадь плунжера 3 (м2); соб - объемная жесткость упругой оболочки (Н/м5).
Объемная жесткость оболочки определяется зависимостью давления Р (Н/м2) при подаче в полость некоторого объема АШ (м3):
Р = к1 АШ + к2 (АШ)2, (1)
где к = 62,61010 (Н/м5) и к2 = 63,91016 (Н/м8) - эмпирические коэффициенты для рукава с параметрами б = 20 мм и I = 245 мм [11].
Объемная жесткость оболочки 2 определится дифференцированием выражения (1):
с1Р
Соб =-ЛрТ1 = (к + 2к2АЮ) . (2)
ёАЖ
Полученная формула имеет размерность Н/м5. Будучи приведенной к площади плунжера 3 жесткость оболочки будет равна / (к1 + 2к2АШ) и иметь размерность Н/м, что соответствует размерности жесткости обычной пружины.
Очевидно, что собственная частота колебательной системы шо (рад/с) будет зависеть от объема начальной деформации полости ЛW0 и вызвавшего эту деформацию начального давления Р0.
При вращении эксцентрика 5 с угловой частотой ш, равной собственной частоте колебательной системы ш0, начинается резонанс, сопровождающийся многократным увеличением амплитуды колебаний лотка 9. Величина амплитуды зависит от того, насколько точно совпадают частоты ш и ш0. Изменяя начальное давление Р0 в полости упругой оболочки можно приближать ш0 к ш или, наоборот, отдалять ш0 от ш, регулируя амплитуду резонанса и управляя таким образом амплитудно-частотной характеристикой системы.
Благодаря нелинейной упругой характеристике колебания лотка будут несимметричными относительно оси шt (рис. 4). При движении вниз его ускорение минимально х2тт, а при движении вверх -
Кроме того, применение объемного гидропривода позволяет управлять частотой возбуждения ш, что дополняет возможности в изменении интенсивности вибрации.
В результате исследования можно сделать следующие выводы.
Все выше приведенные меры помогут реализовать технологический процесс получения сунгулитовых и вермикулитовых концентратов различных фракционных групп с содержанием целевых продуктов не ниже 90%. Но для этого предстоит решить несколько научно-технических задач:
- провести аналитическое моделирование рабочих процессов предложенных технологических аппаратов;
- разработать их лабораторные или опытно-промышленные образцы;
- выполнить комплекс экспериментальных исследований по отработке реализуемых технологических операций;
- научиться управлять параметрами этих операций.
Рис. 4. Несимметричные колебания разделительного вибролотка
х2тах, поэтому будет происходить подбрасывание частиц и их расслоение, способствующее снижению сил трения или даже их мгновенному обнулению [11]. В таком режиме вибросегрегация частиц по плотности идет наиболее интенсивно.
Пока ведется изготовление опытной печи, схема которой приведена на рис. 2. К решению остальных задач еще только предстоит приступить.
Статья поступила 22.07.2015 г.
Библиографический список
1. Аморфизация серпентиновых минералов в тех- 2010. № 1. С. 41-49.
нологии получения магнезиально-силикатного реа- 2. Афанасьев Б.В. Минеральные ресурсы щелоч-
гента для иммобилизации тяжелых металлов / Кре- но-ультраосновных массивов Кольского полуостро-
менецкая И.П., Беляевский А.Т., Васильева Т.Н. [и ва. СПб: Роза ветров. 2011. 224 с.
др.] // Химия в интересах устойчивого развития. 3. Болотников Д.П. Применение вермикулита за
рубежом // Горнометаллургический институт Кольского ф-ла АН СССР: сб. науч. трудов. 1966. С. 107126.
4. Вермикулит (производство и применение): сб. науч. трудов. Челябинск: УралНИИстромпроект, 1988. 175 с.
5. Вибрации в технике: справ.: в 6 т. М.: Машиностроение, 1981. Т. 4: Вибрационные процессы и машины / под ред. Э.Э. Лавендела. 509 с.
6. Выделение вермикулитового концентрата из хвостов обогащения вермикулитовых руд и его использование в жаростойком бетоне / А.Ш. Гершен-коп, М.С. Хохуля, О.Н. Крашенинников, С.В. Бастры-гина // Горный журнал. 2011. № 11. С. 57-59.
7. Вяжущие свойства метасерпентина / И.П. Кре-менецкая, Б.И. Гуревич, Т.К. Иванова [и др.] // Техника и технология силикатов. 2014. № 2. С. 9-16.
8. Кальянов Н.Н. Вермикулит и изделия из термовермикулита и вермикулитобетона. М.: Стройиздат, 1959. 114 с.
9. Кременецкая И.П., Корытная О.П., Васильева Т.Н. Реагент для иммобилизации тяжелых металлов из серпентиносодержащих вскрышных пород // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008 № 4. С. 33-40.
10. Направления комплексного использования отходов добычи флогопита / С.В. Терещенко, С.А. Алексеева, И.П. Кременецкая [и др.] // Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов: сб. докл. Всерос.
науч.-техн. конф. с участием иностр. специалистов (13-15 октября 2014 г.): в 2 т. СПб.: Реноме. 2014. Т. 1. С. 272-279.
11. Нижегородов А.И. Гидропривод испытательного вибростенда с коммутирующим устройством // Строительные и дорожные машины. 2014. № 4. С. 31-34.
12. Нижегородов А.И. Новая концепция печей для обжига вермикулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2007. № 10. С. 19-20.
13. Нижегородов А.И. Опыт эксплуатации электрических модульно-спусковых печей различных модификаций для обжига вермикулитовых концентратов // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9. С. 27-34.
14. Нижегородов А.И. Развитие концепции энерготехнологических агрегатов для обжига вермикулитовых концентратов на базе электрических модуль-но-спусковых печей // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 1-2. С. 48-55.
15. Нижегородов А.И. Узкополосное фракционирование как фактор качества вермикулитовых концентратов // Строительные материалы. 2009. № 9. С. 68-69.
16. Нижегородов А.И., Звездин А.В. Энерготехнологические агрегаты для переработки вермикулитовых концентратов. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. 250 с.
17. НПП «Укрвермикулит» [Электронный ресурс]. URL: http: // www.verminculite.com.ua (31.10.2013).
18. Производство и применение вермикулита / под ред. проф. Н.А. Попова. М.: Стройиздат, 1964. 128 с.
УДК 504.06
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСАДКОВ ШЛАМ-ЛИГНИНА ОАО «БАЙКАЛЬСКИЙ ЦБК» ПРИ ВЫМОРАЖИВАНИИ
© А.С. Шатрова1, А.В. Богданов2, О.Л. Качор3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В 2015 г. планируется приступить к реализации проекта по ликвидации накопленных отходов ОАО «Байкальский ЦБК» объемом около 8 млн м3. Наиболее эффективным способом уплотнения осадков карт-накопителей является создание условий их естественного вымораживания. В статье приведены результаты исследований физико-химических свойств осадков шлам-лигнина до и после вымораживания. Вымораживание осадков позволяет сократить их объем, улучшить водоотдающие свойства, снизить токсичность и, как следствие, значительно сократить технико-экономические затраты на их утилизацию.
Ключевые слова: вымораживание; шлам-лигнин; ОАО «Байкальский ЦБК»; коллоидная структура; утилизация отходов; токсичность.
1
Шатрова Анастасия Сергеевна, аспирант, тел.: 89648182660, e-mail: [email protected] Shatrova Anastasia, Postgraduate, tel.: 89648182660, e-mail: [email protected]
2Богданов Андрей Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры обогащения полезных ископаемых и охраны окружающей среды, тел.: (3952) 405376, e-mail: [email protected]
Bogdanov Andrei, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mineral Processing and Environmental Protection, tel.: (3952) 405376, e-mail:[email protected]
3Качор Ольга Леонидовна, кандидат технических наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и охраны окружающей среды, тел.: (3952) 405376, e-mail: [email protected]
Kachor Olga, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mineral Processing and Environmental Protection, tel.: (3952) 405376, e-mail: [email protected]
