Н.Н.Гришин¹, Е.Ю.Ракитина¹, А.Г.Касиков1, Ю.Н.Нерадовский², В.Т.Калинников¹

1 - Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН

2 - Геологический институт Кольского научного центра РАН

Комплексное использование минерального сырья является важнейшим требованием разработки месторождений полезных ископаемых.

Возрастающий дефицит строительных и технических материалов требует поиска и освоения новых сырьевых ресурсов. Одним из наиболее доступных и эффективных источников сырья являются горнопромышленные отходы, огромные залежи которых увеличиваются повсеместно.

Однако до настоящего времени они не находят достаточного применения. Уровень их использования у нас в стране не превышает 10-15% от общего объема отходов. Связано это с необходимостью решения ряда организационных, технико-экономических и технологических задач. С каждым годом проблема утилизации отходов становится все актуальнее, а залежи неиспользуемых промышленных отходов наносят непоправимый ущерб окружающей среде [1].

С целью создания и расширения рынка для высокотемпературных теплоизолирующих материалов нами разрабатывается технология бездоменного получения железа прямым восстановлением железосодержащего сырья.

Температура металлургического процесса снижается при этом с 1700 до 900-1300°С, что существенно уменьшает энергозатраты и выброс вредных веществ в атмосферу.

Существующие природные источники титанового сырья: ильменит, титаномагнетит - являются одновременно и потенциальными источниками загрязнений. Традиционные технологии выделения титановых продуктов (например, сернокислотная технология) встречают трудности по утилизации многотоннажных железосодержащих отходов. Организация переработки титанового сырья как комплексного титано-железистого, ориентированного на получение товарного железа и титанового концентрата, принципиально меняет ситуацию.

Передельный чугун, получаемый в доменном процессе, загрязнен фосфором, серой и другими примесями, поступающими из исходного сырья и кокса, поэтому требуются дополнительные затраты на их удаление. К тому же, дальнейшее развитие доменного производства сдерживается ограничениями в добыче коксующихся углей и получении кокса. С целью преодоления этих трудностей были разработаны бездоменные процессы прямого восстановления железных руд, концентратов и железосодержащих отходов (DRI - Direct Reduction Iron).

Нами разработана патенточистая технология карботермического и газового восстановления железосодержащих концентратов с получением порошка металлического железа [2]. Технология существенно расширяет сырьевую базу по железу, другим элементам, особенно, по такому важному стратегическому материалу как титан. Параллельно разрабатываются технологии, позволяющие с высокой эффективностью газифицировать твердые углеродсодержащие продукты с получением энергонасыщенного восстановительного газа. Соединение этих двух разработок позволяет создать установку, объединяющую в едином цикле восстановление природных оксидов железа с генерированием энергонасыщенного газа для энергетики. При этом существенно снижаются требования к химическому составу газовой компоненты.

Первичный энергоноситель: некоксующийся уголь, торф, отходы древесины и т.д.

В России и за рубежом создан большой научный задел по разработке базовой технологии комплексной переработки бедного титанового сырья, в частности, титаномагнетитовых руд [3].

Разрабатываемый нами подход состоит в:

- быстром переводе системы в состояние эффективного протекания окислительно-восстановительных реакций;

- изучении окислительно-восстановительных процессов в системах, содержащих природные оксиды железа путем их визуализации и микрозондирования;

- проведении восстановительных процессов до состояния, необходимого и достаточного для выделения в самостоятельные фазы целевых компонентов: железа и полезных оксидов (титана, магния, алюминия, ванадия и др.);

- сопряжении окислительно-восстановительных процессов с генерированием восстановительного газа;

- максимальном использовании энергетических возможностей всего технологического цикла и реализации его энергетического потенциала в производстве электроэнергии для собственного и внешнего потребления.

Для наблюдения за превращениями исходных подсистем в процессах переработки железосодержащего сырья в высококачественный порошок железа нами использовались приемы технологической минералогии с привлечением как оптической микроскопии с визуализацией исходных и полученных структур с разрешением до 1 мкм, так и сканирующей микроскопии с микрозондовым анализом с разрешением до 100 нм. Это позволяло фиксировать стартовые движения подсистем на микро- и наноуровне и сопровождать протекающие превращения до требуемой степени преобразования микрофаз.

В существующей практике обогащенный концентрат окомковывают для предварительного восстановительного обжига, а полученные металлизированные окатыши плавят с получением ванадийсодержащего чугуна и титановых шлаков, которые подвергают дальнейшей переработке.

Настоящая разработка направлена на уменьшение энерго- и трудозатрат при подготовке спека к разделению на металлическую и оксидную фазы, восстановление железосодержащей компоненты, измельчение спека и разделении компонентов спека на металлическое железо и оксидную фазу с сохранением высокого качества целевого продукта - порошка металлического железа.

Нами введена подготовка шихты путем совместного помола компонентов, чем обеспечивается равномерное распределение компонентов шихты и частичная механоактивация компонентов. Измельчение спека проводили до среднего размера зерен железа ≈ 0.2 мм, что обеспечило наиболее эффективный процесс раскрытия зерен железосодержащего компонента.

Ниже 900ºС наблюдалось неполное восстановление железа до металла. Выше 1300ºС наблюдалась слишком активная ликвация и захват шариками Fe_мет трудно отделимых примесных включений. Измельчение спека после карботермического восстановления вели до средней крупности, соответствующей крупности частиц Fe_мет так, чтобы практически не оставалось сростков железа с невосстановленной оксидной фазой. Это возможно, во-первых, вследствие большей хрупкости оксидной фазы по сравнению с пластичным железом, а во-вторых, вследствие разупрочнения оксидной фазы под действием щелочного агента.

Методами технологической минералогии изучены процессы восстановления в природном зерне титаномагнетита с последующим пространственным разделением образующихся фаз и их консолидацией до макроразмеров.

Из титаномагнетитового концентрата ОАО «Апатит» получен порошок железа с содержанием Fe_мет 98%, из которого выплавлен слиток с содержанием Fe_мет 99.9%.

Параллельно получен порошок титанооксидного концентрата с содержанием TiO₂ 85% - прекурсор для лакокрасочной продукции и металлического титана.

Из железорудного концентрата Ковдорского ГОКа получен порошок железа с содержанием Fe_мет 96.7%, из которого выплавлен слиток с содержанием 99.8% Fe_мет.

Из исходной руды дробильно-обогатительной фабрики ОАО «Олкон» получен порошок железа с содержанием Fe_мет 80%, из железорудного концентрата получен порошок железа с содержанием Fe_мет 92%.

ЛИТЕРАТУРА
1. Макаров В.Н. Горнопромышленные отходы как сырье для производства строительных материалов. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1992. С.5.

2. Пат. 2385962 РФ, МПК C22B 34/12, 34/22, 1/02, 5/10 (2006.01). Способ переработки железотитанового концентрата / Гришин Н.Н., Касиков А.Г., Ракитина Е.Ю., Нерадовский Ю.Н.; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. - № 2008134927/02; заявл. 26.08.08; опубл. 10.04.10, Бюл. № 10.

3. Федосеев С.В. Стратегия воспроизводства минерально-сырьевой базы титановой промышленности. Санкт-Петербург: Изд-во «Нестор», 2001. 210 с.

Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов