Способ селективного извлечения металлов из комплексных руд, образованных твердыми оксидными растворами или оксидными химическими соединениями

Изобретение относится к переработке комплексных оксидных сырьевых материалов, таких как природные руды, рудные концентраты и подобные материалы, в которых извлекаемые материалы входят в состав оксидных твердых растворов или оксидных химических соединений с тугоплавкими оксидами других невосстанавливаемых металлов. В частности, предлагаемое изобретение относится к переработке хромовых, титаномагнетитовых, ильменитовых, сидеритовых и других руд, их концентратов и им подобных материалов.

Обычно железосодержащая моноруда перерабатывается в чугун в доменных печах, а затем в сталь известными способами. Известен способ производства железного порошка, включающий смешивание железосодержащего материала с восстановителем, окомкование, обжиг окатышей в вакууме при температуре 700…1100°C, охлаждение в безокислительной атмосфере до 500…600°C, дробление и магнитную сепарацию (SU №651033, МПК C21B 13/00, заявл. 22.09.1977, опубл. 05.03.1979). Недостатком способа является необходимость окомкования и малая скорость восстановления вследствие низкой температуры восстановления, обусловленные этим большая длительность обжига и необходимость введения катализаторов (NaCl).

Переработка комплексных руд, в которых извлекаемые металлы входят в состав оксидных твердых растворов или оксидных химических соединений с тугоплавкими оксидами других невосстанавливаемых металлов, традиционными способами невозможна или требует больших энергетических затрат или приводит к потере ценных невосстанавливаемых металлов.

Так, переработка в доменных печах сидеритовых руд, например Бакальского месторождения, в которых железо образует твердый раствор катионов с марганцем и магнием в составе сидероплезита (Fe_0,74; Mg_0,24; Mn_0,02)CO₃, а при разложении карбоната переходит в комплексный оксид (Fe_0,74; Mg_0,24; Mn_0,02)O, что приводит к образованию шлаков с высоким содержанием оксида магния, который увеличивает температуру плавления шлаков и затрудняет их выход из печи. Поэтому при доменной плавке сидеритовую руду перерабатывают в ограниченных количествах (до 13,5%), используя только в качестве добавки к другим рудам (Жунев А.Г., Шумаков Н.С., Братченко Л.Н. К вопросу об использовании бакальских сидеритов и их подготовке к доменной плавке. Сталь, 1966. №3. - С.137-139).

Железо из сидеритовой руды можно извлекать при плавке в электрических рудовосста-новительных печах, но высокая температура плавления оксида магния требует большого расхода электрической энергии, использования флюсующих добавок и ведет к потере оксида магния со шлаком, что делает выплавку чугуна из сидеритовой руды в электрических печах нерентабельной (Мальков Н.В., Рощин В.Е., Поволоцкий Д.Я. Рудовосстановитель-ная плавка в электрических печах - возможная перспектива производства чугуна и стали на Южном Урале. Электрометаллургия. - 2005. №9 - С.21-25).

Аналогичным образом в доменном процессе ограниченно используются титаномагнетитовые руды, в которых в кристаллической решетке магнетита Fe₃O₄ присутствует растворенный титан, а также содержатся вкрапления ильменита - химического соединения 2FeO·TiO₂. При высоком содержании оксидов титана в титаномагнетитовых рудах, например Медведевско-Копанской группы месторождений, в доменной печи образуются тугоплавкие шлаки, вызывающие расстройство хода печи. Поэтому их можно использовать в незначительном количестве лишь в качестве добавки к традиционным рудам. При низком содержании оксидов титана руду, например Качканарского месторождения, можно перерабатывать доменным процессом, однако при этом с доменным шлаком теряется титан, который является ценным компонентом руды.

Известен способ отделения железа от титанистой породы с использованием принципов обжигмагнитного, кричнорудного обогащения и методов прямого получения железа. Сущность процесса заключается в восстановлении руды в горизонтальной трубчатой вращающейся печи, где получаются окатыши с частично восстановленным железом. Затем в процессе дробления и магнитной сепарации из этих окатышей выделяется железо, а в хвостах сепарации остается высокотитанистый продукт.

Для улучшения условий отделения восстановленного железа от шлаковых фаз широко используется введение в шихту соды или плавикового шпата, понижающих температуру размягчения шлакообразующих, что способствует укрупнению зерен металла. Интенсификации процесса восстановления способствует также добавка в шихту солей щелочных и щелочноземельных металлов (Леонтьев Л.И. Пирометаллургическая переработка комплексных руд / Л.И. Леонтьев, Н.А. Ватолин, С.В. Шаврин, Н.С. Шумаков. - М: Металлургия. - 1997.-431 с).

Железо и хром из хромовой руды, в которой эти элементы находятся в виде катионных растворов с магнием и алюминием $$\left(M{g}_i^{2+},F{e}_j^{2+}\right)\left[F{e}_x^{3+}A{l}_y^{3+},C{r}_z^{3+}\right]O_4$$ в составе тугоплавких шпинелей, извлекают при выплавке феррохрома в электрических рудовосстановительных печах. Однако высокая температура плавления шпинельного остатка в виде оксидов магния и алюминия требует больших затрат электрической энергии на их плавление. Для формирования шлака в электрических печах с целью снижения температуры плавления используют флюсующие добавки, которые растворяют тугоплавкую шпинельную фазу. В составе печного шлака тугоплавкая шпинельная фаза выбрасывается в шлаковые отвалы.

В известных источниках информации не описан способ пирометаллургического обогащения тугоплавкой оксидной фазы комплексных руд, остающейся после восстановления и извлечения из нее металлов. Тугоплавкая фаза на основе оксида магния, формирующаяся при извлечении железа из сидеритовых руд, на основе алюмомагнезиальной шпинели при извлечении железа и хрома из хромовых руд, на основе анасовита (комплексного оксида титана) при извлечении железа из титаномагнетита и ильменита титаномагнетитовых и ильменитовых руд является вторым ценным компонентом комплексных руд, который может быть использован для различных целей. В описанных способах при извлечении металла оксидный остаток не обогащают, а разбавляют флюсующими добавками, понижающими температуру плавления и способствующими образованию легкоплавкого шлака и укрупнению корольков металла, или материалом оболочки, в качестве которого используется шлак.

Известен способ пирометаллургического обогащения комплексных железосодержащих материалов путем изготовления двухслойных окатышей. Способ включает смешивание комплексных железосодержащих материалов с углеродистым восстановителем, формирование рудоугольных окатышей, обжиг окатышей в оболочке, охлаждение, измельчение и магнитную сепарацию. Особенностью способа является нанесение на сырые рудоугольные окатыши оболочки из оксидного материала с температурой плавления не менее 1,1 температуры плавления наиболее тугоплавкой фазы ядра восстановительных окатышей, обжига их при температуре, равной 0,65…0,85 от температуры плавления железа, до его полного восстановления, а после восстановления нагрев до температуры 1,02 температуры плавления восстановленной металлической фазы. Наличие оболочки из тугоплавкого оксидного материала защищает металл от вторичного окисления, а температурный режим обжига позволяет сформировать структуру окатыша, в которой корольки металла заключены в шлаковый скелет шлака (RU 2087542, МПК C21B 13/00. заявл. 16.11.1994; опубл. 20.08.1997).

Данный способ имеет следующие недостатки. Вследствие необходимости точного подбора материала оболочки, его гранулометрического состава, толщины оболочки, продолжительности накатывания оболочки на окатыши в зависимости от тонкой взаимозависимости свойств металлической и шлаковой фаз он сложен в осуществлении. Кроме того, нанесение на рудоугольные окатыши оболочки из шлаков увеличивает количество шлаков металлизации и сопровождается разбавлением тугоплавкой оксидной фазы комплексных руд.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, описанный в п. РФ №2460813 по кл. C21B 13/00, заявл. 16.06.2011 г., опубл. 10.09.2012 г.и выбранный в качестве прототипа.

Известный способ селективного извлечения металлов из комплексных руд, образованных твердыми оксидными растворами или оксидными химическими соединениями, включает смешивание руд с углеродистыми восстановителями, обжиг полученной смеси, охлаждение, измельчение и разделение компонентов и отличается тем, что руду предварительно перед смешиванием размалывают до частиц размером 1…2 мм, смесь с углеродистым восстановителем подвергают восстановительному обжигу, нагревая ее до 0,6…0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы руды, и выдерживают в течение 1…3 ч, полученную после восстановительного обжига смесь размалывают до частиц размером 1 мм и менее и производят разделение металлического и оксидного компонентов магнитным, или флотационным, или аэродинамическим способом.

Недостатком известного способа является сложность технологии, обусловленная тем, что перед смешиванием измельчают руду до частиц 1…2 мм, а затем после обжига размалывают смесь до частиц размером 1 мм и менее, что усложняет последующий процесс разделения металлического и оксидного компонентов и ухудшает их качество.

Задачей изобретения является упрощение технологического цикла получения металлов без плавления руд при повышении качества конечного продукта.

Поставленная задача решается тем, что в способе селективного извлечения металлов из комплексных руд, образованных твердыми оксидными растворами или оксидными химическими соединениями, включающем измельчение руд, смешивание руд с углеродистыми восстановителями, обжиг полученной смеси при температуре 0,6…0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы руды в течение 1…3 часов, охлаждение, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ перед смешиванием комплексную руду измельчают до частиц размером 10…30 мм, а углеродистый восстановитель размалывают до частиц размером 1…3 мм, или руду размалывают размалывают до частиц размером 1…3 мм, а углеродистый материал измельчают до частиц размером 10…30 мм, после охлаждения проводят первую сепарацию с разделением рудного и углеродсодержащего материала, затем рудный материал размалывают до частиц размером 1 мм и менее, и проводят повторную сепарацию с разделением рудного материала на металлическую и оксидную фазы..

Измельчение перед смешиванием содержащей оксиды железа комплексной руды и углеродистого восстановителя до разных размеров обеспечивает возможность достаточно просто разделить при первой сепарации после обжига и охлаждения рудный и углеродсодержащий материалы, а размол рудного материала до частиц размером 1 мм и менее дает возможность при повторной сепарации разделить его на металлическую и оксидную фазы, что упрощает технологию производства.

Технический результат - упрощение операции разделения за счет разного размера фракций.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как измельчение перед смешиванием содержащей оксиды железа комплексной руды и углеродистого восстановителя до разных размеров, разделение при первой сепарации после обжига и охлаждения рудного и углеродсодержащего материалов, размол рудного материала до частиц размером 1 мм и менее, и разделение при повторной сепарации рудного материала на металлическую и оксидную фазы, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ может найти широкое применение в области переработки комплексных железосодержащих руд, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Заявляемый способ заключается в следующем.

Берут комплексную руду, образованную твердыми оксидными растворами или оксидными химическими соединениями, и углеродистые восстановители и производят отдельно их измельчение до частиц разных размеров. При этом либо руду измельчают до частиц размером 10…30 мм, а углеродистый восстановитель размалывают до частиц размером 1…3 мм, или руду размалывают до частиц размером 1…3 мм, а углеродистый восстановитель измельчают до частиц размером 10…30 мм.

Затем смешивают измельченные указанные материалы и производят обжиг полученной смеси при температуре 0,6…0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы руды в течение 1…3 часов. Далее охлаждают полученный материал и разделяют рудный и углеродсодержащий материалы. Полученный после сепарации рудный материал размалывают до частиц размером 1 мм и менее, после чего проводят повторную сепарацию, разделяя металлическую и оксидную фазы рудного материала.

Ниже приведен пример конкретного осуществления заявляемого способа.

Сидеритовую руду Бакальского месторождения в виде кусочков размером 10…30 мм, образующихся в виде отходов при грохочении руды перед обжигом с целью получения сидеритового концентрата, смешали с порошком размером частиц 1…3 мм энергетического угля из Коркинского угольного разреза. Полученную смесь поместили в графитовый тигель и подвергли восстановительной выдержке при температуре 1250°C в течение 2 часов в печи сопротивления с графитовым нагревателем (печи Таммана). После отключения печи и охлаждения смеси при помощи вибросита смесь разделили на руду и угольный остаток. Кусочки руды измельчили на дисковом истирателе до размеров 1 мм и менее. Порошок рудного материала при помощи магнита разделили на магнитную и немагнитную фракции, в которых определили содержание железа. В магнитной фракции содержание железа составило 98,7% (остальное - оксиды магния, кремния и железа), в немагнитной 7,9% (остальное - оксиды магния, кремния и железа). При этом в немагнитной фракции содержание оксида магния составляло 60…80%.

В сравнении с прототипом заявляемый способ обеспечивает упрощение технологического цикла получения металлов без плавления руд при повышении качества конечного продукта.

Способ селективного извлечения металлов из комплексных руд, образованных твердыми оксидными растворами или оксидными химическими соединениями, включающий измельчение руд, смешивание руд с углеродистым восстановителем, обжиг полученной смеси при температуре 0,6…0,8 температуры плавления самой тугоплавкой оксидной фазы руды в течение 1…3 ч, охлаждение, отличающийся тем, что перед смешиванием комплексную руду измельчают до частиц размером 10…30 мм, а углеродистый восстановитель размалывают до частиц размером 1…3 мм, а углеродистый восстановитель размалывают до частиц размером 10…30 мм, после охлаждения проводят первую сепарацию с разделением рудного и углеродсодержащего материала, затем рудный материал размалывают до частиц размером 1 мм и менее и проводят повторную сепарацию с разделением рудного материала на металлическую и оксидную фазы.