Разработка экологичной технологии переработки цинковых концентратов с повышенным содержанием кремнезема и комплексным извлечением ценных компонентов Козлов, Павел Александрович

Введение к работе

Актуальность работы. Ежегодный объем мирового производства цинка превышает 6 млн т., из него 85% получают из концентратов, а остальное из некондиционных и вторичных видов сырья (коллективных концентратов, окисленных руд, кеков, шламов и др.)- Однако, доля этих материалов в загрузке заводов невелика, что объясняется отсутствием рациональных схем и методов их переработки. Увеличение выпуска цинка за счет переработки некондиционного сырья - важная экономическая и экологическая задача. Большая часть указанного вида материалов - это высококремнеземистое сырье.

Несмотря на актуальность проблемы, вовлечение в переработку такого вида продуктов связано со значительными трудностями и поэтому в значительных масштабах не реализовано.

В данной работе выполнена разработка технологии, которая позволяет перерабатывать некондиционные концентраты, промпродукты и отходы цинкового производства, вторичное сырье с высоким содержанием кремнезема, а также вовлекать в переработку различные кальций цинксодержащие шламы.

На цинковых предприятиях некондиционное сырье перерабатывается либо путем его подшихтовки в шихту обжига цинковых сульфидных концентратов , либо в так называемом окисном цикле производства, состоящем из вельцевания и выщелачивания возгонов.

Подшихтовка некондиционного сырья к цинковым сульфидным концентратам и переработка огарка по стандартной гидрометаллургической технологии приводит к нарушениям технологических процессов выщелачивания и разделения пульп вследствие перехода большей части кремнезема в раствор.

Вельцевание, в виду универсальности, простоты обслуживания и других преимуществ, является наиболее распространенным процессом. Вельц-процесс имеет один существенный недостаток - загрязнение окружающей среды продуктами переработки (трудноутилизируемый клинкер, серосодержащие отходящие газы).

Если разработанные в 60-70-е годы альтернативные способы переработки окисленных цинксодержащих продуктов: ярозит, гетит, гематит - процессы автоклавного выщелачивания, уменьшили загрязнение воздушного бассейна, то решения задачи утилизации твердых отходов (остатки выщелачивания, шламы от очистки сточных вод) они не дали.

Твердые остатки цинкового производства и отсутствие возможностей их утилизации представляет не только экологическую, но и экономическую проблему:

затраты на складирование и хранение (только в странах ЕС ежегодно необходимо отводить до 40 тыс. куб. м. территории);

наличие в отдельных их видах до 500 г/т серебра.

Анализ исследовательских работ и патентной литературы показывает

принципиальную возможность переработки цинковых концентратов с повышенным содержанием кремнезема при использовании флюсующей добавки на пирометаллургических переделах (обжиг и вельцевание), а коагулянтов и флотореагентов в гидрометаллургическом цикле. Отсутствие исследований по механизму действия указанных реагентов в цинковом производстве сдерживает разработку способов и их практическое применение.

Таким образом, вовлечение в переработку некондиционных вторичных видов цинксодержащего сырья, особенно с повышенным содержанием кремнезема, является актуальной научно-технической задачей, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в производстве цинка.

Целью настоящих исследований является разработка, обоснование и внедрение экологичной технологии переработки цинковых концентратов с повышенным содержанием кремнезема, с комплексным извлечением ценных компонентов в условиях действующих цинкэлектролитных заводов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

разработать технологии, включающие все стадии цинкового производства и позволяющие перерабатывать высококремнеземистое сырье;

разработать теоретические предпосылки по использованию в качестве добавки оксида кальция на пирометаллургических переделах цинкового производства;

исследовать поведение ортосиликата кальция в условиях выщелачивания цинковых огарков;

исследовать влияние ионов фтора, гидроксида кальция на коагуляцию коллоидного кремнезема и фильтрацию кремнесодержащих цинковых растворов;

разработать способ флотации серебра из цинковых кеков;

изучить процесс осаждения фтора из сернокислых цинковых растворов совместно с алюминием;

разработать технологию вельцевания известковых шламов очистки сточных вод, содержащих цинк, с получением клинкера, обладающего вяжущими свойствами;

усовершенствовать технологию вельцевания, направленную на снижение расхода коксовой мелочи и повышение срока службы огнеупортной футеровки.

Научная новизна работы.

1. Изучена кинетика взаимодействия ортосиликата цинка с оксидом кальция при обжиге цинковых концентратов с повышенным содержанием кремнезема. Определены константы скорости реакции и кажущиеся энергии активации процесса. Установлен диффузионный характер взаимодействия. Показано, что процесс практически завершается через 180 мин. в условиях обжига и через 30 мин. в условиях вельцевания.

2. Исследовано поведение ортосиликата кальция в водных растворах серной кислоты при выщелачивании цинковых огарков. Определены механизм процесса, порядок реакции и константы скорости разложения ортосиликата кальция. Показано,

что в стандартных условиях выщелачивания в раствор переходит не

более 4% кремнезема, содержащегося в огарке.

3. Изучено влияние ионов фтора и гидроксида кальция на коагуляцию кремнезема и фильтрацию цинковых кремнийсодержащих растворов. Предложена схема, объясняющая процесс полимеризации ортокремниевой кислоты в присутствии ионов фтора. Показано, что добавка гидроксида кальция увеличивает скорость фильтрации цинковых пульп.

4. Изучено влияние оксида кальция на степень отгонки цинка из клинкера и переход серы в клинкер при вельцевании. Показано, что добавка оксида кальция способствует разрушению силикатов цинка и железа, повышению активности железа в клинкере и, как следствие, повышению степени отгонки цинка. Оксид кальция способствует связыванию серы в клинкере в виде сульфида кальция.

5. Впервые изучено влияние оксида и сульфата цинка на образование двухкальциевого силиката и трехкальциевого силиката.

6. Обоснованы механизмы разрушения огнеупоров в процессе вельцевания, определены режимы образования защитной обмазки. Показано, что разрушение огнеупоров происходит, главным образом, за счет их взаимодействия с железосиликатными шлаками и штейношлаковыми расплавами. Определена величина силикатного модуля в клинкере, при котором образуется защитный гарнисаж.

7. Показана возможность извлечения серебра вместе с сульфидами цинка из цинковых кеков путем их флотации.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Технология переработки коллективных высококремнеземных цинковых
концентратов внедрена на Алмалыкском горно-металлургическом комбинате,
заводе «Электроцинк» и Усть-Каменогорском свинцовоцинковом комбинате с
применением в качестве добавки оксида кальцій.

За период внедрения доля «лежалого» сырья от общего объема загрузки на УКСЦК составила 30 - 35 %, а на АГМК и заводе «Электроцинк» - 5 - 10 %.

2. Разработаны технологические режимы переработки свинцовых кеков и
флотации серебра из цинковых кеков.

3.Технология переработки отвальных цинккремнеземсодержащих шлаков свинцовой плавки внедрена на Лениногорском полиметаллическом комбинате с получением клинкера пригодного для утилизации на цементных заводах. На Ачисайском полиметаллическом комбинате и заводе «Электроцинк» проведена промышленная проверка по утилизации шламов от очистки сточных вод цинковых заводов и заводов искусственного волокна с получением клинкера, обладающего вяжущими свойствами и соответствующего низкомарочному цементу марок 200-250.

4. На АООТ «Челябинский электролитный цинковый завод» внедрена разработанная технология использования гидроксида кальция при коагуляции коллоидного кремнезема и фильтрации цинковых пульп (CaO/Si02 = 0.5), позволившая повысить скорость фильтрации цинковых пульп на 10 - 15%.

5. На АООТ «Челябинский электролитный цинковый завод»
внедрена разработанная технология вельцевая цинковых кеков с добавкой оксида
кальция в виде известняка, позволившая при соотношении CaO/Si02 = 0.8 - 1.0
увеличить в 1,6-1,9 раза срок службы футеровки печей, сократить на 5 - 10% расход
коксовой мелочи и снизить в 1,5 - 2 раза содержание диоксида серы в отходящих
газах.

6. Суммарный экономический эффект от внедрения в пересчете на $ США
составил 9060 тыс., в т.ч. вклад автора, подтвержденный авторскими
свидетельствами, патентами и лицензионными соглашениями составил 1055 тыс.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная технология переработки цинковых концентратов с повышенным содержанием кремнезема и вторичного цинксодержащего сырья включающая: подготовку материала к обжигу, обжиг шихты цинковых концентратов с добавкой оксида кальция, выщелачивание огарка, очистку растворов от фтора, флотацию цинковых кеков с выделением серебра, фильтрацию пульпы цинковой кеков с добавкой гидроксида кальция, вельцевание цинковых кеков с добавкой оксида кальция, а также вторичного окисленного сырья, с вводом в шихту оксида кальция, утилизаця клинкера, выщелачивание вельц-возгонов и последующую переработку свинцового кека.

2. Закономерности взаимодействия оксида кальция с кремземом с получение огарков, при выщелачивании которых в раствор переходит не более 4% кремнезема. Их реализация при разработке экологичной технологии переработки цинковых концентратов с повышенным содержанием кремнезема.

3. Влияние ионов фтора, гидроксида кальция на процесс полимеризации
кремниевой кислоты и коагуляцию коллоидного кремнезема с получением
легкосгущаемых и фильтруемых цинковых пульп.

4. Влияние оксида и сульфатов цинка на образование двух и трех кальцевых силикатов в вельц-процессе с получение клинкера, обладающего вяжущими свойствами.

5. Механизм износа огнеупоров в вельц-печах и способы их защиты от разрушения.

6. Влияние конструкции печи на разрушение огнеупоров и расчет циклических нагрузок действующих на кирпич огнеупортной футеровки.

7. Технологические режимы переработки свинцовых кеков и флотации серебра из цинковых кеков.

Апробация работ и публикации: Основные положения и отдельные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзном научно-техническом совещании (Москва, 1991 г.), Международном симпозиуме по огнеупорам(Алма-Ата,1997 г.), Международной научно-технической конференции (Екатеринбург, 1998 г.), Научно-техническом совете МЦМ СССР (Усть-Коменогорск,1982 г.), на заседаниях НТС института «ВНИИцветмет», научно-технических конференциях Усть-Каменогорского строительно-дорожного института, на заседаниях технических советов АООТ «Челябинский электролитный цинковый завод», АО «Электроцинк», «Алмалыкский горно-металлургический

комбинат», АО «Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат», АО
«Лениногорский полиметаллический комбинат», АО«Ачисайский

полиметаллический комбинат», а также на семинаре и секции НТС в ГНЦ РФ «Гинцветмет».

По теме диссертации опубликованы 17 статей, выпущен 21 отчет о НИР, получено 23 авторских свидетельств на изобретения и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений, подтверждающих научную и практическую значимость работы и изложена на 390 страницах машинописного текста, включающего 23 таблицы, 51 рисунок.