СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Российский патент 2015 года по МПК C22B7/04 

Изобретение относится к утилизации металлосодержащих отходов с содержанием железа 15% и более, таких как шлаки медного и никелевого производства, шламы флотации медной руды и подобные материалы, и может быть использовано при производстве строительных материалов и извлечении металла.

Известен способ переработки железосодержащих отходов, описанный в а.с. СССР №1603788 по кл. C22B 7/04, з. оп. 28.12.88.

Известный способ переработки железосодержащих отходов, в частности отвальных гранулированных шлаков никелевого производства, включает их измельчение до песка с модулем крупности 1,4-1,8, используемым в качестве песка для бетонов, и сухую магнитную сепарацию, при которой извлекается никель и кобальт, содержащийся в шлаке.

Однако данный способ не обеспечивает извлечения из шлака железа, содержание которого составляет от 18 до 25%. Вследствие этого пески из никелевых шлаков отличаются повышенной, по сравнению с песками из горных пород, плотностью зерен, что приводит к отрицательным последствиям при использовании в качестве мелкого заполнителя: происходит повышенное расслоение бетонной смеси, что ограничивает их применение в бетонах. Отвальные шлаки медного производства имеют еще большее содержание железа (до 45%) и, соответственно, плотность зерен (до 3,5 г/см³) и не могут быть использованы в качестве мелкого заполнителя для обычных бетонов, где используются заполнители из природных материалов с плотностью около 2,5 г/см³.

Известен способ извлечения металлов из сырья без его плавления, описанный в п. РФ №2460813 по кл. C22B 5/02, з. 16.06.2011 г., оп. 10.09.2012 г. и принятый за прототип.

Известный способ заключается в том, что состав, в который извлекаемые материалы входят твердыми оксидными растворов или оксидных химических соединений с тугоплавкими оксидами других невосстанавливаемых металлов, размалывают до частиц размером 1-2 мм, смешивают с углеродистым восстановителем и подвергают восстановительному обжигу в течение 1-3 часов при температуре 0,6-0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы материала. Смесь охлаждают, размалывают до частиц размером 1 мм и производят разделение магнитным, флотационным или аэродинамическим способом.

Металл идет в дальнейшую переработку. Оксидный остаток представляет из себя мелкий песок фракции менее 1 мм с плотностью зерен около 2,5 г/см³ (характерной для природных песков), но с высокой водопотребностью, использование которого в бетоне нецелесообразно из-за повышенного расхода цемента.

Экспериментами установлено, что применение в бетонах песков такой крупности без перерасхода цемента возможно в случае преимущественного содержания в их зернах стеклофазы, как доказано на примере песков из гранулированных шлаков никелевой промышленности (см. Заровнятных В.А., Розовский А.Л. «Бетоны на песках из гранулированных шлаков никелевого производства»., журнал "Бетон и железобетон", 1977, №8).

Известный способ предусматривает нагревание материала при температуре 0,6-0,8 температуры плавления наиболее тугоплавкой оксидной фазы и естественное остывание материала, что не обеспечивает образование стеклофазы в зернах, необходимой для снижения водопотребности мелких песков.

При медленном охлаждении материала после восстановительного процесса корольки железа имеют плотное сцепление с зернами оксидной фазы, что препятствует их разделению при дроблении и сепарации и уменьшает выход металла.

Задачей изобретения является обеспечение комплексной переработки отходов и увеличение извлечения металлического (железного) компонента.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки железосодержащих отходов, заключающемся в том, что отходы измельчают до частиц размером 1-2 мм, смешивают с углеродистым восстановителем и подвергают восстановительному обжигу в течение 1-3 часов при температуре 0,6-0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы материала, полученную смесь охлаждают, размалывают и производят разделение металлического и оксидного компонентов, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, заключительную часть восстановительного обжига производят при температуре, не меньшей температуры плавления наименее тугоплавкого оксидного компонента, полученную смесь повергают термическому удару со скоростью, не меньшей критической скорости охлаждения данного компонента, после чего измельчают до частиц размером до 1 мм и разделяют путем сепарации на металлический и оксидный компоненты.

При этом отходы с повышенной влажностью перед переработкой могут высушивать до постоянного веса.

Проведение заключительной части восстановительного обжига при температуре, не меньшей температуры плавления наименее тугоплавкого оксидного компонента, позволяет более эффективно произвести последующий термический удар. За счет растрескивания материала при термическом ударе (перед помолом) преимущественно по границе раздела металлического и силикатного компонента обеспечивается увеличение выхода металлического компонента, что объясняется, возможно, концентрацией напряжений в местах раздела силикатной и металлической составляющих в момент охлаждения, вызванных разницей коэффициентов термического расширения.

При этом уменьшается плотность силикатного компонента за счет удаления из него железной составляющей и снижается смачиваемость, поскольку критическая скорость охлаждения обеспечивает переход жидкой фазы в стеклофазу, что облегчает разделение металлического и оксидного компонентов при измельчении. Наличие стеклофазы в оксидной составляющей продуктов восстановительного обжига снижает водопотребность песка, получаемого после более мелкого помола при дроблении и сепарации данных продуктов, и позволяет использовать его в качестве мелкого заполнителя в бетонах. Таким образом, обеспечивается комплексная переработка железосодержащих отходов.

Технический результат - обеспечение комплексности переработки: получение в едином безотходном технологическом процессе металла (при увеличении его выхода) и мелкого заполнителя для бетона.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как проведение заключительной части восстановительного обжига при температуре, не меньшей температуры плавления наименее тугоплавкого оксидного компонента, охлаждение получившейся смеси термическим ударом со скоростью, не меньшей критической скорости охлаждения данного компонента, измельчение ее до частиц размером до 1 мм и разделение путем сепарации металлического и оксидного компонентов, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ может найти широкое применение в металлургии, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Заявляемый способ заключается в следующем.

Железосодержащие отходы измельчают до частиц размером 1-2 мм, смешивают с углеродистым восстановителем и подвергают восстановительному обжигу при температуре 0,6-0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы материала. При этом заключительную часть восстановительного обжига производят при температуре, не меньшей температуры плавления наименее тугоплавкого оксидного компонента. Затем полученную смесь охлаждают, для чего подвергают ее термическому удару со скоростью, не меньшей критической скорости охлаждения данного компонента, после чего измельчают до частиц размером до 1 мм и разделяют путем сепарации на металлический и оксидный компоненты.

Железосодержащие отходы с повышенной влажностью перед переработкой высушивают до постоянного веса.

Ниже приведен пример конкретного осуществления способа.

Использовался железосодержащий отход: шлам флотации медной руды из отвалов ЗАО "Карабашмедь" (см. табл.1).

Таблица 1 MgO Al₂O₃ SiO₂ CaO FeO Fe₃O₄ 2.7% 3.8% 28.9% 3.3% 27% 35%

Шлам с влажностью 4,5% высушивали до постоянного веса, пропускали через валковую дробилку с зазором между валками 2 мм для додрабливания крупных включений, смешивали с кусковым каменным углем, подвергали восстановительному обжигу во вращающейся печи по следующему режиму: 1105°C в течение 2 часа 40 мин, затем - 1210°C в течение 20 мин. При выгрузке из печи обожженную массу подвергали термическому удару посредством струи сжатого воздуха с давлением 6 атм, обеспечивающего охлаждение с критической скоростью, равной 10,5 град./с, дробили в стержневой мельнице до крупности 1 мм (модуль крупности 1,4), отделяли металлическую составляющую на магнитном сепараторе с напряженностью магнитного поля 1450 Э.

Выбранная критическая скорость больше величины 10,1-10,2 град.С/с, определенной для данного вида силикатного расплава, обеспечивает образование стеклофазы из расплавленной составляющей материала.

Из немагнитной оксидной составляющей, представляющей собой песок с модулем крупности 1,4, готовились и испытывались образцы тяжелого бетона марки 300. Температура основной части восстановительного обжига (1105°C) выбрана в соответствии с режимом по способу, принятому за прототип, и составляет 69% от температуры плавления (1600°C) наиболее тугоплавкой составляющей исходного материала: комплексного силиката: (Fe, Ca, Al, Mg)₂.SiO₄.

Время основной части обжига может варьироваться в пределах 1-5 часов в зависимости от минералогического и фазового состава и гранулометрии исходного материала.

Температура заключительного этапа обжига была выбрана на 10°C выше температуры плавления Fe₃O₄ (1200°C) наименее тугоплавкого компонента. Время выдержки при этой температуре было определено экспериментальным путем: при выдержке менее 20 мин количество стеклофазы в продукте после охлаждения уменьшается, выдержка более 20 мин не приводит к увеличению количества стеклофазы и ведет к нерациональной трате энергии.

В контрольном эксперименте восстановительный обжиг в соответствии с известным способом, выбранном в качестве прототипа, проводился при температуре 1105°C, а материал после обжига охлаждался в естественных условиях.

Результаты магнитной сепарации (вес.%) представлены в табл.2

Таблица 2 Способ Количество магнитной фракции Количество немагнитной фракции Остаток шлака в магнитной фракции известный 81% 19% 31% предложенный 66% 34% 16%

Как следует из табл.2, предложенный способ позволяет уменьшить содержание шлака в магнитной фракции (металле) до 16%, т.е. почти в 2 раза по сравнению с известным способом. Такое значительное уменьшение содержания шлака существенно облегчает дальнейший передел металла.

Результаты испытания песков, полученных из оксидной составляющей продуктов сепарации, и бетонов на их основе представлены в табл.3, бетонов на их основе - в табл.4.

В качестве эталонного мелкого заполнителя использован среднезернистый природный кварцевый песок Федоровского месторождения Челябинской области, по всем показателям удовлетворяющий требованиям стандарта, вяжущего - портландцемент M400, крупного заполнителя - гранодиоритовый щебень фракции 5-20 мм.

Таблица 3 Способ получения песка Частные остатки на ситах, % Содержание фракции менее 0,14 мм, % Модуль крупности Объемная насыпная масса, кг/м³ Водопотребность, % 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Предложенный 0 0 23,7 34,7 22.5 19,1 1,60 1510 25.41 Известный 0 0 21,5 31,2 29,4 18,9 1,56 1515 46.25 Природный 7,5 7,3 21,8 38,6 17,4 7,4 2,27 1500 23.19

Таблица 4 Способ получения песка Расход материалов на 1 м³ бетона, кг в/ц Удобоукладываемость, см Объемная масса, кг/м³ Прочность на сжатие, МПа Удельный расход цемента, кг/МПа цемент песок щебень вода Предложенный 230 860 990 196 0,85 2-4 см 2315 20,2 11,4 198 885 1020 169 0,85 30-40 с 2365 21.2 9,5 270 815 1085 186 0,69 2-4 см 2350 26.5 10,0 235 850 1125 164 0,69 30-40 с 2425 29.5 8,0 358 655 1190 186 0,50 2-4 см 2415 43.7 8,2 333 640 1230 172 0,50 30-40 с 2435 44,1 7,6 Известный 285 850 985 245 0,85 2-4 см 2320 18,2 15,6 267 875 1015 227 0,85 30-40 с 2365 18,9 14,1 338 805 1095 233 0,69 2-4 см 2355 25,9 13,1 296 855 1125 204 0,69 30-40 с 2430 27,4 10,6 483 635 1195 242 0,50 2-4 см 2420 42,9 11,3 443 625 1235 221 0,50 30-40 с 2440 43,8 10,1 Природный 230 855 1090 196 0.85 2-4 см 2310 20,3, 11,3 203 890 1140 172 0.85 30-40 с 2370 18,8 10,8 282 810 1115 195 0.69 2-4 см 2350 26,3 10,7 248 850 1180 172 0.69 30-40 с 2420 27,3 9,1 376 650 1275 188 0.50 2-4 см 2410 43,4 8,2 347 640 1295 193 0.50 30-40 с 2440 44,6 7,8

Как следует из табл.3, водопотребность песка (по объему), полученного по предложенному способу, на 45% ниже, чем по известному, и близка к водопотребности среднезернистого природного песка.

Удельный расход цемента в бетонах равной прочности и удобоукладываемости на песке по предложенному способу на 24-33% ниже, чем по известному, и не выше, чем в бетонах на природном песке стандартного качества (табл.4).

Представленные в таблицах результаты свидетельствуют о высоком качестве полученного песка как заполнителя для бетонов, что свидетельствует о полноценной комплексной переработке железосодержащих отходов (безотходное производство) и увеличении извлечения металлической составляющей, что дополнительно повышает эффективность переработки отходов.

Предлагаемый способ может найти применение при переработке отвалов и текущего выхода железосодержащих отходов металлургии, в настоящее время практически не используемых. Реализация способа может производиться на серийно выпускаемом оборудовании.

В сравнении с прототипом заявляемый способ переработки железосодержащих отходов обеспечивает комплексную их переработку при увеличении выхода металла.

Изобретение относится к утилизации металлосодержащих отходов с содержанием железа 15% и более, таких как шлаки медного и никелевого производства, шламы флотации медной руды и подобные материалы, и может быть использовано при производстве строительных материалов и извлечении металла. Железосодержащие отходы измельчают до частиц размером 1-2 мм, смешивают с углеродистым восстановителем и подвергают восстановительному обжигу при температуре 0,6-0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы материала. Заключительный этап восстановительного обжига производят при температуре, не меньшей температуры плавления наименее тугоплавкого оксидного компонента. Полученную смесь охлаждают путем термического удара со скоростью, не меньшей критической скорости охлаждения данного компонента, измельчают до частиц размером до 1 мм и разделяют путем сепарации на металлический и оксидный компоненты. Изобретение обеспечивает комплексную переработку отходов и увеличение извлечения металлического компонента 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ переработки железосодержащих отходов, включающий измельчение отходов до частиц размером 1-2 мм, смешивание с углеродистым восстановителем и восстановительный обжиг при температуре 0,6-0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы материала, полученную смесь охлаждают, размалывают и производят разделение металлического и оксидного компонентов, отличающийся тем, что заключительный этап восстановительного обжига производят при температуре, не меньшей температуры плавления наименее тугоплавкого оксидного компонента, при этом полученную смесь повергают термическому удару со скоростью охлаждения, не меньшей критической скорости охлаждения данного компонента, после чего измельчают до частиц размером до 1 мм и разделяют путем сепарации на металлический и оксидный компоненты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что железосодержащие отходы с повышенной влажностью перед переработкой высушивают.