بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي فرايند فرآوري شن هاي پلاسري تيتانومگنتيت جهت استحصال هم زمان عناصر واناديم ، تيتانيم و آهن
چکيده
انجام عمليات فرآوري، تغليظ و استخراج بر روي برخي از معادن پلاسري داراي توجيه فني و اقتصادي بوده به طوريکه استحصال همزمان برخي عناصر استراتژيک و با ارزش افزوده بالا، استفاده از اين نوع معادن را به عنوان ماده اوليه در صنايع توليد فلزات آهني و غيرآهني امکانپذير مي نمايد. هدف از انجام طرح پژوهشي حاضر، امکانسنجي پرعيار سازي کاني هاي پلاسري موجود در منطقه خراسان جنوبي با رويکرد استحصال همزمان آهن ، تيتانيم و واناديم بوده است . در پژوهش حاضر ابتدا نمونه معدن پلاسري مورد نظر که حاوي ترکيبات آهني بوده مورد مطالعه و ارزيابي اوليه قرار گرفت . در اين رابطه با انجام آزمونهاي اوليه خواص فيزيکي و شيميايي نمونه معدني از جمله توزيع دانه بندي، نوع ترکيبات فازي و همچنين ترکيب شيميايي عناصر تعيين گرديد. سپس عمليات آماده سازي جهت تهيه مقطع صيقلي و انجام مطالعات تعيين درجه آزادي و بررسي هاي ميکروسکوپي توسط ميکروسکوپهاي نوري (OM) و الکتروني پروبي (EPMA) صورت پذيرفت . به منظور دستيابي به عياري مناسب براي آهن ، تيتانيم و واناديم به کمک روش جداسازي ثقلي ، خردايش مواد و روشهاي مختلف جدايش مغناطيسي يک مدار فرآوري طرحريزي شده ، به طوريکه امکان دستيابي به عيار ٥٧ درصد وزني براي آهن ، عيار حدود ٨ درصد وزني براي اکسيد تيتانيم و عيار حدود ٠.٨ درصد وزني براي پنتا اکسيد واناديم فراهم گرديده است . استحصال واناديم از کنسانتره توسط فرايند ليچينگ با آب گرم و همچنين جداسازي اکسيد تيتانيم در طي فرايند ذوب آهن موجود در کنسانتره و ورود آن به سرباره اساس فرايند استخراج آهن ، تيتانيم و واناديم را از کنسانتره حاصل از معادن پلاسري فراهم مي سازد.
کلمات کليدي: تيتانومگنتيت ، فرآوري، پرعيارسازي، واناديم ، تيتانيم ، آهن .
١- مقدمه
گستره پراکندگي "شن هاي ساحلي " معروف به شن هاي آهني يا پلاسري در سراسر کره زمين بسيار وسيع مي باشد. تحت شرايط مطلوب امکان تشکيل ذخاير پلاسري (که در برخي از موارد، دربرگيرنده ترکيبات تيتانومگنتيت نيز مي باشند)، به وجود آمده است . ترکيبات تيتانومگنتيت ها علاوه بر حضور در ذخاير متعدد تيتانوفروس، در شن هاي ساحلي نيز گسترش يافته اند. به طور کلي ، تيتانومگنتيت ها منشأ آتشفشاني داشته و آهن موجود در آنها به صورت ذخاير رسوبي (شن هاي ساحلي ) يافت مي شوند. بهرهبرداري از شن هاي ساحلي نسبتا ساده بوده و به دليل هزينه پايين حفاري و افزايش عيار، بهرهبرداري از ذخاير نسبتا کوچک نيز مقرون به صرفه مي باشد. آنها در بسياري از موارد با مواد معدني با ارزش ديگري نيز مرتبط هستند. در سالهاي اخير، علاقه روبه رشدي در بهرهبرداري از اين منابع و توليد محصولات تجاري از آنها مانند آهن و فولاد، کنسانترههاي اکسيد تيتانيم و واناديم مشاهده شده است به طوريکه ذخاير شن هاي ساحلي در چندين کشور، پايه صنعت متالورژي آنها را تشکيل داده است [١و٢]. جدول (١) ترکيب شيميايي کنسانتره توليدي از شن هاي ساحلي کشور نيوزلند را نشان مي دهد. همچنان که اشاره شده کاني هاي تيتانومگنتيتي عمدتا محتوي فلزات با ارزشي چون آهن (Fe)، تيتانيم (Ti) و واناديم (V) مي باشند[٣].
جدول ١. ترکيب شيميايي کنسانتره توليدي از شن هاي ساحلي کشور نيوزلند[٣].
با توجه به نوع ترکيبات کاني ، ميزان عيار هر کدام از عناصر مورد نظر در کاني و نحوه درگيري کاني هاي مختلف با يکديگر، به روشهاي مختلفي اين نوع کاني ها به عنوان ماده اوليه در فرايندهاي مختلف استخراج و با هدف بازيابي آهن ، اکسيد تيتانيم و پنتا اکسيد واناديم مورد مصرف قرار گرفته اند. همچنان که ملاحظه مي شود کاني هاي تيتانومگنتيتي عمدتا محتوي فلزات با ارزشي چون: آهن ، تيتانيم و واناديم مي باشند [٤]. مقايسه ميزان تقاضاي مصرف براي سه عنصر ذکر شده در بازارهاي جهاني نشان مي دهد پس از فلز واناديم ، آهن و تيتانيم به ترتيب داراي بيشترين ارزش اقتصادي مي باشند. لازم به اشاره است در اين مقايسه کليه ملاحظات فني و نحوه استخراج و هزينه هاي مربوط به فرايندهاي فرآوري و استخراج فلزات نيز لحاظ گرديده است [٥ و٦].
فلوچارت شکل (١) مثالي از روشهاي ممکن و متعدد براي فرآوري تيتانومگنتيت را نشان مي دهد. در ادامه جزييات مربوط به هر کدام از فرايندها و روشهاي صنعتي متداول مورد استفاده براي کاني هاي پلاسري مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفته است . با توجه به اين که محدوده مقدار هر يک از عناصر در کاني هاي پلاسري تيتانومگنتيتي بسيار گسترده و متنوع مي باشد لذا براساس مقدار و نوع عنصر مورد نظر و همچنين مشخصات فيزيکي کاني ، روشهاي مختلفي براي استحصال عناصر مورد استفاده قرار گرفته است . با توجه به دانه بندي ريز و اندازه ذرات کوچک منابع پلاسري، استفاده مستقيم از آنها در فرآيندهاي استخراج محدوديت هايي را به وجود مي آورد. لذا از اين منابع به عنوان ماده اوليه در فرايندهاي متداول صنعتي پايرومتالورژي بايستي به صورت توليد گندله مورد مصرف قرار گيرد، در غير اين صورت مستلزم طراحي فرآيندهاي ويژه اي مانند SL-RN خواهد بود. [٧].
شکل ١. محصولات فرآوري حاصل از ماده معدني پلاسري محتوي تيتانومگنتيت [٧].
براي تهيه بار کوره SL-RN مواد آهن دار شن هاي ساحلي (پلاسري) مورد بهرهبرداري قرار گرفته و در ابتدا مواد اوليه وسط روشهاي جداسازي مغناطيسي و ثقلي عيار آنها افزايش يافته است به طوريکه با استفاده از روش جداسازي مغناطيسي به تنهايي مي توان کنسانترهاي حاوي %٥٤-٥٢ آهن با نرخهاي بازيابي بالا توليد نمود. در ادامه مقدار عيار آهن با به کارگيري روش جداسازي ثقلي به %٥٩-٥٧ افزايش مي يابد ولي در اين روش نسبت به روش جدايش مغناطيسي نرخ بازيابي کاهش مي يابد.
براي فرآوري سنگ معادن حاوي اکسيد آهن و تيتانيا، توليد محصول تجاري آهن در کنار سرباره غني از تيتانيا مجاز مي نمايد. اين فرآيند، توسعه يافته و به صورت صنعتي در سورل ١ کانادا انجام مي شود. فلودياگرام فرآيند معروف سورل در شکل (٢) ترسيم شده است . ايلمنيت بعد از کلسيناسيون و احياي جزيي به کوره الکتريکي احيا، شارژ مي شود. در صورتي که ذغال احيا استفاده شود، محصولات تجاري، سرباره حاوي تيتانيا (مشهور به سرباره سورل) و چدن به دست مي آيند. در واحد سورل به طور مثال، کنسانتره ايلمنيت با ٣٥% تيتانيا و ٥٣% اکسيد آهن تحت فرآيند قرار مي گيرند و سرباره توليدي حاوي ٧٠ تا ٧٥% تيتانيا مي باشد. يک واحد توليدي ديگر بر طبق اين فرآيند در آفريقاي جنوبي نصب شده است . در نروژ نيز پروژه جديدي با به کارگيري يک فلودياگرام اصلاح شده بر روي فرايند پيش احيا، تحت بررسي مي باشد [٨و٩].
شکل ٢. فرآوري ايلمنيت مطابق با فرآيند سورل (کانادا).
دوره ٤، شماره ٢، تابستان ١٣٩٤- ٢٩ واناديم يکي از عناصر مهم در توليد فولادهاي آلياژي و همچنين به عنوان ماده کاتاليستي در صنايع شيميايي مورد استفاده قرار مي گيرد. بزرگترين منابع در دسترس، مگنتيت حاوي واناديم يا تيتانومگنتيت مي باشد که فلز از طريق پايرومتالورژي به عنوان فروواناديم و توسط مراحل ترکيبي پايرومتالورژي و هيدرومتالورژي بازيابي مي شود.
بازيابي واناديم از ذخاير پلاسري با روشهاي مختلفي انجام مي گيرد که در نمودار شکل (٣) ترسيم شده است . در صورت جدايش آسان مگنتيت و ايلمنيت در سنگ معدن، ابتدا به صورت مغناطيسي از هم جدا شده و سپس از کنسانتره مگنتيت براي بازيابي واناديم استفاده مي شود. روشهاي مورد استفاده به دو دسته هيدرومتالورژي و پايرومتالورژي تقسيم بندي مي گردد. در روش هيدرومتالورژي واناديم موجود در سنگ معدن توسط فرايند پخت تبديل به يک نمک محلول در آب مي شود. در روش پايرومتالورژي، واناديم موجود در سنگ معدن همراه با آهن خام (چدن) ذوب شده و سپس با دمش اکسيژن به چدن مذاب در کنورتور، واناديم اکسيد شده و سرباره غني از واناديم توليد مي شود. اين سرباره توسط تشويه نمک، با روش هيدرومتالورژي تحت فرآوري قرار مي گيرد. در طي تشويه نمک، واناديم اکسيد شده و واناديم پنج ظرفيتي با نمک سديم به منظور تشکيل وانادات سديم محلول در آب واکنش مي دهد. نمکهاي موجود براي تشويه واناديم در منابع تيتانومگنتيت شامل کلريدسديم ، سولفات سديم و کربنات سديم مي باشند که کربنات سديم ، معمولترين ترکيب در عمليات تشويه تجاري بوده و دماي معمول تشويه نمک در محدوده ٩٥٠ تا ١١٥٠ درجه سانتيگراد مي باشد [١٠و١١].
شکل ٣. فلودياگرام فرآيندي بازيابي واناديم از تيتانوفروس مگنتيت حاوي واناديم .
در اين مقاله ابتدا مطالعات کاني شناسي بر روي نمونه هاي پلاسري انجام و پس از تعيين درجه آزادي و نحوه درگيري ترکيبات مورد نظر در کاني با مواد باطله ، مدار فرآوري مناسب براي پرعيارسازي ترکيبات حاوي آهن ، تيتانيم و واناديم پيشنهاد شده است
٢- روش تحقيق
٢-١- مطالعات کاني شناسي
به منظور انجام مطالعات کاني شناسي و تعيين درجه آزادي براي ترکيبات تيتانومگنتيت آزمونهاي مختلفي شامل آناليز سرندي، آناليزهاي عنصري و فازي، مطالعات ميکروسکوپي نوري و الکتروني پروبي EPMA روي نمونه معدني مورد نظر صورت گرفته است
آناليز سرندي- با به کارگيري يک سري الک از ابعاد چشمه هاي درشت به ريز (٨ سرند در يک سري) و با استفاده از دستگاه لرزاننده آناليز سرندي صورت گرفته است . براي آناليز توزيع دانه بندي نمونه ها با غربال، مقدار ٢٠٠ گرم از نمونه اوليه به مدت ٢٠ دقيقه با دامنه نوسان ٠.٢ ميليمتر در دستگاه شيکر الک انجام گرديده است .
دادههاي منحني هاي آناليز سرندي به صورت درصد تجمعي زير سرند برحسب اندازه مي باشد. معمولا دامنه اندازه ذرات برحسب اندازهاي که از آن ٨٠% مواد عبور مي کنند (d٨٠) بيان مي شود.
آناليز فازي و شيميايي - از روش آناليز XRD به منظور مطالعه نوع ترکيبات فازي موجود در ماده پلاسري و از روش آناليز
XRF به منظور تعيين کيفي و نيمه کمي عناصر موجود در کنسانتره پلاسري استفاده شده است . جهت محاسبه درصد مواد فرار نمونه هاي معدني (LOI)، کوره موفلي ١٢٠٠ درجه سانتيگراد تحت دماي ٩٥٠ درجه سانتيگراد به مدت يک ساعت بکار گرفته شد.
مطالعات ميکروسکوپي - به منظور بررسي وضعيت قرارگيري کاني هاي مفيد (حاوي آهن ، تيتاتيم و واناديم ) و باطله ها و تعيين درجه آزادي و انجام مطالعات کاني شناسي ، مقاطع مختلف نازک- صيقلي و صيقلي از نمونه ها در ٤ فراکسيون با ابعاد (٥٠٠+ ١٠٠٠-)، (٣٠٠+٥٠٠-)، (١٥٠+ ٣٠٠-) و (٧٥+١٥٠-) تهيه شده و توسط ميکروسکوپ نوري پلاريزان Zeiss مدل ٢ Axioplan با نور انعکاسي و نور عبوري و همچنين ميکروسکوپ الکتروني پروبي EPMA مورد بررسي قرار گرفته اند. نحوه درگيريها، قفل شدگي ها در مطالعات ميکروسکوپي و شناسايي نوع گانگ ها توسط مطالعات ميکروسکوپي قابل انجام است .
تعيين درجه آزادي- براي تعيين درجه آزادي کانه از باطله هاي همراه، روش شمارش ميکروسکوپي ذرات استفاده گرديد. در اين روش دانه هاي آزاد و درگير کانه توسط ميکروسکوپ پلاريزان شمارش شده و درجه آزادي کانه به کمک رابطه زير محاسبه شد [٢]:
در رابطه فوق: df = درجه آزادي کانه ، n1= تعداد دانه هاي آزاد و n2 = تعداد دانه هاي درگير در کانه مي باشد.
جهت مطالعات درجه آزادي، ابتدا مقاطع صيقلي از نمونه هاي فراکسيونبندي شده کنسانتره (برحسب ميکرون) در ابعاد (٥٠٠+ ١٠٠٠-)، (٣٠٠+ ٥٠٠-)، (١٥٠+ ٣٠٠-) و (٧٥+ ١٥٠-) تهيه و سپس توسط ميکروسکوپ مورد مطالعه قرار گرفت . هدف از مطالعات درجه آزادي تعيين ابعادي است که در آن ابعاد، کانه از باطله جدا شده باشد. درجه آزادي پارامتر بسيار مهم در انتخاب روش فرآوري (ثقلي ، مغناطيسي و فلوتاسيون) است . در فرآيندهاي کانه آرايي ابعاد بار ورودي به يک سيستم پرعيارسازي، مهم ترين پارامتر تأثيرگذار بر بازيابي آن سيستم مي باشد.
محاسبه درجه آزادي مخصوصا براي ذخايري در ابعاد ريز مانند پلاسري بسيار مشکل است و يک روش عملي با خطاي قابل قبول، مطالعات ميکروسکوپي مي باشد. براي مطالعه درجه آزادي بايد از هر دو نوع مقطع (صيقلي و نازک) استفاده نمود و از تطبيق اين دو، نتيجه گيري کرد. در مطالعات حاضر به روش شمارش ميکروسکوپي در فراکسيونهاي مختلف ابعادي، درجه آزادي کاني هاي حاوي مگنتيت ، هماتيت و تيتانومگنتيت اندازهگيري شده است .
٢-٢- فرآيند فرآوري
به منظور پرعيارسازي کاني هاي حاوي ذرات آهن ، تيتانيم و واناديم و همچنين جداسازي مواد باطله از آنها از روشهاي زير بهره گرفته شده است :
جدايش مغناطيسي – از دستگاههاي جداکننده مغناطيسي خشک شدت بالا (DHIMS2)، جداکننده مغناطيسي تر شدت پايين (WLIMS3) و جداکننده مغناطيسي تر شدت بالا (WHIMS4) براي جداسازي ناخالصي هاي غيرمغناطيسي از ترکيبات آهندار استفاده شده است [٥].
دوره ٤، شماره ٢، تابستان ١٣٩٤- ٣١ ميز لرزان - عمليات پرعيار سازي ثقلي توسط دستگاه ميز لرزان آزمايشگاهي صورت گرفته است . خردايش – از يک دستگاه آسياي گلوله اي با آستر لاستيکي و با گلوله هايي از جنس فولاد ضدزنگ به منظور کاهش اندازه ذرات به روش تر استفاده شده است .
