УКРУПНЕНО-ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ШАЛКИЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ ФЕРРОСИЛИЦИЯ И ZN-PB ВОЗГОНОВ

​CONSOLIDATED LABORATORY TESTS OF ELECTRIC MELTING OF TAILINGS OF ORE DRESSING FROM THE SHALKIYA DEPOSIT TO PRODUCE FERROSILICON AND Zn-Pb SUBLIMES

Viktor Shevko

Doctor of Technical Sciences, Professor M. Auezov South Kazakhstan University

Kazakhstan, Shymkent

Dosmurat Aitkulov

Doctor of Technical Sciences, Professor National Center for Integrated Processing of Mineral Raw Materials Republic of Kazakhstan

Almaty, Kazakhstan

Baktygul Makhanbetova

Doctoral student M. Auezov South Kazakhstan University

Kazakhstan, Shymkent

Данное исследование финансируется Министерство промышленности и строительства Республики Казахстан Республики Казахстан (Грант № BR19777171).

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты укрупненно-лабораторных испытаний переработки хвостов обогащения сульфидной руды Шалкия совместно с магнетитовым концентратом, стальной стружкой и коксом. Испытания проводились на установке, состоящий из одноэлектродной дуговой печи мощностью 45 кВ∙А и системой улавливания возгонов (инерционный пылеуловитель, газовые холодильники, рукавной фильтр). Масса шихт составляла 25-27 кг. В процессе испытаний определялась возможность замены железа стальной стружки на железо магнетитового концентрата.  Испытания показали, что при плавке хвостов обогащения сульфидной руды Шалкия совместно с сульфидной рудой и стальной стружкой происходит образования ферросилиция марки FeSi45 (со степенью извлечения в него 79-82% кремния); добавление к шихте магнетитового концентрата при получении ферросилиция марки FeSi45 повышает извлечение кремния в сплав до 83-86% Si. Степень извлечения цинка и свинца в возгоны (содержащие 9,5-10,1% Pb, 23,5-31,0% Zn) составляла соответственно 98,4-99,7% и 98,0-99,0%. Из 1т смеси хвостов руды Шалкия возможно получение 0,467-0,488т ферросилиция марки FeSi45 и 0,112-0,116 т возгонов, содержащих цинк и свинец.

ABSTRACT

The article presents the results of extensive laboratory tests of Shalkiya sulphide ore tailings processing together with magnetite concentrate, steel shavings and coke. The tests were carried out on the unit consisting of a 45 kV∙A single-electrode arc furnace and a system of sublimation (inertial dust collector, gas coolers, bag filter). The charge mass was 25-27 kg. In the process of tests the possibility of replacement of iron of steel shavings with iron of magnetite concentrate was determined.  Tests have shown that at melting of tailings of Shalkiya sulphide ore enrichment together with sulphide ore and steel shavings there is formation of FeSi45 grade ferrosilicon (with the degree of silicon extraction in it 79-82%); addition to the charge of magnetite concentrate at obtaining FeSi45 grade ferrosilicon increases silicon extraction in the alloy up to 83-86% Si. The degree of zinc and lead extraction in sublimates (containing 9.5-10.1% Pb, 23.5-31.0% Zn) was 98.4-99.7% and 98.0-99.0%, respectively. From 1t of Shalkiya ore tailings mixture it is possible to obtain 0.467-0.488t of FeSi45 grade ferrosilicon and 0.112-0.116t of sublimates containing zinc and lead.

Ключевые слова: хвосты обогащения, сульфидная руда, кокс, стальная стружка, магнетитовый концентрат, электроплавка, ферросилиций, возгоны, цинк, свинец.

Keywords: tailings of enrichment, sulfide ore, coke, steel shavings, magnetite concentrate, electric melting, ferrosilicon, sublimes, zinc, lead.

В настоящее время цинк получают пиро- или гидрометаллургическим способами, предусматривающими предварительное обогащение сульфидной руды [1-3]. В процессе обогащения свинцово-цинковых сульфидных руд лишь небольшая их часть (около 10%) переходит в концентрат [4-7]. Остальная (большая часть) складируется в отвалах загрязняя окружающую среду. Подавляющая часть хвостов обогащения содержит заметное количество цветных металлов. Подобная картина сейчас в большей мере проявляется и при переработке сульфидной руды месторождения Шалкия, балансовые запасы которой составляют 129,3 млн.т. [8]. При обогащении 1т руды этого месторождения, содержащей 3,5 % Zn и 0,87 % Pb образуется 0,91т хвостов. С хвостами, содержащими 0,6-0,9% Zn и 0,6-0,8% Pb теряется 19% цинка и 43% свинца. Особенностью сульфидной руды Шалкия и хвостов ее обогащения является значительное содержащие в них кремнезема (не менее 50%). Поэтому они представляют большой интерес в качестве сырья не только для цветной металлургии, но и для производства кремнийсодержащей продукции, например, кремнийсодержащих ферросплавов. Таким образом с хвостами теряется ценные нерудные составляющие, например, кремнезем, содержащие которого в рудах до 70-80%. Как правило переработка хвостов предусматривает извлечение некоторой части цветных металлов [9-10]. После этого хвосты используется для засыпки выработанного пространства [11] или, в лучшем случае, используется в строительной индустрии (например, как заполнитель в бетоне [12].

В данной статье приводятся результаты укрупненно-лабораторных испытании переработки хвостов обогащения сульфидной руды Шалкия с получением марочного ферросилиция и возгонов, содержащих цинк и свинец. Технология позволяет извлечь из хвостов обогащения и сульфидной руды Шалкия не только цинк и свинец, но и кремний в ферросплав [13, с.12; 14, с.124-132; 15, с.175-182].

При проведении исследований использовали хвосты обогащения, содержащие: 2,5 % ZnS, 1%PbS, 2,29% Fe, 28,12% Si, 1,28% S, 0,61% K, 7,11% Ca, 1,2% Al, 2,63% Mg; сульфидную руду, содержащую: 5,2% ZnS; 1%PbS; 4,0%FeS₂; 50%SiO₂; 6,6%Al₂O₃; 19,5%CaCO₃; 10,1%MgCO₃; 3,6%Fe₂O_3; 0,7%ƩNa₂O+K₂O). Для частичного замено железа дефицитной стальной стружки использовали магнетитовый концентрат, полученный из хвостов флотации медных руд на Балхашской фабрике [16], содержащий масс %:85,9% Fe₃O₄; 9,0 SiO₂%; 2 CaO%; 1,4 Al₂O₃%; MnO и K₂O по 0,3%; 0,2% Na₂O; 0,4% MgO; 0,2%ZnO; 0,4% PbO. Кокс содержал золы 13,1 %, S 0,5%, H₂O-0,5%, C-85,5%, а стальная стружка - 97,6% Fe, 1,8%C, 0,3%S, 0,2%Mn, 0,1% прочие. В кварците концентрация веществ составила: 97,0 %SiO_2, 0,7% O_сл, 0,3% MgO, 0,8% Fe₂O_3, 0,7% Al₂O_3, 0,2% H₂O, прочие-0,3 Для плавки использовали сырье следующих фракций: дробленная руда (1-2см), кокс, кварцит, стальная стружка, гранулированные магнетитовый концентрат и хвосты обогащения - (1-1,5 см). Решая проблему комплексной переработки цинксодержащего месторождения Шалкия электроплавка хвостов обогащения проводилась совместно с сульфидной рудой. Отношение хвосты: руда в шихте составляло 1:1. Электроплавка хвостов обогащения руды Шалкия проводилась с шихтами двух составов, показанных в таблице №1. Масса шихты первого состава составила 25 кг, второго -27 кг. Фотографии шихт показаны на рисунке 1.

Таблица 1.

 Состав шихт электроплавок, %

А                               В

A-шихта №1, B-шихта №2,

Рисунок 1. Фотографии подготовленных шихт

Укрупненно-лабораторные испытания проводили на установке, показанной на рисунке 2. Основной элемент установки однофазная, одноэлектродная дуговая электропечь с объёмом ванны - 23 750 см³ (25х25х38 см) футерованная хромомагнезитовым кирпичом

1-электропечь, 2-инерционный пылеуловитель, 3-кулер, 4-тансформатор

Рисунок 2. Фотография одноэлектродной дуговой электропечи с системой улавливания возгонов

Энергия в печь подавалась от печного трансформатора ТДЖФ-1002, который был снабжён тиристорным регулятором мощности от 0 до 56 кВ·А. Печь предварительно разогревали в течение 5-6 часов. Первоначально в печь загружали 15 кг. Затем после ее проплавления и слива расплава загружали оставшуюся шихту (10-12 кг), проплавляли ее и сливали совместно шлак со сплавом. Перед сливом расплава летка вскрывалось аппаратом прожига и железным ломиком. Расплав сливали в изложницу из нержавеющей стали размерами (250х80х100мм). Контроль силы тока и напряжения проводился амперметрами и вольтметрами, установленными на панели трансформаторе (ТДЖФ-1002) и панели электропечи. Температуру под сводом в системе улавливания возгонов измеряли термопарой ТПР(В)-0679 и регистрировали прибором МЕТАКОН RS-485, а также лазерным пирометром GM2200. Пирометром измеряли также температуру сливаемого расплава.

Система улавливания возгонов состояла из инерционного пылеуловителя (Ø 16 см, высотой 99 см), последовательно соединенных трех кулеров (Ø 11 см, высотой 99 см), и рукавного фильтра (Ø 16 см, высотой 99 см) с системой встряхивания, а также бункерами для сбора возгонов (высота 33 см). Газовая фаза из печи, по короткому газоходу, поступала в инерционный пылеуловитель, затем в три кулера и в рукавный фильтр. Периодически фильтр встряхивали. Возгоны осыпались в приемные бункера системы улавливания. Продукты плавки –сплав, возгоны, шлак взвешивали и анализировали известными методами [17-18], в том числе и РЭМ – анализом. На рисунке 3 показаны фрагменты электроплавки хвостов обогащения Шалкия, на рисунке 4-продукты плавки, а на рисунке 5 и 6 РЭМ – анализ продуктов

I-розжиг печи, II- загрузка печи шихтой, III- замер температуры, IV – корректировка плавки, V- слив расплава, VI-возгоны рукавного фильтра

Рисунок 3. Фрагменты электроплавки хвостов обогащения руды

А                   I              В                                                     А             II                 B

Продукты плавки шихты: I-первого состава, II-второго состава

Рисунок 4. Фотографии сплавов (А) и возгонов (В)

Результаты укрупненно-лабораторных испытаний показаны в таблице 2. Из таблицы испытаний видно, что плавка шихты в присутствии магнетитового концентрата позволяет повышать степень извлечения кремния в сплав на от 79-82% до 83-86 % и повышать концентрацию в сплаве от 41% до 46%.

В пересчете на 1т смеси хвостов и руды Шалкия количество ферросилиция составит 0,467- 0,488 т и возгонов 0,112-0,116 т.

 Таблица 2.

Технологические показатели электроплавок хвостов обогащения руды месторождения Шалкия

Из полученных результатов испытаний следует, что при электроплавке хвостов с сульфидной рудой, коксом, стальной стружкой, магнетитовым концентратом позволяет в одном печном агрегате получать ферросилиций марки FeSi45 [19] с достаточно высоким извлечением в него кремния и извлечь в самостоятельную фазу- возгоны практический весь цинк и свинец.

Проведенные укрупненные лабораторные испытания показали принципиальную возможность совместной переработки электроплавкой хвостов обогащения руды Шалкия совместное с сульфидной рудой с одновременным получением кремнистых ферросплавов и возгонов, содержащих цинк и свинец в частности:

- при плавке в присутствии стальной стружки происходит с образование сплава, соответствующего ферросилицию марок FeSi45 (со степенью извлечения в него 79-82% Si), а также возгоны с содержанием 24.0-31,0% Zn и 9,5-10,1 % Pb, в которые извлекаются 98% Pb и 98,4-99,3% Zn

- в присутствии стальной стружки и магнетитового концентрата образуется ферросилиций марки FeSi45 с извлечением в него 83-86% Si; в возгоны, содержащие 23,5-25,1 Zn и 9,5-10,0 % Pb, степень извлечения составляет 98,4-99,7% Zn и 95,2-99,7%

В пересчете на 1т смеси хвостов и руды Шалкия количество ферросилиция составит 0,467- 0,488 т и возгонов0,112 - 0,116 т.

Список литературы:

1. Onukwuli O.D., Nnanwube I.A. Optimization of Zinc Recovery from Sphalerite Using Response Surface Methodology and Particle Swarm Optimization // Periodica Polytechnica Chemical Engineering. - 2022. - №66(1). - С. 20-29.
2. Mütevellioğlu N.A., Yekeler M. Beneficiation of Oxidized Lead-Zinc Ores by Flotation Using Different Chemicals and Test Conditions // Journal of Mining Science. - 2019. - №55. - С. 327-332.
3. Omarova N.K., Sherembaeva R.T., Imashev A.Zh. Flotation of sulfide lead-zinc ores of the Akzhal deposit // Obogashchenie Rud. - 2022. - №2. - С. 25-28.
4. Уткин Н.И. Производство цветных металлов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2004. - 442 с.
5. Патент RU №2588093С1. Способ флотационного обогащения полиметаллических руд / Зимин А.В., Поперечникова О.Ю., Арустамян М.А. -опубл. 27.06.2016. -Бюл. №18
6. Смайлов Б.Б. Разработка способов оценки обогатимости и моделирования флотационных схем переработки труднообогатимых свинцово-цинковых руд: дис. канд. техн. наук: М., 2018. - 34 с.
7. Прокопьев И.В. Разработка флотационной схемы обогащения свинцово-цинковой руды с использованием микробиологического воздействия: дис. канд. техн. наук: Красноярск, 2019. - 121 с.
8. Годовой отчет за 2016 год-KASE АО «Шалкия Цинк ЛТД» // KASE URL: http://kase.kz>emitters>SHZN>shznp_2016_rus (дата обращения: 19.01.2025).
9. Туркебаев Э.А., Садыков Г.Х. Комплексное использование сырья и отходов промышленности. - Алма-Ата : Казахстан, 1988. - 139 с.
10. Снурников А.П. Комплексное использование минеральных ресурсов в цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1986. - 384 с.
11. Behera S.K., Ghosh C.N., Mishra K., Mishra D.P., Singh P., Mandal P.K., Buragohain J., Sethi, M.K. Utilisation of lead–zinc mill tailings and slag as paste backfill materials // Environmental Earth Sciences. - 2020. - №79(16). - no. 389.
12.  Akkaya U.G., Cinku K., Yilmaz E. Characterization of Strength and Quality of Cemented Mine Backfill Made up of Lead-Zinc Processing Tailings // Frontiers in Materials. - 2021. - №8. - no. 740116.
13. Shevko V., Makhanbetova B., Aitkulov D. Theoretical and experimental substantiation of obtaining an alloy from flotation tailings of lead-zinc sulfide ore // Physicochemical Problems of Mineral Processing. - 2023. - №59(1). - no. 161853.
14. Shevko V., Makhanbetova B., Aitkulov D., Badikova A. Smelting a Zn – Pb Sulfide Ore with Magnetite and Carbon for the Production of a Silicon Alloy and Extraction of Zinc and Lead into Sublimates // Periodica Polytechnica Chemical Engineering. - 2024. - №68(1). - С. 124-132.
15. Makhanbetova B., Shevko V., Aitkulov D. Producing A Ferroalloy And Zinc Concentrate From The Shalkiya Deposit Sulfide And Oxidized Ores' Mixture // Journal of Applied Science and Engineering (Taiwan). - 2025. - №28(1). - С. 175-182.
16. Shevko V., Kaskin P., Badikova A., Amanov D. Obtaining of ferrosilicon from technogenic magnetite concentrate // Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra. - 2020. - №313(2). - С. 71-78.
17. ГОСТ 14048.1-93 - Концентраты цинковые. Метод определения цинка. М.: Стандартинформ, 2011.
18. ГОСТ13230.1-93 – Ферросилиций. Методы определения кремния. М.: Стандартинформ, 2011.
19. ГОСТ 1415-93. Ферросилиций. Технические требования и условия поставки. М.: Стандартинформ, 2011.