Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. ПЛАЗМЕННО - ДУГОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
1.1. Современный уровень решения проблемы комплексной переработки минерального сырья 9
1.2. Плазменно - дуговые способы переработки дисперсных материалов ,Л2
1.3. Принципиальные схемы и классификация плазменных реакторных устройств 14
1.4. Проблемы создания плазменно-дуговых реакторов 24
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
2.1. Исследование и разработка принципов выбора минерального сырья 34
2.2. Обработка и исследования шлиховых концентратов из хвостов
золотодобычи Нижнекуранахского месторождения 40
2.3. Обработка и исследование магнитного шлиха безалмазных кимберлитовых
хвостов трубки «Удачная» 44
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙНОГО ПЛАЗМОТРОНА И ПЕРЕРАБОТКА ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ
3.1. Принципиальная схема экспериментальной установки. Конструкции и характеристики плазмотронов 53
3.2. Экспериментальные исследования параметров плазменной струи 61
3.3. Исследование эрозии выходного электрода - анода 67
3.4. Взаимодействие дисперсных частиц с высокотемпературным газовым потоком 74
3.5. Обсуждение результатов исследований по переработке промышленных отходов.
3.5.1. Результаты переработки отходов электронной промышленности 96
3.5.2. Результаты переработки магнетитовых шлихов из хвостов золотодобывающей промышленности 98
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ РЕАКТОРОВ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ И ПЕРЕРАБОТКА МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
4.1. Разработка и исследование реактора с аргоновым плазмотроном 102
4.2. Разработка и исследование реакторов с графитовыми электродами 111
4.3. Расчет удельных энергозатрат на рассплавление шлиховых концентратов и определение количества восстановителей 118
4.4. Обсуждение и анализ полученных результатов 122
4.5. Оценка удельных энергозатрат 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 139
ПРИЛОЖЕНИЯ 147
- Современный уровень решения проблемы комплексной переработки минерального сырья
- Исследование и разработка принципов выбора минерального сырья
- Принципиальная схема экспериментальной установки. Конструкции и характеристики плазмотронов
Введение к работе
Стратегическим направлением материаловедения является создание новых высокоэффективных материалов, обладающих повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, а также разработка экологически чистых, ресурсосберегающих, экономичных технологий их получения. Своеобразным дополнительным ресурсом ряда полезных ископаемых становятся накопленные в отвалах «пустые» горные породы, шлаки, шламы и хвосты горных, горно-обогатительных и топливно-энергетических предприятий. При всех существующих способах добычи и обогащения объемы отходов весьма значительны. Ежегодно в отвалы и хвостохранилища складируются порядка 9-10 млрд т пород и отходов, значительная часть которых могла бы уже сегодня или в ближайшем будущем использоваться для доизвлечения различных полезных компонентов. Процесс накопления горных масс продолжается столько, сколько существует горная промышленность; обратный процесс утилизации данных ресурсов происходит в несравненно меньших масштабах. Всего к настоящему времени в отвалах горнодобывающих и перерабатывающих предприятий скопилось около 60 млрд. т. вскрышных и скальных пород и твердых отходов. В силу происходящих процессов выветривания значительная часть, вероятно, уже утратила свою первоначальную ценность.
Возможности эффективного использования отходов в каждом отдельном случае определяются, с одной стороны, разработанностью соответствующих технологий, а с другой - экономической их эффективностью. В свою очередь, эта последняя во многом зависит от наличия спроса потребителей от мест наличия отвалов.
Новым направлением в области легирования сплавов и покрытий при традиционных способах электрической сварки, наплавки и переплава является создание высокоэффективных сварочных материалов с комплексным использованием многокомпонентного минерального сырья, содержащего оксиды легирующих элементов, без его глубокой переработки. Работы ведущих материаловедов в области комплексного использования сырья позволили получить ряд обнадеживающих результатов (Н.П.Лякишева, Г.П.Швейкина, Ю.В.Цветкова, В.А.Резниченко, Г.В. Самсонова, А.Д.Верхотурова, И.А.Подчерняевой и др.),
Исследования процессов, происходящих при повышении качества и улучшении свойств металла, представлены в работах Е.О.Патона, И.П.Бардина, А.А.Байкова, М.А.Павлова, А.М.Самарина и др.
Разработка высокоинтенсивных технологических процессов, обеспечивающих при минимальных затратах перерабатывать сложные комплексные руды и многообразные отходы горнодобывающего производства становится актуальной задачей. В этом аспекте плазменная технология благодаря своей универсальности имеет большие перспективы. Основными преимуществами плазменной технологии являются высокие скорости и высокая производительность химических процессов; малые габариты технологического оборудования; возможность использования дешевого трудно перерабатываемого и широкодоступного сырья; малостадийность процессов; простота управления технологическим процессом.
Работа выполнялась в рамках НИР 1.11.1.10 №гос.рег. 019600076604 и 01.2.01.4054 №гос.рег.01.2.00104054, проекта РФФИ 00-02-96206 Р98Арктика, а также х/д 25/95 «Разработка технологии плазменной плавки втордрагметаллов», х/д 1/92 «Разработка технологического регламента плазменной плавки лома черных металлов».
Цель работы исследование и разработка плазменно-дуговых устройств и на их основе технологий комплексной переработки минерального техногенного сырья для получения материалов различного назначения.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: 1. Минералогический и химический анализ ряда месторождений полезных ископаемых и хвостовых отвалов горно-обогатительных предприятий республики Саха (Якутия) с целью выявления целесообразности их дальнейшей переработки для получения дополнительной продукции.
2. Исследования физико-механической обработки исходного сырья для целенаправленного его обогащения, а именно - ильменитовых и магнетитовых составляющих минерального сырья.
3. Исследования электрических и газодинамических характеристик плазменно-дуговых устройств, при переработке дисперсного минерального сырья. Определить рациональные режимы их работы, повышающие ресурс.
4. Разработка технологических схем переработки для конкретных составов сырья.
Научная новизна работы:
- определены рациональные режимы работы струйного секционного плазмотрона, обеспечивающие стабильность горения дуги за счет раздельной подачи плазмообразующего (азот, воздух) и защитного (аргон, пропан) газов, что позволяет на один - два порядка снизить величину удельной эрозии сопла анода и тем самым довести его ресурс до 50-100 часов;
- расчетно-экспериментальным путем получены новые аналитические формулы расчета геометрических параметров рабочих узлов плавильного плазмотрона прямого действия, влияющих на его ресурс;
выведена расчетно-экспериментальная формула для оценки производительности получения расплава при омическом нагреве шихты;
- раскрыта целесообразность применения плазменно-дуговых способов переработки титаномагнетитовых концентратов для получения наплавочных материалов на основе боридов, карбидов железа и титана с одновременным рафинированием по сере и фосфору.
Практическая значимость работы заключается в до извлечении полезных компонентов из текущих отходов производства, накопленного малоценного и труднообогатимого сырья. Исследован минеральный и химический состав хвостовых отвалов горно-обогатительных предприятий Якутии, речных отложений p. Лена, Вилюй, Чара и определена возможность их использования для получения легирующих составов, порошков - сырья для электродного и наплавочного производства. Разработана технологическая схема для обогащения ильменитовых и магнетитовых составляющих минерального сырья. Обоснована перспективность применения плазменно-дуговых технологий для переработки сложных многокомпонентных концентратов и разработаны схемы реакторов, позволяющие выборочно создавать окислительные, восстановительные среды в зависимости от состава обрабатываемого материала и поставленных задач.
Вклад автора в проведенные исследования состоит в обосновании общей концепции работы, постановке задачи исследования и получении новых научных результатов, на базе которых разработаны схемы комплексной переработки техногенного и минерального сырья.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты определения рациональных режимов работы струйного плазмотрона, обеспечивающих длительный ресурс.
2. Формулы расчета геометрических параметров рабочих узлов плавильного плазмотрона прямого действия, влияющих на его ресурс.
3. Расчетно-экспериментальная формула для оценки производительности получения расплава при омическом нагреве шихты.
4. Результаты исследований применения плазмен но-дуговых устройств и технологий комплексной переработки многокомпонентных минеральных концентратов для получения сварочно-наплавочных материалов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах ИФТПС СО РАН, региональном семинаре «Технология и качество сварки в условиях Севера» (Якутск, 1997), на Международной научной конференции «Металлургия XXI века: шаг в будущее» (Красноярск, 1998), на Международной конференции «Сварка и родственные технологии - в XXI век» (Киев, 1998), на 1-м Евразийском симпозиуме (Якутск, 2002), на научно-технической конференции сварщиков "Сварочные чтения. Теория и практика" (Санкт-Петербург, 2003), на Международной научно-технической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2003), на республиканской научно-практической конференции «Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых» (Якутск, 2003),
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 37 рисунков, список использованной литературы из 89 наименований и состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения.
Современный уровень решения проблемы комплексной переработки минерального сырья
Принципы комплексной переработки минерального сырья как научного направления, базирующегося на генетических особенностях месторождений полезных ископаемых, которые всегда содержат несколько, а иногда десятки ценных компонентов, впервые разработаны академиком А.Е, Ферсманом /1/.
Главный из них - максимальной эффективности - предполагает наличие оптимальной методики комплексного использования сырья, основывающейся на следующих принципах: аналогии в выборе технологии для нового сырья; последовательных приближений — стадий, в каждую из которых изучение сырья проводится все возрастающей детальностью; относительной элементарности, в основе которого понятие однородности выделяемых частей полезных ископаемых; выборочной детализации - выбор сырья, отличающегося наибольшей сложностью, для последующей оптимизации процесса переработки.
Позже академик И.П. Бардин дополнил их новым подходом, относящимся к организации производства: отходы одних технологических переделов сырья или производств должны служить для других.
Комплексная переработка минерального сырья в современном представлении включает наиболее полное и экономичное освоение всех видов минеральных ресурсов с применением горных технологий и разделение полезных ископаемых на конечные продукты с максимальным извлечением содержащихся в сырье ценных компонентов, производство которых технически возможно и целесообразно /2,3/.
Теоретически, в случае идеального использования природных ресурсов, можно представить два основных подхода, обеспечивающих развитие рациональных и экологичных производств: создание методов селективного извлечения элементов без добычи всего объема горной массы и создание безотходных технологий при комплексной переработке сложного рудного сырья. Первый подход основан на технологиях максимального извлечения из минерального сырья наиболее ценных компонентов.
Исследование и разработка принципов выбора минерального сырья
Республика Саха (Якутия), занимая огромную территорию в ЗД млн. кв. км, является наиболее крупным по площади и одним из самых богатых по минерально - сырьевым ресурсам субъектом Российской Федерации.
В настоящее время в республике ведется разработка относительно ограниченного перечня полезных ископаемых, но достаточно в больших масштабах. Якутия занимает первое место в России по добыче алмазов, золота, сурьмы и олова. Интенсивно ведется отработка месторождений газа и угля. При этом имеющиеся резервы разведанных запасов и прогнозных ресурсов таковы, что создают предпосылки как для возможного в последующем увеличения объемов добычи традиционных, так и организации добычи новых для республики видов полезных ископаемых. К перспективным полезным ископаемым относятся ниобий, редкие земли, железо, свинец, цинк, апатиты, графит, цветные камни и др. Особо следует отметить наличие вдоль морского побережья Якутии протяженной шельфовой зоны. Пока что весьма слабо изученной в минеорганическом отношении. В настоящее время в ней известны крупные оловоносные россыпи и возможно обнаружение других полезных ископаемых /27Л Этот список природных минеральных ресурсов включает только основные руды и характеризует потенциал горнодобывающей отрасли региона далеко не полностью. Использование их как источников моносырья неприемлемо и неэкономично. Эксплуатация этих месторождений требует разработок новых технологических схем и способов, позволяющих извлекать и рационально использовать все сопутствующие компоненты сырья. Ареалы шлиховых концентратов Якутии охватывают различные геологические районы и провинции, что обуславливает широчайший минеральный и химический состав концентратов. Большинство месторождений полезных ископаемых Республики Саха (Якутия) являются комплексными: кроме основного компонента - алмаза, золота, касситерита, платиноида и других, содержат попутные ценные минералы титана, вольфрама, никеля, молибдена, хрома, редкоземельных элементов и других. Ценные компоненты в минералах могут находиться в трех формах: химического соединения, изоморфной примеси, в виде микровключений /28/.
Принципиальная схема экспериментальной установки. Конструкции и характеристики плазмотронов
Разработанная установка (рис.3.1.) предназначена для
высокотемпературной плавки материалов в тигле струей низкотемпературной плазмы (более 3500 К). Применение в качестве источника нагрева плазмотрона косвенного действия позволяет обрабатывать, как токопроводящие материалы (металлы), так и непроводящие (керамика и др.)- Установку можно использовать также для изучения физико-химических характеристик плазменно-дугового разряда и процессов массопереноса между газовой и металлической фазами /38, 39/.
Плазмотрон установлен в замкнутом пространстве. В качестве источника питания используется выпрямитель с крутопадающей вольт-ампернои характеристикой и воздушным охлаждением. Управление плазмотроном производится через пульты электрического и газового управления. В силовом шкафу находятся автомат для включения питающего напряжения, ключ коммутации оборудования. На рис.3.2 показана схема электрического питания и поджига дуги.
Газовый пульт для распределения рабочего газа на плазмотрон и питатель дисперсного материала представляет собой металлическую раму с закрепленными на ней воздушными коллекторами. На каждом коллекторе расположено по регулировочному вентилю и ротаметру.
