Обогащение полезных ископаемых

Введение

Медно-цинковые руды являются ценным металлургическим сырьём. Наиболее ярко они представлены месторождениями Урала. Большинство руд Алтая являются свинцово-медно-цинковыми. Также часть руд представлена окисленными, к числу которых можно отнести руды Ачисайского Южно-Казахстанского месторождения [1].
Из-за низкого содержания металлов сульфидные руды предварительно обогащают с целью выделения концентратов. В зависимости от генезиса сульфидных руд и степени взаимной вкраплённости минералов при обогащении получают различные по составу цинковые и другие концентраты.
Одним из перспективных способов переработки медно-цинковых концентратов является технология автоклавного выщелачивания, которая на данный момент недостаточно широко задействована в металлургическом производстве меди и цинка в силу сложности процесса и большого разброса параметров исходного сырья.
Цель работы – рассмотреть сущность и химизм основных процессов автоклавного выщелачивания на примере переработки медно-цинковых концентратов, дать оценку направлениям развития данного металлургического процесса.


1. Технология автоклавного выщелачивания при переработке медно-цинковых концентратов
Медно-цинковые концентраты и промпродукты характеризуются содержанием цинка в пределах 25…30%, меди 6…18%, свинца 4…12% и железа (до 22…30%). Учитывая полиметаллический характер этого типа сырья, неоднократно испытывали разнообразные методы переработки, в том числе с применением гидрохимических технологий [3]. Наиболее представительными считаются методы селективного извлечения цинка в раствор, в том числе с использованием безокислительного, окислительного, нейтрального и сернокислотного способов выщелачивания.
Автоклавное выщелачивание производится в растворах серной кислоты и описывается реакциями:
CuS+H2SO4+0,5O2 → CuSO4+S°+H2O;
Cu5FeS4+6H2SO4+3O2 → 5CuSO4+FeSO4+4S0+6H2O;
CuFeS2+H2SO4+5/4O2+0,5H2O → 4CuSO4+Fe(OH)3+2S°,
ZnS+H2SO4+0,5O2 → ZnSO4+S°+H2O;
Zn5FeS4+6H2SO4+3O2 → 5ZnSO4+FeSO4+4S0+6H2O;
ZnFeS2+H2SO4+5/4O2+0,5H2O → 4ZnSO4+Fe(OH)3+2S°.
Операцию проводят в 2 стадии при температуре 370…380 К, давлении Рс =0,7…1,4 МПа. Через 2…3 ч. процесса выщелачивается 98…99% Cu, Fe, Zn, вся сульфидная серу окисляется до сульфатной. Нерастворимый остаток имеет следующий состав, %: 0,6…2,6 Cu, 1,1…2,2 Fe, 0,1…0,5 Zn, 55…80 S (в том числе S0 50…75%).
После флотации получают отвальную гидратную фазу, с которой теряется часть цветных металлов. Вторичный концентрат, полученный после отделения серы, содержащий цветные и благородные металлы, нуждается в поиске специальной технологии переработки, возврат его на выщелачивание нецелесообразен: присутствующие труднорастворимые формы увеличивают в итоге циркуляционные нагрузки, а пирит явится источником кислоты, что осложняет кислотный баланс операции.
Цинк, медь и железо из растворов осаждают сероводородом или гидросульфидом натрия при давлении Р = 0,35…0,7 МПа и температуре 340…360 К [6]:
ZnSO4 + NaHS = ZnS + NaHSO4;
CuSO4 + NaHS = CuS + NaHSO4;
Fe2(SO4)3 +NaHS = 2FeSO4 +NaHSO4 + S;
H2SO4 + NaHS = NaHSO4 + H2S.
Показатели операции зависят от кислотности исходного раствора, температуры, давления. Например, при обработке исходного раствора, содержащего, г/дм3: 20…30 Zn, 35…55 Fe, 20…50 H2SО4 при 340 К, Рн =0,35 через 30…60 мин остаточное содержание цинка не превышало 1,5 г/дм3

. При обработке более бедных по цинку растворов и большой кислотности используют повышенные температуры и давление.


2. Оборудование для автоклавного выщелачивания
Операцию выщелачивания проводят в автоклавах - герметичных аппаратах, рассчитанных на обеспечение требуемого давления. Последнее складывается из давления паров воды, летучего реагента при данной температуре и давления реакционного газа.
Схематическое устройство автоклавов показано на рисунке 2.1.

а) – горизонтального перемешивания; б) – вертикального перемешивания;
1 — исходная пульна; 2 — реакционный газ; 3 — отработанная парогазоная смесь (абгаз); 4 — конечная пульпа; 5 — привод мешалок; 6 — двухъярусные (турбинная и лопастная) мешалки; 7 — секционирующие перегородки; 8 — футерованные перегородки; 9 — винтовая мешалка; 10 — диффузор
Рисунок 2.1 – Устройство автоклавов
Корпус автоклавов изготавливают из конструкционных сталей, внутри футеруют антикоррозионным материалом (резина, кислотоупорный кирпич на специальной замазке, керамика, высоколегированные стали, титановые сплавы). Ёмкость автоклавов составляет 15…320 м3. Горизонтальные большие автоклавы (V > 50 м3) разделяют внутри перегородками. Длина камеры равна диаметру автоклава; в каждой камере имеется перемешивающее устройство. Число камер не превышает 4; в противном случае при обеспечении статистического перепада для перетока пульпы из камеры в камеру уменьшается эффективность использования внутреннего объёма аппарата. Для регулирования теплового режима в объёме автоклава установлены теплообменники.
Автоклавы с механическим перемешиванием обеспечивают более интенсивный гидродинамический режим и аэрацию; однако они дороже, возникают трудности эксплуатации перемешивающих устройств и герметизации узлов их ввода в корпус аппарата.


3. Направления совершенствования автоклавного выщелачивания
Анализ совокупности имеющихся промышленных данных по переработке Cu–Zn концентратов свидетельствует, что внедрение более совершенных методов рудоподготовки, применение селективных по отношению к сфалериту и пириту органических депрессоров, новых типов флотореагентов и методов сульфидирования окисленных минералов способствуют росту извлечения целевых металлов и повышению качества селективных концентратов в незначительных пределах. Возможным направлением совершенствования существующей технологии, наряду с максимальным использованием возможностей, связанных с обогатительным циклом, является её модернизация с применением гидрометаллургических процессов, в частности автоклавного кондиционирования флотационного цинксодержащего медного концентрата [7].
Исследования методов автоклавного выщелачивания проводились в течение многих лет в ведущих научных институтах страны: Уральском политехническом институте, Гинцветмете, Гипроникеле, ИМЕТе им. А.А. Байкова и др. Были исследованы методы автоклавного содового, аммиачного, сернокислого и нейтрального выщелачивания медно-цинковых промпродуктов. Из опробированных вариантов автоклавного разложения интерес представляет метод нейтрального выщелачивания, позволяющий эффективно осуществить селективное разделение меди и цинка с высокими количественными показателями при переработке сульфидных медно-цинковых полиметаллических концентратов за одну технологическую стадию.
В последнее время появилось достаточное число новых методов переработки медно-цинковых концентратов