Помощь студентам в учебе
ПРОЦЕССЫ ОБОГАЩЕНИЯ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД ИЗ ВЬЕТНАМА
|
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ ТИТАНОВЫХ РУД .13
1.1 Распространенность ильменитовых руд 14
1.2 Титановые руды во Вьетнаме 16
1.3 Методы обогащения титановых руд 19
1.4 Применение магнитной сепарации для обогащения титановых руд.
Теоретические основы технологии обогащения руд 24
1.4.1 Усовершенствование конструкции электромагнитного сепаратора .... 31
1.4.2 Усовершенствование режимов работы магнитного сепаратора 32
1.5 Использование электростатической сепарации в процессах обогащения
ильменитовых руд 35
1.6 Обогащение титановых руд флотационным методом 39
1.6.1 Физико-химические основы взаимодействия флотационных реагентов с
титановыми минералами 41
1.6.2 Особенности флотационного обогащения титановых руд 48
1.6.3 Реагенты, используемые в процессе флотации 53
1.6.4 Технологические особенности флотации 57
Глава 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ 57
2.1 Характеристика объекта исследования 65
2.2. Электростатический сепаратор ЭЛКОР 70
2.3 Электромагнитный валковый сепаратор ЭВС-10/5 71
2.4 Флотационная машина ФМФ-3(л) 73
2.5 Масс-спектрометр ELAN 9000 PerkinElmer SCIEX 74
2.6 Спектрометр ARL EQUINOX 100 XRD & ARL QUANT’X XRF 76
2.7 Атомно-эмиссионный спектрометр Thermo Scientific iCAP 6300 Duo 78
Глава 3. ОБОГАЩЕНИЕ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ 80
3.1. Влияние напряжения между электродами сепаратора на эффективность разделения магнитных и немагнитных компонентов при использовании исходной руды 80
3.2. Эффективность разделения компонентов руды предварительно обогащенной
методом электромагнитной сепарации 84
Глава 4. ОБОГАЩЕНИЕ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА
ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ .. 88
4.1 Влияние силы тока на процесс электромагнитной сепарации 95
4.2 Влияние количества стадий магнитной сепарации на процесс обогащения
ильменита 76
4.2.1 2-х стадийный процесс магнитной сепарации 95
4.2.2 3-х стадийный процесс магнитной сепарации 98
4.2.3 4-х стадийный процесс магнитной сепарации 101
4.3 Выбор условий выделения рутила из немагнитной фракции 103
4.4 Предлагаемая схема переработки ильменитовой руды методом магнитной
сепарации 106
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ФЛОТАЦИИ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) 112
5.1 Влияние времени проведения процесса на эффективность обогащения .... 112
5.2 Влияние концентрации NaOl на эффективность обогащения 114
5.3 Влияние кислотности среды 118
5.4 Влияние концентрации TiO2 в ильменитовой руде на эффективность
флотации 121
5.5 Влияние добавок на эффективность отделения титана 124
5.5.1 Влияние силиката натрия Na2SiO3 на эффективность флотации 124
5.5.2 Влияние ацетата свинца Pb(CH3COO)2 на степень обогащения
ильменита 126
5.5.3 Влияние фторида натрия NaF на эффективность процесса 130
Глава 6. ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ОБОГАЩЕНИЯ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) 135
6.1 Укрупненная технологическая схема получения ильменитового концентрата 135
6.2 Технологическая схема флотационного обогащения титанового продукта
после электростатической сепарации 137
6.3 Технологическая схема электромагнитного обогащения титанового продукта
после флотации 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
ВЫВОДЫ 141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
Приложение А 157
Приложение Б 159
Приложение В 160
Приложение Г 161
Приложение Д 162
Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ ТИТАНОВЫХ РУД .13
1.1 Распространенность ильменитовых руд 14
1.2 Титановые руды во Вьетнаме 16
1.3 Методы обогащения титановых руд 19
1.4 Применение магнитной сепарации для обогащения титановых руд.
Теоретические основы технологии обогащения руд 24
1.4.1 Усовершенствование конструкции электромагнитного сепаратора .... 31
1.4.2 Усовершенствование режимов работы магнитного сепаратора 32
1.5 Использование электростатической сепарации в процессах обогащения
ильменитовых руд 35
1.6 Обогащение титановых руд флотационным методом 39
1.6.1 Физико-химические основы взаимодействия флотационных реагентов с
титановыми минералами 41
1.6.2 Особенности флотационного обогащения титановых руд 48
1.6.3 Реагенты, используемые в процессе флотации 53
1.6.4 Технологические особенности флотации 57
Глава 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ 57
2.1 Характеристика объекта исследования 65
2.2. Электростатический сепаратор ЭЛКОР 70
2.3 Электромагнитный валковый сепаратор ЭВС-10/5 71
2.4 Флотационная машина ФМФ-3(л) 73
2.5 Масс-спектрометр ELAN 9000 PerkinElmer SCIEX 74
2.6 Спектрометр ARL EQUINOX 100 XRD & ARL QUANT’X XRF 76
2.7 Атомно-эмиссионный спектрометр Thermo Scientific iCAP 6300 Duo 78
Глава 3. ОБОГАЩЕНИЕ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ 80
3.1. Влияние напряжения между электродами сепаратора на эффективность разделения магнитных и немагнитных компонентов при использовании исходной руды 80
3.2. Эффективность разделения компонентов руды предварительно обогащенной
методом электромагнитной сепарации 84
Глава 4. ОБОГАЩЕНИЕ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА
ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ .. 88
4.1 Влияние силы тока на процесс электромагнитной сепарации 95
4.2 Влияние количества стадий магнитной сепарации на процесс обогащения
ильменита 76
4.2.1 2-х стадийный процесс магнитной сепарации 95
4.2.2 3-х стадийный процесс магнитной сепарации 98
4.2.3 4-х стадийный процесс магнитной сепарации 101
4.3 Выбор условий выделения рутила из немагнитной фракции 103
4.4 Предлагаемая схема переработки ильменитовой руды методом магнитной
сепарации 106
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ФЛОТАЦИИ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) 112
5.1 Влияние времени проведения процесса на эффективность обогащения .... 112
5.2 Влияние концентрации NaOl на эффективность обогащения 114
5.3 Влияние кислотности среды 118
5.4 Влияние концентрации TiO2 в ильменитовой руде на эффективность
флотации 121
5.5 Влияние добавок на эффективность отделения титана 124
5.5.1 Влияние силиката натрия Na2SiO3 на эффективность флотации 124
5.5.2 Влияние ацетата свинца Pb(CH3COO)2 на степень обогащения
ильменита 126
5.5.3 Влияние фторида натрия NaF на эффективность процесса 130
Глава 6. ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ОБОГАЩЕНИЯ ИЛЬМЕНИТОВЫХ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЯ ХА ТИНЬ (ВЬЕТНАМ) 135
6.1 Укрупненная технологическая схема получения ильменитового концентрата 135
6.2 Технологическая схема флотационного обогащения титанового продукта
после электростатической сепарации 137
6.3 Технологическая схема электромагнитного обогащения титанового продукта
после флотации 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
ВЫВОДЫ 141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
Приложение А 157
Приложение Б 159
Приложение В 160
Приложение Г 161
Приложение Д 162
Актуальность работы
Титан и его соединения обладают рядом уникальных свойств, таких как соотношение высокой прочности к массе, коррозионной стойкостью, тугоплавкостью, биосовместимостью и возможностью работы при низких температурах, поэтому они широко используются в аэрокосмической, навигационной, медицинской отраслях промышленности, а также применяются в виде катализаторов в химии. Потребление губчатого титана в мире в настоящее время оценивается в 150 тыс. т/год и, по прогнозам, будет увеличиваться ежегодно на 6 % вплоть до~200 тыс. т/год.
В мире титан является девятым по содержанию элементом в земной коре, его кларк составляет примерно 0,9 %. Из-за низкого содержания в рудах и трудностей переработки титан считается редким металлом. Несмотря на то, что в некоторых рудах содержание TiO2 более 92 %, например, в рутиле, подавляющее большинство мировых ресурсов титана (> 90 %) представлено в виде ильменита с содержанием TiO2 всего 35-60 %.
Вьетнам - одна из стран с крупнейшими запасами титана в мире ~1,6 млн. т. В месторождениях представлены коренные и россыпные руды (с примесью алюминия - дэлюви (deluvi) титановые руды), а также титан-циркониевые песчаные руды. Запасы дэлюви (deluvi) титановых руд составляют более 4 млн. т по ильмениту. Запасы коренных титановых руд составляют ~4,8 млн. т в виде ильменита, однако они отличаются сложностью добычи и трудными условиями эксплуатации и последующей переработки. Содержание TiO2 в ильмените составляет ~22 %.
Одним из ключевых процессов для последующей переработки титановых руд является процесс обогащения. От качества обогащения ильменитовых руд в последующем зависит выбор метода переработки, его эффективность и, как следствие, конкурентоспособность на мировом рынке.
При обогащении ильменитовых руд применяют комбинированные методы, включающие гравитацию, флотацию, магнитную и электрическую сепарацию и химические или гидрометаллургические процессы. Основная сложность обогащения ильменитовых руд, месторождения которых расположены во Вьетнаме, - наличие в рудах ильменита и рутила. Эти минералы необходимо сначала с максимальной степенью отделить от пустой породы, а затем отдельно получить ильменитовый и рутиловый концентраты. Таким образом, изучение условий и выбор технологической схемы обогащения ильменитовых руд из Вьетнама определяет актуальность работы.
Степень разработанности темы исследования. Процессы обогащения ильменитовых руд и получения ильменитовых концентратов с высоким содержанием диоксида титана описаны в работах А.С. Атамаджиди, К.В. Гончарова, Т.В. Олюниной, Г.Б. Садыхова (коллектив Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва), В.И. Поповой, В.А. Попова, В.А. Муфтахова, В.А. Котлярова (коллектив Института минералогии Уральского Отделения РАН, г. Миасс), Е.С. Махоткиной, М.В. Шубиной (коллектив Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск), Т.Д. Бочарниковой, В.В. Холоднова, Е.С. Шагалова (коллектив Института геологии и геохимии Уральского Отделения РАН), А.И. Ракаева, С.А. Алексеевой, Т.А. Морозовой, Е.В. Черноусенко (коллектив Г орного института Курчатовского научного центра РАН, г. Апатиты), Z. Yuan, X. Zhao, Q. Meng, Y. Zhang, L. Li (Школа ресурсов и гражданского строительства, Северо-Восточный университет, Шэньян, Ляонин, Китай), H. Zhang, J. Zeng, H. Xie, C. Guan, L. Chen (Юньнаньско-Тинский профессионально-технический колледж, Кафедра природных ресурсов, Гэцзю, Китай), K. Shu, L. Xu, H Wu, S. Fang, Z. Wang, Y. Xu, Z. Zhang (Лаборатория по переработке твердых отходов и ресурсов Министерства образования, ЮгоЗападный университет науки и технологий, Мьяньян, Сычуань, Китай), M. Dobbins, P. Dunn, I. Sherrell (Университет переработки полезных ископаемых, Исследовательский центр Outotec, США), T. Nelson, J.G. Watt, D. Laudal, H. Feilen, M. Mann, S. Srinivasachar (Институт энергетических исследований Университета Северной Дакоты, Северная Дакота, США), R.G. Rejith, M. Sundararajan (CSIR-
7 Национальный институт естественных наук и технологий, кафедра полезных ископаемых, отделение материаловедения и технологии, Керала, Индия), T. Moreno, F. Amato, X. Querol, A. Alastuey, W. Gibbons (Институт наук о Земле «Хауме Альмера», Барселона, Испания), M.I. Pownceby, G.J. Sparrow, H. Arall, L.K. Smith, W.J. Bruckard (Университет Виктории, Институт устойчивого развития и инноваций, Виктория, Австралия), K.P. Galvin, J. Zhou, A.J. Price, P. Agrwal, S.M. Iveson (Ньюкаслский университет, Ньюкаслский институт энергетики и ресурсов, Центр переработки минералов, Каллаган, Новый Южный Уэльс, Австралия).
В опубликованной литературе приведены результаты экспериментальных исследований по обогащению ильменитовых руд методами электромагнитного, ультразвукового обогащения, кислотного выщелачивания и флотации. В материалах публикаций рассматривается влияние силы тока, интенсивности ультразвуковых колебаний, концентрации различных минеральных кислот, количества коллекторов и добавок на увеличение концентрации и степени обогащения титана в целевом продукте. Однако процессы обогащения с использованием нескольких способов обогащения, так называемые «комбинированные процессы», практически не исследуются, хотя их применение может быть весьма перспективным.
Коллективом Национального исследовательского Томского
политехнического университета (Кантаев А.С., Ворошилов Ф.А., Добрынин А.В., Андреев А.А., Смороков А.А.) выполнялись исследования по обогащению ильменит-цирконовых и лейкоксеновых руд различными методами.
Процессы обогащения титановых руд, одновременно содержащих ильменит и рутил, с использованием методов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации рассмотрены впервые.
Цель диссертационной работы
Изучение возможности применения процессов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для обогащения ильменитовых руд месторождения Ха Тинь (Вьетнам), выбор условий их проведения для обеспечения максимальной степени обогащения титансодержащих концентратов и отделения от 8 минералов пустой породы с последующим разделением ильменитового и рутилового концентратов. Для достижения цели исследования необходимо решить следующие основные задачи:
1. Обосновать возможность совместного использования процессов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для обогащения ильменитовых руд.
2. Изучить влияние напряжения и силы тока между электродами, количества стадий магнитной сепарации и выбрать оптимальные режимы выделения рутила из немагнитной фракции на стендовой установке.
3. Исследовать влияние времени, концентрации олеата натрия, кислотности среды, концентрации титансодержащих компонентов в ильменитовой руде на эффективность ее обогащения флотационным методом.
4. Определить эффективность использования добавок силиката натрия, ацетата свинца и фторида натрия на увеличение концентрации, степени обогащения титана и эффективность проведения процесса флотации ильменитовых руд.
5. Разработать комбинированные технологические схемы переработки ильменитовой руды методами электростатической, электромагнитной сепарации и флотации.
Объектом исследования является ильменитовая руда месторождения Ха Тинг, расположенного в северной части Вьетнама.
Предметом исследования являются процессы обогащения ильменитовой руды с использованием изменений намагничиваемости и флотационной способности титансодержащих минералов в различных технологических вариантах с применением добавок - ингибиторов и собирателей, используемых в процессе.
Научная новизна
1. Установлено, что отделять тяжелые компоненты (ильменит и рутил) от более легких минералов пустой породы методом электростатической сепарации необходимо при напряжении между электродами сепаратора 30-35 кВ.
2. Показано, что для выделения максимального количества титана и ильменита из руды электромагнитную сепарацию проводят при высокой силе тока 11 и 9 А. Для увеличения концентрации и степени извлечения магнитного продукта силу тока в процессе необходимо уменьшить до 7 и 6 А.
3. Установлено, что при использовании в качестве собирателя олеата натрия при флотации ильменита оптимальный диапазон pH изменяется в пределах 5-7 ед. В кислой среде количество олеата натрия резко возрастает и при pH < 2 флотация невозможна из-за неэффективности образования пенной фракции.
4. Показано, что при использовании в качестве ингибитора силиката натрия (Na2SiO3) эффективность флотации снижается, но концентрация ильменита и рутила в продукте возрастает, поэтому Na2SiO3 можно использовать для увеличения концентрации целевых компонентов в получаемом продукте.
4. Установлено, что при использовании олеата натрия с добавкой ацетата свинца (0,35-0,4 г/л) диапазон изменения pH среды увеличивается до 5,5-10 ед. Однако при этом степень извлечения незначительно снижается до ~82 %.
5. Показано, что среди исследованных добавок специфическими свойствами обладает NaF (0,5-0,6 г/л) -степень обогащения ильменита возрастает до ~80-82 %. В тоже время диапазон изменения величины pH среды уменьшается и смещается в кислую среду (pH = 5-6).
Теоретическая и практическая значимость работы: разработаны условия, обеспечивающие возможность совместного использования методов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации, позволяющие обеспечить высокую концентрацию и степень обогащения по титану в ильменитовом концентрате.
Описанные в работе условия обогащения ильменитовых руд позволили решить ряд научно-практических задач: обеспечить возможность использования полученных результатов для обогащения ильменитовых руд с изменяющимся соотношением ильменита и рутила и выдать практические рекомендации о целесообразности применения определенных количеств ингибиторов и собирателей в процессе.
Разработаны комбинированные технологические схемы переработки ильменитовой руды методами электростатической и электромагнитной сепарации и флотации.
Методология и методы диссертационного исследования.
В основе диссертационного исследования лежит комплексное решение поставленных задач, заключающееся определении требований к условиям обогащения титановых руд, содержащих ильменит и рутил, и обоснованию целесообразности применения электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для получения ильменитового концентрата. Методы исследования, применяемые в диссертационной работе: масс-спектрометрический анализ, энергодисперсионная спектрометрия с использованием дифракции рентгеновских лучей (EDXRF), атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой.
Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
- постановка задачи, методологический подход к изучению возможности совместного использования процессов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для обогащения ильменитовых руд;
- влияние силы тока, количества стадий магнитной сепарации и выбор оптимальных режимов выделения рутила из немагнитной фракции;
- влияние времени, концентрации олеата натрия, кислотности среды, концентрации титансодержащих компонентов в ильменитовой руде на эффективность ее обогащения флотационным методом;
- эффективность использования добавок силиката натрия, ацетата свинца и фторида натрия на степень обогащения титана и эффективность процесса флотации ильменита.
- комбинированные технологические схемы переработки ильменитовой руды при совместном использовании методов магнитной сепарации и флотации.
Степень достоверности результатов.
Полученные в работе результаты исследований являются достоверными, поскольку при определении основных параметров процесса использованы
11 приборы, прошедшие поверку: электронный микроскоп; лабораторный прибор для определения гранулометрического состава, формы частиц (CAMSIZER P4); спектрометр (КФК-3). Количество отобранных проб анализируемых образцов соответствует технической степени надежности (коэффициент Стьюдента 0,95).
Личный вклад автора. Автором сформулирована постановка задачи, методологический подход к решению проблемы, проведены исследования по определению закономерностей обогащения ильменитовых руд методами электростатической, электромагнитной сепарации, а также на пилотной установке выполнены работы по выбору активаторов, ингибиторов и их количеств при обогащении руд флотационным методом.
Лично автору принадлежат результаты, изложенные в разделах «Положения, выносимые на защиту», «Научная новизна», «Теоретическая и практическая значимость», «Выводы» диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения, результаты и рекомендации, отражающие исследования автора, докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции имени Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера «Химия и химическая технология в XXI веке» (2020-2021 г.), X
Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров» (2020 г.), VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение» (2020-2021 г.), X Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (2020 г.), Вьетнамской конференции по ядерной науке и технологиям (Вьетнам, Куанг Нинь, 2019 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в изданиях, входящих в международную реферативную базу данных Scopus, 1 статья в изданиях, входящих в международную реферативную базу данных Web of Science.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация изложена на 162 страницах, включая 80 рисунков, 32 таблицы, состоит из введения, шести глав, выводов, заключения, приложения и списка литературы из 105 библиографических названий работ отечественных и зарубежных авторов.
Титан и его соединения обладают рядом уникальных свойств, таких как соотношение высокой прочности к массе, коррозионной стойкостью, тугоплавкостью, биосовместимостью и возможностью работы при низких температурах, поэтому они широко используются в аэрокосмической, навигационной, медицинской отраслях промышленности, а также применяются в виде катализаторов в химии. Потребление губчатого титана в мире в настоящее время оценивается в 150 тыс. т/год и, по прогнозам, будет увеличиваться ежегодно на 6 % вплоть до~200 тыс. т/год.
В мире титан является девятым по содержанию элементом в земной коре, его кларк составляет примерно 0,9 %. Из-за низкого содержания в рудах и трудностей переработки титан считается редким металлом. Несмотря на то, что в некоторых рудах содержание TiO2 более 92 %, например, в рутиле, подавляющее большинство мировых ресурсов титана (> 90 %) представлено в виде ильменита с содержанием TiO2 всего 35-60 %.
Вьетнам - одна из стран с крупнейшими запасами титана в мире ~1,6 млн. т. В месторождениях представлены коренные и россыпные руды (с примесью алюминия - дэлюви (deluvi) титановые руды), а также титан-циркониевые песчаные руды. Запасы дэлюви (deluvi) титановых руд составляют более 4 млн. т по ильмениту. Запасы коренных титановых руд составляют ~4,8 млн. т в виде ильменита, однако они отличаются сложностью добычи и трудными условиями эксплуатации и последующей переработки. Содержание TiO2 в ильмените составляет ~22 %.
Одним из ключевых процессов для последующей переработки титановых руд является процесс обогащения. От качества обогащения ильменитовых руд в последующем зависит выбор метода переработки, его эффективность и, как следствие, конкурентоспособность на мировом рынке.
При обогащении ильменитовых руд применяют комбинированные методы, включающие гравитацию, флотацию, магнитную и электрическую сепарацию и химические или гидрометаллургические процессы. Основная сложность обогащения ильменитовых руд, месторождения которых расположены во Вьетнаме, - наличие в рудах ильменита и рутила. Эти минералы необходимо сначала с максимальной степенью отделить от пустой породы, а затем отдельно получить ильменитовый и рутиловый концентраты. Таким образом, изучение условий и выбор технологической схемы обогащения ильменитовых руд из Вьетнама определяет актуальность работы.
Степень разработанности темы исследования. Процессы обогащения ильменитовых руд и получения ильменитовых концентратов с высоким содержанием диоксида титана описаны в работах А.С. Атамаджиди, К.В. Гончарова, Т.В. Олюниной, Г.Б. Садыхова (коллектив Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва), В.И. Поповой, В.А. Попова, В.А. Муфтахова, В.А. Котлярова (коллектив Института минералогии Уральского Отделения РАН, г. Миасс), Е.С. Махоткиной, М.В. Шубиной (коллектив Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск), Т.Д. Бочарниковой, В.В. Холоднова, Е.С. Шагалова (коллектив Института геологии и геохимии Уральского Отделения РАН), А.И. Ракаева, С.А. Алексеевой, Т.А. Морозовой, Е.В. Черноусенко (коллектив Г орного института Курчатовского научного центра РАН, г. Апатиты), Z. Yuan, X. Zhao, Q. Meng, Y. Zhang, L. Li (Школа ресурсов и гражданского строительства, Северо-Восточный университет, Шэньян, Ляонин, Китай), H. Zhang, J. Zeng, H. Xie, C. Guan, L. Chen (Юньнаньско-Тинский профессионально-технический колледж, Кафедра природных ресурсов, Гэцзю, Китай), K. Shu, L. Xu, H Wu, S. Fang, Z. Wang, Y. Xu, Z. Zhang (Лаборатория по переработке твердых отходов и ресурсов Министерства образования, ЮгоЗападный университет науки и технологий, Мьяньян, Сычуань, Китай), M. Dobbins, P. Dunn, I. Sherrell (Университет переработки полезных ископаемых, Исследовательский центр Outotec, США), T. Nelson, J.G. Watt, D. Laudal, H. Feilen, M. Mann, S. Srinivasachar (Институт энергетических исследований Университета Северной Дакоты, Северная Дакота, США), R.G. Rejith, M. Sundararajan (CSIR-
7 Национальный институт естественных наук и технологий, кафедра полезных ископаемых, отделение материаловедения и технологии, Керала, Индия), T. Moreno, F. Amato, X. Querol, A. Alastuey, W. Gibbons (Институт наук о Земле «Хауме Альмера», Барселона, Испания), M.I. Pownceby, G.J. Sparrow, H. Arall, L.K. Smith, W.J. Bruckard (Университет Виктории, Институт устойчивого развития и инноваций, Виктория, Австралия), K.P. Galvin, J. Zhou, A.J. Price, P. Agrwal, S.M. Iveson (Ньюкаслский университет, Ньюкаслский институт энергетики и ресурсов, Центр переработки минералов, Каллаган, Новый Южный Уэльс, Австралия).
В опубликованной литературе приведены результаты экспериментальных исследований по обогащению ильменитовых руд методами электромагнитного, ультразвукового обогащения, кислотного выщелачивания и флотации. В материалах публикаций рассматривается влияние силы тока, интенсивности ультразвуковых колебаний, концентрации различных минеральных кислот, количества коллекторов и добавок на увеличение концентрации и степени обогащения титана в целевом продукте. Однако процессы обогащения с использованием нескольких способов обогащения, так называемые «комбинированные процессы», практически не исследуются, хотя их применение может быть весьма перспективным.
Коллективом Национального исследовательского Томского
политехнического университета (Кантаев А.С., Ворошилов Ф.А., Добрынин А.В., Андреев А.А., Смороков А.А.) выполнялись исследования по обогащению ильменит-цирконовых и лейкоксеновых руд различными методами.
Процессы обогащения титановых руд, одновременно содержащих ильменит и рутил, с использованием методов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации рассмотрены впервые.
Цель диссертационной работы
Изучение возможности применения процессов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для обогащения ильменитовых руд месторождения Ха Тинь (Вьетнам), выбор условий их проведения для обеспечения максимальной степени обогащения титансодержащих концентратов и отделения от 8 минералов пустой породы с последующим разделением ильменитового и рутилового концентратов. Для достижения цели исследования необходимо решить следующие основные задачи:
1. Обосновать возможность совместного использования процессов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для обогащения ильменитовых руд.
2. Изучить влияние напряжения и силы тока между электродами, количества стадий магнитной сепарации и выбрать оптимальные режимы выделения рутила из немагнитной фракции на стендовой установке.
3. Исследовать влияние времени, концентрации олеата натрия, кислотности среды, концентрации титансодержащих компонентов в ильменитовой руде на эффективность ее обогащения флотационным методом.
4. Определить эффективность использования добавок силиката натрия, ацетата свинца и фторида натрия на увеличение концентрации, степени обогащения титана и эффективность проведения процесса флотации ильменитовых руд.
5. Разработать комбинированные технологические схемы переработки ильменитовой руды методами электростатической, электромагнитной сепарации и флотации.
Объектом исследования является ильменитовая руда месторождения Ха Тинг, расположенного в северной части Вьетнама.
Предметом исследования являются процессы обогащения ильменитовой руды с использованием изменений намагничиваемости и флотационной способности титансодержащих минералов в различных технологических вариантах с применением добавок - ингибиторов и собирателей, используемых в процессе.
Научная новизна
1. Установлено, что отделять тяжелые компоненты (ильменит и рутил) от более легких минералов пустой породы методом электростатической сепарации необходимо при напряжении между электродами сепаратора 30-35 кВ.
2. Показано, что для выделения максимального количества титана и ильменита из руды электромагнитную сепарацию проводят при высокой силе тока 11 и 9 А. Для увеличения концентрации и степени извлечения магнитного продукта силу тока в процессе необходимо уменьшить до 7 и 6 А.
3. Установлено, что при использовании в качестве собирателя олеата натрия при флотации ильменита оптимальный диапазон pH изменяется в пределах 5-7 ед. В кислой среде количество олеата натрия резко возрастает и при pH < 2 флотация невозможна из-за неэффективности образования пенной фракции.
4. Показано, что при использовании в качестве ингибитора силиката натрия (Na2SiO3) эффективность флотации снижается, но концентрация ильменита и рутила в продукте возрастает, поэтому Na2SiO3 можно использовать для увеличения концентрации целевых компонентов в получаемом продукте.
4. Установлено, что при использовании олеата натрия с добавкой ацетата свинца (0,35-0,4 г/л) диапазон изменения pH среды увеличивается до 5,5-10 ед. Однако при этом степень извлечения незначительно снижается до ~82 %.
5. Показано, что среди исследованных добавок специфическими свойствами обладает NaF (0,5-0,6 г/л) -степень обогащения ильменита возрастает до ~80-82 %. В тоже время диапазон изменения величины pH среды уменьшается и смещается в кислую среду (pH = 5-6).
Теоретическая и практическая значимость работы: разработаны условия, обеспечивающие возможность совместного использования методов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации, позволяющие обеспечить высокую концентрацию и степень обогащения по титану в ильменитовом концентрате.
Описанные в работе условия обогащения ильменитовых руд позволили решить ряд научно-практических задач: обеспечить возможность использования полученных результатов для обогащения ильменитовых руд с изменяющимся соотношением ильменита и рутила и выдать практические рекомендации о целесообразности применения определенных количеств ингибиторов и собирателей в процессе.
Разработаны комбинированные технологические схемы переработки ильменитовой руды методами электростатической и электромагнитной сепарации и флотации.
Методология и методы диссертационного исследования.
В основе диссертационного исследования лежит комплексное решение поставленных задач, заключающееся определении требований к условиям обогащения титановых руд, содержащих ильменит и рутил, и обоснованию целесообразности применения электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для получения ильменитового концентрата. Методы исследования, применяемые в диссертационной работе: масс-спектрометрический анализ, энергодисперсионная спектрометрия с использованием дифракции рентгеновских лучей (EDXRF), атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой.
Положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
- постановка задачи, методологический подход к изучению возможности совместного использования процессов электростатической, электромагнитной сепарации и флотации для обогащения ильменитовых руд;
- влияние силы тока, количества стадий магнитной сепарации и выбор оптимальных режимов выделения рутила из немагнитной фракции;
- влияние времени, концентрации олеата натрия, кислотности среды, концентрации титансодержащих компонентов в ильменитовой руде на эффективность ее обогащения флотационным методом;
- эффективность использования добавок силиката натрия, ацетата свинца и фторида натрия на степень обогащения титана и эффективность процесса флотации ильменита.
- комбинированные технологические схемы переработки ильменитовой руды при совместном использовании методов магнитной сепарации и флотации.
Степень достоверности результатов.
Полученные в работе результаты исследований являются достоверными, поскольку при определении основных параметров процесса использованы
11 приборы, прошедшие поверку: электронный микроскоп; лабораторный прибор для определения гранулометрического состава, формы частиц (CAMSIZER P4); спектрометр (КФК-3). Количество отобранных проб анализируемых образцов соответствует технической степени надежности (коэффициент Стьюдента 0,95).
Личный вклад автора. Автором сформулирована постановка задачи, методологический подход к решению проблемы, проведены исследования по определению закономерностей обогащения ильменитовых руд методами электростатической, электромагнитной сепарации, а также на пилотной установке выполнены работы по выбору активаторов, ингибиторов и их количеств при обогащении руд флотационным методом.
Лично автору принадлежат результаты, изложенные в разделах «Положения, выносимые на защиту», «Научная новизна», «Теоретическая и практическая значимость», «Выводы» диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения, результаты и рекомендации, отражающие исследования автора, докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции имени Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера «Химия и химическая технология в XXI веке» (2020-2021 г.), X
Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров» (2020 г.), VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение» (2020-2021 г.), X Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (2020 г.), Вьетнамской конференции по ядерной науке и технологиям (Вьетнам, Куанг Нинь, 2019 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в изданиях, входящих в международную реферативную базу данных Scopus, 1 статья в изданиях, входящих в международную реферативную базу данных Web of Science.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация изложена на 162 страницах, включая 80 рисунков, 32 таблицы, состоит из введения, шести глав, выводов, заключения, приложения и списка литературы из 105 библиографических названий работ отечественных и зарубежных авторов.
По итогам выполненного исследования сделаны следующие выводы:
1. На пилотных установках проведены исследования и выполнено научное обоснование возможности применения процессов электростатической и магнитной сепарации, а также флотации для обогащения ильменит-рутиловых руд месторождения Ха Тинь (Вьетнам).
2. В процессе электростатической сепарации показано, что титан и железо хорошо отделяются от основных примесных компонентов - кремния, циркония и алюминия. Элементы с большей атомной массой, например цирконий, отделяются от целевых компонентов гораздо хуже, чем более легкие примеси (кремний и алюминий). Так, при увеличении напряжения на электродах от 25 до 35 кВ концентрация циркония в 4-6-ой ячейках уменьшается с 53 до 22 %, соответственно увеличиваясь 8-10-ой ячейках с 10 до 21 %. Эффективность отделения кремния и алюминия примерно в 1,5-1,6 раз выше.
3. Обогащение ильменитовой руды магнитной сепарацией проводят в 2 этапа
при постепенном уменьшении силы тока с 11 до 6 А. Сначала процесс проводят при высокой силе тока - 10 и 9 А и выделяют максимальное количество
титансодержащих продуктов из руды. Затем для увеличения концентрации и степени обогащения силу тока уменьшают до 6 и 7 А. В этих условиях получают ильменитовый концентрат, содержащий более 50 % TiO2 со степенью обогащения титана менее 35 %. В результате получают концентрат, содержащий более 50 % TiO2 со степенью обогащения титана ~35 %. Образовавшиеся немагнитные продукты (хвосты) возвращают на первую стадию магнитной сепарации.
4. При проведении флотации в течение 10 мин степень обогащения стремится к максимальному значению - 78 %, однако концентрация титана в обогащенной фракции снижается за счет попадания в нее примесей. Наилучшие показатели достигаются в течение 5-10 мин, а оптимальное время проведения процесса составляет 8-9 мин. Процесс флотации протекает только при концентрации олеата натрия не менее 0,27 г/л. При этом концентрация титана в пенной фракции достигает 32 %, а степень обогащения - 80 %. Процесс флотации ильменитовой руды лучше проводить в слабокислой или нейтральной средах (при pH = 5-7).
5. Кислотность среды - один из ключевых параметров флотации. При
обогащении только флотационным методом оптимальная величина кислотности достигается при рН среды от 5,5 до 7. При этом концентрация NaOl составляет 0,36 г/л, степень обогащения более 77 % и концентрация титана достигает 32%. Эффективность флотации зависит от концентрации титана в руде. Если концентрация титана выше 25 %, то степень обогащения практически не
изменяется и составляет > 80 %.
Концентрация титана в обогащенном продукте возрастает гораздо быстрее с 39 до 44 % (примерно на 5 %), если в руде его содержание не превышает 40 %. При концентрации титана в руде более 40 % его концентрация в обогащенной фракции увеличивается гораздо медленнее, хотя степень обогащения по-прежнему была высокой и достигала 86 %.
6. При обогащении с использованием нескольких методов, например применяя электростатическую и электромагнитную сепарацию, а также флотацию процесс лучше проводить в более кислой среде в диапазоне рН от 4,5 до 6. В этих условиях эффективность использования всех применяемых добавок возрастает и, в результате, образуются ильменитовый концентрат с высоким содержанием титана, составляющим не менее 32 %.
7. С увеличением концентрации силиката натрия от 0,18 до 0,36 г/л степени обогащения титана и железа уменьшаются незначительно - с 80 до 70 %. В этих условиях степени обогащения циркония и кремния падает гораздо сильнее - с 68 до 5 % (в 12-14 быстрее). Поэтому Na2SiO3 является эффективной добавкой в процессе флотации для отделения целевых компонентов (титана и железа) от примесей - циркония и кремния. Таким образом для повышения эффективности удаления Si и Zr из титановой фракции концентрация Na2SiO3 должна быть не менее 0,3 г/л. При изучении влияния добавки ацетата свинца показано, что наибольшая эффективность флотации ильменита достигается в диапазоне pH = 6-8 при степени обогащения более 80 %. Минимальная концентрация Pb(CH3COO)2, необходимая для проведения процесса, составляет ~0,35-0,4 г/л.
8. Для улучшения флотации ильменита в качестве ингибитора анионов применяют фторид натрия. При концентрации NaF равной 0,5-0,6 г/л степень обогащения ильменитовой руды приближается к 82 %. В кислой среде, при рН = 56,5, обеспечивается максимальная эффективность флотации. При этом степень обогащения ильменита превышает 80 %, а при pH = 5-6 достигает ~82 %.
9. Разработанная комбинированная схема обогащения ильменитовых руд позволяет получить ильменитовый концентрат, содержащий не менее 32 % титана, а также рутиловый концентра, содержащий более 45 % титана.
1. На пилотных установках проведены исследования и выполнено научное обоснование возможности применения процессов электростатической и магнитной сепарации, а также флотации для обогащения ильменит-рутиловых руд месторождения Ха Тинь (Вьетнам).
2. В процессе электростатической сепарации показано, что титан и железо хорошо отделяются от основных примесных компонентов - кремния, циркония и алюминия. Элементы с большей атомной массой, например цирконий, отделяются от целевых компонентов гораздо хуже, чем более легкие примеси (кремний и алюминий). Так, при увеличении напряжения на электродах от 25 до 35 кВ концентрация циркония в 4-6-ой ячейках уменьшается с 53 до 22 %, соответственно увеличиваясь 8-10-ой ячейках с 10 до 21 %. Эффективность отделения кремния и алюминия примерно в 1,5-1,6 раз выше.
3. Обогащение ильменитовой руды магнитной сепарацией проводят в 2 этапа
при постепенном уменьшении силы тока с 11 до 6 А. Сначала процесс проводят при высокой силе тока - 10 и 9 А и выделяют максимальное количество
титансодержащих продуктов из руды. Затем для увеличения концентрации и степени обогащения силу тока уменьшают до 6 и 7 А. В этих условиях получают ильменитовый концентрат, содержащий более 50 % TiO2 со степенью обогащения титана менее 35 %. В результате получают концентрат, содержащий более 50 % TiO2 со степенью обогащения титана ~35 %. Образовавшиеся немагнитные продукты (хвосты) возвращают на первую стадию магнитной сепарации.
4. При проведении флотации в течение 10 мин степень обогащения стремится к максимальному значению - 78 %, однако концентрация титана в обогащенной фракции снижается за счет попадания в нее примесей. Наилучшие показатели достигаются в течение 5-10 мин, а оптимальное время проведения процесса составляет 8-9 мин. Процесс флотации протекает только при концентрации олеата натрия не менее 0,27 г/л. При этом концентрация титана в пенной фракции достигает 32 %, а степень обогащения - 80 %. Процесс флотации ильменитовой руды лучше проводить в слабокислой или нейтральной средах (при pH = 5-7).
5. Кислотность среды - один из ключевых параметров флотации. При
обогащении только флотационным методом оптимальная величина кислотности достигается при рН среды от 5,5 до 7. При этом концентрация NaOl составляет 0,36 г/л, степень обогащения более 77 % и концентрация титана достигает 32%. Эффективность флотации зависит от концентрации титана в руде. Если концентрация титана выше 25 %, то степень обогащения практически не
изменяется и составляет > 80 %.
Концентрация титана в обогащенном продукте возрастает гораздо быстрее с 39 до 44 % (примерно на 5 %), если в руде его содержание не превышает 40 %. При концентрации титана в руде более 40 % его концентрация в обогащенной фракции увеличивается гораздо медленнее, хотя степень обогащения по-прежнему была высокой и достигала 86 %.
6. При обогащении с использованием нескольких методов, например применяя электростатическую и электромагнитную сепарацию, а также флотацию процесс лучше проводить в более кислой среде в диапазоне рН от 4,5 до 6. В этих условиях эффективность использования всех применяемых добавок возрастает и, в результате, образуются ильменитовый концентрат с высоким содержанием титана, составляющим не менее 32 %.
7. С увеличением концентрации силиката натрия от 0,18 до 0,36 г/л степени обогащения титана и железа уменьшаются незначительно - с 80 до 70 %. В этих условиях степени обогащения циркония и кремния падает гораздо сильнее - с 68 до 5 % (в 12-14 быстрее). Поэтому Na2SiO3 является эффективной добавкой в процессе флотации для отделения целевых компонентов (титана и железа) от примесей - циркония и кремния. Таким образом для повышения эффективности удаления Si и Zr из титановой фракции концентрация Na2SiO3 должна быть не менее 0,3 г/л. При изучении влияния добавки ацетата свинца показано, что наибольшая эффективность флотации ильменита достигается в диапазоне pH = 6-8 при степени обогащения более 80 %. Минимальная концентрация Pb(CH3COO)2, необходимая для проведения процесса, составляет ~0,35-0,4 г/л.
8. Для улучшения флотации ильменита в качестве ингибитора анионов применяют фторид натрия. При концентрации NaF равной 0,5-0,6 г/л степень обогащения ильменитовой руды приближается к 82 %. В кислой среде, при рН = 56,5, обеспечивается максимальная эффективность флотации. При этом степень обогащения ильменита превышает 80 %, а при pH = 5-6 достигает ~82 %.
9. Разработанная комбинированная схема обогащения ильменитовых руд позволяет получить ильменитовый концентрат, содержащий не менее 32 % титана, а также рутиловый концентра, содержащий более 45 % титана.
