» » Методы обогащения и переработки титаномагнетитовых руд
03.02.2015

Обогащение титаномагнетитовых руд основано на различиях физических свойств слагающих их минералов. Магнетит и титаномагнетит — сильно магнитные минералы. Ильменит обладает меньшей по сравнению с ними магнитностью, но большей, чем основная масса нерудных минералов. Кроме того, удельный вес нерудных силикатных минералов меньше удельного веса ильменита, магнетита и титаномагнетита. Для ильменита, перовскита и рутила могут быть подобраны флотационные реагенты, при которых они отличаются по флотационной способности от нерудных минералов и могут быть экстрагированы в концентраты.
Cenaoa щи минералов предшествует дробление руд до таких размеров частиц, когда они освобождаются от сростков с нерудными минералами. Обычно размер зерен минералов колеблется от 0,1 мм до нескольких миллиметров. Поэтому дробление руд до класса — 0,1 мм или, что чаще принято, до класса — 0,074 мм (это диаметр ячейки одного из самых тонких сит, используемых в лабораторной практике) позволяет разделять зерна отдельных минералов. В титаномагнетите обычно присутствуют тончайшие пластинчатые вростки ильменита толщиной менее 0,01 мм, которые механическим способам обогащения не поддаются. Также невозможно бывает выделить таким образом пластинчатые вростки гематита в ильмените или магнетита в ильмените.
Описание существующих промышленных способов обогащения титаномагнетитовых руд, содержащих ильменит, титаномагнетит или перовскит, приведено в работах, на основании которых можно сделать их краткую характеристику.
Дробление руды проводят в несколько стадий до размера частиц 15—20 мм. Затем материал направляют на первичную сухую сепарацию с целью удаления грубых частиц нерудных пород. Измельчением (обычно в стержневых мельницах на первой стадии и в шаровых мельницах на второй) получают продукт крупностью — 0,2 мм (95%), а иногда — 0,1 мм. Более тонкое измельчение вызывает чрезмерное удорожание всего процесса обогащения. Для получения материала однородной крупности применяют механические классификаторы, работающие в открытом или замкнутом цикле с мельницами. Измельченный продукт подают на магнитные сепараторы со слабым полем, на которых после ряда перечистных операций в водной среде выделяют магнетитовый концентрат.
Немагнитная фракция, содержащая ильменит и силикаты, поступает или на флотацию, или на быстроходные концентрационные столы гравитационного обогащения. Если в ильменитовом продукте содержатся в большом количестве сульфиды, то проводят предварительную флотацию на многокамерной машине. В качестве реагентов для сульфидов применяют сосновое масло и ксантаты. Флотацию ильменита осуществляют обычно с применением в качестве реагентов жирных или смоляных кислот. Перед флотацией пульпа направляется в гидросепараторы или гидроциклоны для удаления препятствующих флотации тонких шламов, а затем в кондиционные чаны для смешивания с жирными кислотами и депрессирующими реагентами. Все конечные концентраты поступают для обезвоживания в сгустители, а затем на вакуум-фильтры. Иногда окончательно высушенный ильменитовый концентрат обрабатывают на магнитном сепараторе с сильным полем для очистки от примесей некоторых тяжелых силикатов.
Обогатительные фабрики месторождений Телнес (Норвегия) и Сэнфорд-Лейк (США) работают по магнитно-графитационно-флотационной схеме, а фабрика месторождения Отанмаки (Финляндия) — по магнитно-флотационной схеме. В нашей стране обогатительная фабрика по переработке руд Кусинского месторождения работала по магнитно-гравитационной схеме в довоенный период. Однако потом была введена флотация, что резко улучшило показатели обогащения и существенно упростило цепь аппаратов фабрики, исключив большое число концентрационных столов. Извлечение диоксида титана в концентрат увеличилось с 46 до 75%.
Для обогащения перовскит-титаномагнетитовых руд применяют магнитно-флотационную схему. После дробления и измельчения до крупности 0,074 мм (45%) проводят магнитную сепарацию с отбором титаномагнетитового концентрата. Немагнитный продукт идет сначала на кальцитовую флотацию, а затем на перовскитовую.
Собственно титаномагнетитовые руды качканарского типа обогащают способом магнитной сепарации. Руду дробят в четыре стадии до размера частиц 20 мм. Затем ее направляют на сухую магнитную сепарацию, где удаляется немагнитная порода, идущая на строительный щебень. Магнитный промпродукт идет на измельчение сначала в стержневых, затем в шаровых мельницах до класса —0,074 мм (90%), потом проходит через три стадии мокрой магнитной сепарации и обезвоживание.
Технологическая переработка ильменитовых, титаномагнетитовых или магнетитовых концентратов, полученных при обогащении титаномагнетитовых руд, проводится различными способами. Ильменитовые концентраты, так же как и перовскитовые и рутиловые, могут сразу идти на производство пигментного диоксида титана, так как содержат большое количество титана. Для производства металлического титана ильменитовые концентраты предварительно плавят в электропечах с получением высокотитанистых шлаков. Для титаномагнетитовых концентратов с более низким содержанием титана в настоящее время в промышленных масштабах применяют следующие методы переработки: 1) доменный передел, 2) одностадийная электроплавка, 3) плавка двухстадийным методом по схеме трубчатая печь — электропечь, 4) метод прямого восстановления железа — Крупп-Ренн-процесс, 5) гидрометаллургический метод извлечения ванадия.
Доменный передел в настоящее время хорошо отработан только для концентратов, содержащих не более 3—4% ТiO2. Из качканарских руд на Нижнетагильском металлургическом комбинате при доменной плавке получаются шлаки с содержанием около 10% TiO2. Ванадий в количестве более 80% переходит в чугун, откуда он извлекается в шлак в конвертерах при продувке чугуна кислородом. Эти шлаки, содержащие 18,5 — 21,5% V2O5, и являются сырьем для производства феррованадия. Плавка более высокотитанистых концентратов в доменных печах еще не освоена, потому что получающиеся титанистые шлаки (более 10% TiO2) являются густыми и вязкими вследствие образования тугоплавких карбонитридов титана. Вязкие шлаки сильно осложняют ход доменного процесса. Даже содержание в концентратах 3—4% TiO2 несколько снижает производительность доменных печей по сравнению с плавкой обычных магнетитовых руд. Однако имеются два способа использования доменного передела для переработки концентратов, содержащих более 4% TiO2, — шихтовка с беститанистыми концентратами магнетитовых руд и плавка с применением специальных флюсов, делающих титанистый шлак жидкоподвижным.
Первый способ использовался еще в самый начальный этап освоения титаномагнетитовых месторождений и предлагается к применению для некоторых типов руд в настоящее время. Целесообразно для этой цели использовать только концентраты, содержащие не более 8% TiO2. В этом случае при относительно невысоком содержании титана потеря его с доменными шлаками будет небольшой по сравнению с более высокотитанистыми концентратами. Кроме того, шихтовать такие концентраты можно в значительной пропорции вплоть до соотношения 1:1 с получением шихты, аналогичной по содержанию титана качканарскому концентрату. Последний фактор имеет, во-первых, то значение, что штаномагнетитовые руды можно использовать в больших пропорциях, а, во-вторых, в этом случае количество ванадия, которое получится в шихте, может быть достаточно высоким для рентабельного его извлечения из чугуна при плавке. Содержание ванадия в шихте может быть более увеличено, если использовать для шихтовки ванадийсодержащие железорудные концентраты.
Способ доменного передела высокотатанистых шихт с использованием специальных добавок исследовался в нашей стране в лабораторном и промышленном масштабе на примере Кусинского месторождения. Для улучшения хода плавки необогащенных кусинских руд применялся соленый кокс, магнезиальные флюсы, щелочесодержащие флюсы — нефелиновые сиениты и миаскиты. Было установлено, что под воздействием щелочных оксидов при температурах ~ 800-900°С происходит распад ильменита с образованием титанатов щелочей, что ускоряет восстановление оксида железа (II). В зонах более высоких температур титанаты щелочей вступают в реакцию с известью, переходя в кальций-титанат, растворяющийся в силикатных расплавах. Этому способствует наличие в доменной печи сравнительно легкоплавких щелочных алюмосиликатов (нефелиновых сиенитов, эгириновых пород и т.д.).
В работе отмечается, что при доменной плавке высокотитанистых шихт загромождение горна и формирование вязкого шлака может быть предотвращено ведением плавки при относительно пониженной температуре с использованием кислого шлака с очень низким известково-кремнистым соотношением. Описываются также отдельные успешные опытные плавки высокотитанистых шихт в доменной печи с повышенным количеством шлака, в котором содержание титана доводится до минимального. Ho так как в настоящее время стремятся вести плавки при минимальном количестве шлаков, чем достигается значительная экономия топлива, то способ с повышением количества шлаков вряд ли может найти применение в промышленном масштабе.
Отмеченные работы показали принципиальную возможность плавки высокотитанистых шихт в доменном процессе. Однако необходимы еще дальнейшие исследования в этом направлении.
Следует также продолжить изучение возможности извлечения титана из доменных шлаков или эффективного их использования. Уже разработана методика их применения для изготовления эмалей. Титанистые шлаки — хорошее сырье для получения специальных титанистых цементов. Проведены исследования, показавшие, что добавка титанистого шлака к портландцементу с расчетом получения в нем около 5% TiO2 повышает механическую прочность цемента в 1,5 раза. Один из возможных способов извлечения гитана из шлаков — получение кристаллических агрегатов титановых минералов, которые пригодны для экстракции механическими способами обогащения.
Способ прямой электроплавки сырья позволяет достигнуть наиболее полного комплексного извлечения компонентов из руд. Для него в принципе пригодны любые типы титаномагнетитовых руд и в первую очередь высокотитанистые. При плавке в электропечи содержание любого количества титана в образующихся шлаках в отличие от доменного процесса не оказывает неблагоприятного влияния на ее работу. Чем более высокотитанистые концентраты, тем выше содержание титана в шлаках и тем экономически выгоднее извлечение из них титана. Ванадий при плавке переходит в чугун и оттуда может быть легко извлечен. Метод прямой электроплавки довольно дорогостоящий и энергоемкий, поэтому им экономически выгодно перерабатывать только ильменитовые концентраты для последующего получения из шлаков металлического титана. Для производства пигментного диоксида титана в нашей стране он не используется.
В настоящее время получает распространение более дешевый способ плавки титаномагнетитовых руд двухстадийным методом по схеме трубчатая печь — электропечь: концентрат в смеси с восстановителем сначала нагревается и частично восстанавливается в наклонной вращающейся печи, а затем проплавляется в электропечи. Метод исследован в лабораторных условиях для ильменитовых концентратов и в опытнопромышленных условиях для титаномагнетитовых и коллективных концентратов руд Пудожгорского и Медведевского месторождений, а также для руд месторождения Айрон-Маунтин. Двухстадийным процессом в настоящее время перерабатываются титаномагнетитовые руды Бушвельдского массива в ШАР, а также титаномагнетитовые концентраты железистых песков в Новой Зеландии. Сходный метод, называемый Видберг-Содерфогс, применяется в Швеции, где вместо наклонной вращающейся печи используется шахтная печь.
Крупп-Ренн-процесс для плавки титаномагнетитовых руд применялся в Германии для шведских руд и в Танганьике для руд месторождения Лиганга. Сущность процесса заключается в восстановлении руды в горизонтальной цилиндрической обжиговой 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 извлечения железа предлагался даже способ его растворения водными растворами.
Гидрометаллургический способ извлечения ванадия из титаномагнетитовых концентратов использовался для руд месторождений Айрон-Маунтин, Сэнфорд-Лейк и других в США, а также для руд Бушвельдского массива и применяется в настоящее время на месторождении Отанмаки в Финляндии. Экспериментальные работы по его применению ведутся и в нашей стране. При этом способе титаномагнетитовые (или магнетитовые) концентраты спекаются с содой, а затем ванадий из спека выщелачивается водой или кислотой. Гидрометаллургический метод отличается от других более высоким извлечением ванадия из руд, но он пригоден, по-видимому, только для переработки высокованадистых руд при относительно небольших объемах их добычи. В частности, от него отказались и перешли на двухстадийную плавку при увеличении добычи руд в Бушвельдском массиве.