Влияние состава и скорости охлаждения алюмокальциевого шлака на его рассыпаемость

Основным компонентом металлургических шлаков являются соединения железа, которые извлекаются проведением восстановительной плавки. Известно несколько типов данного процесса с получением различных продуктов на основе железа и шлаков разного состава (алюмокальциевого саморассыпающегося и др.). Режим плавки и охлаждения образованного в процессе плавки в печи алюмокальциевого шлака должен обеспечивать наиболее полное самопроизвольное его рассыпание, а также высокие показатели извлечения из него редкоземельных металлов. Для опытов в работе выбраны синтетические шлаки, схожие по фазовому составу с промышленными образцами после выплавки железосодержащих руд. Смоделированные образцы соответствуют области первичной кристаллизации двухкальциевого силиката на тройной диаграмме состояния системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃. Шлак после рассыпания подвергали ситовому анализу с помощью механического сита. В опытах использовались шлаки с кремниевым модулем k = 2,0, которые активно рассыпалась в момент их охлаждения. При увеличении кремниевого модуля рассыпаемость ухудшается. Установлено, что точно ограничить области составов рассыпающихся шлаков при определенных скоростях охлаждения невозможно. Проведенные исследования показали, что рассыпаемость шлаков улучшается по мере приближения к центру области двухкальциевого силиката. Состав шлаков близок к составу точек, расположенных в области, ограниченной с одной стороны линиями 2CaO·SiO₂ – 2CaO·Al₂O₃ и 2CaO·SiO₂ – 12CaO·7Al₂O₃, и с другой стороны линиями кремниевого модуля не выше 2,85 – 3,00. При этом гранулометрический состав почти не зависит от скорости охлаждения. На рассыпаемость шлаков влияет температурный режим от выплавки до охлаждения. Наиболее перспективными являются шлаки с кремниевым модулем в пределах 2,85 – 3,00, близкие к фазовому треугольнику 12CaO·7Al₂O₃ – 2CaO·SiO₂ – 2CaO·Al₂O₃.

1. Баженов И.Н., Басов О.О. Метод индукционного контроля массовой доли железа в магнетитовой руде // Записки Горного института. 2018. Т. 230. C. 123–130. https://doi.org/10.25515/pmi.2018.2.123

2. Сизяков В.М., Бричкин В.Н. О роли гидрокарбоалюминатов кальция в усовершенствовании технологии комплексной переработки нефелинов // Записки Горного института. 2018. Т. 231. C. 292–298. https://doi.org/10.25515/PMI.2018.3.292

3. Хатьков В.Ю., Боярко Г.Ю. Административные методы управления импортозамещения дефицитных видов минерального сырья // Записки Горного института. 2018. Т. 234. C. 683–692. https://doi.org/10.31897/pmi.2018.6.683

4. Зиновеев Д.В., Грудинский П.И., Дюбанов В.Г., Коваленко Л.В., Леонтьев Л.И. Обзор мировой практики переработки красных шламов. Часть 1. Пирометаллургические способы // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 11. С. 843–858. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-11-843-858

5. Волков А.И., Стулов П.Е., Леонтьев Л.И., Углов В.А. Анализ использования редкоземельных металлов в черной металлургии России и мира // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 6. С. 405–418. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-6-405-418

6. Zubkova O., Alexeev A., Polyanskiy A., Karapetyan K., Kononchuk O., Reinmöller M. Complex processing of saponite waste from a diamond-mining enterprise // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. No. 14. Article 6615. https://doi.org/10.3390/app11146615

7. Булаев А.Г., Меламуд В.С., Бодуэн А.Я. Высокотемпературное выщелачивание меди и цинка из некондиционного концентрата с высоким содержанием мышьяка // Международный научно-исследовательский журнал. 2018. № 12 (78). Часть 1. C. 72–76. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.012

8. Горланов Е.С., Бажин В.Ю., Федоров С.Н. Карботермический синтез диборида титана: апгрейд // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2018. № 11 (2). С. 156–166. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0065

9. Баринкова А.А., Пиирайнен В.Ю., Баринков В.М. Новый композиционный материал с нейтрализованным красным шламом // Информационно-технологический вестник. 2021. № 2(28). C. 156–169. https://doi.org/10.21499/2409-1650-2021-28-2-156-169

10. Гурьев А.А. Устойчивое развитие рудно-сырьевой базы и обогатительных мощностей АО «Апатит» на основе лучших инженерных решений // Записки Горного института. 2017. Т. 228. C. 662–673. https://doi.org/10.25515/PMI.2017.6.662

11. Бояринцев А.В., Степанов С.И., Хтет Йе Аунг, Маунг Маунг Аунг. Гидролитическое осаждение алюминия и скандия из щелочно-карбонатных растворов при переработке красных шламов // Успехи в химии и химической технологии. 2019. Т. 33. № 1 (211). C. 54–56.

12. Akcil A., Akhmadiyeva N., Abdulvaliyev R., Abhilash, Meshram P. Overview on extraction and separation of rare earth elements from red mud: Focus on scandium // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2018. Vol. 39. No. 3. P. 145–151. https://doi.org/10.1080/08827508.2017.1288116

13. Капустина Г.Г., Римлянд В.И. Исследование воздействия непрерывного лазерного излучения на красный шлам // Вести науч­ных достижений. Естественные и технические науки. 2020. № 1. C. 6–9.

14. Газалеева Г.И., Мамонов С.В., Братыгин Е.В., Клюшников А.М. Проблемы и инновационные решения в обогащении техногенного сырья // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № 1. C. 257–272.

15. Zhang J., Li P., Liang M., Jiang H., Yao Z., Zhang X., Yu S. Utilization of red mud as an alternative mineral filler in asphalt mastics to replace natural limestone powder // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 237. Article 117821. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117821

16. Балыков А.А., Левенец О.О., Хайнасова Т.С. Проточный биореактор для исследования бактериально-химического выщелачивания сульфидных медно-никелевых руд и концентратов // Записки Горного института. 2018. Т. 232. C. 383–387. https://doi.org/10.31897/pmi.2018.4.383

17. Alkan G., Xakalashe B., Yagmurlu B., Kaussen F., Friedrich B. Conditioning of red mud for subsequent titanium and scandium reco­very – a conceptual design study // World of Metallurgy – ERZMETA­L. 2017. Vol. 70. No. 2. P. 84–91.

18. Рогачев М.К., Александров А.Н. Обоснование комплексной технологии предупреждения образования асфальтосмолопарафиновых отложений при добыче высокопарафинистой нефти погружными электроцентробежными насосами из многопластовых залежей // Записки Горного института. 2021. Т. 21. № 4. С. 596–605. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.4.13

19. Archambo M., Kawatra S.K. Red mud: Fundamentals and new avenues for utilization // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2021. Vol. 42. No. 7. P. 427–450. https://doi.org/10.1080/08827508.2020.1781109

20. Никифоров А.Г., Ручьев А.М. Ресурсы граната и редких металлов на рудопроявлении «Высота-181» (Северная Карелия) // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2019. № 10. C. 62–70. http://dx.doi.org/10.17076/geo1104

21. Smyshlyaeva K.I., Rudko V.A., Povarov V.G., Shaidulina A.A., Efimov I., Gabdulkhakov R.R., Pyagay I.N., Speight J.G. Influence of asphaltenes on the low-sulphur residual marine fuels’ stability // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9. No. 11. Article 1235. https://doi.org/10.3390/jmse9111235

22. Рис А.Д., Сундуров А.В., Дубовиков О.А. Поведение бокситовых концентратов на стадии выщелачивания по способу Байера // iPolytech Journal. 2019. Т. 23. № 2. C. 395–403. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-2-395-403

23. Артеменков А.Г., Быченя Ю.Г., Герасимова Л.Г., Николаев А.И. Сернокислотное разложение перовскита в присутствии добавок, повышающих устойчивость титана (IV) в жидкой фазе // Труды Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 9. № 2–1. C. 121–124. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.121-124

24. Geng J., Zhou M., Li Y., Chen Y., Han Y., Wan S., Zhou X., Hou H. Comparison of red mud and coal gangue blended geopolymers synthesized through thermal activation and mechanical grinding preactivation // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 153. P. 185–192. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.045

25. Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Заякин О.В. Использование российского рудного сырья для производства ферросплавов // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 3–4. С. 211–217. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-3-4-211-217

26. Леонтьев Л.И., Цуканов В.В., Смирнова Д.Л. Роль Д.К. Чернова в создании и развитии учения о современной металлургии и металловедении. Часть 2. Научно-практическое подтверждение идей Д.К. Чернова // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 11–12. С. 873–877. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-11-12-873-877

27. Yang Z., Mocadlo R., Zhao M., Sisson R.D., Tao M., Liang J. Preparation of a geopolymer from red mud slurry and class F fly ash and its behavior at elevated temperatures // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 221. P. 308–317. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.06.034

28. Agrawal S., Dhawan N. Investigation of mechanical and thermal activation on metal extraction from red mud // Sustainable Materials and Technologies. 2021. Vol. 27. Article e00246. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2021.e00246

29. Jafarova S.T., Gahramanova E.B., Agayev A.I., Ahmadov M.M. Development and study of properties of contact masses on the basis of red mud // Azerbaijan Chemical Journal. 2017. No. 3. C. 28–33.

30. Alekseev K., Mymrin V., Avanci M.A., Klitzke W., Magalhães W.L.E., Silva P.R., Catai R.E., Silva D.A., Ferraz F.A. Environmentally clean construction materials from hazardous bauxite waste red mud and spent foundry sand // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 229. Article 116860. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116860

31. Li Z., Zhang J., Li S., Lin C., Gao Y., Liu C. Feasibility of preparing red mud-based cementitious materials: Synergistic utilization of industrial solid waste, waste heat, and tail gas // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 285. Article 124896. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124896

32. Wang L., Chen L., Tsang D.C.W., Zhou Y., Rinklebe J., Song H., Kwon E.E., Baek K., Sik Ok Y. Mechanistic insights into red mud, blast furnace slag, or metakaolin-assisted stabilization/solidification of arsenic-contaminated sediment // Environment International. 2019. Vol. 133. Part B. Article 105247. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105247

33. Валеев Д.В., Зиновеев Д.В., Варнавская А.Д. Восстановительная плавка обесщелоченного красного шлама с получением металла и алюмосодержащего шлака // Труды Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 10. № 1 (3). C. 44–51. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.1.44-51

34. Лебедев А.Б., Утков В.А., Бажин В.Ю. Применение красного шлама в качестве модификатора при грануляции металлургичес­ких шлаков // iPolytech Journal. 2019. Т. 23. № 1 (144). C. 158–168. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2019-1-158-168

35. Krivenko P., Petropavlovskyi O., Kovalchuk O., Lapovska S., Pasko A. Design of the composition of alkali activated portland cement using mineral additives of technogenic origin // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. Т. 4. No. 6 (94). P. 6–15. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.140324

36. Agrawal S., Rayapudi V., Dhawan N. Extraction of iron values from red mud // Materials Today: Proceedings. 2018. Vol. 5. No. 9. Part 1. P. 17064–17072. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.04.113

37. Agrawal S., Dhawan N. Evaluation of red mud as a polymetallic source – A review // Minerals Engineering. 2021. Vol. 171. Article 107084. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2021.107084

38. Леонтьев Л.И., Жучков В.И., Заякин О.В., Сычев А.В., Михайлова Л.Ю. Перспективы получения и применения комплексных ниобиевых ферросплавов // Известия вузов. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 1. С. 10–20. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-1-10-20

39. Александров А.А., Дашевский В.Я., Леонтьев Л.И. Растворимость кислорода в расплавах системы Ni – Co при комплексном раскислении алюминием и кремнием // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 11. С. 870–878. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-11-870-878

40. Hoc Thang N., Trung Kien P., Mohd Mustafa Al Bakri A. Lightweight heat resistant geopolymer-based materials synthesized from red mud and rice husk ash using sodium silicate solution as alkaline activator // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 97. No. 1. Article 01119. https://doi.org/10.1051/matecconf/20179701119

41. Lis J., Chlubny L., Witulska K., Borowiak P., Kozak K., Misztal A., Czajkowska O. SHS of Ti3SiC2-based materials in the Ti–Si–C system: Impact of silicon excess // International Journal of Self-Propa­gating High-Temperature Synthesis. 2019. Vol. 28. P. 262–265. https://doi.org/10.3103/S1061386219040083

42. Кутепов Ю.И., Кутепова Н.А., Васильева А.Д. Обоснование устойчивости внешних отвалов Кузбасса и мониторинг их состояния // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 4. C. 109–120. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-04-0-109-120

43. Podoprigora D., Raupov I. Research of the influence of polymeric drilling mud on the filtration-capacitive properties of polymictic sandstones // Acta Technica CSAV (Ceskoslovensk Akademie Ved). 2018. Vol. 63. P. 537–546.

44. Sultanbekov R., Beloglazov I., Islamov S., Ong M. Exploring of the incompatibility of marine residual fuel: A case study using machine learning methods // Energies. 2021. Vol. 14. No. 24. Article 8422. https://doi.org/10.3390/en14248422

45. Shaidulina A.A., Konoplin R.R., Artyushevskiy D.I., Gorshne­va E.A., Sutyaginsky M.A. Production of amorphous silicon dioxide derived from aluminum fluoride industrial waste and consideration of the possibility of its use as Al2O3–SiO2 catalyst supports // Catalysts. 2022. Vol. 12. No. 2. P. 162. https://doi.org/10.3390/catal12020162

46. Mukiza E., Liu X., Zhang L., Zhang N. Preparation and characte­rization of a red mud-based road base material: Strength formation mechanism and leaching characteristics // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 220. P. 297–307. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.06.027

47. Pereira Babiska M., Fonseca Amaral L., da Silva Ribeiro L., Fontes Vieira C.M., Soares do Prado U., Castoldi Borlini Gadioli M., Souza Oliveira M., Santos da Luz F., Neves Monteiro S., da Costa Garcia Filho F. Evaluation and application of sintered red mud and its incorporated clay ceramics as materials for building construction // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. No. 2. P. 2186–2195. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.049