Введение к работе
Актуальность работы. Во второй половине ХХ века в СССР для обеспечения страны германиевой продукцией были разработаны эффективные технологические схемы и специализированное оборудование, сосредоточенные в горной, энергетической, химико-металлургических отраслях промышленности, а также на специализированных предприятиях, расположенных на Украине, Средней Азии, России и связанных между собой единой технологической цепочкой на основе кооперации. Разведанные и эксплуатируемые месторождения обеспечивали потребности страны на длительный период высококачественным сырьем.
В период перестройки за пределами России оказалось более половины германиевых предприятий и две трети госрезерва. Подготовка сырьевой базы, расположенной в основном в России, из-за отсутствия финансирования была остановлена на десятилетия. Технологические связи между действующими предприятиями нарушены. Из технологической цепочки выпали основные звенья – предприятия по выпуску германиевых концентратов, расположенные в ближнем зарубежье.
В настоящее время перед отечественной промышленностью и наукой стоит первоочередная задача восстановления производства германия в условиях рыночных отношений на основе новых технологий. Для этой цели на территории России возобновлено слоевое сжигание германийсодержащих углей в котельных г.Корсаков (о.Сахалин) и пос.Новошахтинский (Приморский край), производство германиевых концентратов из продуктов слоевого сжигания - в цехе переработки пылей на ОАО «Медногорский медно-серный комбинат». Проектируется получение концентратов в цехе производства германиевых концентратов на ООО «Германий и приложения». Возобновление производства концентратов выявило ряд трудностей при использовании ранее отработанной пирометаллургической технологии. Они заключаются в существенном изменении состава продуктов сжигания, значительной послойной сегрегации частиц сырья по гранулометрическому и химическому составам в процессе производства и транспортировки. Аппаратурное оформление стадии получения концентратов заметно отличается по мощности, конструктивному оформлению и энергетическим параметрам от ранее применяемых для переработки сырья на концентрат..
Отличия по содержаниям макрокомпонентов и гранулометрическому составу привело к снижению показателей по производительности, энергозатратам и извлечению германия. В результате переработка сырья оказалась за гранью рентабельности.
Цель работы. Повышение технологических показателей и, в первую очередь, извлечения путем разработки научного обоснования и выработки практических рекомендаций по совершенствованию технологии применительно к новым видом сырья. Направление работы включает разработку новых способов повышения извлечения германия в концентрат на основе решения следующих задач:
изучить химический, фазовый и гранулометрический состав продуктов слоевого сжигания углей новых месторождений;
исследовать фазообразование и химизм высокотемпературных взаимодействий в системе CaSO42H2O-Ca(OH)2-Al(OH)3-SiO2-C как основы превращений макрокомпонентов сырья и добавок в процессе термообработки;
выполнить технологическое моделирование процессов окускования и пирометаллургической переработки продуктов сжигания углей;
выполнить технологическое моделирование процессов окускования и пирометаллургической переработки сульфидно-металлического сплава;
разработать программу и провести промышленные испытания усовершенствованной пирометаллургической технологии получения германиевых концентратов;
предложить рекомендации по совершенствованию технологической схемы пирометаллургического получения германиевого концентрата.
Работа выполнена в рамках Программы Президиума РАН «Научные основы эффективного природопользования, развития минерально-сырьевых ресурсов, освоения новых источников природного и техногенного сырья», подпрограммы 3 «Фундаментальные проблемы создания экологически безопасных ресурсосберегающих методов комплексной переработки природного ископаемого сырья и техногенных отходов», проекта «Исследование физико-химических свойств продуктов сжигания германийсодержащих углей Павловского месторождения, разработка параметров ресурсосберегающей экологически безопасной пирометаллургической технологии получения германиевых концентратов», хоздоговоров ИМЕТ УрО РАН с ОАО «Медногорский медно-серный комбинат» и ООО «Германий и приложения»
Научная новизна может быть сформулирована следующим образом:
изучен химический, фазовый и гранулометрический состав продуктов слоевого сжигания углей двух месторождений Дальнего востока;
впервые исследовано фазообразование и химизм высокотемпературных взаимодействий в системе CaSO42H2O-Ca(OH)2-Al(OH)3-SiO2-C при программируемом нагревании в диапазоне температур 20-16000С как основы превращений макрокомпонентов при термической обработке продуктов слоевого сжигания. Определено влияние содержания серы, размера частиц кварца, основности, продолжительности выдержки при конечной температуре и введение в смесь оксида железа на выход и состав образующихся конденсированных фаз;
впервые выполнено технологическое моделирование процессов окомкования (брикетирования) и высокотемпературной термообработки окускованных шихт для пирометаллургической переработки сырья от слоевого сжигания германийсодержащих углей с определением выходов и составов всех продуктов. Изучено влияние химического и гранулометрического состава шихт на прочностные характеристики окускованного материала, распределение германия, железа и серы по продуктам термообработки;
впервые выполнено технологическое моделирование процессов окускования и плавки окускованных шихт для пирометаллургической переработки сульфидно-металлического сплава от плавки продуктов слоевого сжигания германийсодержащих углей.
Практическая значимость работы. В лабораторных условиях разработаны способы повышения извлечения германия из продуктов сжигания германийсодержащих углей Новиковского и Павловского месторождений:
путем подбора состава шихты восстановительно-сульфидирующей электроплавки, ее смешения и измельчения перед ее окускованием для исключения образования твердого тугоплавкого слоя на поверхности расплавленного шлака;
путем предварительного измельчения сульфидно-металлического сплава от плавки продуктов сжигания углей, смешения и окускования измельченного сплава с сульфидизатором, восстановителем и шлаком основной плавки с целью вторичного использования сплава в основном процессе и повышения общего извлечения германия из сырья в концентрат.
В промышленных условиях испытаны, внедрены и включены в технические инструкции двух предприятий:
способ извлечения германия из продуктов сжигания углей, включающий операцию измельчения шихты перед окускованием и плавкой;
технология производства из продуктов сжигания углей нового вида продукции – бедного германиевого концентрата.
Результаты работы использованы для подготовки технологического регламента на проектирование отделения электроплавки цеха производства германия ООО «Германий и приложения».
На защиту выносятся:
-
Результаты изучения химического, фазового и гранулометрического составов продуктов слоевого сжигания германийсодержащих углей Новиковского и Павловского месторождений.
-
Результаты исследования фазообразования и химизма взаимодействий в системе CaSO42H2O-Ca(OH)2-Al(OH)3-SiO2-C при программированном нагревании.
-
Технологическое моделирование процессов окускования и пирометаллургической переработки:
-
продуктов сжигания углей;
-
сульфидно-металлического сплава от электроплавки продуктов сжигания углей;
-
-
Промышленные испытания и внедрение новой технологии получения рядовых и бедных германиевых концентратов из продуктов слоевого сжигания углей.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно получены и обработаны результаты лабораторных исследований, выполнено их обобщение, сформулированы выводы. Конструирование установки по термообработке модельных и технологических шихт, химический и рентгенофазовый анализы, проведение промышленных испытаний и их результаты получены при участии сотрудников Института металлургии УрО РАН, ОАО «Медногорский медно-серный комбинат» и ООО «Германий и приложения».
Апробация работы. Материалы диссертации в части исследований фазообразования и химизма взаимодействий в системе CaSO42H2O-Ca(OH)2-Al(OH)3-SiO2-C при программированном нагревании доложены на 12-ом Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO-12, 17-22 сентября 2009 г. Ростов-на-Дону, п.Лоо.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы в журналах, рекомендованных ВАК, включая 2 патента РФ, а также текст доклада в Трудах Международного симпозиума ODPO-12.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы, 16 рисунков, список использованной литературы, включающий 50 наименований, четырех приложений на 7 страницах.
