Минерально-сырьевая база Кольского полуострова для производства сварочных материалов и флюсов

Широкий спектр минерального сырья региона позволяет предположить наличие среди него материалов, пригодных для использования в производстве сварочных электродов

Николаев А.И., зам. директора по научной работе Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники.

Несмотря на падение спроса на электроды, вызванное общим падением промышленного производства в стране, отмечается острая нехватка традиционных сварочных материалов, ухудшение качества продукции, высокие цены, необходимость перевозки сырья на электродные заводы на многие тысячи км, включая импорт сырья из стран ближнего и дальнего зарубежья. После развала Советского Союза Россия лишилась многих сырьевых источников для производства сварочных электродов и флюсов, оказавшихся за ее пределами. Кроме того, исчерпание богатых отечественных месторождений традиционного сырья для сварочных материалов приводит к необходимости освоения новых месторождений, что неизбежно отрицательно воздействует на окружающую среду.

В то же время на территории Кольского полуострова существует мощный горнорудный комплекс. Наряду с эксплуатируемыми месторождениями традиционных для региона видов минерального сырья имеются перспективные месторождения, чаще не привязанные к действующим предприятиям, и перспективные рудопроявления. Широкий спектр минерального сырья региона позволяет предположить наличие среди него материалов, пригодных для использования в производстве сварочных электродов. Нами рассмотрены минеральные ресурсы Кольского региона как потенциальные источники традиционных и новых сварочных материалов (рис. 1).

Известно, что далеко не всякое сырье, даже традиционных наименований, может быть использовано в составе электродных покрытий и флюсов. В большинстве случаев требуется, как минимум, корректировка рецептуры. Наибольшей эффективности можно добиться, создавая с использованием нового сырья шлаковые композиции оптимального состава и рецептуры сварочных материалов на их основе. Другой путь повышения эффективности использования новых продуктов связан с производством миналов (минеральных сплавов) и керамических флюсов на основе диоксида титана, поскольку их состав и физико-химические характеристики могут быть запрограммированы в соответствии с поставленными задачами.

Изучение обширной минерально-сырьевой базы Кольского полуострова позволило выявить большую группу потенциальных сварочных материалов из сырья действующих и перспективных месторождений Кольского полуострова. Среди них: сфеновый, титаномагнетитовый, ильменитовый, оливинитовый, форстеритовый, нефелиновый, кианитовый и другие концентраты. Источниками некоторых из них являются отходы переработки комплексных руд ряда месторождений (Хибинских, Ковдорского и др.).

Как правило, новые месторождения имеют более низкое содержание полезных компонентов, и количество отходов при их разработке увеличивается. В то же время значительное число имеющихся и вновь образующихся техногенных отходов действующих горнодобывающих предприятий, которые, в свою очередь, оказывают негативное экологическое воздействие, могут в ряде случаев выступать альтернативой традиционным видам сырья. Вовлечение в переработку этих отходов позволит повысить эффективность использования минеральных ресурсов и существенно улучшить экологическую обстановку. Для легко ранимой, но трудно восстанавливаемой природы северных регионов России это представляет большой интерес. Не менее важным является и улучшение социально-экономической обстановки в регионе за счет создания новых рабочих мест и производства рентабельной продукции.

Имеющиеся литературные данные свидетельствуют о слабой изученности нового сырья. Замена традиционного сырья на полученное из руд новых месторождений или из техногенных отходов не является простой механической задачей. Для этого требуется разработка технологии получения новых материалов, дополнительное исследование минерального и химического составов концентратов и продуктов их переработки, соответствия материалов требованиям технических условий на продукцию для сварочных материалов, а в ряде случаев - кондиционирование их до требований потребителей, в первую очередь по лимитируемым примесям фосфора и серы.

В литературе практически отсутствуют данные радиационного изучения минеральных продуктов. Вовлечение новых продуктов требует также разработки новых рецептур обмазки электродов, прохождения многочисленных процедур наработки и испытаний в специализированных организациях сварочно-технологических характеристик. Для выхода на рынок новых сварочных продуктов необходима разработка и сертификация новых рецептур сварочных электродов. Требуют уточнения и проверки в модельном масштабе условия получения укрупненных партий продуктов для соответствующих испытаний их применения.

В данной ситуации потребовалась кооперация исследователей академических и отраслевых институтов и производственников - специалистов в области технологии минерального сырья и его использования для производства сварочных электродов.

Изучены химический, минералогический составы и радиационные характеристики различных концентратов (в скобках указаны месторождения); ильменитового (Гремяха-Вырмесское), перовскитового (Африкандское, Вуориярвинское), сфенового (Хибинские), титаномагнетитового (Хибинские), доломитового (Хибинские), форстеритового (Ковдорское), оливинитового (Ковдорское), дунитового (Сопчеозёрское), диопсидового (Ковдорское), мелилитового (Ковдорское), мусковитового (Чупинское), флогопитового (Ковдорское), кианитового (Хизоварское), нефелинового (Хибинские), кварц-полевого шпатового (Ёнское) концентратов, титанового шлака (из норвежского и Кольского ильменита и хибинского титаномагнетита) с точки зрения дальнейшего их применения в качестве сырья для сварочных материалов. Была оценена возможность получения кондиционных сварочных материалов на обогатительном переделе и/или снижения содержания примесей до требований технических условий с использованием сочетания обогатительных и химических методов.

Снижение содержания лимитируемых примесей фосфора, серы, углеродсодержащих соединений на обогатительном переделе при получении сфенового, титаномагнетитового, кианитового, форстеритового, флогопитового и др. концентратов недостаточно эффективно и не позволяет использовать их в качестве компонента для сварочных материалов без дополнительной химической очистки.

Изучены условия химической очистки сфенового и титаномагнетитового концентратов разбавленными растворами серной, соляной и азотной кислот в зависимости от концентрации, удельного расхода кислоты, времени и температуры процесса. Условия отдельных опытов использованы на практике при наработке опытных партий очищенных концентратов. Использование любой кислоты позволяет снизить содержание фосфора до допустимого уровня.

Проведение процесса очистки концентратов разбавленными растворами кислот во взвешенном слое позволяет повысить полноту использования кислоты и эффективность очистки концентратов. Предлагаемый метод очистки минеральными кислотами позволяет снизить содержание фосфора и серы до требуемого по ТУ на сварочные материалы (. .0.1% по Р₂О₅ и S). В аппарате взвешенного слоя наработаны и направлены в ЦНИИ КМ «Прометей» на испытания в качестве компонентов обмазки электродов опытные образцы очищенных концентратов. В технологической цепи обогащения апатито-нефелиновых руд выявлен продукт батарейных циклонов нефелинового производства, соответствующий требованиям ТУ по содержанию фосфора и серы и рекомендованный для применения.

К числу вредных примесей, оказывающих влияние на процесс сварки и приводящих к повышению пористости шва, относятся органические реагенты, в том числе используемые в процессе флотационного выделения концентратов и сорбируемые на их поверхности. Органические вещества среди рекомендованных нами сварочных материалов содержались в кианитовом, сфеновом, диопсидовом и форстеритовом концентратах. Кианитовая руда и концентрат из нее содержат углистые вещества, например, графит. Наиболее высокое их содержание (до 1.82%) отмечается в продуктах месторождения Новая Шуурурта (Кейвы).

Установлены режимы термической очистки кианитового, форстеритового, ильменитового и сфенового концентратов от примесей соединений серы и углерода. При термообработке продуктов, содержащих сульфидные минералы и органические (углеродсодержащие) примеси, серы и углерода удаляются в виде оксидов. Прокаливание концентратов в течение двух часов при температурах ~700-900°С позволяет снизить содержание углеродсодержащих веществ до 0.001-0.004% в пересчёте на углерод. С использованием термического метода наработаны образцы и опытные партии продуктов.

Титаномагнетитовый, диопсидовый, кианитовый, мелилитовый, оливинитовый, сунгулитовый, доломитовый, форстеритовый, дунитовый, кварц-полевошпатовый и нефелиновый концентраты, титановый шлак из норвежского и Кольского ильменита, а также отдельные пробы сфенового концентрата не имеют ограничений использования по радиационному признаку в производстве сварочных материалов по радиационному фактору.

Применение в составе обмазки электродов даже небольшой части природнолегированных материалов, содержащих цветные, редкие тугоплавкие и щелочные элементы, например, нефелина, титаномагнетита и сфена, получаемых из отходов обогащения апатитовых руд вместо дефицитных традиционных продуктов, повышает эффективность использования минеральных ресурсов, качество электродов и снижает вредное воздействие отходов на окружающую среду.

Нами рассмотрены возможности улучшения сварочно-технологических характеристик сварочных материалов за счет их модифицирования легирующими компонентами. В числе последних использовали соединения РЗЭ, ванадия, ниобия, редких щелочных элементов, цветных металлов и др., источником которых служили продукты химической переработки минеральных концентратов из сырья нашего региона.

Для получения модифицированных сварочных материалов применяли методы механического смешения, соосаждения или гидролиза, адсорбции, плавления смеси компонентов. Сопоставление использованных методов позволяет выявить их преимущества и недостатки. При плавлении смеси компонентов достигается более равномерное их распределение в объеме получаемого минерального сплава (минала) и максимальная устойчивость покрытия во времени.

С учетом многообразия типов сырья региона в ИХТРЭМС разработан базовый пакет комбинированных схем гидрометаллургического передела, позволяющий в конкретной ситуации осуществить выбор оптимального варианта, отвечающего любым заданным критериям отбора: экономической эффективности, экологической безопасности, доступности реагентов, возможности получения продуктов требуемого ассортимента и качества. Создание пакета технологических схем переработки поликомпонентного сырья переменного состава проводили с учетом литературных и наших данных по химии, технологии, экологии и экономики каждого варианта схемы. Именно совокупность данных для отдельных вариантов схем позволяет сравнивать их между собой и выбирать наиболее рациональные технологии для каждого случая.

Результаты выполненных исследований были использованы в качестве научно-технического обоснования стратегии создания Кольского химико-технологического комплекса (КХТК), предназначенного для обеспечения потребностей страны в титане, редких металлах и стратегических материалах на их основе. Как первый этап реализации комплекса мы рассматриваем создание производства по переработке перовскитового концентрата Африкандского месторождения. На последующих этапах объем переработки будет увеличен за счет создания параллельных веток и вовлечения в переработку титанового и редкометалльного сырья Кольского полуострова, а именно: ильменитового концентрата месторождения Гремяха-Вырмес, сфенового и титаномагнетитового концентратов Хибинских месторождений. При этом будут реализованы высокие технологии производства современных материалов, определяющих уровень технического прогресса в промышленности. Конечное производство новых материалов планируется на малых предприятиях инновационного центра при КНЦ РАН по технологиям, не имеющим аналогов в отечественной и мировой практике.

Все разработки защищены патентами РФ. Именно наличие в регионе Технопарка Апатиты, Регионального центра трансфера технологий, КНЦ РАН и вузов, возможность интеграции химического комплекса с действующими структурами, включая горнодобывающие комбинаты, является залогом осуществимости создания КХТК.

Следует отметить три главных направления, учитываемых нами при разработке схем переработки нетрадиционного сырья: создание многовариантного пакета реагентов и режимов, обеспечивающего синтез оптимальных вариантов переработки поликомпонентного сырья; создание эффективных аппаратурных комплексов, обеспечивающих замкнутость технологического процесса; расширение гаммы конечной товарной продукции для обеспечения полной утилизации всех ценных компонентов комплексного сырья с учетом нестабильной конъюнктуры на потребительском рынке титана, редких металлов, их соединений и др. продуктов.

По всем перечисленным направлениям теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в ИХТРЭМС, позволили продвинуться к такому уровню знаний, который дает реальную возможность создавать гидрометаллургические производства, способные обеспечить все потребности страны в титане, редких металлах и сопутствующих им в сырье соединениям других элементов на базе имеющихся на Севере России сырьевых ресурсов. Ряд особо актуальных технологических разработок был внедрен в промышленном масштабе в СССР. Эти производства не утратили своей рентабельности и конкурентоспособности и в рыночной экономической среде. Для других технологических вариантов именно в условиях рыночной экономики возникают благоприятные условия для полной реализации в связи со стремлением горно-металлургических предприятий повысить конкурентоспособность за счет полной утилизации сырья или освободиться от импортной зависимости в дефицитных материалах.

Проводимые в настоящее время исследования по сварочным материалам в будущем помогут программировать характеристики новых рецептур в соответствии со сформулированными требованиями к качеству металла шва и существенно повысить качество электродов.

Хорошей предпосылкой создания производства сварочных материалов является большая социальная значимость новых производств. Возможность использования основных минералов апатито-нефелиновых руд Хибинских месторождений и продуктов их переработки в качестве компонентов обмазки сварочных электродов создает благоприятные условия организации на ОАО «Апатит» в ближайшие годы самостоятельного производства отдельных сварочных материалов из собственного сырья. Привлечение сырьевых ресурсов других обогатительных и химико-металлургических предприятий региона, в первую очередь, ОАО «Ковдорский ГОК», «Ковдорслюда», «комбинат Североникель», «ОЛКОН» и др. позволит существенно расширить номенклатуру продуктов, утилизировать часть нынешних отходов производств, улучшить эффективность использования минеральных ресурсов, экологическую безопасность и обеспечить производство конкурентоспособной продукции. Вовлечение минерально-сырьевой базы Кольского полуострова в производство сварочных материалов на ОАО «Апатит» нам представляется актуальной и реально выполнимой задачей ближайших лет.

ЖУРНАЛ "СЕВЕР ПРОМЫШЛЕННЫЙ" № 3 2006 Г.