Шахталық қысқартып балқытудың аралық өнімдеріндегі металдың жүруін зерттеу

Сульфидті металдарды сутегімен тотықсыздандыру принципі бұрыннан бері белгілі. Бұл принцип сульфидті жүйелердің термодинамикалық қасиеттерін анықтау әдісіне негізделген. Тек кейінгі кездерде түсті металдарды алу үшін сутегіні пайдалану мүмкіндіктерін зерттейтін жұмыстар пайда болды.

Мысалы, Ceach  және Tieman  мыс, никель, кобальт пен темір сульфидтерін сутегімен талшық тәрізді металдардың түзілуімен бірге қаттыфазалы тотықсыздандыру процесін зерттеген. Күкіртсутегіні жұтушы ретінде кальций тотығы немесе жартылай күйдірілген әктас пайдаланылған. Күкірт сутегісін жұтуды болдырмау үшін сульфидтерді тотықсыздандыруды баяу жүргізеді, сол сияқты температураның төмендеуі де процестің жылдамдығын баяулатады. Қорғасын сульфидің сутегімен тотықсыздандыру жұмыстарда, ал мыс сульфидің тотықсыздандыру жұмыстарында зерттелген.

Сутегімен халькопиритті концентраттарды әктаспен бірге тотықсыздандыру әдісін Habashi қызметкерлерімен бірге зерттеген. Әктас тотықсыдандыру жылдамдығын жоғарылататындығы анықталған, өйткені ол түзілетін күкірт сутегімен байланысады. Осыған ұқсас процесс жұмыста көрсетілген. Сульфид концентраты әктаспен араластырып ірілетеді де сутегімен тотықсыздандырады.  Тәжірибеден кейін реакция өнімдерін майдалайды. Содан кейін механикалық, магнитті немесе флотациялық әдістермен тотықсызданған үлпілдектерді бөледі.

Америкалық зертеушілердің ұсынылған әдістері бойынша инертті газ ағынында, 1000-1100 ºС температурасында бай (76,4 % Pb) концентраттан қорғасын сульфиді ұшырылады.  Газ ағыны пештің сутегі берілетін тотықсыздандыру зонасына түседі.  Бұл әдіс бойынша қорғасынның қара қорғасынға бөлініп шығуы 98 %-ды құрайды.

Д.М. Чижиков қызметкерлерімен темір, мыс, мырыш сульфидтерін және олардың балқымаларын сутегімен тотықсыздандыру процесін зерттеген. Сульфидтердің жоғары дәрежелі тотықсыздануы сутегінің артық мөлшерде түзілуі кезінде жүретіндігі көрсетілген. Процестің қарқынды жүруі реакция аймағынан күкірт сутегісін алып тастаған кезде ұлғаятыны анықталған.

Кейінгі жылдары  сульфидті материалдарды табиғи газбен тотықсыздандыру арқылы тікелей  қорғасын алуға арналған жұмыстар мөлшері артқан. Румындық зерттеушілер қорғасын сульфиді,темір сульфиді және мырыш сульфидін метанмен тотықсыздандырудың термодинамикалық мүмкіндіктерін талдаған. Авторлардың қорытындылары бойынша қорғасын сульфидінің тотықсыздану реакциясы орташа температураларда 700-900 ºС жеңіл жүретіндігі есептеулермен көрсетілген. Ал темір мен мырыш сульфидтерін тотықсыздандыру үшін  жоғары температура 1400 ºС қажет.

И.А. Монтильо және Г.И. Алимбаев өткізген зерттеулерінде мырыш сульфидін табиғи газбен тотықсыздандыру мүмкіндігін және шлак–штейн балқымасына тотықсыздандырғыш ретінде пайдаланудың перспективасын көрсетті.

Қорғасын, мыс  және мырыш сульфидтерін тотықсыздандыру  кинетикасының кейбір мәселелері тәжірибе жұмыстарында көрсетілген.

Сутегі және табиғи газбен сульфидті материалдарды тотықсыздандыру процесін жүйелік терең зерттеулер Қазақ ұлттық техникалық  университетінде Қазақ ССР Ғылым Академиясының корреспондент-мүшесі, техника ғылымының докторы И.А. Онаевтың басшылығымен жүргізілген. Қорғасын, мыс, темір, мырыш сульфидтерінің және олардың біріккен балқымаларының сутегі және метанмен әрекеттесулерінің  термодинамикасы мен кинетикасы зерттелген. Алынған мәліметтер нәтижесінде табиғи газбен полиметалдық сульфидті материалдарын тотықсыздандыру процесінің іріленген-зертханалық, тәжірибе-өндірістік және өндірістік зерттеулері өткізілген. Күрделі сульфидті полиметалдық шикізаттан мыс пен қорғасынды  бағалы өнімге селективті бөлу мүмкіндігі дәлелденген. Берілген жұмыс осы ғылыми бағыттын жалғасы және толықтыруы болып табылады.

Жұмыста жасалған технико-экономикалық есептеулер сульфидті концентраттарды табиғи газбен тотықсыздандыру технологиясын өндіріске енгізу, «агломерация – шахталық балқыту» процесіне қарағанда, маркалы тауарлы металды алудың өзіндік құнын 20-30 %-ға төмендететінін көрсетеді.

Процестің кемшілігі  – тек шлак қабатының астында  жүргізілетіндігінде. Балқыту өнімдері бойынша қорғасынның, мыстың, темірдің селективті бөлінуін толық жүргізуге  мүмкіндік бермейді. Мыс штейндері  мен  шликерлерін қорғасынсыздандыру тек 40-60 %-ға жүреді, ал ол өз кезегінде мыс өндірісінде оларды қосымша өндеуді қажет етеді және штейнмен қорғасынның жоғалуына алып келеді.

Жұмыста сульфидті материалдарды табиғи газбен  тотықсыздандырып балқытудың артықшылықтарымен қатар тотықтырып балқыту мүмкіндігін біріктіруге әрекет жасалған. Тотықтырғыш реагент ретінде ауаның оттегісімен бірге шлактағы металдар оксидтернің оттегісі де пайдаланылған. Металдар оксидтерін тотықтыру ретінде жүргізілетін зерттеулердің тиімділігі аз, бұл шлактардың артық көлемін (шамамен 30-40 % шихта салмағынан) балқыту үшін кететін энерго шығындардың көптігіне байланысты.

Жоғарыда көрсетілген  шолу қазіргі кездегі қорғасын мен  полиметалдық шикізаттарды өңдеуде  перспективті әдістер ретінде қорғасын өндірісінде көбінесе автогенді және табиғи газбен тотықсыздандыру арқылы қорғасынды тікелей алу  әдістеріне көңіл бөлінетінін көрсетеді.

 

 

1.3 Қорғасынды шахталы қорытудың жартылай өнімдерін өңдеу

 

 

Шлактарды өңдеу. Қорғасынды шахталы қорытқанда алынатын шлактың құрамында 1,5−3 процент қорғасын 12−18 мырыш пен асыл сирек кездесетін металдар болады. Шихтаны қорытқанда шлакқа 80 проценттен астам мырыш ауысады. Осы себептен шлакты өңдеу қажет болады. Қазіргі жағдайда шлакты өңдеуде көп өріс алған әдіс−флюмингтеу.

Бұл әдісте балқыған шлакты көмір шаңының ауамен қоспасымен үрлеп ұшқыш металдарды айдап шығарады. Әдіс бойынша ваннаға аз ауа жіберіп тотықсыздандырғыш атмосфера жасап температура 1200−1300 ˚C болғанда қорғасынның және мырыштың тотықтарын тотықсыздандырып, металдарды буға айналдырып ұшырады. Бұдан әрі сұйық ванна үстіндегі кеңістікте сорылған ауа арқылы металдың булары тотыққа ауысады. Газдар суытылып, олардан қорғасынды, мырышты, булардың бір бөлшегі қайтадан пайдаға асырғыш котелдерде шөгеді, ал қалғаны жеңді фильтрда ұсталады.

Кейбір заводтарда флюмингованиядан кейін алынған  буға айналып ұшқан тотықтарды 1 процент коксик қосып тотықсыздандырады. Бұл жағдайда қорғасын буға айналып  ұшып қайтадан қорғасынды қорытуға жіберіледі, ал құрамында 70 процентке дейін мырышы бар қалдық (клинкер), мырышты шығарып алу үшін гидрометаллургиялық заводқа жіберіледі.

Флюмингтеу әдісінің жылдамдығы температураның, газдардың уақыт бірлігінде балқыма арқылы өтетін көлемімен байланысты. Температура       1200 ˚C−дан 1300 ˚C−ға дейін көтерілгенде мырышты айдап шығару екі есе көбейеді. Бұған қосымша көміртегінің тотығының концентрациясы оптималдық мөлшерге дейін көтерілсе, мырышты айдап шығу жылдамдағы да өседі. Флюнгминг процесі мерзімді процеске жатып былайша жүргізіледі: шөміштегі шлак көпірлі кранмен тік бұрышты пешке құйылады, пештің асты және қабырғалары болаттан немесе шойыннан жасалып кессондардан құрылады, кессондарда фурмалар орналасады. Фурмаларда екіден қуыс темір болады, бірі шаңмен ауаның қоспасына, бірі жылытылған ауа жіберуге арналады. Пештен газдар және тотыққан булар 1200−1300 ˚С−ға дейін қыздырып, қайта пайдаланғыш котелдерден өтіп және ауа жылытқыштан өтіп, өздерінің жылуларын беріп, температуралары 300−350 ˚C−ға дейін төмендейді. Суыған газдар және буға айналған тотықтар жеңді сүзгіден өтеді, ал үйінді шлактар пештен шыққан соң грануляцияға жіберіледі. Отанымыздың бір зауытында шлакты флюмингтегенде мына нәтижелер алынады: флюмингтегенге дейін шлактағы мырыш және қорғасын мөлшері 10,8 және 2 процент болды, флюмингтегеннен кейін екіге және 0,12 процентке дейін кеміді. Буға айналған тотықты мырыш 61 процент, қорғасын 9 процент болады. Көмір шаңының шығыны 20 процент, мырыштың және қорғасынның шығымдары                85−90 процентке жетті.

Пешке үрлейтін ауаны оттегімен байытса, мырыштың буға айналып айдалу жылдамдығы едәуір өседі. Шлактарды өңдеу электроқорытумен де іске асырылады. Электр пеште отын шығыны аз болады және осының себебінен мырышты металл түрінде шығарып алуға мүмкіндік туады.

Бірінші рет  шлакты электрмен қорыту Америка  Құрама Штатында Геркулениум зауытында қолданылады. Бұл әдіс бойынша балқыған шлакты пешке құяды, ал коксты ваннаның бетіне тиейді. Қорыту нәтижесінде штейн, металл түрінде мырыш, буға айналған тотықтар, бағалы металдары азайған шлак алынады. Шлактың салмағынан кокстың шығыны 3 процент мөлшерінде болып, мырыштың металға шығымы 72 процентке жетеді. Шлактағы қорғасынның мөлшері 2,29 проценттен 0,38 процентке дейін кемиді.

Мысты−қорғасынды штейнді өңдеу. Құрамында 1 проценттен жоғары мысы бар қорғасын коецентратын өңдегенде құрамында максималды мөлшерлі мысы, мимнималды қорғасыны бар штейн алуға тырысады. Қорғасын қорытқанда алынатын штейннің құрамында 20 процентке дейін қорғасын,       15 процентке дейін мысы бар. Мұндай құрамды штейнді тікелей конвертерлеуге жіберуге болмайды. Осы себептен мысы аз штейнді концентрациялы қорытуға шахталы пешке жібереді. Мұндағы мақсат штейнді мыспен байыту және қорғасынның және асыл металдың бір бөлшегін ажырату. Практикада штейнді басқадай құрамында мысы бар айналмалы материалдармен қорытады. Осының нәтижесінде штейндегі мыстың қорғасынға қатысы көбейеді; екінші алынған штейнде мыстың мөлшері 20−22 процентке жетіп, қорғасынның мөлшері    11−12 процентке дейін төмендейді [14].

Концентрациялық қорытқанда кокстың шығыны, шихтаның салмағынан 11−13 проценттей болады. Шихтаға 2−3 процент ізбес тас және кейде           2−2,5 процент қорғасынды сульфидтен ығыстырып шығару үшін, темір скрапын қосады. Өйткені темірдің күкіртке ұқсастығы қорғасынға қарығанда көптеу. Коецентрациялық қортудан жіберіледі. Конвертерлеудің негізгі ауаның оттегімен мыстың, темірдің және қорғасынның сульфидтерін тотықтарға айналдыруда. Пайда болған темірдің шала тотығын кварц қосып шлакқа ауыстырады. Қорғасын тотығының бір бөлшегі шлакқа, көпшілігі шаңға айналып ұшады, ал мыстың шала тотығы тотықпаған мыстың сульфидімен мына реакция бойынша әрекеттесіп, металл түрінде мыс құрайды:

 

                                    2Cu₂O+Cu₂S=6Cu+SO₂                                           (16)

 

Штейнді цилиндр  тәрізді конвертерде өңдейді. Конвертердің болаттан жасалған қорабы іш жағынан хромомагнезитті кірпіштен футерленеді (қапталады). Конвертердің балқымалы ауа үрлеуге арналған фурмалары болады. Кварц қосып конвертерлеу екі мерзімді жүргізіледі. Бірінші мерзімде негізінен темір тотықтанып шлакқа ауысады және құрамында (процент бойынша)    70−72 Cu, 4−6 Pb, 2−3 Fe, 1−1,2 Zn, шамасы 20 S−ті бар ақмат құралды. Екінші мерзімнің алдында тазалығы жоғары ақмат алу үшін ваннаға кварц қосып үрлейді. Конвертерді аударып шлакты шығарған соң конвертерлеудің екінші мерзімі ваннаның үздіксіз үрлеумен басталады. Проба алатын қасықшада біртегіс күңгірт қызыл қабыршық көрінсе конвертерлеудің аяқталғаны болып саналады. Алынған қара мыстың құрамында (процент бойынша) 97,5−98,5 Cu, 0,3−0,7 Pb, 0,5−0,8 Zn, 0,2−0,4 Fe болады. Конвертерлеу өнімдеріне металдар былай үлестіріледі: мыс барлық алынатын мыстың 5 процентке дейін бірінші мерзімнің шлагына ауысады, 10 процентке дейін екінші мерзімнің шлагына және шаңға 1,5 процент шамасы ауысады. Екінші мерзімнің шлагын өңдегенді есептегенде мыстың шығымы 95 процентке жетеді. Қорғасын 0,5 процентке дейін мыста қалады,  40−45 процент қорғасын бірінші мерзім шлағына ауысып, 10 процентке дейін екінші мерзімнің  шлагына ауысады және 50 процентке дейін газға және тотыққан буға ауысады. Осы еңбектің авторының өндіріс көлемінде жүргізген жұмыстарының нәтижесі бойынша, егер де конвертерді үрлейтін ауаға мазут, тағы басқадай сұйық отын (тотықтандырғыш) араластырса, қорғасынды көбірек айдап шығуға және алынатын қара мыстың сапасын жақсартуға мүмкіндік болатыны көрсетілді. Мырыш 85 процентке дейін бірінші мерзім шлагына ауысып шахталы қорытуға жіберіледі.          15−20 процентке дейінгі буға аайналады. Штейнді өңдеуге басқадай әдіске вакуммдық әдісті жатқызуға болады. Бұл әдіс өндіріс көлемінде сыннан өтті. Вакуммдық әдіспен штейннен зиянды қоспаларды ажыратып, қара мыстың сапасын жақсартуға болады. Вакуммдық әдістен кейін алынған құрамында 40−50 процент қорғасынды концентратты шахталы қорғасын қорыту шихтасына қосуға болады. Бұл әдісте қорғасынның конденсатқа шығымы        90 процентке жетеді. Сипатталған әдіс өндіріс көлемінде сыннан өтті, Бірақ та өндіріске толығымен енгізілген жоқ.   

Шахталы пешке  ауаны үрлеу кезінде, кокстың  жану нәтижесінде және химиялық реакциясының жүруі, шаңгазды қоспа түзейді, ол колошник арқылы арнайы газқұбырлар бойынша шаңұстағыш қондырғыға түседі. Ірі шаңдар циклондарда және шаң камераларында, ал кіші шаңдар – қолтық фильтрлерде және электрофильтрлерінде ұсталады. Ірі шаңның құрамы бастапқы шихтаның құрамынан аз ерекшелінеді және келесідей болады; % : Pb 55-65; Zn 12-20;        S 6-8; Fe 0,1-1,5; As 0,5.  Ірі шаңдарды агломерат шихтасының айналымына жібереді

Майда шаңдардың  құрамында сирек және шашыранды  элементтердің қосылыстарының ұшырындылары болады, олардың құрамы келесідей, %: Pb 50-60; Zn 2-10; Cd 0,3-4,5; Tl 0,005-0,13; Іn 0,002-0,01; Se 0,03-1,3; Te 0,015; As 0,3-7,0. Бұл шаң сирек және шашыранды элементтерді бөліп алу үшін бастапқы шикізат болып қызмет атқарады және арнайы гидрометаллургиялық өндірісіне жіберіледі.

Талдау көрсеткендей, қорғасынның артық мөлшері  штейнді  фазаға өтеді, соның нәтижесінде, оның қаралы қорғасынға шығымы  төмендейді. Сол сияқты штейнге, қорғасынмен  бірге, артық мөлшерде мышьяк, сурьма, өтеді, ол келешекте конверторлау  процесін қиындатады.

Процесті үш сұйық фаза – қаралы қорғасын, полиметалдық штейн және шлак түзілуімен жүретін, процесс кезінде қорғасынның  шығымына әсер ететін көрсеткіштердің  бірі ретінде, штейнмен қорғасынның  шығының туралы талдау жүргізу қызығышылық танытады. Берілген талдау «Казцинк» ААҚ Өскемен металлургиялық кешенінің (МК) шартындағы технологиялық сұлбасының мысалында жүргізілген.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Тәжірибелік бөлім

 

 

Жоғарыда жасалған талдау қазіргі кезде қорғасын өндірісінде  байқалып жатқан келесі ең басты негізгі мәселелерге тоқталуға мүмкіндік береді.   Біріншіден – кәсіпорындарда минералогиялық және химиялық құрамы бойынша күрделі полиметалдық кендер мен концентраттардың өндеуінің үздіксіз өсуі, олардың мұндай шикізаттарды өңдеуге дайын болмағандықтан технологиялық сұлбаның күрделенуіне алып келді.  Материалдық және энерго шығындары күрт өсті, химиялық және фазалық құрамдардың күрделігімен сипатталатын аралық өнімдер мен айналмалы материалдар  көлемдері де көбейді. Қоспа металдардың балқу өнімдерінде бөлініп таралуы, басты өнімдердің сапасының нашарлауына алып келді.    

Құрамында қоспа металдар – қорғасын, мышьяк пен сурьманың көп мөлшерде болуына байланысты мыс штейнін келесі өңдеу процесі – конверторлау  қиындатылды. Штейндегі қорғасынның мөлшерінің жоғарлауы, оның қаралы қорғасынға бөлініп шығуын төмендетті және де асыл металдардың штейнмен жоғалуын жоғарлатты. Конверторлау кезінде қоспалардың көп мөлшерін ұшырындыларға жіберу  мақсаты, конверторлық шлакта мыстың мөлшерінің жоғарлауына әкеліп соқты.      Шахталық балқыту – конверторлау тізбегіндегі  конверторлық шлактың айналуы,  мыстың қаралы мысқа бөліп шығуын төмендетті, одан басқа оның балқыту өнімдер арасында бөлініп таралуына соқтырды. Конверторлау жоқ өндірістерде қоспалармен ластанған штейндерді өткізу қиындығы туды.  Қазіргі қорғасын өндірісіндегі классикалық сұлба – агломерация - штейнге шахталық балқыту - рафинирлеу, қоспаларды алғашқы сатыда ұшырындыға жіберу, қойылған мәселені толығымен шешпей жатқаны белгілі. Практикада байқалатын ұшырындыларда қоспалардың бөлініп шығуының төмендеуі, олардың бөлініп таралуына ғана емес, сол сияқты негізгі металдардың  балқыту өнімдерін бөлініп таралуын нашарлатты. Осының нәтижесінде жалпы технологиялық тізбектердің белгілі сатысында алынатын барлық аралық өнімдер мен айналмалы материалдардың құрамы қоспалардың жоғары мөлшерімен сипаттала басталды. Осы материалдардың айналымы, олардың жалпы технологиялық сұлбада үлкен көлемде жиналуына алып келді. Екіншіден – қорғасын саласында күрделі құрамды бастапқы металлургиялық шикізатты, аралық өнімдер мен айналмалы материалдарды өндеуді қамтамасыз ететін тиімді технологияның жоқтығы. Әлем практикасында  белгілі процестер тек анықталған құрамды және сапалы шикізаттарды өндеуге ғана арналған, бірақ олар Қазақстанның қорғасын зауаттарының алдына қойылған мәселерді шеше алмас. Себебі қазіргі жағдайда жаңа технологияны ендіру – бағалы металдардың шығару өнімділігін  көбейтеді, бірақ қазіргі кездегі, мысалға, аралық  өнімдер мен айналмалы материалдарды және жиналып қалған қатты қалдықтарды өңдеу мәселелері ашық қалуда.