Разработка технологии переработки шунгитовых пород с получением дисперсных шунгитовых концентратов высокого качества Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

© В.А. Рафиснко, Т.И. Юшина, 2013

УДК 541.1

В.А. Рафиенко, Т.И. Юшина

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ШУНГИТОВЫХ ПОРОД С ПОЛУЧЕНИЕМ ДИСПЕРСНЫХ ШУНГИТОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА

Для повышения качества шунгитовых продуктов, предназначенных для использования в качестве сорбентов, а также наполнителей в резиновой, лакокрасочной и других отраслях промышленности необходимо использовать обогатительные операции, предусматривающие удаление тонкодисперсные минеральных составляющих. С учетом проведенных исследований была обоснована схема обогащения шунгитовых пород, включающая операции аэроклассификации и кислотного выщелачивания, обеспечивающая получение дисперсных шунгитовых концентратов высокого качества и позволяющая изменять номенклатуру или производительность по отдельным видам продукции. Результаты проведенных технологических испытаний показали эффективность разработанной технологии и схемы и показали возможность получения высококачественного шунгитовых концентратов, удовлетворяющего самым высоким требованиям по массовой доле железа, серы и карбонатов.

Ключевые слова: Технология переработки шунгита, шунгитовая порода, шунгито-вый концентрат, обогащение шунгита, область применения шунгита, горохочение, аэроклассификация, тонкодисперсный продукт.

Производимая шунгитовая продукция в зависимости от требований потребителя характеризуется существенным диапазоном крупности кусков и зерен [1]. Как видно из табл. 1, для наиболее технологичных областей производства требуется порошковые фракции крупностью -5 мм. Поэтому технологическая схема производства шунгитовых продуктов связана только с получением тонких классов крупности заданного гранулометрического состава.

Именно к этим материалам предь-являются наиболее строгие требования относительно химического состава. Существующие схемы рудоподго-товки обеспечивают получение продукции заданной крупности, однако задача снижения массовой доли примесей остается нереализованной.

Для решения поставленной задачи были проведены минералогические исследования, задачей которых являлось определение форм присутствия загрязняющих примесей в шунгитовых породах и выбор направлений обогатительной их переработки с достижением задачи получения высококачественных средне- и тонкодисперсных продуктов.

Шунгитовые породы Зажогинского месторождения по химическому составу достаточно однородны, концентрация углеродистого вещества по основным участкам колеблется от 8 до 67% (табл. 2). Основными текстурными разновидностями шунгитовых пород являются массивные, брекчи-рованые и слоистые, которые характеризуются несколько различающимся составом и содержат кремнезём различной крупности [2].

Таблица 1

Кассификация шунгитовых продуктов по классам крупности и область их применения

Продукты Фракционный состав, мм Основные области применения

Плиты -10000+100 В строительной промышленности для изготовление плит для полов стен и др.

Крупный щебень -100+10 Флюс для доменное производство литейного чугуна, доменных ферросплавов

-40+10 Флюс для электрометаллургия цветных металлов (Со, N1, Си), ферросплавов, жёлтого фосфора

Крошка -10+5 Материал для очистки воды; наполнитель в ра-диоэкранирующих бетонах и электропроводных асфальтах

-5+1 Материал для насыпных фильтров в очистных сооружениях

Песок - крупка -5+3 -3+1 Материал для фильтров водоочистки и водопод-готовки

-5+1 Наполнитель для специального кирпича, кладочных и штукатурных растворов

-3+1 Наполнитель желобных масс

Порошок -1+0,7 Наполнитель для резинотехнической промышленности (марки ШН70, ШН75); наполнитель противопригарных и электропроводных красок; наполнитель композиционных материалов для придания им антистатических свойств

Тонкодисперсный порошок -0,7+0,5 Наполнитель ШН50

-0,5+0,25 Добавка к удобрениям

-0,25+0,15 Наполнитель ШН20 для резин; пигмент строительных красок

-0,15+0,05 Добавка в косметологии, медицине (пасты, мази, настои); наполнитель ШН5

Таблица 2

Химический состав шунгитовыгх пород (интервал варьирования/среднее)

ЭЮ2 С А12О3 РеО МдО СаО Ыэ2О Б СО2 Н2Окрис

38-67 57,0 8-67 29,0 2-14 4,0 1-10 2,5 0,5-6 1,2 0,5-18 1,9 0,11,5 0,4 0,74,1 1,6 0,3-16 2,9 4,2

В отдельных участках месторождения резко увеличиваются массовые доли составляющих шунгитовых пород: глинистых минералов, сульфидных и окисленных минералов железа, карбонатов магния и кальция. Их суммарная массовая доля может достигать 40 %. Массовая доля оксида

кальция на отдельных участках возрастает до 18,3%. Резко колеблется и содержание оксидов алюминия в рассматриваемой пробе, который варьирует в пределах от 2 до 14%. Такое содержание оксида алюминия связано с присутствием глинистых минералов в виде монтмориллонита.

Таблица 3

Фазовый состав железосодержащих минералов в шунгитовой породе (отн. %)

Минералы Структурные разновидности шунгитовых порол

Брекчированная Массивная Слоисто-выветренная

Магнетит 22 18 34

Гидрогетит 26 19 23

Пирит 40 55 41

Силикаты железа Ре2+ 12 8 2

Итого 100 100 100

Вышеперечисленные примеси снижают качество шунгитовых продуктов, предназначенных для использования в качестве сорбентов, а также наполнителей в резиновой, лакокрасочной и других отраслях промышленности [3]. В процессе дополнительного обогащения путём промывки целесообразно удалить глинистые минералы, а также другие тонкодисперсные минеральные составляющие, что позволит изменить состав и свойства продуктов и повысить качество получаемых концентратов, расширить сферу их применения.

Для решения поставленной задачи в наибольшей мере актуальна задача снижения массовой доли железа и серы. Содержание оксида железа в целом по всем пробам меняется от 1 до 10,1%. Железосодержащие минералы, по данным геолого-минералоги-

ческих исследований [2], представлен в виде магнетита, гидрогетита, пирита, силиката двухвалентного железа. Среднее процентное содержание этих минералов в различных пачках месторождения представлены в табл. 3.

Содержание общей серы колеблется от 0,66 до 4%. Сера в шунгито-вых породах содержится в форме элементарной серы (от 20 до 40 % от общей серы), сосредоточенной преимущественно в углеродистом веществе, и форме сульфидов металлов, в первую очередь пирита. Из табл. 2 видно, что максимальное содержание пиритовых разновидностей находится в массивной шунгитовой породе, где относительная доля пирита составляет 55%. В других разновидностях шунгитовых пород (брекчированных и слоисто-выветренных) относительная

Таблица 4

Содержания загрязняющих примесей в мелкодробленом шунгитовом продукте

Класс крупности, мм Выход, % Массовая доля,%

Fe S Ca Mg ОД

-4 45,8 2,05 2,78 0,78 0,35 1,45

-0,5 34,2 2,15 2,8 0,85 0,38 1,47

-0.5 +0,1 10,2 2,34 2,9 0,88 0,4 1,56

-0,1 9,8 7,40 3,2 5,5 2,4 8,4

Итого 100 2,64 2,84 1,28 0,57 2,15

Класс -5 + 0,1 90,2 2,12 2,80 0,82 0,37 1,47

Рис. 1. Кривые дифференциально-термического анализа: а - массивной шунгитовой породы, б - брекчированной шунгитовой породы, в - массивной шунгитовой породы, выдержанной в воде

доля пирита составляет порядка 40%. Форма присутствия в них железа в форме гидрогетита и магнетита возрастает до 59% (табл. 2).

Для установления различий в составе и свойствах основных типов пород были проведены исследования с применением метода кривых нагревания дифференциально-термического анализа. Исследования физико-химических и термических свойств проводились на установке термоанализатор типа БТА-409 фирмы Не12эсЬ (Германия) в интервале температур от 20 до 1000°С со скоростью 10°/мин в тиглях из оксида алюминия без притока свежего воздуха. В качестве эталона для сравнительных испытаний использовалась оксид алюминия (аА12О3).

Результаты исследований показали (рис. 1), что кривая Тв у массивной породы и брекчированной породы, примерно одинаковы. При температуре 180-200°С, кривая Тв падает, а затем, в интервале температур 200-250°С, начинает возрастать. Такая форма кривой связана с разложением сульфидов и началом образования окислов железа.

В последующем при повышении температуры свыше 250 °С, кривая Тв начинает медленно падать, что также указывает на на-

чало разложения углеродистого вещества.

Характер кривых DSC существенно отличается между собой. В массивной шунгитовой породе кривая DSC медленно возрастает, в то время как в брекчированной она падает. Это указывает о том, что массивная порода отличается от брекчирован-ной не только по структурному составу, но и по физико-химическим свойствам, несмотря на то, что химический состав этих проб примерно аналогичен.

На всех трёх пробах при температуре примерно 420-480 °C отмечается резкое изменение характера кривых DSC. Это указывает на то, что при данной температуре начали разлагаться другие сульфидные разновидности, присутствующие в шунгитовой породе.

Структурные особенности шунги-товых пород были проанализированы с помощью рентгенометрического фазового состава на установке «ДРОН-3». Изучение структуры шун-гитовых пород показало, что испытываемые продукты состоят в основном из аморфного углеродистого вещества внутри которого присутствуют в основном силикаты, карбонаты, алюмосиликаты с небольшими примесями сульфидных минералов.

Для определения возможных путей повышения качества шунгитовых продуктов и концентратов был проведен химический анализ различных классов крупности усредненной пробы мелкодробленой шунгитовой породы. Анализ полученных результатов (табл. 4) показал, что фракция - 100 мкм характеризуется резким увеличением массовой доли серы, железа, магния, кальция. Результаты проведенных подсчетов показывают, что только за счет удаления из шунгитовой породы класса - 100 мкм возможно снижение

массовых долей загрязняющих примесей на 20-35 %.

При этом удаляемый шламовый продукт может представлять собой сырье для строительной промышленности.

С учетом проведенных исследований была обоснована схема обогащения шунгитовых пород, обеспечивающая получение дисперсных шун-гитовых концентратов высокого качества (рис. 2).

Разработанная технологическая схема включает последовательные операции дробления и грохочения с получением двух продуктов крупностью -10 +5 мм и -5 мм. Шунгитовый продукт крупностью -10 +5 мм (крошка) применяется в качестве материала для очистки воды и наполнителя в радиоэкранирующих бетонах и электропроводных асфальтах (см. табл. 1). Продукт крупностью -5 мм поступает в операцию аэроклассификации, в которой производится выделение фракции - 0,1 мм, характеризующейся высокой массовой долей карбонатных и окисленных минералов кальция, железа, магния и алюминия, снижающих качество шунгитовой продукции. После проведения операции аэроклассификации массовые доли этих компонентов в шунгитовом продукте снижаются в 1,2 - 1,5 раза.

Пески аэроклассификации (класс -5 +1 мм) направляется на сушку и измельчение в струйную мельницу. Обесшламленный шунгитовый продукт (класс -1 +0,1 мм) либо объединяется с песками аэроклассификации, либо проходит дальнейшее обогащение отдельно.

Измельченный шунгитовый продукт представляет собой тонкодисперсный продукт, который после операции аэроклассификации разделяется на шунгитовые концентраты заданной крупности.

Рис. 2. Технологическая схема производства шунгитовых продуктов и концентратов

Таблица 5

Характеристики обогащенных шунгитовых продуктов

Продукты Крупность, мм Массовая доля, %

Ре Са Мд

Шунгитовая крупка -10 + 5 2,15 0,84 0,41

Шунгитовые продукты ШН 75, ШН 50, ШН 25 -0,075 + 0,020 2,03 0,81 0,39

-0,050 + 0,010 2,05 0,84 0,41

-0,020 + 0 2,19 0,9 0,42

Исходная порода 2,68 1,31 0,58

Таблица 6

Характеристики высококачественных шунгитовых концентратов

№№ Параметр или показатель Марка концентрата

ШНМ 50 ШНМ75

1 Класса крупности, мм -0,050 +0,010 -0,050 +0,020

2 Массовая доля железа в концентрате, % 0,55 0,57

2 Массовая доля серы в концентрате, % 0,32 0,30

3 Массовая доля С02 в концентрате, % 0,32 0,31

регулировать марочность получаемых шунгитовых концентратов (от ШН 50 до ШН75). Пыли аэроклассификации представляют собой концентрат ШН20.

Технологическая схема предусматривает отдельный цикл химического выщелачивания черновых шунгитовых концентратов. Такая операция позволяет получать высококачественные шунгитовые концентраты даже в случаях переработки шунгитовых пород с высокой массовой долей серы (до 3,5 %) и карбонатов (до 15 %).

Представленная технологическая схема построена таким образом, что она обеспечивает получение большого количества продуктов различных классов крупности и качества. Кроме того, схема позволяет, руководствуясь потребностями потребителей, вводить необходимые корректировки, обеспечивающие изменение номенклатуры или производительности по отдельным видам про-

дукции. При этом перенастройка осуществляется достаточно оперативно, благодаря гибкости технологической схемы.

Технологические показатели переработки шунгитовых пород формируются на двух стадиях: дробления, грохочения и аэроклассификации дроблёного продукта, а также тонкого измельчения и выщелачивания измельченного продукта. Поэтому результаты процесса стабильны в широком интервале варьирования химического и минералогического состава исходной шунгитовой породы.

Важным узлом рассмотренной технологической схемы является операция грохочения дробленого шунгитового продукта. Снижение эффективности грохочения приводит к попаданию шламовых классов с высоким содержанием загрязняющих примесей в зернистый продукт и снижению показателей последующего обогащения и обеспыливания.

Для достижения высокой эффективности разделения дробленого шунгитового продукта по крупности на данной стадии применен способ разделения на двухситовом виброгрохоте.

Виброгрохот СВ-2/0,75, предназначен для разделения на фракции сыпучих материалов крупностью до 20 мм. Он комплектоваться двумя деками с ячейками разных размеров. Диаметр ячеек определяется в зависимости от требований, предъявляемых к крупности и качеству получаемых продуктов. Для определения потребности в грохотах была разработана математическая модель процесса грохочения [5], позволяющая рассчитать выхода разделяемых классов крупности и эффективность грохочения при изменении нагрузки, или напротив, продолжительность грохочения, необходимую для достижения заданной эффективности грохочения.

Результаты проведенных расчетов показали, что при грохочении разгрузки валковой дробилки крупностью -10 мм на верхнем сите грохота с размером ячеек 3 мм достигается максимальная эффективность грохочения (0,93) и требуемая крупность получаемого подрешетно-го продукта (95% кл. -5 мм). Снижение размера сит до 2,5 и 2 мм снижает эффективность грохочения (до 0,75 и 0,64), увеличение циркуляционной нагрузки и снижение производительности всего дробильного комплекса.

При ширине отверстия нижней просеивающей поверхности в 1 мм не удается получить класс заданной крупности (95% кл. -1 мм). Сужение ширины щели просеивающей по-

верхности до расчетной (0,75 мм) оказалось нецелесообразным из-за резкого снижения эффективности сухого грохочения (до 0,6). В этих условиях было рекомендовано ввести в технологическую схему процесс двухстадиальной аэроклассификации подрешетного продукта (класса -1,5 мм) в циклонной установке с выделением обесшламленно-го шунгитового продукта и обедненного шлама (класс -0,1 мм).

Проведенными испытаниями была подтверждена работоспособность разработанной технологии и схемы. На выходе схемы по результатам укрупненных исследований удалось получить тонкодисперсные обогащенных шунгитовые продукты с пониженным содержанием загрязняющих примесей (табл.5). По уровню загрязнений эти продукты приближаются к шунгитовой крупке.

Дальнейшее повышение качества шунгитовых продуктов требует применения химических способов обогащения. В качестве такого способа весьма перспективно применение сернокислотного выщелачивания [4].

Результаты проведенных технологических испытаний показали эффективность технологии кислотного выщелачивания тонкодисперсных шунгитовых продуктов и показали возможность получения высококачественного шунгитовых концентратов, удовлетворяющего самым высоким требованиям по массовой доле железа, серы и карбонатов (табл. 6).

Таким образом, предложенная технология решает задачу эффективной переработки шунгитовых пород с получение высококачественных обогащенных шунгитовых продуктов и концентратов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рафиенко В.А., Ануфриева С.И. Углеродистые соединения: шунгитовые породы и особенности их промышленного использования. М.: Наука, 2008. - 71 с.

2. Ануфриева С.И., Ожогина Е.Г. Особенности минералого-аналитического изучения природных типов шунгитовых пород // в сб.: Значение исследований технологической минералогии в решении задач комплексного освоения минерального сырья. -Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2007. С. 135135.

3. Рафиенко В.А. Технология переработки шунгитовых пород. М.: изд. Геос. -2008. - 214 с.

4. Рафиенко В.А. О механизме выщелачивания сульфидов из шунгитовых пород. Горный информационно-аналитический бюллетень №9. М.: МГГУ, 2007. С. 38-48.

5. Рафиенко В.А. Разработка математической модели грохочения. Горный информационно-аналитический бюллетень №1. М.: МГГУ, 2008. С. 53-56. \ГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Юшина Татьяна Ивановна - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, yuti62@mai1.ru, Московский государственный горный университет

Рафиенко Владимир Алексеевич - Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), зав. лаб. каф. физики, physics@rsgpu.ru

А

ГОРНАЯ КНИГА

Методы определения параметров отвалов п технологии отвалообразования на склонах

A.M. Гальперин, Ю.И. Кутепов, Г.М. Еремин 2012 г. 104 с.

ISBN: 978-5-98672-333-4 UDK: 622.693.26

Приведены основные научно-методические и технологические положения по определению параметров отвалов и технологии отвалообразования в различных зонах и условиях от отвалов небольшой высоты до высоких (до 200—300 м и больше). Показаны особенности возникновения деформаций отвалов на склонах, объяснены их причины и предложены эффективные мероприятия по снижению деформаций отвалов при влиянии трещинных и паводковых вод, выходящих на склоны, а также при ливневом насыщении пород водой регулированием интенсивностью отсыпки пород в отвалы и отводом воды за счет создания водоотводящих каналов. Приведены примеры реализации методов посредством создания высоких отвалов большой вместимости в различных условиях.

Для работников научно-исследовательских, проектных организаций и инженерно-технических работников, осуществляющих непосредственное производство работ на карьерах.