Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новой технологии и создание оборудования для получения наноразмерных магнезиальных порошков при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита для различных отраслей промышленности

Докладчик: Селеменев Владимир Федорович

Должность: Заведующий кафедрой , профессор,доктор химических наук

Цель проекта:
Разработка и экспериментальная реализация новой технологии утилизации отходов, образующихся при добыче и переработке аморфного магнезита с получением востребованных товарных продуктов в виде наноразмерных магнезиальных порошков и композиционной периклазовой керамики, что обеспечит снижение экологической нагрузки на окружающую среду на территориях, прилегающих к горным и обогатительным предприятиям. Разработка научно-технических основ технологии получения наноразмерных магнезиальных порошков и композиционной периклазовой керамики при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита для металлургической и химической промышленности, медицины и сельского хозяйства.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) результаты теоретических и экспериментальных исследований;
г) результаты анализа данных экспериментальных исследований;
д) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
2 Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Математическая модель для прогнозирования технико-экономических показателей и обоснования оптимального сочетания технических решений при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита с получением обогащенных магнезиальных наноразмерных порошков и наноструктурных композиционных керамических материалов на их основе.
4 Результаты математического моделирования технико-экономических показателей разрабатываемой технологии утилизации отходов обогащения аморфного магнезита, позволяющие осуществить их прогноз с целью выбора рационального экономически обоснованного способа утилизации и обоснования оптимального сочетания технических решений.
5 Способ утилизации отходов обогащения аморфного магнезита, включающий вновь разработанные технологические принципы обогащения минерального сырья, методические подходы и технологические решения переработки хвостов обогащения.
6 Проект технологического регламента утилизации отходов добычи и переработки хвостов обогащения магнезита с получением:
1) магнезитового концентрата с содержанием карбоната магния не менее 95%;
2) нитрата магния;
3) композиционной периклазовой керамики высокой частоты.
7 Эскизная конструкторская документация (ЭКД) на экспериментальный образец установки для получения наноразмерных магнезиальных порошков при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита.
8Программа и методики экспериментальных исследований экспериментальных образцов магнезиального концентрата, порошков нитрата и оксида магния, композиционной периклазовой керамики высокой чистоты.
9 Экспериментальные образцы обогащенного магнезиального концентрата, порошков нитрата и оксида магния, композиционной периклазовой керамики высокой чистоты, полученные из отходов обогащения аморфного магнезита.
10 Результаты исследования экспериментальных образцов магнезиального концентрата, порошков нитрата и оксида магния, композиционной периклазовой керамики высокой чистоты (гранулометрический состав порошков, структура, плотность, фазовый и химический состав, предел прочности на сжатие и изгиб, модуль упругости).
10 Экспериментальный образец установки для получения наноразмерных магнезиальных порошков при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита, обеспечивающая демонстрацию и апробацию данного метода.
11 Результаты испытаний экспериментального образца установки для получения наноразмерных магнезиальных порошков при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита.
12 Результаты количественной оценки экологической эффективности внедрения разработанной технологии утилизации отходов обогащения аморфного магнезита.
13 Лабораторный технологический регламент получения наноразмерных магнезиальных порошков и композиционной периклазовой керамики высокой чистоты при утилизации отходов обогащения аморфного магнезита.
14 Проекты технических условий на:
1)магнезитовый концентрат;
2)нитрат магния;
3)изделия керамические периклазовые.
15 Технические требования и предложения по организации производства магнезитового концентрата, нитрата магния и периклазовых керамических изделий для цветной и черной металлургии с учетом технологических возможностей и особенностей ООО «Завод ФММ».
16 Результаты исследований воздействия магнезитового концентрата с содержанием карбоната магния не менее 95% на биологические системы в экспериментах invivo и invitro:
1)Критерии оценки цитотоксичности магнезитового концентрата;
2)Критерии оценки общетоксического действия магнезитового концентрата;
3)Критерии оценки фармакокинетики магнезитового концентрата.
17 Проект технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка технологического процесса получения наноразмерного порошка оксида магния методом термического разложения дисперснораспыленного концентрированного раствора нитрата магния».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Различные соединения магния широко применяются в виде порошков во многих отраслях промышленности, а именно: в производстве периклазовых порошков; в изготовлении высококачественных огнеупорных изделий; в производстве трансформаторной стали; в изготовлении цемента и ряда других строительных материалов; в электротехнической промышленности для производства электроизоляционных материалов; при изготовлении электротермического оборудования, необходимого для точной термообработки черных и цветных металлов; в производстве катализаторов; в люминесцентной дефектоскопии, в качестве проявляющего порошка при проверке деталей на трещины; в качестве химического реактива в научных и учебных целях; в медицине и фармацевтике; в ветеринарии; в производстве косметических средств; в производстве удобрений.
В последние годы оксид магния используется российскими предприятиями все более широко.
Аналогичная тенденция к увеличению спроса на данный продукт наблюдается во всем мире. Наибольшие объемы потребления оксида магния сосредоточены в огнеупорной отрасли – в производстве периклазов, огнеупорных порошков и смесей высокого качества. Дефицит качественного магнезиального сырья отечественного производства в российской огнеупорной отрасли превышает 100 тыс.т в год, что подтверждают данные ГТК РФ по импорту спеченного и плавленого периклаза.
Также большой объем неудовлетворенного спроса на оксид магния наблюдается в производстве особых сортов цемента, сухих строительных смесей, и других стройматериалов. Оксид магния является исходным продуктом для производства ксилолита. Объемы спроса в производстве строительных материалов на качественные марки оксида магния оцениваются на уровне 3-5 тыс.т в год. . Растущий спрос на различные зарубежные марки оксида магния ежегодно увеличивает объем импортируемой продукции на российский рынок. При этом наблюдается стабильный рост цен на завозимую продукцию. Таким образом, можно оценивать этот рынок, как очень перспективный.
По оценкам ВНИИХТ (Москва) ежегодные закупки оксида магния для производства трансформаторной стали по импорту составляют более 6 тыс. т., основные поставщики - фирмы «SCORA» (Франция), «DSP» (Израиль), «Tateha Chemiсal» (Япония), «Lehmann» (Германия). Основные потребители оксида магния для производства трансформаторной стали в России - Новолипецкий металлургический комбинат (г. Липецк), Верх-Исетский металлургический завод (г. Екатеринбург), «Северсталь», Ашинский металлургический завод (г. Аша, Челябинская область). Подробных статистических наблюдений по потреблению указанных сортов и марок оксида магния в России не ведется. Однако, в настоящее время в России и за ее пределами активно ведутся поиски новых технологий и источников сырья получения востребованных сортов и марок оксида магния, способных снизить стоимость конечного продукта.
Рассматриваются варианты переработки как природного, так и техногенного сырья.

Текущие результаты проекта:
На современном этапе отличительным признаком развитых стран является рациональное потребление ресурсов, а одним из важнейших направлений ресурсосберегающей деятельности государства считается эффективное использование отходов производства [Столбоушкин А.Ю. Формирование ячеистозаполненной структуры керамических композиционных материалов (на примере железорудных отходов // Вестник тувинского государственного университета. №3 технические и физико-математические науки. – 2013. - №3. - С. 47-58]. В России, где вследствие богатой минеральной сырьевой базы, практически каждый регион добывает и перерабатывает полезные ископаемые, вопрос утилизации промышленных отходов стоит весьма остро. Средний коэффициент использования отходов в качестве вторичного сырья в России оценивается примерно в одну треть, что в 2-2,5 раза ниже, чем в развитых странах [Зайцева Е., Черников Д., Селезнев П. Использование промышленных и бытовых отходов при производстве стройматериалов: [Электронный ресурс]: Экология. Отходы. Мусор. Выбросы. Утилизация. - Стройматериалы / Наука: проекты и технологии. - Переработка мусора: WebDigest, 2003]. Последствия такого отношения к своему природному богатству очевидны: промышленность несет значительные потери сырьевых и энергетических ресурсов, содержащихся в отходах, продолжается интенсивное накопление неиспользуемых отходов в окружающей среде - каждый год примерно 2-2,5 млрд. тонн в год [Павлов В.Ф. Способ вовлечения в производство строительных материалов промышленных отходов // Строительные материалы: technology. - 2003. - № 8. - С. 28-29]. Более 90 % (2700-3200 млн. тонн) образующихся в нашей стране промышленных отходов составляют неорганические продукты добычи и обогащения полезных ископаемых.
Экологические проблемы в области горно-металлургической промышленности ставят перед современными исследователями проблему комплексного использования минерального сырья. Как правило, добываемые руды используются частично, только извлекаемый при обогащении концентрат, в то время как ценность попутных компонентов, выбрасываемых в отвалы в процессе переработки составляет от 30 до 70% от общей потенциальной стоимости руды. Ценность разных металлов и минеральных компонентов в отходах переработки железных руд превышает ценность извлеченного из этих руд железа.
К принципиальным ограничениям широкого использования отходов эксперты относят их неоднородный химический и фазовый состав, наличие примесей (железа, марганца, хрома, титана, золота, серебра и др.) и отсутствие экономической стратегии переработки, опирающейся на современные безотходные технологии обогащения.
В связи с увеличением потребности металлургической, огнеупорной, керамической, химической и других отраслей промышленности в высокомагнезиальном сырье особый интерес представляют высокомагнезиальные породы и безотходные технологии их обогащения [Ильина В.П., Попова Т.В., Фролов П.В. Высокомагнезиальное сырье Карелии и перспективы его использования // Геология и полезные ископаемые Карелии. Вып. 14. Петрозаводск, 2011. - С. 190–196]. Возможность использования высокомагнезиального сырья в различных направлениях определяется рядом факторов: постоянством состава, содержанием сопутствующих минералов, а также структурой, размером и характером распределения зерен магнезиальных минералов, количеством примесей. Присутствующие примеси усложняют технологическую переработку сырья и ухудшают свойства полученных на их основе материалов [Макаров В.Н. Минералогические критерии комплексной переработки рудовмещающих гипербазитов. Апатиты, 1989. - 94 с.; Калинников В.Т., Гришин Н.Н., Белогурова О.А., Иванов В.А. Магнезиальносиликатные огнеупоры на основе вмещающих пород Сопчеозерского месторождения хромитов // Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов: Материалы междунар. науч. конф. Апатиты, 2003. - С. 100-102]. Присутствие в магнезиальном сырье оксидов кальция, алюминия, железа оказывает отрицательное влияние на свойства получаемых из него огнеупоров и электрокерамики, снижая огнеупорность и электросопротивление [Будников П. П., Балкевич В. Л. и др. Химическая технология керамики и огнеупоров. М., 1972. - 551 с].
Сырьевая нехватка высококачественных сортов магнезита с чистотой более 92% наблюдается во всем мире и требует разработки высокоэффективных и энергосберегающих методов обогащения и переработки магнезиального сырья.
Технология обогащения предусматривает ряд операций по переработке исходных руд дроблением, обогащением в тяжелых средах, радиометрической сепарацией, промывкой, флотацией, а также глубоким обогащением с применением гидрометаллургической технологии.
Магнезит, как минеральное сырье, представлено углекислой солью магния (MgCO3), состоящей на 47.8% из MgO и 52.2% из CO2, которая широко используются в производстве огнеупорных изделий, изготовлении медицинских и ветеринарных препаратов, в промышленности строительных материалов.
Как полезные ископаемые выделяются две структурные разновидности магнезитовых руд: кристаллические и аморфные или скрытно-кристаллические.
Кристаллическая форма магнезитовых руд является мономинеральным сырьем с содержанием магнезита до 80-90%, представленным удлиненными кристаллами размером до сантиметра и более. Текстура агрегатов радиально-лучистая. Цвет от серого с различными оттенками до желтого. Твердость магнезита 3.5-4.0, плотность 3.02 г/см3, не магнитный. Руды представлены стратиморфными залежами мощностью до нескольких десятков метров в карбонатно-магнезитовых толщах протерозойского раннего палеозойского возраста (Саткинская группа месторождений на Южном Урале, Савинское месторождение в Саянах, Ляонин в Китае, Кончинца в Словении и др.).
Добыча магнезитового сырья данного типа сопровождается засорением пустых пород – доломитом, дайками диабазов и диорита, что существенно снижает качество полезного ископаемого. В связи с этим были разработаны технологические решения и способы обогащения магнезитовых руд, позволяющие получить концентраты с содержанием магнезита до 92.0-96.0%.
Наиболее эффективным способом обогащения дробленной массы руды кристаллического сырья являются различные варианты применения тяжелых суспензий. Обогащение в тяжелых суспензиях основано на разной плотности минералов. Магнезит имеет плотность 2,94-2,96 г/см3, а примеси имеют плотность 2,94 г/см3. Суспензия, в которой проводят обогащение имеет плотность 2,95 г/см3, в качестве тяжелой суспензии используют смесь воды с фероселицием. Плотность суспензии контролируется либо весовым методом либо радиометрическим плотномером. В тяжелой суспензии магнезит оседает, а примеси всплывают. В результате такого обогащения образуются два продукта: концентрат и хвосты. Концентрат отмывают от суспензии, в результате получается готовый продукт. Различные варианты применения тяжелых суспензий позволяют наиболее полно удалять пустопородный материал из получаемого магнезитового концентрата. При этом низкая стоимость применяемых компонентов и простота реализации данного способа позволяет снизить стоимость обогащенного магнезита на 15-20% [Справочник по обогащению руд. Основные процессы. - М.: Недра,1983. - С. 381].
Известен способ удаления породных примесей (при доочистке концентрата после его обогащения) методом электрической сепарации, заключающийся в том, что низкосортное магнезитовое сырье фракции 8.0-10.0 мкм измельчают до содержания 80-90% фракции тоньше 0.315 мкм, для последующего обогащения в электрических сепараторах. За одну операцию электросепарации содержание MgO в концентрате возрастает с 43.1% до 46.7%. При одновременном снижении содержания CaO с 4.07% до 0.79% и SiO2 уменьшается до 0.2% [Кащеев И.Д., Урванцев А.И. Обогащение магнезита // Новые огнеупоры. – 2012. - №4. – С. 11].
Второй геолого-промышленный тип руд представлен аморфным магнезитом, образованный путем осаждения в виде углекислот магнезита из нисходящих фильтрационных растворов поступающих из вышележащей коры выветривания серпентинитовых пород. В соответствии с этим магнезит залегает в виде различно-ориентированных прожилков с преобладанием субгоризонтального направления. Мощность магнезитовых прожилков колеблется от долей миллиметров до 50-70 см. Твердость магнезита 4-5. В местах пересечения прожилков наблюдаются гнездообразные скопления. Особенностью залегания прожилков в серпентинитовом массиве является ослабленный прочностной контакт между магнезитовым прожилками и вмещающими серпентинитами, поскольку в зоне контакта располагаются малопрочные прослойки нонтронитизированных (глинистых) серпентинитов.
Аморфный магнезит характеризуется фарфоровидной структурой белого цвета с раковистым изломом. Анализ геологического строения месторождений аморфных магнезитовых руд показывает, что мощность залежей колеблется от нескольких метров до 30-40 м при содержании магнезита в толще от 10 до 30%.
Конъюнктура магнезитового рынка показывает, что в 2010 году общий объем мировой добычи магнезитовых руд достиг 17 млн. тонн, из которых на долю «кристаллического типа» приходиться 80%, а аморфного – 20%. При этом, несмотря на низкое содержание магнезита в аморфном типе руд он является более ценным сырьем, благодаря своим высоким потребительским технологическим свойствам.
В практике эксплуатации месторождений аморфного магнезита обогащение добытого минерального сырья осуществляется способами рудоразработки с применением оптических сепараторов.
Однако практика использования данного способа обогащения показала, что в полученном концентрате присутствуют большие количества засоряющих вредных минералов: серпентинита до 5.9%, карбоната кальция до 3.5% и прочих до 4.5%.
К существенным недостаткам такого обогащения относятся низкий выход магнезита. В частности, из материала эксплуатации Халиловского месторождения аморфного магнезита следует, что доля его извлечения в концентрат колеблется от 3.5 до 5.1% при среднем его содержании в залежах 25-30% (Отчет о разведке Халиловского месторождения аморфного магнезита в Гайском районе Оренбурской области 1999-2002. Росгеолфонд. 2003).
Вторым существенным недостатком применения для обогащения аморфного магнезита способа рудоразработки является присутствие в полуобогащенном концентрате высоких содержаний таких вредных минералов как кальцие, серпентинит и их продукты разложения.
Поэтому, для решения проблемы неоднородности сырья, создание новых способов обогащения с использованием магнитных сепараторов с повышенной извлекающей силой, современных электросепараторов, ионизации и др., позволяет уже сегодня разрабатывать экономически обоснованную стратегию освоения техногенных месторождений [Бочкарев Г.Р., Ростовцев В.И. Высокоградиентный магнитный сепаратор для обогащения слабомагнитных руд // ФТПРПИ. - 2004. - № 2. - С. 94-99].