Способ переработки железосодержащих отходов

Способ переработки железосодержащих отходов

Реферат

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.

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.