Извлечение ванадия из рудного и техногенного сырья Кусинского месторождения титаномагнетитов

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

УДК 669. 292 : 669. 054 Махоткина Е.С., Шубина М.В.

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ВАНАДИЯ ИЗ РУДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КУСИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТИТАНОМАГНЕТИТОВ

Аннотация. Хвосты Кусинского месторождения титаномагнетитов Южного Урала являются не только источником загрязнения окружающей среды, но и ванадийсодержащими сырьевыми ресурсами. В статье представлены результаты гидрометаллургического извлечения ванадия из указанного рудного материала различными методами с применением одно- и двухстадийного водного и кислотного выщелачивания. Среди использованных схем извлечения ванадия из хвостов руды наиболее эффективным являлся окислительный обжиг исходного сырья с содой и дальнейшее водное выщелачивание (степень извлечения ванадия составила а = 80 - 89 %). Применение операции кислотной промывки обеспечило доизвлечение ванадия до 6 - 8 %.

Ключевые слова: титаномагнетиты, хвосты рудного сырья, степень извлечения ванадия, окислительный обжиг, выщелачивание.

Полное освоение природных минеральных ресурсов невозможно без переработки отходов производства прошлых лет, к которым относятся техногенные объекты, хвосты отработанных месторождений. Экономическая целесообразность вовлечения во вторичную переработку хвостов месторождений определяется существенными запасами этого сырья, их доступностью, информативностью и содержанием в них ценных компонентов. При этом данные ресурсы одновременно являются источником загрязнения окружающей среды. На территории России, по оценкам специалистов, запасы такого сырья могут достигать 110 млрд т [1]. В хвостохранилища укладывается около 5 т хвостов на 1 т производимого концентрата [2]. Таким образом, хвостохранилища представляют собой накопители отходов переработки различных руд и относятся к числу экологически потенциально опасных инженерных объектов [3]. Очевидно, что переработка отходов горного производства - это важнейшая составляющая часть современных экологически чистых, безотходных и высокоэффективных технологий. Кроме того, исключение из технологической цепочки наиболее дорогостоящих операций - добычи, дробления, измельчения и классификации - снижает затраты на извлечение ценных компонентов из данного сырья.

В связи с этим актуальным является анализ возможности переработки хвостов Кусинского месторождения титаномагнетитов, расположенного на Южном Урале в Кусинском районе вблизи ст. Титан. Кусинские титаномагнетиты - это полиметаллическая руда, содержащая ряд ценных элементов: железо, титан, ванадий и кобальт [4,5]. Цель проведенного исследования - извлечение ванадия из рудного материала хвостов Кусинского месторождения. Титаномагне-титы при переработке подвергают обогащению магнитной сепарацией, поэтому объектами исследования служили исходная руда, магнитные и немагнитные хвосты Кусинского месторождения. Химический состав исходного материала представлен в табл. 1.

© Махоткина Е.С., Шубина М.В., 2017 22 --

При работе с хвостами Кусинского месторождения использовали различные подходы и методы гидрометаллургического извлечения, что позволило сравнить их эффективность для переработки данного сырья [6 - 15].

Первая серия экспериментов включала две стадии обработки образцов:

1 - обжиг сырья с солями натрия (№С1) с последующим выщелачиванием водой при средней температуре 750С;

2 - обработка шламов растворами серной кислоты (рН~1) при таком же температурном режиме.

Обжиг проводили при температуре 7000С в течение 1 часа. Назначение обжига - образование вана-дата натрия (NaVOз), представляющего собой водорастворимую соль ванадиевой кислоты. Обработка шламов сернокислотными растворами после водного выщелачивания осуществлялась для повышения степени извлечения ванадия. Содержание перешедшего в раствор ванадия определяли рентгенофлуоресцент-ным анализом на энергодисперсионном спектрометре, а также методом титрования с применением соли Мора [16, 17]. Результаты экспериментов в виде степени извлечения ванадия после первой (а!) и второй (а2) стадий обработки образцов, а также их суммарное значение (аобщ) представлены в табл. 2.

Согласно полученным данным в первой серии экспериментов, при указанном выше двухстадийном способе степень извлечения ванадия невелика и несколько возрастала при увеличении содержания ванадия в исходном материале.

Вторая серия экспериментов включала предварительную обработку образцов серной кислотой (1:1) до полного поглощения (1 сутки), а затем две стадии обработки [18]:

1 - окислительный обжиг при температуре 7000С в течение 2 часов с последующим водным выщелачиванием при температуре ~ 70-750С в течение 2 часов;

2 - сернокислотное выщелачивание шламов при таком же термовременном режиме.

Теория и технология металлургического производства

Проведённый рентгенофлуоресцентный анализ растворов после выщелачивания показал присутствие в нём, помимо ванадия, еще и титана, марганца, меди, кальция, железа. Результаты экспериментов в виде степени извлечения ванадия после первой («1) и второй (а2) стадий обработки образцов, а также их суммарное значение (аобщ) представлены в табл. 3.

Согласно полученным данным во второй серии экспериментов, указанный выше двухстадийный способ извлечения ванадия из руд не позволил получить металл в достаточных количествах. При этом наилучший результат достигнут для руды с наименьшим содержанием ванадия.

В третьей серии экспериментов образцы хвостов руды подвергали окислительному обжигу при 950 0С вместе с карбонатом натрия (нагрев до заданной температуры 1 час, выдержка при этой температуре 1 час) с последующим водным выщелачиванием [19 - 22]. Результаты экспериментов в виде степени извлечения ванадия представлены в табл. 4.

Согласно полученным данным в третьей серии экспериментов, степень извлечения ванадия значи-

тельно превышала достигнутые ранее и составила 83 % для образца с наибольшим содержанием оксида ванадия (V).

Таким образом, проведённые исследования показали возможность использования хвостов Кусин-ского месторождения в качестве сырья для извлечения ванадия и позволили сделать следующие выводы:

- извлечение ванадия из хвостов рудного сырья в раствор обеспечивается водным и кислотным выщелачиванием;

- режимы выщелачивания необходимо выбирать в зависимости от первичной обработки сырьевых источников;

- среди примененных схем извлечения ванадия из руд наиболее эффективным является окислительный обжиг исходного сырья с содой и дальнейшее водное выщелачивание (степень извлечения ванадия составила а = 80 - 89 %);

- применение операции кислотной промывки обеспечивает доизвлечение ванадия в количестве 6 -8 %.

Химический состав исходного материала

Таблица 1

Обозначение образца Массовая доля, %

SiO2 M2O3 Feобщ. K2O CaO iO2 P V2O5 &2O3

Исходная руда №0 28,6 10,0 22,89 0,11 3,12 9,44 - 0,36 0,3

№1 35,6 15,3 13,8 0,11 5,07 6,36 0,1 0,15 0,1

№2 31,7 10,6 17,81 0,12 3,81 12,02 - 0,29 0,12

№3 22,4 8,7 30,60 0,08 1,93 7,52 - 0,53 0,52

Результаты первой серии экспериментов

Таблица 2

Обозначение образца Содержание V2O5, % Степень извлечения ванадия после 1 и 2 стадий обработки образцов, %

«1 «2 «общ

Исходная руда №0 0,36 10,4 6,0 16,4

№1 0,15 6,8 - 6,8

№2 0,29 - 15,8 15,8

№3 0,53 7,8 8,6 16,4

Таблица 3 Результаты второй серии экспериментов

Обозначение образца Содержание V2O5, % Степень извлечения ванадия после 1 и 2 стадий обработки образцов, %

«1 «2 «общ

Исходная руда №0 0,36 - 12,1 12,1

№1 0,15 - 47,1 47,1

№2 0,29 - 14,8 14,8

№3 0,53 5,8 7,8 13,6

Результаты третьей серии экспериментов

Таблица 4

Обозначение образца

Содержание V2O5, %

Степень извлечения ванадия, %

Исходная руда №0

0,36

66,3

№1

0,15

53,57

№2

0,29

62,1

№3

0,53

83,1

Список литературы

1. Луняшин П.Д. Потери, которые можно вернуть // Золотодобыча. 2016. № 211. URL: https://zolotodb.ru/articles/mining/technogenic/1 1483.

2. Титаномагнетиты Урала и технология их переработки. URL: http://metal-archive.ru/titanomagnetity/907-titanomagnetity-urala-i-tehnologiya-ih-pererabotki.html.

3. Алампиева Е.В. Производственная деятельность человека и её возможные последст-

вия // Вестник Томск гос. ун-та. 2013. № 377. C. 163-166. URL:

http ://j ournals.tsu. ru/vestnik/&j ournal_page=arc hive&id=941 &article_id=34588.

4. Чижевский В.Б., Шавакулева О.П., Гмызина Н.В. Обогащение титаномагнетитовых руд Южного Урала // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. № 2. С.5 - 7.

5. Перспективы вовлечения в переработку новых видов железосодержащего сырья / Б.А.Никифоров, Р.С.Тахаутдинов, В.А.Бигеев, А.М.Бигеев // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2004. № 1. С.9 - 11.

6. GoonanT.G. Vanadium recycling in the United States in 2004 // Flow studies for recycling metal commodities in the United States: U.S. Geological Survey Circular. 2011, pp.1 - 17.

7. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Извлечение титана из шлака процесса прямого восстановления титаномагнетитов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. Т. 1. С. 255-258.

8. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Шлаки процесса прямого восстановления железа как источник получения ванадия и титана // Теория и технология металлургического производства. 2015. № 2 (17). С. 60-65.

9. Шубина М.В., Махоткина Е.С. Гидрометаллургический способ извлечения ванадия из шлака // Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: сборник материалов III Всероссийской конференции с международным участием / отв. ред. К.В. Липин. Чебоксары: Изд-во «Новое время», 2013. С. 151-152.

10. Шубина М.В., Махоткина Е.С. Анализ возможности извлечения титана из шлака процесса ITmk3 // Наука и образование в современном обществе: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. 2015. С. 64-65.

11. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Извлечение ценных компонентов из шлака процесса ITmk3 // Металлургия: технологии, инновации, качество / под ред. Е.В. Протопопова. Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. С. 340-344.

12. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Сравнительный анализ возможности извлечения ценных компонентов из шлаков металлургического производства // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. Т.1. С. 265 - 268.

13. Шубина М.В., Махоткина Е.С. Рециклинг ва-надийсодержащих отходов // Теория и технология металлургического производства. 2016. № 2 (19). С. 71-74.

14. Шубина М.В., Махоткина Е.С. // Исследование возможности извлечения ванадия из шлаков переработки титаномагнетитов // Теория и технология металлургического производства. 2013. № 1 (13). С. 75-77.

15. Zhang, G. Extraction of vanadium from vanadium slag by high pressure oxidative acid leaching / G. Zhang, T. Zhang, G. Lu, Y. Zhang, Y. Liu, Z. Liu // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2015. vol. 22, no. 1, pp. 21 - 23.

16. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Растворы: учеб. пособие. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2006. 67 с.

17. Махоткина Е.С., Шубина М.В., Крылова С.А. Растворы электролитов и неэлектролитов: учеб. пособие. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 91 с.

18. Пат. 2148669 Российская Федерация, МПК7 С22В 34/22; С22В 1/04; С22В 3/08. Способ переработки ванадийсодержащего сырья /

A.А.Козицын, К.А.Плеханов, С.А.Мосягин, Л.Д.Шевелева, А.Б.Лебедь, И.И.Ходыко; заявитель и патентообладатель ОАО «Уралэлек-тромедь». № 98118767/02; заявл. 12.10.1998; опубл. 10.05.2000. Бюл. № 13.

19. Mahdavian, A. Recovery of vanadium from Es-fahan Steel Company steel slag; optimizing of roasting and leaching parameters / A. Mahdavian, A. Shafyei, E. Keshavarz Alamdari, D.F. Haghshenas // International Journal of ISSI. 2006. vol. 3, no. 2, pp. 17 - 21.

20. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Исследование режимов обработки шлака процесса ITmk3 для извлечения ванадия // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. Т. 1. С. 279-282.

21. Махоткина Е.С., Шубина М.В. Извлечение ванадия из шлака процесса ITMK3 // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. Т. 1. С. 168-171.

22. Пат. 2090640 РФ, МПК7 C22B34/22. Способ извлечения ванадия из шлаков / Г.К. Тараб-рин, В.А. Бирюкова, Е.М. Рабинович, В.С. Волков, Н.Е. Мерзляков, С.Е. Кузьмичев,

B.П. Тарабрина, И.М. Тартаковский. Заявл. 25.10.1995; опубл. 20.09.1997. Бюл. № 26.

Сведения об авторах

Махоткина Елена Станиславовна - канд. техн. наук, доцент каф. ФХиХТ, ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия.

24

Теория и технология металлургического производства

Шубина Марианна Вячеславовна - канд. техн. наук, доцент каф. ФХиХТ, ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: shubina_mar@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

EXTRACTION OF VANADIUM FROM ORE AND TECHNOGENIC RAW MATERIALS OF KUSINSK TITANOMAGNETITE ORE DEPOSIT

Makhotkina Elena Stanislavovna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor of Physical Chemistry and Chemical Technology Chair, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.

Shubina Marianna Vyacheslavovna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of Physical Chemistry and Chemical Technology Chair, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: shubina_mar@mail.ru.

Abstract. Tailings of the Kusinsk titanomagnetite ore deposit of the South Urals are not only a source of environmental pollution, but also vanadium-containing raw materials. The results of hydrometallurgical extraction of vanadium from the above ore material by various methods using one- and two-stage aqueous and acid leaching are presented in the article. Among the used schemes of vanadium extraction from ore tails, the most efficient was the oxidizing roasting of the feedstock with soda and further aqueous leaching (vanadium extraction degree was a = 80 - 89%). The use of the acid washing operation ensured an increase in vanadium extraction up to 6-8%.

Keywords: Titanomagnetite ore, ore raw material tails, vanadium extraction degree, oxidizing roasting, leaching.

Ссылка на статью:

Махоткина Е.С., Шубина М.В. Извлечение ванадия из рудного и техногенного сырья кусинского месторождения титаномагнетитов // Теория и технология металлургического производства. 2017. №3(22). С. 22-25.

Makhotkina E. S., Shubina M. V. Extraction of vanadium from ore and technogenic raw materials of kusinsk titanomagnetite ore deposit // Teoria i tehnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [ The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 22, no. 3, pp. 2225.