Комплексное использование руд и концентратов

 

Комплексное использование многокомпонентного минерального сырья (ресурсов вообще), заключающееся в одновременном или последовательном извлечении из него нескольких (двух и более) или всех (пользующихся спросом) ценных составляющих в обособленные продукты («мономинеральные» концентраты, химические элементы различной степени чистоты или их стандартные соединения) является характерной чертой современного производства большинства отраслей народного хозяйства. Комплексное использование сырья — это такая стадия развития перерабатывающих производств, когда отходы одних процессов становятся сырьем для других, когда наряду с отношениями человек—производство устанавливаются сложные отношения производство—природа и природа—человек.

При разработке месторождений полезных ископаемых большие объемы вскрышных пород направляют в отвалы, которые занимают значительные площади. Вместе с тем, отвалы горных производств представляют собой дешевое и ценное сырье, которое может найти применение в строительстве, землепользовании и других отраслях промышленности.

Актуальной проблемой является комплексное использование сырья с переводом всех компонентов в промышленные продукты. Рассмотрим некоторые способы решения этой проблемы.

В России разработана безотходная технология переработки нефелинового сырья. Нефелиновый концентрат совместно с известняком подвергают спеканию при температуре 1 250 – 1 300 °С. После спекания получают продукт.

При водном выщелачивании спека алюминаты щелочных методов переходят в раствор. Феррит натрия гидролизуется с образованием едкого натра и гидроксида железа. Двухкальциевый силикат взаимодействует с алюминатным раствором, в результате получаются алюминаты щелочных металлов и трехкальциевый гидроалюминат. Протекает реакция: 3(СаО Si02) + 2(Na20 А1203) + 8Н20 - Na20 А12Оэ 2SiOr 2НгО + Na20 Si02 + ЗСаО А12Оэ- 6Н20

Образуется нефелиновый (белитовый) шлам, который отделяют от раствора, промывают и направляют на производство цемента.

Алюмосиликатный раствор подвергают обескремниванию, при котором образуются малорастворимые алюмосиликаты. Их отделяют фильтрованием и прокаливают. Получают готовый продукт – глинозем.

Очищенный раствор алюминатов натрия и калия обрабатывают газами, содержащими С02. Получают раствор, в состав которого входят Na2C03 и К2С03. Раствор упаривают, а затем проводят дробную кристаллизацию. Первоначально выкристаллизовывают соду Na2C03, а затем поташ К2С03.

Технологическая схема комплексной переработки нефелинового сырья обеспечивает полное использование всех компонентов сырья и переработку их в товарные продукты и является безотходной.

На получение 1 т глинозема расходуется 3,9 – 4,3 т нефелиноного концентрата; 11,0 -13,8 т известняка; 3 -3,5 т топлива; 4,1 – 1,6 Гкал пара; 1050 – 1 190 кВт-ч электроэнергии.

При этом производят 0,62 – 0,78 т кальцинированной соды; 0,18 – 0,28 т поташа; 9 – 10 т портландцемента. Эксплуатационные затраты на производство промышленных продуктов на 10 – 15 % ниже затрат при получении этих веществ другими промышленными способами.

Рассмотрим теперь процессы комплексной переработки минеральной руды. При переработке некоторых руд до 30 – 40 % полезных компонентов уходит в хвосты. В настоящее время в переработку поступают все более бедные минералы с низким содержанием ценного компонента. Например, содержание меди в сульфидных рудах снизилось за последние 20 лет с 4 до 0,5 %. В большинстве случаев для получения 1 т металла надо переработать 100 – 200 т руды.

Другая особенность минерального сырья – содержание в них в небольших количествах высокотоксичных веществ, которые затем переходят в отходы. Это относится к соединениям серы, мышьяка, сурьмы, селена, теллура и других цветных металлов.

Особенно остро проблема стоит в металлургической промышленности. Высокое содержание ценных или токсичных компонентов не позволяет отнести отходы металлургической промышленности к отвальным и требует внедрения новых технологий по их переработке.

Рассмотрим в качестве примера технологию переработки сульфидных руд, содержащих медь и другие цветные металлы. В России медь получают из медно-цинковых, медно-никелевых, медно-молибденовых и медно-кобальтовых руд. Более 80 % меди из медно-цинкового сырья производят по металлургическому методу. Он состоит из следующих основных операций:

• флотационная обработка руд с получением медного концентрата;

• окислительный обжиг;

• плавка, после которой получают штейн – сплав сульфидов меди и железа, и шлаки – расплав оксидов металлов.

Применяемый метод не может решить проблему комплексного использования сырья. Степень извлечения меди из сырья не превышает 75 – 78 %. Кроме того, в медный концентрат переходит до 50 % цинка, дополнительно в отвальных и пиритных хвостах теряется до 20 % цинка. Долгое время на обогатительных фабриках из руды извлекали только медь, а остальные компоненты уходили и отвалы.

В настоящее время разработана и промышленно освоена технология коллективно-селективной флотации медно-цинковых руд, которая позволяет извлекать из руды медный и цинковый концентраты. Согласно этой схеме первоначально руду измельчают и направляют на сульфидную флотацию. Получают сульфиды металлов, а пустая порода уходит в отвал. Далее сульфидный концентрат после измельчения направляют на медно-цинковую флотацию, в результате проведения которой получают медный, цинковый и пиритный концентраты. Медный концентрат подвергают пирометаллургической переработке. В качестве конечного продукта получают рафинированную медь. Имеется несколько способов переработки цинковых концентратов, которые применяются на отечественных и зарубежных заводах.

За рубежом наиболее распространен фьюминг-процесс. Он основан на продувке расплавленного шлака воздухом в смеси с восстановителем. При этом соединения цинка и сопутствующих ему элементов – кадмия, свинца, олова – возгоняются. Далее они улавливаются системой фильтров. Этим способом выделяют до 90 % цинка, 99% свинца, 80 – 85% олова.

Другой метод комплексной переработки цинковых концентратов – вальцевание – применяют на Каменогорском комбинате. Технология процесса состоит в плавке в трубчатых печах совместно измельченного концентрата и кокса. В возгоняемые газы переходят соединения цинка, свинца, кадмия. В клинкере остаются медь, железо, благородные металлы, кремнезем и глинозем. В пиритный концентрат переходят многие элементы, содержащиеся в руде.

Другой пример комплексного использования сырья – технология переработки медно-никелевых руд. Эти руды – ценнейшее полиметаллическое сырье, которое помимо никеля и меди содержит кобальт, благородные металлы, редкие и рассеянные элементы. Они добываются на Норильском, Талнахском месторождениях и на Кольском полуострове. При обогащении сырья большая часть примесей переходит в пиритные концентраты. До последнего времени пиритные концентраты направляли на химические предприятия, где их использовали для извлечения серы и получения серной кислоты. Остальные элементы оставались в огарке, который уходил в отвалы или на производство цемента.

На Норильском ГОК создана технология по комплексной переработке медно-никелевого сырья. Первоначально руду подвергают селективной флотации с выделением медного и никелевого концентратов. Никелевый концентрат (содержание никеля 4-5 %) расплавляют в электрических или шахтных отражательных печах для отделения пустой породы и получения никеля в виде сульфидного сплава (штейна). В нем содержание никеля достигает 10-15%. Наряду с никелем в штейн частично переходит железо, кобальт, медь и практически полностью благородные металлы. Для отделения железа жидкий штейн окисляют продувкой воздухом. Следующей операцией является флотация, при проведении которой разделяют соединения меди и никеля. Никелевый концентрат обжигают в печах кипящего слоя до полного удаления серы и получения NiO. Металлический черновой никель получают восстановлением его оксида в электрических дуговых печах, а затем подвергают рафинированию.

Для выделения кобальта используют его способность образовывать комплексные соединения. С этой целью раствор никеля и кобальта обрабатывают хлором, гипохлоритом натрия или другими окислителями. Конечным продуктом является оксид кобальта Со304, из которого получают металлический кобальт.

На комбинате «Южуралникель» и на Норильском ГОК для извлечения сопутствующих элементов из медно-никелевых руд применены сорбционная и экстракционная технологии.

В настоящее время ионообменная сорбция находит промышленное применение для извлечения цветных и благородных металлов из руд или отходов их переработки.

Приведем несколько примеров: для извлечения золота из руд используют ионит АНК-5-2; аниониты хорошо сорбируют анионные формы молибдена; перспективно применение сорбции для извлечения вольфрама; разработана технология промышленного извлечения ванадия с помощью ионоактивных сорбентов.

Во всех случаях применения метода сорбции существенно повышается коэффициент извлечения металлов из рудного сырья, снижаются капитальные и эксплуатационные затраты, уменьшаются или полностью прекращаются сбросы вредных веществ в окружающую среду.

Экстрагирование также широко используется для комплексного извлечения металлов из природного сырья. Метод основан на обработке жидких смесей растворителями, избирательными по отношению к отдельным компонентам.

Экстракционные процессы широко применяют для извлечения редких металлов: разделяют и извлекают тантал и ниобий, цирконий и гафний, скандий, иттрий, таллий и индий, вольфрам, молибден, рений и другие редкоземельные металлы.