Получение металлов и их соединений из сырья Кольского полуострова

УДК 546.881, 669.712

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СЫРЬЯ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

Н.Н. Гришин, А.Г. Иванова, Е.Ю. Ракитина, \В.Т. Калинников

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия

Аннотация

Описывается лабораторный вариант процессов переработки комплексных руд Кольского полуострова с выходом железа, алюминия. В качестве главного реагента выбран энергетически насыщенный газ, получаемый из энергоносителей низкой стоимости, некоксующийся уголь, торф и отходы древесины. Лабораторная технология разработана на 70-80%. Технико-экономические расчеты показали коммерческую привлекательность процессов. Продукты могут быть использованы в ЖКХ, металлургии и строительстве.

Ключевые слова:

железо, алюминий, ванадий, титан, восстановительный газ, технология.

PRODUCING METALS AND METAL COMPOUNDS FROM THE SOURCES OF THE KOLA PENINSULA

N.N. Grishin, A.G. Ivanova, E.Yu. Rakitina, V.T. Kalinnikov

I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia

Abstract

Laboratory-scale processes of complex ores of the Kola Peninsula, yielding iron and aluminum, are described. The principal reagent is an energy-saturated gas, obtained from low-cost sources, mill coal, peat, and green wastes. The development level of the laboratory technology is 70-80%. Technoeconomic studies have demonstrated the commercial attractiveness of the processes. The products can be used in housing and public utilities, metallurgy and building.

Keywords:

iron, aluminum, vanadium, titanium, reducing gas, technology.

Альтернативные источники энергии для промышленной переработки полезных ископаемых

На Кольском полуострове разведаны богатые месторождения титаномагнетитов и кианитов. Традиционные технологии их переработки не всегда пригодны для практического применения.

Развиваемый нами подход заключается в получении энергонасыщенного восстановительного газа, полученного из дешевых энергоносителей и пригодного для применения в ЖКХ, с его использованием как технологического без предварительной очистки, что существенно снижает стоимость всего процесса.

На первом этапе совместно с Институтом обогащения углей РАН, Институтом теплофизики СО РАН и др. разрабатывается промышленная технология подготовки водоугольного топлива (ВУТ) и его сжигания с получением тепла для ЖКХ и энергонасыщенного восстановительного газа для промышленного восстановления руд и концентратов.

Получение ванадия, титана, железа, алюминия нетрадиционными методами

ИХТРЭМС КНЦ РАН в тесном контакте с другими институтами КНЦ РАН (ГИ, ГоИ, ИППЭС, ИЭП) разрабатывает технологии получения металлов: железа, титана, ванадия, алюминия, основанные на восстановлении исходных компонент с их разделением на целевые продукты требуемой степени чистоты.

Разработаны физико-химические основы, согласующиеся с литературными данными, и лабораторный вариант технологии переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов с получением металлического железа (до 99.3% - Fe), оксида титана (до 97% - TiO2) и высокой степени извлечения пятиокиси ванадия (92%) [1, 2]. Концентрат металлического железа получается в виде порошка улучшенной структуры с остаточным содержанием ванадия в металлическом железе 0.02-0.03%. В технологии используются дешевые и доступные реагенты. Она относительно проста и может быть реализована с использованием стандартного оборудования (рис. 1).

Из хибинского титаномагнетитового концентрата получен порошок железа с содержанием Fe^nm 98%, из этого порошка методом ТВЧ выплавлен слиток с содержанием Feмeтал 99.9%. Из ковдорского железорудного концентрата, представленного в основном магнетитом, но богатого сульфидами, получен порошок железа с содержанием Fe^ei™ 96.7%, из которого выплавлен слиток с содержанием Fej^e™ 99.8%. Из исходной руды горнодобывающей фабрики ОАО «Олкон» (г. Оленегорск) получен порошок железа с содержанием Fej^e™ 80%, а из железорудного концентрата получен порошок железа с содержанием Fej^^ 92%. Последний результат говорит о возможности переработки по данной технологии богатых гематитовых руд или их концентратов (КМА). Согласно выполненным расчетам, окупаемость затрат на переработку 500 тыс. т хибинского титаномагнетита составляет 2 года.

62

C целью использования для переработки природных кианитов Мурманской области предложенного варианта технологии рассмотрена термодинамика процессов, протекающих в алюмосиликатной системе с учетом муллитизации системы при высоких температурах: 3(Al2O3SiO2) = 3Al2O32SiO2 + SiO2. Экспериментально показано, что изучаемая система ведет себя как две независимые подсистемы SiO2-C и Л12О3-С. Для продуктов муллитизации при сравнительно низких температурах термодинамически наиболее вероятными являются реакции, приводящие к образованию карбида кремния: 3Al2O32SiO2 + SiO2 + С = 3Al2O3 + 3SiC + 6CO - с частичным образованием и транспортированием по поровому пространству монооксида кремния и последующим образованием на добавленном углероде карбида кремня SiO + 2С = SiC + CO. Карбидизация алюмосиликатной матрицы позволяет получить высокотермостойкие муллитографитовые огнеупоры.

Созданием условий, обеспечивающих преимущественное образование SiO и удаление его из объема кианитовой матрицы, получен высокоглиноземистый продукт с содержанием Al2O3 95% (рис.2). После обработки его раствором соляной кислоты получен концентрат Al2O3 с отношением Al2O3:SiO2 > 1000 за счет частичного удаления железа.

Рис.1. Принципиальная схема переработки ванадийсодержащих титаномагнетитовых концентратов

Рис.2. Принципиальная схема переработки кианитового концентрата

Химическая доводка, в том числе и с применением бифторида аммония, позволила получить алюмооксидный концентрат с содержанием Al2O3 99% с выходом по Al2O3 98%. Из кейвской кианитовой руды (38% A12O3, 55% SiO2) получены алюмооксидные концентраты (84-99% A12O3) (табл.1).

Таблица 1. Получение Л120з, из кианитовой руды с использованием бифторида аммония

Компоненты Прокаливание в 3 этапа 200, 600, 800°С Прокаливание в 2 этапа 250°С и 800°С

кианитовая руда обезжелезенная руда обезжелезенная руда

соотношение кианитовой руды к бифториду аммония

1:3 1:4 1:3 1:4 1:4

AI2O3 93.47 94.77 98.7 99.05 98.94

SiO2 0.134 0.0001 0.10 - -

K2O 0.13 0.08 0.06 0.04 0.05

TiO2 1.40 1.04 1.09 0.27 0.46

Fe2O3 4.24 3.38 0.41 0.42 0.34

Al2O3:SiO2 697 - 798 - -

Выход AI2O3, % 91 90 90 89 98

63

Разрабатывается низкотемпературная технология получения из кианитового концентрата металлургического глинозема, отвечающего требованиям электролизного производства металлического алюминия. Получен Al2O3 аморфной модификации (рис.3).

Затраты электроэнергии на производство 1 т металлического Al составляют 30 ГДж при себестоимости порядка 30 тыс. руб. за тонну, что при рыночной его стоимости 70-100 тыс руб. создает условия для организации рентабельного производства. При производстве 1 млн т алюминия окупаемость основных затрат, по нашим оценкам, составит 2-3 года с начала производства. Показатели производства силуминов напрямую из кианита еще более предпочтительны.

Рис3. Рентгенограмма осадка, полученного после осаждения и прокаливания при Т=800°С. Обжиг шихты проводили при Т=1420°С с подъемом температуры 6 ч и выдержкой 1 ч:

1 - выщелачивание 1 ч; 2 - выщелачивание 2 ч; 3 - выщелачивание 2.5 ч; 4 - глинозем с алюминиевого завода г. Кандалакша

Выводы

1. Разработаны физико-химические основы и лабораторный вариант бездоменной переработки титаномагнетитов, содержащих ванадий. Показано, что метод пригоден для переработки преимущественно гематитовых руд.

2. Ужесточением температурных условий проведены реакции окисления - восстановления. Этот метод может быть использован для переработки кианитовых руд и концентратов с получением алюмооксидных концентратов.

Литература

1. Куликов И.С., Ростовцев С.Т., Григорьев Э.Н. Физико-химические основы процессов восстановления окислов. М.: Наука, 1978. 132 с.

2. Комплексное использование титаномагнетитов на новом этапе развития производства / В.А. Резниченко, И.А. Карязин, А.А. Морозов, Г.Б. Садыхов // Металлы. 2000. № 5. С. 3-8.

Сведения об авторах

Гришин Николай Никитович,

д.х.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, grishin@chemy.kolasс.net.ru Иванова Алла Геннадьевна,

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, rvanova@chemy.kolasс.net.ru

64

Ракитина Елена Юрьевна,

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, rakitina@chemy.kolasс.net.ru

Grishin Nikolay Nikitovich,

Dr.Sc. (Chemistry), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, grishin@chemy.kolasс.net.ru Ivanova Alla Gennadjevna,

I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, ivanova@chemy.kolasс.net.ru Rakitina Elena Yurievna,

I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, rakitina@chemy.kolasс.net.ru

УДК 691.278:735.29

КЕРАМОВЕРМИКУЛИТ НА ОСНОВЕ СМЕШАННОСЛОЙНОГО ВЕРМИКУЛИТА КОВДОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

H. Н. Гришин, Н.Ф. Щербина, Т.В. Кочеткова

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты Россия

Аннотация

Приведены результаты исследований по влиянию серпентинита на свойства керамовермикулита. Введение природного магнийсодержащего материала в массу увеличивает прочность образцов при пониженных величинах усадки и плотности. Совместное введение серпентинита, угля (как выгорающая добавка) и нефелина позволило получить керамовермикулиты с высокими теплофизическими показателями.

Ключевые слова:

керамовермикулит, шликер, серпентинит, нефелин, обжиг.

CERAMIC VERMICULITE BASED ON MIXED-LAYER VERMICULITE FROM THE KOVDOR DEPOSIT

N.N. Grishin, N.F. Scherbinа, T.V. Kochetkova

I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola ScienceCentre of the RAS, Apatity, Russia

Absrtact

The results of research on the effect of serpentinite on ceramic vermiculite are presented. Admixing of a natural magnesium-containing material to the compound was found to enhance the sample strength while diminishing the shrinkage and density. By simultaneously adding serpentinite, coal (as a combustible additive) and nepheline we obtained ceramic vermiculite with high thermal-physical properties.

Keywords:

ceramic vermiculite, slurry, serpentinite, nepheline, sinterin.

Известно, что силикаты магния, в том числе и серпентинитомагнезит, применяются в качестве флюса, улучшающего спекание керамических масс, а также используются в составе шихты при производстве керамической плитки и для обмазки сварочных электродов [1]. Для снижения стоимости керамовермикулита и улучшения его температуроустойчивости были проведены исследования по замене магнийсодержаших компонентов шихты на природные серпентиниты с высоким содержанием оксидов магния.

Для исследований в качестве природных материалов использовали освоенные промышленно халиловские серпинтиниты.

Все основные минералы серпентиновой группы имеют состав, приблизительно отвечающий формуле Mg3Si2O5(OH)4 или 3Mg02SiO2H2O с приблизительным химическим составом MgO - 43.50%, SiO2 - 43.46%, H2O - 13.4% [2]. В настоящее время имеется достаточно доказательств, что все серпентиновые минералы обладают слоистой структурой, главным составным элементом которой является серпентиновый слой. Одна из частей серпентинового слоя представляет собой псевдогексогональную сетку связанных друг с другом тетраэдров SiO4. Все тетраэдры в этом слое обращены в одну сторону и соединяются с бруситовым слоем.

65