Инновационные технологии строителдьных материалов в структуре комплексной переработки железнорудных отхожов Мундыбашской обогатительной фабрике

Мочалов Сергей Павлович, доктор технических наук, профессор, ректор СибГИУ;
Шатилов Николай Иванович, председатель Совета народных депутатов Кемеровской области;
Столбоушкин Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, проректор по АХР СибГИУ;
Стороженко Геннадий Иванович, доктор технических наук, директор ООО «НПП Баскей», г. Новосибирск;
Бердов Геннадий Ильич, доктор технических наук, профессор НГАСУ, г. Новосибирск;
Пермяков Арнольд Аркадьевич, кандидат геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии и геодезии СибГИУ.

В начале XXI века нарастающие проблемы промышленных регионов с развитыми горнодобывающими и металлургическими производствами по-прежнему связаны с непомерно большим энергопотреблением и образованием (за многие десятилетия) техногенных месторождений, запасы которых исчисляются в России миллиардами тонн. Системное решение этих проблем возможно только путем создания принципиально новых технологий комплексной переработки отходов с выходом на высокий уровень рентабельности. В Кузбассе наиболее массовыми отходами являются отходы обогащения железных руд (хвосты) Абагурской обогатительно-агломерационной фабрики (АОАФ) и Мундыбашской обогатительной фабрики (МОФ), входящих в состав подразделений ОАО «Евразруда». Например, годовой выход в отвалы только отходов МОФ составляет порядка 700 – 800 тыс. кубометров, и в процессе более чем полувековой эксплуатации в двух хвостохранилищах фабрики скопилось почти 50 млн тонн лежалых железорудных хвостов.

Рис. 1. Технологическая система
комплексной переработки и
утилизации железорудных отходов
Мундыбашской обогатительной фабрики

Проектные ресурсы старого хвостохранилища, в которое закачано около 40 млн тонн горной массы, полностью исчерпаны. Запасы нового действующего хранилища «Р-Жасминка» постоянно пополняются, но, по заключению специалистов, дальнейшее распространение железорудных хвостов может привести к экологической катастрофе. В условиях мирового экономического кризиса руководство «Евраз-груп», с целью снижения расходов, приняло решение о закрытии Мундыбашской обогатительной фабрики, что фактически является социальной катастрофой для г. Мундыбаша. В этой связи администрацией Кемеровской области предлагается организовать производство по переработке отходов обогащения фабрики, что актуально в перспективе и для АОАФ.

На сегодняшний день разработана и частично используется для строительных нужд технология утилизации грубозернистой фракции железорудных отходов вместо песка для кладочных растворов, бетонов и асфальтобетонных смесей. Однако объемы выемки песчаной фракции незначительны по сравнению с текущим выходом хвостов, и это при том, что промышленность строительных материалов Кемеровской области испытывает нехватку песка. Наращивание выпуска товарного песка из отходов до рекомендуемых объемов производства (например, 450 тыс. кубометров в год для Мундыбашского хвостохранилища позволит добывать песок в течение 35 – 40 лет) сдерживается рядом причин, главной из которых является отсутствие четкой концепции рациональной комплексной переработки отходов. Существующие предложения по рекультивации, созданию почвенного слоя и высадке зеленых насаждений на территории хвостохранилищ не могут быть признаны экономически целесообразными, так как преследуют цель культурного «захоронения» хвостов. Если принять во внимание, что в общей массе отходов кроме тонкодисперсной «пустой» породы содержатся тонны золота, десятки тонн серебра и сотни тысяч тонн железа, то хвостохранилища фабрик можно рассматривать как техногенные месторождения минерального сырья.

Cодержание ценных компонентов в лежалых хвостах старого хвостохранилища МОФ. Распределение частиц разной крупности по площади хвостохранилищ неравномерное и подчиняется определенной закономерности. Крупные и наиболее тяжелые частицы располагаются в непосредственной близости к пульпопроводу на дамбе. С удалением от пульпопровода по направлению к центру хвостохранилища крупность частиц и плотность уменьшается. Процентное соотношение главных минеральных форм в пробах также зависит от расположения хвостов по отношению к центральной части хранилищ (табл. 4). Главными минералами в лежалых хвостах являются гранат (до 40 %), в преобладающих фракциях, эпидот (до 26 %), амфиболы (до 20 %), кальцит (до 18 %), полевые шпаты (до 30 %) и кварц (до 19 %). Пироксены (при подсчете объединялись с амфиболами) хлорит и мусковит составляют обычно первые проценты.

Рис. 2. Технологическая схема
производства керамического кирпича
из шламинистой части отходов
обогащения железных руд

Содержание рудных минералов, представленных главным образом пиритом, в меньшей степени магнетитом, колеблется в довольно широком пределе (от первых до 20 %). Значительный разброс процентного содержания минеральных форм в пробах связан также с особенностями распределения минералов по фракциям. Содержание граната увеличивается от крупных к мелким фракциям, причем максимальное его количество приходится на алевритовую фракцию 0,09 – 0,05 мм. Эпидот преимущественно преобладает в среднепесчаной фракции 0,5 – 0,35 мм; амфиболы — в двух фракциях, алевритовой и крупнопесчаной 1,0 – 0,5 мм. Максимальное содержание кальцита в большинстве проб приходится на мелкопесчаную фракцию 0,25 – 0,09 мм. Для полевых шпатов характерно снижение их количества с уменьшением размера зерен. Кварц, как правило, обладает максимальными содержаниями в пределах средне- и мелкопесчаных фракций. Определенная закономерность в распределении по фракциям наблюдается и у рудных минералов. Последовательное обогащение рудными минералами в отличие от полевых шпатов происходит, наоборот, от крупнопесчаных фракций к алевролитам. Максимальные содержания рудных минералов отмечается для фракции 0,09 – 0,05 мм.

Отмеченные особенности неодинакового распределения фракций по размерам, плотности частиц и содержанию минеральных форм железорудных отходов в зависимости от географии хвостохранилища Мундыбашской обогатительной фабрики необходимо учитывать при проектировании и внедрении технологий их переработки. Условием высокой рентабельности при освоении техногенных месторождений является полная и комплексная утилизация сырья с использованием принципиально новых технологий для извлечения «цен-ных» концентратов и использования пустой породы в производстве строительных материалов.

С экономической точки зрения, комплексная переработка железорудных хвостов мокрой магнитной сепарации со средней карьерной влажностью 8 – 10 % возможна только при использовании инновационных технологий на основе сухого обогащения.

Основным недостатком предлагаемых технологий «мокрого» обогащения хвостов можно считать образование огромного количества (42% от всей массы хвостохранилища) новых отходов, представленных шламистой силикатной частью, использование которой в производстве строительных материалов нерентабельно из-за их высокой дисперсности и влажности. Кроме того, возникает необходимость использования оборотной воды и флотореагентов, применения развитой системы гидротранспорта и насосных станций, обустройства гидроотвалов и т.д.

Проведенные исследования вещественного состава лежалых железорудных хвостов МОФ и их шламистой части позволили авторам предложить комплексную переработку отходов с целью получения:

металлосодержащего концентрата;
кирпича керамического;
строительного песка;
порокремниевого гравия и камнелитых плиток.

В случае организации переработки лежалых железорудных хвостов МОФ, а в дальнейшем и АОАФ по ресурсосберегающей технологии сухого обогащения с использованием электросепарации, их шламистая часть может быть отделена от металлосодержащих грубодисперсных частиц и стать дешевым сырьем для производства изделий стеновой керамики. Разделение хвостов на классы по технологии сухого обогащения имеет существенное преимущество, которое состоит, прежде всего, в отказе от воды, что резко удешевляет природоохранные мероприятия и снижает расходы энергии во всех операциях обогащения [2].

Кроме того, технология сухого обогащения позволяет:

существенно снизить себестоимость (на 50 % и более) переработки хвостов за счет отказа от использования воды;
получить все продукты разделения сухими (металлосодержащий концентрат, песок и шламистую часть) и, следовательно, имеющими более высокую коммерческую ценность, чем мокрые;
реализовать круглогодичную переработку хвостов и извлечение шламистой части для производства керамического кирпича;
разделять минеральные смеси, компоненты которых (минералы) отличаются по крупности, плотности, магнитным и электрическим свойствам.

Авторами разработана принципиально новая ресурсо- и энергосберегающая технология разделения лежалых железорудных «хвостов» из отвалов рудообогатительных фабрик методом сухого обогащения, позволяющая в дальнейшем использовать испытанные способы получения различных концентратов. Предлагаемая технологическая схема утилизации хвостов Мундыбашской обогатительной фабрики показана на рис. 1. На первой стадии путем гравитационной классификации отходов в потоке теплоносителя выделяются три вида промпродуктов: тяжелый металлосодержащий концентрат, силикатная песчаная фракция и шламистая часть.

Рис. 3. Структура керамического матричного композита
на основе шламистой части
железорудных хвостов в массиве кирпича (а);
то же х10 в отраженном свете (б):
1 – матрица; 2 – заполнитель

Примером использования новой технологии обогащения является завод по сухому обогащению глинистого сырья месторождения Макванети в Грузии, построенный фирмой «Geomaginvestprom LTD» по лицензии ООО «Научно-производственное предприятие Баскей» [3]. Сушка, помол и классификация минерального сырья осуществляется в одном аппарате, измельчительно-сепарационной установке (ИСУ). Разделяемый материал сушится и измельчается в вихревой мельнице-сушилке, откуда поступает на классификацию в инерционно-гравитационные устройства для разделения частиц в заданном диапазоне. Наиболее мелкие фракции улавливаются в циклоне, ультрадисперсные частицы – в рукавных фильтрах. Дальнейшая переработка тяжелой части «хвостов» позволит получать магнетитовый, гранатовый, сульфидный и золото-серебросодержащий концентраты.

Для извлечения металлов наряду с «классическими» в качестве инноваций предлагаются высокотемпературные технологии на базе струйно-эмульсионного энерго-металлургического агрегата типа СЭР и нанотехнологии селективного извлечения металлов [4]. Дисперсная силикатная фракция может быть использована в производстве мелкозернистого заполнителя для бетонов, песка и наполнителя для асфальтобетонных смесей. При реализации проекта комплексной переработки железорудных отходов МОФ выпуск этой товарной продукции будет организован в первую очередь в течение нескольких месяцев. Шламистая часть хвостов, занимающая 50 % от общего выхода, после корректировки шихты будет служить дешевым сырьем для производства изделий стеновой керамики. Примерная технологическая схема производства кирпича показана на рисунке 2. По предлагаемой технологии запатентованным авторами способом производства керамических стеновых изделий из шламистой части хвостов можно производить керамический кирпич марки 150, 200 в соответствии с ГОСТ 530-2007. Разработан технологический регламент производства.

Получение прочного керамического кирпича из отходов стало возможным благодаря инновационной технологии керамического матричного композита с ячеисто-заполненной структурой [5]. Разветвленный пространственный каркас имеет непрерывное строение и представляет собой своеобразную матрицу, объединяющую гранулы. Матрица композиционного материала, выполняющая функцию «связующего», формируется из глины, а «заполнитель» – из шламистой части отходов (рис. 3). Результаты научных исследований были проверены в промышленных условиях на Ермаковском заводе керамических стеновых материалов. На основе шламистых железорудных отходов была выпущена опытно-промышленная партия керамического кирпича марки 150. Кирпичи, благодаря особенностям структуры, имели морозостойкость более 35 циклов и высокий предел прочности при изгибе (более 10 МПа). Таким образом, предлагаемая схема сухого обогащения позволит решить вопросы комплексной переработки железорудных отходов обогатительных фабрик Кузбасса.

Список литературы:

Столбоушкин А.Ю. Необходимость и перспективы утилизации шламистых железорудных отходов Кузбасса в технологии стеновых керамических материалов / А.Ю. Столбоушкин, Г.И. Стороженко // Строительные Материалы. – 2009. – № 4. – С. 77-80.
Стороженко Г.И. Опыт внедрения технологии одностадийного сухого обогащения каолинов / Г.И. Стороженко, Н.А. Дворников, В.Д. Чивелев и др. // Строительные Материалы. – 2009. – № 4. – С. 46-50.
Кардава Л.Р. Сухое обогащение глин месторождения Макванети (Республика Грузия) / Л.Р. Кардава, А.А. Магутадзе, Р.Л. Кардава и др. // Строительные Материалы. – 2008. – № 12. – С. 4-6.
Цымбал В.П. В разделенных потоках. О новых способе и агрегате переработки природно-легированных руд и получения металлов / В.П. Цымбал, С.П. Мочалов // Металлы Евразии. – 2006. – № 6. – С. 78-80.
Столбоушкин А.Ю. Особенности формирования структуры керамического матричного композита из гранулированных шихт / А.Ю. Столбоушкин // Изв. Вузов. Строительство. – 2008. – № 11-12. – С. 25-32.