Физико-химические основы комплексной переработки высокомагнезиальных сидеритовых руд Бакальского месторождения

В настоящее время черная металлургия, особенно уральская, испытывает острый дефицит передельного железорудного сырья. В то же время в недрах Урала имеются огромные запасы титаномагнетитовых, железохромоникелевых, железо-глиноземистых, сидеритовых руд, лейкоксеновых рутило-кварцевых песков. В этих рудах, кроме железа, находятся ванадий, титан, хром, никель, кобальт, медь, магний, редкоземельные элементы, глинозем, поэтому создание экологически безопасных и ресурсосберегающих схем переработки руд этих месторождений является насущной проблемой Уральского региона. Экономика этих схем будет определяться глубиной и широтой извлечения железа и сопутствующих элементов, а также использованием отходов обогащения и производства.

Cидеритовые руды Бакальского месторождения (Челябинская обл., запасы свыше 1 млрд. тонн), крайне ограниченно используются в доменном процессе из-за относительно низкого содержания железа (Fe общ в среднем 27-30%) и высокого содержания в них оксида магния (MgO от 12% и выше). В тоже время они содержат мало фосфора (менее 0,05%), а содержание серы

Абдрахманов   Роберт Назымович, кандидат

Сысоев Виктор Иванович, студент

0,1-0,3%. Анализ данных о составе перерабатываемых сидеритов Бакала показывает, что с каждым годом содержание в них железа уменьшается, а оксида магния возрастает.

Цель работы: определение и проверка на лабораторном уровне физико-химических основ комплексной переработки высокомагнезиальных сидеритовых руд бакальского месторождения.

Характеристика руд Бакальского месс-торождения, существующие и предлагаемые способы их переработки. Как следует из проведенного патентного и информационного поиска [1] основным рудообразующим минералом Бакальских карбонатных железных руд является сидероплезит и пистомезит, которые представляют собой изоморфную смесь карбонатов железа, магния и незначительные количества марганца. На них приходится в среднем 75-80%. Нерудные материалы: доломит, кварцит, алюмосиликаты, сланцы составляют 2025%. Ныне применяемая технология переработки Бакальских сидеритов сводится к обжигу сырой руды фракцией 10-60 мм в шахтных печах при 1000-1100⁰С в окислительной атмосфере (рис. 1). Обожженный концентрат (КОС) подвергается сухой магнитной сепарации (СМС), что позволяет удалять, в основном, только нерудные материалы. Содержание железа при этом повышается до 50%, а оксида магния до 18-20%.

В процессе обжига исходные карбонаты разлагаются с выделением диоксида углерода и образуется преимущественно химически устойчивая магниевая шпинель магнезиоферрит (1):

xFeCO3∙yMgCO 3 + x/4O 2 → yMgFe 2 O 4 + +(x+y) CO 2 ↑+(x/2-y)Fe 2 O 3 (1)

Исходный сидерит

Фильтрование фильтрат концентрат оооп

Контроль технологических процессов:

О - химический анализ о • влажность О - ситовый анализ ~] - взвешивание

Д - количество твердого

Увлажнение

I1ылеулавливание

Сгущение

Рис. 1. Существующая технологическая схема переработки Бакальских сидеритов

Анализ ранее выполненных исследований показал, что применение традиционных технологий обогащения, таких как обогащение в тяжелых суспензиях, флотация, магнитная сепарация и др. для удаления оксида магния из руд Бакаль-ского месторождения, малоэффективно. Это связано с тем, что карбонаты железа и магния, как в составе основного железосодержащего минерала, так и их оксиды после обжига, образуют общую кристаллическую решетку [2]. Практически приемлемым направлением в получении продукта с малым содержанием MgO является структурное разрушение кристаллической решетки методами пиро- и гидрометаллургии. Первое направление – это высокотемпературный восстановительный обжиг, приводящий к выделению железа в самостоятельную фазу [3], однако оно в настоящее время не является рентабельным и не предполагает получение второго продукта. Второе направление – химическое обогащение руды или продукта ее термического разложения (выщелачивание) должно основываться на применении способа (реагента), обеспечивающего селективное извлечение одного из компонентов [4]. Предлагаемые способы выщелачивания MgO с использованием сильных минеральных кислот

(H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 ) не пригодны как с экономической, так и экологической точки зрения.

Нами была разработана и опробована в лабораторных условиях схема переработки высо-комагнезиальных Бакальских сидеритов, включающая выщелачивание MgO с помощью слабой угольной кислоты (рис. 2). В результате был получен КОС содержащий суммарно до 57% железа и марганца и 9% оксида магния, и второй продукт – высокоактивная магнезия с содержание MgO не менее 98%.

Экспериментальные данные и их обсуждение. Работа проводилась на пробах, состав которых представлен в табл. 1. Предлагаемая нами схема переработки высокомагнезиальных бакальских сидеритов представлена на рис. 2.

Навеска исходной руды фракцией 2-20 мм и массой 100 г обжигалась в трубчатой печи без доступа атмосферного воздуха в температурном интервале 550-6500С (т.н. «мягкий» обжиг). Температурный режим был выбран на основании данных термогравиметрических исследований (рис. 3), которые установили, что разложение основного минерала (первый пик) начинается около 4000С и заканчивается при температурах менее 6500С. Второй пик на рисунке соответ- Окончание обжига определяли по прекращению ствует температуре разложения доломита [5]. прохождения газа через гидрозатвор.

Таблица 1. Усредненный химический состав сидеритовых руд Бакальского месторождения

2007 год
Fe	FeO	Fe 2 O 3	MgO	CaO	SiO 2	MnO	Al 2 O 3	п.п.п.
30,1	34,6	4,6	9,4	3,7	9,4	1,3	3,4	33
2012 год
Fe	FeO	Fe 2 O 3	MgO	CaO	SiO 2	MnO	Al 2 O 3	п.п.п.
29,3	37,1	0,7	12,0	5,3	2,5	1,1	1,0	35,8

Примечание: п.п.п. – потери при прокаливании

Дробление и помол сырой руды

«Мягкий^ обжиг

Сухая магнитная сепарация |          ^^^^ хвосты

Помол магнитной фракции до 100 мкм

Выщелачивание пульпы пр4т комнатной температуре

Отстойник

Раствор бикарбоната магния            Очищенный железорудный

Д                           концентрат (продукт)

Декарбонизация до MgCO ₃ при t=90 °C

Декарбонизация до MgO при t=700 °C

Рис. 2. Принципиальная схема предлагаемой технологии переработки руд Бакальского месторождения

Рис. 3. Термограмма сырой сидеритовой руды Бакальского месторождения

Следует отметить, что H 2 CO 3 действует селективно по отношению к оксиду магния, поэтому все остальные компоненты при выщелачивании остаются, в основном, в твёрдой фазе (2).

(MgO) + H 2 O+2CO 2 → Mg(HCO 3 ) 2 (2)

Процесс извлечения оксида магния угольной кислотой продолжался не менее 5 часов. После отделения твёрдого остатка раствор бикарбоната магния нагревают до 900С, в результате чего в осадок выпадает водный гидрокарбонат магния, который подвергается декарбонизации при температуре свыше 6500С с выделением магнезии, содержащей не менее 98% MgO (реакции (3), (4)):

Mg(HCO 3 ) 2 → MgCO 3 ∙3H 2 O↓ + CO 2 ↑ (3)

MgCO 3 → MgO + CO 2 ↑ (4)

Результаты и выводы. Химический состав КОС, продуктов углекислотного выщелачивания, а также хвостов магнитного обогащения, представлены в табл. 2. Переработка высокомаг-незиальных сидеритов по предлагаемой технологии позволяет повысить соотношение Fe общ /MgO более чем в 2 раза (с 2,98 до 6,1), и почти в 2 раза уменьшить содержания оксида магния.

Таблица 2. Химический состав КОСа, хвостов магнитного обогащения и продукта углекислотного выщелачивания

	Fe	FeO	Fe 2 O 3	MgO	CaO	SiO 2	MnO	Al 2 O 3	п.п.п.
КОС	51,2	0,4	72,8	17,2	3,6	2,0	1,9	0,9	0,36
Хвосты	14,3	13,8	5,1	14,1	19,4	6,9	0,51	1,5	35,8
Продукт	54,9	0,4	78,2	9,0	3,9	3,3	2,1	0,8	2,1

Примечание: хвосты – немагнитная фракция мягко-обожженной руды, масса которых составляет

20-25% от обожженной руды

Таким образом, применение рассмотренных методов переработки высокомагнезиальных сидеритовых руд Бакальского месторождения позволяет получать как минимум 2 продукта:

• •    качественный железорудный концентрат, содержащий суммарно до 57% железа и марганца, и около 9% оксида магния;

• •    высокоактивную магнезию, выход которой составил 70-80 кг на тонну концентрата, содержащей не менее 98% MgO.

Дальнейшие исследования будут направлены на сокращение времени, необходимого для выщелачивания, и повышение степени извлечения оксида магния.