СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
PROCESSING METHOD OF IRON-CONTAINING WASTES

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.
3
3
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/см) и не могут быть использованы в качестве мелкого заполнителя для обычных бетонов, где используются заполнители из природных материалов с плотностью около 2,5 г/см.
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.
3
Металл идет в дальнейшую переработку. Оксидный остаток представляет из себя мелкий песок фракции менее 1 мм с плотностью зерен около 2,5 г/см (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
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
CaO
FeO
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
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.
2
4
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).SiO.
Время основной части обжига может варьироваться в пределах 1-5 часов в зависимости от минералогического и фазового состава и гранулометрии исходного материала.
3
4
Температура заключительного этапа обжига была выбрана на 10°C выше температуры плавления FeO (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/м<sup>3</sup>
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 м<sup>3</sup> бетона, кг
в/ц
Удобоукладываемость, см
Объемная масса, кг/м<sup>3</sup>
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.