CC BY
59
УДК 662.7.004.18
НАУКОЕМКИЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО И СИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ ВЕРХНЕГО И СРЕДНЕГО ПРИАМУРЬЯ
© 2009 В.С. Римкевич1, А.П. Сорокин2, Ю.Н. Маловицкий1, А.А. Пушкин1
1 Институт геологии и природопользования ДВО РАН
2 Амурский научный центр ДВО РАН, г. Благовещенск
Поступила в редакцию 11.11.2009
На основе фундаментальных и технологических исследований процессов переработки алюмосиликатного и силикатного сырья выявлены оптимальные условия получения огнеупорных волокнистых материалов, алюминия, кремния и их соединений. В результате разработаны наукоемкие инновационные технологии комплексного производства различной товарной продукции из местного минерального сырья, освоение которых позволит создать высокотехнологичные горнопромышленные комплексы и металлургические предприятия в Верхнем и Среднем Приамурье.
Ключевые слова: алюмосиликатное сырье, технологии переработки, огнеупорные материалы
Развитие производительных сил Верхнего и Среднего Приамурья во многом определяется эффективным промышленным использованием минерально-сырьевой базы профилирующих для этого региона месторождений железа, титана, бурых и каменных углей, россыпного и рудного золота, различного нерудного сырья и других видов полезных ископаемых [1]. При этом промышленное производство должно быть не только экономически рентабельным, но и экологически безопасным для окружающей среды. В основе предлагаемых инновационных технологий лежат фундаментальные и технологические наукоемкие разработки с использованием местного алю-мосиликатного и силикатного сырья.
В Верхнем и Среднем Приамурье широко распространены каолиновые и огнеупорные глины, расположенные в Райчихинском и Магдагачинском районах (месторождения Святогорское, Антоновское, Чалганское и др.), высокоглиноземистые породы и анортозиты Каларского массива. Прогнозные ресурсы каолинов оцениваются в 1056 млн. т, высокоглиноземистых сланцев и гнейсов - 1686 млн. т,
Римкевич Вячеслав Сергеевич, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией наукоемких технологий переработки минерального сырь. E-mail: [email protected]
Сорокин Анатолий Петрович, член-корреспондент РАН, Председатель. E-mail: [email protected] Маловицкий Юрий Николаевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории наукоемких технологий переработки минерального сырья. E-mail: [email protected]
Пушкин Александр Андреевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории наукоемких технологий переработки минерального сырья. E-mail: [email protected]
лабрадоритов (без учета андезинитов) Каларского массива - 34 млрд. т [2]. В Амурской области действует Зейская гидроэлектростанция, а с введением в полную эксплуатацию Бурейской ГЭС регион будет обеспечен в большом объеме дешевой электроэнергией. В перспективе намечается строительство Ниж-небурейской ГЭС, а также каскада низконапорных электростанций на р. Зея, ниже Зей-ской ГЭС. На основе ряда вышеприведенных месторождений в Институте геологии и природопользования ДВО РАН и Амурском научном центре ДВО РАН разработаны и запатентованы экономически эффективные и экологически безопасные инновационные технологии получения огнеупорных волокнистых материалов, алюминия, кремния и их соединений из различного алюмосиликатного и силикатного сырья, а также имеется необходимая производственная база для освоения этих технологий в виде Экспериментально-технологического филиала (ЭТФ) в п.Чалганы Ма-гдагачинского района Амурской области. ЭТФ АмурНЦ действует на Чалганском месторождении каолинсодержащих кварц-полевошпатовых песков, которое расположено на Транссибирской железнодорожной магистрали в 400 км к северо-западу от г. Благовещенска. Утвержденные запасы каолинов составляют 65,5 млн. т, прогнозные ресурсы оцениваются в 190 млн. т.
В результате промышленной переработки каолинсодержащих кварцполевошпа-товых песков выделяются следующие кондиционные товарные продукты - каолины, кварцевые пески и полевошпатовый концентрат, которые широко используются в различных
отраслях промышленности (табл. 1). Каолины широко применяются для изготовления изделий тонкой керамики, в качестве наполнителя для бумаги и резины, производства огнеупоров, строительных материалов и других целей. По данным химических анализов каолины являются перспективным небокситовым сырьем для производства алюминия. Кварцевые пески используются в литейной, стекольной
и керамической промышленности, а полевошпатовый концентрат - в керамической, стекольной и электрокерамической промышленности. Следует отметить, что получаемый полевошпатовый концентрат характеризуется высоким калиевым модулем - до 10-12 (обычно 3-5), что позволяет использовать его для производства высоковольтного фарфора.
Таблица 1. Химический состав исходного сырья Чалганского месторождения и
товарных продуктов ЭТФ АмурНЦ
Оксиды, Исходное Каолины Кварце- Полевошпато-
мас.% сырье КН-73 КМ-1 вый песок вый концентрат
8x02 77,38 50,28 46,83 96,64 69,72
АЬОз 14,75 33,88 37,00 0,44 16,27
Бе20з 0,46 0,71 0,96 0,13 0,32
Т1О2 0,35 0,47 0,60 0,28 0,40
№20 0,13 0,14 0,11 0,12 0,95
К2О 1,65 1,20 1,33 1,03 11,37
п. п. п. 4,83 12,86 12,83 0,54 0,90
Сумма 99,55 99,54 99,66 99,18 99,93
Примечание: М^О, СаО и Р205 - не обнаружены. Составы образцов определены в лаборатории химического анализа ИГиП ДВО РАН
Проектная промышленная мощность ЭТФ АмурНЦ составляет 50 тыс. т каолинов, 85,5 тыс. т кварцевых песков и 12,4 тыс. т полевошпатовых концентратов в год. Среднемировая стоимость каолинов составляет 50 долл. США/т, кварцевых песков - 10 долл./т, полевошпатовых концентратов - 70 долл./т. На базе Чалганского месторождения нашими учеными разработаны следующие инновационные технологии: 1 - производства огнеупорных волокнистых материалов; 2 - фторидной металлургии и электролитического извлечения.
Технология производства огнеупорных волокнистых материалов. Шихту, составленную из каолина и глинозема, перемешивают, просеивают, плавят в электропечах, а выпускаемый в виде струй расплав распыляют водяным паром с добавлением эмуль-сола, при этом при выпуске расплава его струи дополнительно подогревают (рис. 1). Применяемая технология значительно уменьшает сечение волокон до 3 мкм, за счет чего не только существенно улучшаются теплоизоляционные свойства материала, но и снижается ломкость волокон, что повышает безопасность применения материала [3]. Для того, чтобы ускорить охлаждение осажденного
материала конвейер выполняют сетчатым, а для облегчения дальнейшего использования материала его на конвейере подпрессовывают.
Конечным продуктом являются огнеупорные волокнистые материалы (рулонный материал, войлок, фетр). Они инертны по отношению к воде, пару, щелочам и кислотам, обладают высокими фильтрующими способностями и электроизоляционными свойствами, в 2-4 раза легче огнеупорного кирпича и выдерживают температуру до 16000С. Огнеупорные волокнистые материалы, выпускаемые по ГОСТ 23619-79, не уступают по качеству таковым, поставляемым на мировой рынок фирмами США и Великобритании, а по ряду показателей превосходят мировые стандарты (табл. 2). Расчетная себестоимость 1 т продукции огнеупорного волокнистого материала равна 840 долл. США при средней себестоимости 1100 долл./т на аналогичных предприятиях Российской Федерации. Огнеупорные волокнистые материалы широко применяются в металлургической, машиностроительной, нефтеперерабатывающей, авиационной, космической, и других отраслях промышленности.
Рис. 1. Технологическая схема производства огнеупорных волокнистых материалов из каолинов Чалганского месторождения
Таблица 2. Сравнительная техническая характеристика огнеупорных
волокнистых материалов
Показатель Рулонный материал Войлок Фетр
ГОСТ 23619-79 США, фирма «Карборун-дум», Каталог, 1990, МКРР-130 ГОСТ 23619-79 США, фирма «Карборун-дум», Каталог, 1990, МКРВ-200 ГОСТ 23619-79 США, фирма «Карборун-дум», Каталог, 1990, МКРФ
АЬОз, мас.% 51 50 50 43,9 50 50
АЬОз+8Ю2, мас.% 97 100 97 94 97 97
потеря массы (ппп), % 0,25 2 2 5 1 2
кажущаяся плотность, кг/м3 130 96-192 200 128 100 128
Технология фторидной металлургии и электролитического извлечения. Для комплексной переработки каолинов, кварцевых песков и полевошпатовых концентратов в качестве фторирующих реагентов использованы гидродифторид (КН4НР2) и фторид аммония (КНдР), которые в нормальных условиях являются экологически безопасными веществами. На первом этапе (рис. 2) обработка каолиновых концентратов фторирующими реагентами происходит при 170-220оС в термической электропечи специальной конструкции. Затем образовавшийся порошкообразный спек загружается в бункер разгрузки, откуда с помощью шнекового питателя подаётся в рабочую зону барабанно-вращающейся электропечи, где под действием температуры (300600° С) и водяного пара происходит химическая реакция с образованием летучего гексаф-торосиликата аммония и нелетучего осадка -
глинозема. Глинозем через обогреваемую выгрузную головку поступает во второй бункер разгрузки. После заполнения бункера глинозем выгружают в изложницы и направляют на дальнейшую кальцинацию при температурах выше 800°С. На втором этапе смесь газов удаляется из барабанно-вращающейся печи через трубу отвода и поступает на абсорбционный аппарат, где происходит образование мелкодисперсного аморфного кремнезема при взаимодействии осажденного гексафторсиликата аммония с аммиачной водой. Полученная в результате реакции пульпа из куба абсорбционной колонны направляется на разделение твердой и жидкой фазы в вакуумный нутч-фильтр, где отделяется твердый осадок аморфного кремнезема, а раствор фторида аммония профильтровывается в нижнюю часть фильтра и поступает на регенерацию в выпариватель-кристаллизатор.
Фтор ил алюминия А№}
Глинозем АЬОч
Кремнезем 4(0,
Электролиз Эпектрогермо-обработка
1
Ал юм и кий А1 Кремний 81
Рис. 2. Технологическая схема комплексной переработки небокситового сырья с извлечением алюминия, кремния и их соединений
На рис. 2 показана замкнутая технологическая схема переработки небокситового минерального сырья с получением товарных продуктов: глинозема и аморфного кремнезема [4]. Из 1000 т каолина марки КМ-1 можно извлечь 445 т аморфного кремнезема и 352 т глинозема. Среднемировая стоимость аморфного кремнезема составляет 5000 долл. США/т, глинозема - 450 долл./т. Ультрадисперсный аморфный кремнезем различной химической чистоты широко используется в качестве наполнителя при производстве резины, текстиля, бумаги, при изготовлении косметической продукции и лекарственных средств, в качестве основы при производстве оптоволоконного кабеля дальней связи и в других отраслях промышленности.
После фторидной обработки (рис. 2) летучий продукт представляет собой гексафто-росиликат аммония ((КН4)281Б6) высокой химической чистоты, обладающий высокими бактерицидными и огнестойкими свойствами, который широко применяется в мебельной промышленности, при фторировании питьевой воды, для получения аморфного кремнезема и других целей. Электролитическим методом из гексафторосиликата аммония получен аморфный кремний [5], который используется в электронной, радиотехнической, космической и других отраслях промышленности. Среднемировая стоимость гексафторси-ликата аммония составляет 4 тыс. долл. США/т, аморфного кремния - 200 тыс.
долл./т. Из глинозема методом электролитического восстановления получен первичный технический алюминий, а из кремнезема - полупроводниковый кремний. Из 1000 т каолина марки КМ-1 можно извлечь 156 т полупроводникового кремния и 184 т первичного электролитического алюминия. Среднемировая стоимость полупроводникового кремния составляет 35 тыс. долл. США/т, алюминия -2100 долл. /т. Предварительные экономические расчеты показывают, что себестоимость алюминия ниже себестоимости этого металла, извлекаемого из высококачественных бокситов, существенным образом, за счет использования инновационных технологий комплексной переработки различного небокситового сырья. В результате термической обработки каолинов при восстановительных или инертных условиях в нелетучем остатке образуется фторид алюминия (АШ3), используемый как компонент электролитического расплава, для получения криолита, флюсов, эмалей и других целей. Среднемировая стоимость фторида алюминия составляет 1000 долл. США/т.
Применяемые дополнительные компоненты легко восстанавливаются с отсутствием твердых, жидких и газообразных отходов, что обеспечивает их многократное использование в замкнутых технологических процессах и гарантирует полную экологическую безопасность окружающей среды. Следует отметить, что стоимость выпускаемой наукоемкой товарной продукции будет превышать в сотни и
тысячи раз стоимость исходного минерального сырья. Например, стоимость 1 т кварцевого песка составляет 10 долл. США/т, а получаемого из него аморфного кремнезема - 5000 долл./т и аморфного кремния - 200 тыс. долл./т.
Разработанную инновационную технологию переработки небокситового сырья методом фторидной металлургии можно реализовать на стандартном опытно-промышленном и промышленном оборудовании с незначительной реконструкцией. Функциональные возможности разработанной инновационной технологии и применяемой аппаратуры заключаются в их использовании для любого состава различного небокситового сырья и низкокачественной высококремнистой бокситовой руды. Полученные физико-химические характеристики фторидной экстракции и электролитического извлечения алюминия, кремния и их соединений вносят вклад в решение проблемы расширения минерально-сырьевой базы алюминиевой промышленности РФ и являются основой для дальнейших фундаментальных и технологических исследований по извлечению рудных металлов из горных пород и отходов промышленного производства.
На основе месторождений алюмосили-катного и силикатного сырья в Верхнем и Среднем Приамурье существуют благоприятные перспективы для развития высокотехнологичных горнопромышленных комплексов и металлургических предприятий по производству
огнеупорных волокнистых материалов, алюминия, кремния и их соединений с использованием разработанных инновационных технологий. Местная сырьевая база и огромные экономические ресурсы позволят получать конечную товарную продукцию, конкурентоспособную с производимой в центральных районах России, странах ближнего и дальнего зарубежья.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Васильев, И.А. Минерально-сырьевая база Амурской области на рубеже веков / И.А. Васильев, В.П. Капанин, Г.П. Ковтонюк и др. // Благовещенск: Зея, 2000. - 168 с.
2. Оценка перспектив алюминиевого сырья Дальнего Востока. Хабаровск: ДВИМС, 1979. - 528 с.
3. Сорокин, А.П. Комплексная переработка силикатного и алюмосиликатного сырья Верхнего Приамурья / А.П. Сорокин, В.С. Римкевич, Ю.Н. Маловицкий и др. // Материалы XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий. -Екатеринбург: УРО РАН, 2006. - С. 314-316.
4. Римкевич В.С., Маловицкий Ю.Н., Демьянова Л. П. Способ переработки кремнеземсодержаще-го сырья. Патент РФ №2286947. - 2006, БИ №31.- С. 304.
5. Маракушев, А.А. Экспериментальные исследования несмесимости галогенидно-силикатных расплавов и получение кремния электролизом водного раствора (КН4)28!Р6 / А.А. Маракушев, И.А. Зубенко, Ю.Н. Маловицкий и др. // Бюл. моск. об-ва испытателей природы. Отд. геол. -2005. - Т. 80, вып. 5. - С. 47-51.
THE HIGH TECHNOLOGY INNOVATIVE ENGINEERING OF COMPLEX PROCESSING ALUMINOSILICATE AND SILICATE RAW MATERIAL FROM UPPER AND MIDDLE PRYAMURYE
© 2009 V.S. Rimkevich1, A.P. Sorokin2, Yu.N. Malovitskiy1, A.A. Pushkin1
1 Institute of Geology and Nature Management FEB RAS 2 Amur Science Centre FEB RAS, Blagoveshchensk
On the basis of fundamental and technological researches of processing aliminosilicate and silicate raw material optimum conditions of reception the fire-resistant fibrous materials, aluminium, silicon and their bridgings are revealed. As a result the high technology innovative engineering of complex production various commodity output from local mineral raw material which development will allow to create hi-tech mining complexes and metallurgical factories in Upper and Middle Pryamurye are developed.
Keywords: aluminosilicate raw material, engineering of processing, fire-resistant materials
Vyacheslav Rimkevich, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Head of the Laboratory of Mineral Processing High Technologies. E-mail: [email protected] Anatoly Sorokin, Corresponding Member of RAS, President. E-mail: [email protected]
Yury Malovitskiy, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Research Fellow at the Laboratory of Mineral Processing High Technologies. E-mail: [email protected] Alexander Pushkin, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Research Fellow at the Laboratory of Mineral Processing High Technologies. . E-mail: [email protected]
