В процессе переработки железорудного сырья в чугун, а затем в сталь образуются железографитовые отходы (ЖГО). Они представляют собой тонкодисперсные пыли или шламы доменного производства, состоящие из оксидов различных элементов, в основном триоксида железа (45–70 %). Такие отходы можно использовать как новый, особый вид сырья не только для черной металлургии, но и других отраслей.

В настоящее время разработаны различные технологии комплексной переработки ЖГО; часть из них уже реализована за рубежом в промышленном масштабе. У нас такие технологии находятся на стадии исследовательских разработок и полупромышленных испытаний. Утилизация ЖГО с выделением ценных компонентов — актуальная проблема для многих российских предприятий.

Чтобы использовать графитовую и железосодержащую составляющие как товарную продукцию в производстве сорбентов, пигментов, резинотехнических изделий и т. д., необходимо выбрать условия разделения ЖГО.

В табл. 1 представлены результаты гранулометрического анализа ЖГО, входящих в состав доменных шламов Череповецкого металлургического комбината, и содержание в них основных химических компонентов.

Таблица 1

Особенность исследуемых ЖГО — наличие в них значительного количества тонкодисперсных фракций, в которых доля частиц крупностью менее 5 мкм составляет до 40 %. Отмечается также повышенное содержание железа (Fе_общ) во фракции — 36 мкм.

По минералогическому составу основными фазами продукта обжига ЖГО являются: магнетит — до 20 %; гематит — 40 %; железо — до 5 %; карбонаты — более 15 %; графит — около 12 %; небольшое количество кварца. Они присутствуют в продукте в индивидуальном виде за исключением небольшой доли магнетита и гематита, образующих взаимные сростки в результате окислительного процесса, приведшего к замещению магнетита гематитом. Свободные зерна гематита, магнетита и железа наблюдаются в виде корольков диаметром: гематит — от долей микрона до 40 мкм, чаще 15–20 мкм; магнетит — от долей микрона до 150 мкм, чаще 10–15 мкм; металлическое железо — от 4–6 мкм до 170 мкм, чаще 10–40 мкм. Графит наблюдается в значительном количестве в виде чешуек длиной чаще всего 100–400 мкм, толщиной 1–15 мкм.

С уменьшением крупности частиц отмечено снижение содержания графита и увеличение содержания магнетита, что учитывали при выборе методов обогащения.

Авторы рассмотрели возможность обогащения ЖГО с целью выделения графитового концентрата и одновременного получения продукта с повышенным содержанием общего железа.

С учетом различия в скоростях падения частиц графита пластинчатой формы и практически сферических зерен других минералов в качестве основного метода разделения выбрана гидравлическая сепарация. Она позволила обеспечить выделение максимального количества графита в легкую фракцию сепаратора. Для разделения материала крупностью +0,2 мм и −0,2+0,036 мм выбраны соответствующие скорости восходящего потока воды.

При таком режиме работы для обогащаемого мелкодисперсного материала удалось получить в сливе сепаратора концентраты с содержанием графита около 90 %. Из крупной фракции отходов  −0,2+0,036 мм выделяется продукт с содержанием 67 % графита.

Для повышения степени извлечения графита в концентрат тяжелые фракции гидравлической сепарации, полученные от переработки отходов различной крупности, проходили стадию доводки на концентрационном столе с выделением двух продуктов — графитового концентрата в виде легкой фракции и хвостов, где в основном сосредоточены оксиды железа. Из материала крупностью +0,2 мм выделен концентрат, содержащий около 85 % графита.

При разделении тяжелой фракции гидравлической сепарации от переработки класса  −0,2+0,036 мм дополнительное извлечение графита в концентрат составило около 10 % при содержании в нем графита, превышающем 82 %.

В хвостах стола, выделенных из материала  −0,2+0,036 мм, содержалось около 60 % Fе_общ. При их доводке электромагнитной сепарацией качество магнитного продукта повысилось до 66 % Fе_общ. Несколько худшие результаты получены при электромагнитной сепарации материала крупностью +0,2 мм, когда ее питанием служила тяжелая фракция концентрационного стола. В этом случае выделен магнитный продукт, содержащий не более 56 % Fе_общ, что, по-видимому, связано с нахождением некоторой доли магнетита в сростках с гематитом.

Для удаления частиц размером менее 5 мкм с целью повышения содержания железа самая тонкая фракция ЖГО крупностью –0,036 мкм проходила стадию гидравлической классификации в восходящем потоке воды, которую осуществляли в конусном классификаторе. Такая операция позволила вывести в слив конуса до 30 % материала, что обеспечило повышение содержания Fе_общ с 58 % в питании конуса до 66,3 % в его крупной фракции.

Результаты исследований свидетельствуют о принципиальной возможности разделения магнитно-гравитационным способом ЖГО доменного производства Череповецкого металлургического комбината с получением концентрата железа, содержащего более 60 % Fе_общ, и графитового концентрата. Оба продукта пригодны для использования не только в металлургии, но и в других областях промышленности, в частности в производстве пигментных материалов, наполнителей и теплоизоляционных материалов. Присутствие частиц в виде микросфер позволяет рассматривать вопрос об их использовании в качестве эффективного сорбента, что следует учесть при разработке условий отделения этих частиц от общей массы отходов.

Для подтверждения некоторых аспектов этих предположений выполнены химико-технологические исследования.

Химической обработке подвергали продукт, полученный после доводки магнитной сепарацией тяжелой фракции концентрационного стола крупностью −0,2+0,036 мм. Данная фракция содержала до 63,4 % Fе_общ и 4,4 % SiO₂. Порошок имел коричневый цвет, в нем присутствовали блестящие вкрапления графита. Образец подвергали кислотной обработке; полученные осадки прокаливали при различных температурах.

Методика эксперимента была следующая. В 70 мл кислого раствора загружали 20 г порошка. При перемешивании в течение 2 ч суспензию нагревали до 40–50 °С, а затем нейтрализовали 5–6%-м раствором аммиака. Полученную массу фильтровали, осадок на фильтре промывали водой, после чего подвергали термической обработке при температурах 105, 550 и 850 °С. Далее визуально определяли цвет продукта, по соответствующим методикам устанавливали рН водной вытяжки и содержание водорастворимых соединений (ВРС).

В табл. 2 и 3 приведены результаты выполненных исследований.

Таблица 2

Влияние химической и термической обработки на цвет железосодержащего продукта

Таблица 3

Зависимость концентрации ВРС от рH водной вытяжки продукта при различных режимах термической обработки