способ очистки кремний-кальцийсодержащего концентрата от примесей

Формула изобретения

1. Способ очистки кремний-кальцийсодержащего концентрата от примесей, включающий дробление концентрата на фракции не более 100 мкм и его обработку с удалением примесей, отличающийся тем, что перед обработкой измельченный концентрат распределяют слоем не более 1 мм на рабочей поверхности, имеющей коэффициент отражения светового потока не менее 0,6, а обработку осуществляют воздействием на концентрат перемещаемого луча лазера с плотностью мощности излучения 10²-10⁶ Вт/см² при скорости перемещения оси луча лазера 0,3-2,0 см/с относительно обрабатываемого концентрата с удалением примесей в виде газообразных продуктов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразные продукты примесей удаляют из зоны, расположенной на расстоянии 2-4 мм от оси луча лазера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии очистки природного и техногенного кремний-кальцийсодержащего концентрата от примесей серы, фосфора и углерода и может найти применение при получении материалов, используемых в покрытиях сварочных электродов.

При переработке природного и техногенного сырья, в частности для получения компонентов покрытий электродов, возникает проблема очистки его от примесей углерода, серы, фосфора, присутствующих в сырье в виде фосфорсодержащих апатитовых минералов фторапатита, хлорапатита, гидроксоапатита и т.п.

Известен способ очистки кремний-кальцийсодержащего концентрата от примесей (см. Мотов Д.Л. Химическая очистка сфенового концентрата от примеси фосфора / Д.Л.Мотов, Г.К.Максимова // Химическая технология переработки редкометалльного сырья Кольского полуострова: Сб. статей. - Л.: Наука, 1972. - С.71-77), включающий обработку сфенового концентрата, содержащего P₂O₅ в количестве 1,58%, разбавленной серной кислотой с концентрацией 70-80 г/л при Т:Ж=1:3-1:5 и температуре 15-30°С в течение 4 ч, отделение осадка от жидкой фазы фильтрацией и промывку осадка водой с удельным его расходом 14-20 л. Высушенный продукт содержит, мас.%: P₂O₅ - 0,10-0,13; SO₃ - более 0,15. Степень очистки концентрата от примесей фосфора составляет 93,5%.

Недостатками известного способа являются недостаточно высокая степень очистки от примеси фосфора, а также то, что при использовании серной кислоты в продукт вносится примесь серы, что не позволяет использовать его в составах покрытий сварочных электродов, так как содержание последней лимитируется 0,10% по SO₃. Кроме того, способ характеризуется большим удельным расходом серной кислоты, превышающим стехиометрический в 8-20 раз, что отрицательно сказывается на экологичности способа.

Известен также способ очистки кремний-кальцийсодержащего концентрата от примесей, принятый за прототип (см. патент РФ № 2174561, МПК⁷ C22B 3/08, 34/12, 2001), включающий обработку концентрата разбавленной 2-12%-ной серной кислотой при температуре 5-18°С до получения в жидкой фазе весового соотношения Ca:P:S равного 1:(0,1-1,0):(0,02-0,4), при этом серно-кислотную обработку концентрата и промывку осадка ведут во взвешенном слое путем подачи соответственно смеси кислоты с воздухом и смеси воды с воздухом. Содержание P₂O₅ в полученном продукте составляет 0,001-0,050%. Степень очистки концентрата от примеси фосфора достигает 98,9%, содержание SO₃ в продукте - 0,006-0,090%.

Известный способ при относительно высокой степени очистки концентрата от серы и фосфора не обеспечивает очистки от углерода. Кроме того, способ является недостаточно экологически чистым в связи с использованием кислотного метода очистки.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение степени очистки концентрата от углерода при обеспечении высокой степени очистки от серы и фосфора, а также повышение экологичности способа.

Технический результат достигается за счет того, что в способе очистки кремний-кальцийсодержащего концентрата от примесей, включающем дробление концентрата на фракции не более 100 мкм и его обработку с удалением примесей, согласно изобретению перед обработкой измельченный концентрат распределяют слоем не более 1 мм на рабочей поверхности, имеющей коэффициент отражения светового потока не менее 0,6, а обработку осуществляют лучом лазера с плотностью мощности излучения 10 ²-10⁶ вт/см² при скорости перемещения оси луча лазера 0,3-2,0 см/с относительно обрабатываемого концентрата с удалением газообразных примесей.

Достижению технического результата способствует также то, что газообразные примеси удаляют из зоны, расположенной на расстоянии 2-4 мм от оси луча лазера.

Распределение тонкоизмельченного концентрата на рабочей поверхности слоем не более 1 мм позволяет проработать лучом лазера весь объем каждой частицы концентрата, тем самым обеспечить наиболее полное удаление примесей.

Использование рабочей поверхности с коэффициентом отражения светового потока не менее 0,6 обеспечивает более высокую интенсивность обработки концентрата, так как при этом на концентрат воздействует не только прямой луч лазера, но и отраженный от рабочей поверхности, что способствует наиболее полному удалению газообразных примесей и сокращению времени обработки.

Параметры облучения лучом лазера с плотностью мощности излучения 10²-10⁶ вт/см² и скоростью перемещения оси луча лазера 0,3-2,0 см/с относительно обрабатываемого концентрата необходимы и достаточны для полной проработки всего слоя концентрата, расположенного на рабочей поверхности, обеспечивая возгонку сернистых, фосфорных и углеродных соединений за счет термокапиллярной диффузии, возникающей в процессе многократного воздействия лазерного луча на концентрат при обработке. В процессе обработки измельченного концентрата под воздействием энергии луча лазера происходит расплавление его частиц.

Температура в ядре воздействия лазерного луча достигает порядка 2500°С. При этой температуре происходит выгорание фосфора, серы, углерода и ряда других примесей с образованием газообразных продуктов.

Обработка концентрата лучом лазера с плотностью мощности излучения менее 10² вт/см² и скоростью перемещения оси луча лазера относительно обрабатываемого концентрата более 2,0 см/с не может обеспечить полного удаления примесей, так как термокапиллярные процессы из-за недостатка энергии происходят не во всем объеме обрабатываемого концентрата, а только в ядре воздействия лазерного луча.

Обработка концентрата лучом лазера с плотностью мощности излучения более 10⁶ вт/см² и скоростью перемещения оси луча лазера относительно обрабатываемого концентрата менее 0,3 см/с приводит к возгонке наряду с сернистыми, фосфорными и углеродными соединениями также и основных фаз компонентов, что ведет к обеднению концентрата полезными компонентами.

Скорость перемещения оси луча лазера более 2 см/с при оптимальной плотности мощности излучения не обеспечивает эффективной возгонки примесей и удаление их из концентрата. При скорости менее 0,3 см/с эффективность лазерной обработки снижается за счет расплавления концентрата.

В процессе обработки концентрата происходит диссоциация соединений, содержащих серу, фосфор и углерод с образованием газообразных продуктов. Удаление газообразных продуктов улучшает экологическую чистоту процесса обработки концентратов.

Экспериментально установлено, что наиболее эффективное удаление газообразных продуктов происходит из зоны, расположенной на расстоянии не менее 2,0 мм и не более 4,0 мм от оси луча лазера. В процессе работы отсасывающего устройства на его входной кромке образуется пониженное давление, что и обеспечивает поступление в вентиляционную систему аэрозолей и газов с последующим их удалением. При расположении отсасывающего устройства более 4 мм от оси луча лазера происходит абсорбция газов на поверхность расплава. При расположении отсасывающего устройства менее 2 мм происходит оплавление кромки вентиляционного раструба.

Сущность заявленного способа может быть пояснена следующими примерами конкретного выполнения.

Для экспериментальной проверки были взяты по 5 кг:

- сфенового концентрата № 1, содержащего, мас.%: SiO₂ - 31,26, CaO - 26,65, Al₂O₃ - 0,4, MgO - 0,56, Fe₂ O₃ - 1,80, FeO - 0,50, TiO₂ - 36,00, K ₂O - 0,445, Na₂O - 1,80, P₂O ₅ - 0,012, S - 0,048, C - 0,037, примеси - остальное;

- кварц-полевошпатового концентрата № 2, содержащего, мас.%: SiO₂ - 73,90, CaO - 0,74, Al₂O₃ - 14,90, Na₂O - 2,40, K₂O - 7,80, P₂O₅ - 0,016, S - 0,058, C - 0,022, примеси - остальное;

- титаномагнетитового концентрата № 3, содержащего, мас.%: SiO₂ - 0,60, CaO - 1,20, Fe₂O₃ - 37,10, FeO - 36,90, TiO₂ - 18,30, P₂O₅ - 0,030, S - 0,047, C - 0,023, примеси - остальное;

- мелилитового концентрата № 4, содержащего, мас.%: SiO₂ - 38,40, CaO - 35,10, Al₂O₃ - 3,40, MgO - 9,10, Fe₂ O₃ - 9,10, FeO - 2,80, Na₂O - 2,30, P ₂O₅ - 0,016, S - 0,043, C - 0,018, примеси - остальное;

- титанового шлака № 5, содержащего, мас.%: SiO₂ - 2,42, CaO - 0,55, Al₂O₃ - 2,90, MgO - 0,70, FeO - 4,20, TiO ₂ - 89,60, P₂O₅ - 0,09, S - 0,038, C - 0,012, примеси - остальное;

- сфенового концентрата № 6, содержащего, мас.%: SiO₂ - 31,20, CaO - 25,20, Al₂O₃ - 0,30, MgO - 0,65, Fe₂ O₃ - 1,90, FeO - 0,60, TiO₂ - 37,00, P ₂O₅ - 0,05, S - 0,072, C - 0,027, примеси - остальное.

Концентраты указанных составов были раздроблены на фракции 80-100 мкм, поочередно размещались слоем толщиной 0,8-1,0 мм на рабочей поверхности, представляющей полированную алюминиевую пластину, имеющую коэффициент отражения светового потока 0,62, и обрабатывались лучом лазера со следующими параметрами:

- плотность мощности излучения 10² вт/см ² и скорость перемещения оси луча лазера относительно обрабатываемого концентрата 0,3 см/с;

- плотность мощности излучения 10⁶ вт/см² и скорость перемещения оси луча лазера относительно обрабатываемого концентрата 2,0 см/с.

В процессе обработки концентрата удаление газообразных примесей из зоны обработки концентрата производили с помощью отсасывающего устройства, которое располагали на расстоянии 2 и 4 мм от оси луча лазера. После обработки концентрата определяли остаточное содержание в нем фосфора, серы и углерода.

Основные параметры способа, состав примесей и их содержание после лазерной обработки по Примерам 1-5 и Примеру 6 (по прототипу) приведены в Таблице.

Таблица
	Параметры способа	Содержание примесей
Пример № №	плотность мощности, вт/см2	скорость перемещения луча лазера, см/с	сера, %	углерод, %	фосфор, %
исходное	после обработки	исходное	после обработки	исходное	после обработки
1	102	0,3	0,048	0,006	0,037	0,004	0,012	0,007
	106	2,0		0,003		0,005		0,003
2	102	0,3	0,058	0,008	0,022	0,006	0,016	0,006
	106	2,0		0,003		0,008		0,008
3	102	0,3	0,047	0,003	0,023	0,006	0,030	0,008
	106	2,0		0,005		0,006		0,009
4	102	0,3	0,043	0,005	0,018	0,004	0,016	0,004
	106	2,0		0,006		0,005		0,005
5	102	0,3	0,038	0,002	0,012	0,004	0,090	0,012
	106	2,0		0,003		0,004		0,011
6	Обработка 2-12%-ной серной кислотой во взвешенном состоянии за счет подачи смеси кислоты с воздухом и воды с воздухом	0,072	0,080	0,027	0,027	0,050	0,020
По прототипу
Примечание: в таблице приведены усредненные значения по результатам измерений трех образцов на точку.

Предлагаемый способ позволяет по сравнению с прототипом повысить степень очистки концентрата от углерода при обеспечении высокой степени очистки от серы и фосфора. Кроме того, предлагаемый способ является более экологически чистым за счет отказа от использования кислотного метода очистки и удаления газообразных продуктов с помощью отсасывающих устройств.