Исследование процесса термической обработки кварц-лейкоксенового концентрата

Кварц-лейкоксеновый концентрат – ценное титансодержащее сырье, запасы которого на территории Российской Федерации поистине громадны. В рамках представленной работы проведена оценка влияния процесса термообработки (обжига нефтепродуктов) на фазовые превращения кварц-лейкоксена. Установлено, что в процессе обжига кварц-лейкоксен теряет около 14,2% массы за счет удаления влаги и пиролитического разложения нефтяной (углеводородной) составляющей. В зависимости от условий термообработки (инертная или кислородная атмосфера) изменяется состав отходящих газов. Так, для кислородной среды наибольший вклад в газовую фазу вносят пары воды и углекислый газ, в то время как в инертной атмосфере при аналогичных условиях преимущественно удаляются углеводородные фракции. Проведение процесса термообработки кварц-лейкоксена в инертной среде приводит к образованию коксового остатка, который в свою очередь способен вступать в реакции карботермического восстановления оксидных компонентов в области высоких температур (1300 °С). Сформулировано предположение о возможности протекания внутренних фазовых превращений среди микроколичеств примесных оксидных компонентов (оксиды железа, кальция и пр.) с образованием незначительных количеств фаз типа сфен, ильменит и псевдобрукит в зоне высоких температур (более 1300 °С). Методами термогравиметрического анализа установлено, что в температурном диапазоне до 900 °С, наиболее распространенном в процессах обжига кварц-лейкоксена, отсутствуют фазовые превращения соединений титана, а соединения кремния претерпевают полностью обратимые превращения, а значит, процесс обжига, используемый для удаления нефтепродуктов, не оказывает существенного влияния на химическую активность наиболее ценной титановой составляющей. На основании полученных в результате экспериментов данных были скорректированы температурные границы процесса обжига кварц-лейкоксенового флотоконцентрата с целью минимизации энергозатрат и снижения углеродного следа процесса. Верхним пределом обжига, позволяющим удалить всю нефтяную фазу, была установлена температура 575 °С.

Кузин Е. Н., Мокрушин И. Г., Кручинина Н. Е. Исследование процесса термической обработки кварц-лейкоксенового концентрата // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 2. – С. 30–42. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_ 2_0_30.

Кузин Евгений Николаевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Kuzin.e.n@muctr.ru, ORCID ID: 0000-0003-2579-3900,
Мокрушин Иван Геннадьевич — канд. хим. наук, доцент, Пермский государственный национальный исследовательский университет, e-mail: mig@psu.ru, ORCID ID: 0000-0002-4095-8366,
Кручинина Наталия Евгеньевна¹ — д-р техн. наук, зав. кафедрой, e-mail: krutchinina.n.e@muctr.ru, ORCID ID: 0000-0001-7597-1993,
¹ Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева.

Кузин Е.Н., e-mail: Kuzin.e.n@muctr.ru.

1. Balazic M., Kopac J., Jackson M. J., Ahmed W. Review: titanium and titanium alloy applications in medicine // International Journal of Nano and Biomaterials. 2007, vol. 1, no. 1. DOI: 10.1504/IJNBM.2007.016517.

2. Whittaker M. Titanium alloys // Metals. 2015, vol. 5, no. 3, pp. 1437—1439.

3. Barreiro A. M., Pinheiro G. K., Wesling B. N., Müller D., Scarabelot L. T., de Souza L. V., Rambo C. R. Aerogel-based TiO2 stable inks for direct inkjet printing of nanostructured layers // Advances in Materials Science and Engineering. 2020, vol. 2020, article 4273097, pp. 1—9. DOI: 10.1155/2020/4273097.

4. Bernardes J. C., Pinheiro G. K., Müller D., Latocheski E., Domingos J. B., Rambo C. R. Novel modified nonalkoxide sol—gel synthesis of multiphase high surface area TiO2 aerogels for photocatalysis // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2020, vol. 94, pp. 425—434. DOI: 10.1007/s10971-020-05286-z.

5. Рикошинский А. Е. Мировой рынок пигментного диоксида титана. Состояние, тенденции, прогнозы // Снабженец. — 2004. — № 9 (410). — С. 164—168.

6. Kuzin E. N., Krutchinina N. E. Hydrolysis and chemical activity of aqueous TiCl4 solutions // Inorganic Materials. 2019, vol. 55, no. 8, pp. 885—889. DOI: 10.1134/S0020168519080065.

7. Kuzin E. N., Kruchinina N. E., Chernyshev P. I., Vizen N. S. Synthesis of Titanium Trichloride // Inorganic Materials. 2020, vol. 56, no. 5, pp. 507—511. DOI: 10.1134/ S002016852005009X.

8. Кузин Е. Н., Кручинина Н. Е., Фадеев А. Б., Носова Т. И. Принципы пиро-гидрометаллургической переработки кварц-лейкоксенового концентрата с формированием фазы псевдобрукита // Обогащение руд. — 2021. — № 3. — С. 33—38. DOI: 10.17580/or.2021.03.06.

9. Машковцев Г. А., Быховский Л. З., Ремизова Л. И., Чеботарева О. С. Об обеспечении промышленности россии титановым сырьем // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. — 2016. — № 5. — С. 9—15.

10. Chachula F., Liu Q. Upgrading a rutile concentrate produced from Athabasca oil sands tailings // Fuel. 2003, vol. 82, no. 8, pp. 929—942. DOI: 10.1016/s0016-2361(02)00401-5.

11. Zanaveskin K. L., Meshalkin V. P. Chlorination of quartz-leucoxene concentrate of Yarega field // Metallurgical And Materials Transactions B: Process Metallurgy And Materials Processing Science. 2020, vol. 51, no. 3, pp. 906—915. DOI: 10.1007/s11663-020-01810-2.

12. Занавескин К. Л., Масленников А. Н., Махин М. Н., Занавескин Л. Н. Влияние гранулометрического состава на переработку автоклавного концентрата Ярегского месторождения на тетрахлорид титана // Цветные металлы. — 2016. — № 10. — С. 79—85. DOI: 10.17580/tsm.2016.10.11.

13. Занавескин К. Л., Масленников А. Н., Махин М. Н., Занавескин Л. Н. Особенности химического и минерального состава чернового кварц-лейкоксенового концентрата Ярегского месторождения // Обогащение руд. — 2015. — № 5. — С. 25—32. DOI: 10.17580/ or.2015.05.05.

14. Занавескин К. Л., Масленников А. Н., Дмитриев Г. С., Занавескин Л. Н. Автоклавная переработка кварц-лейкоксенового концентрата Ярегского месторождения // Цветные металлы. — 2016. — № 3. — С. 49—56. DOI: 10.17580/tsm.2016.03.08.

15. Заблоцкая Ю. В., Садыхов Г. Б., Олюнина Т. В., Гончаренко Т. В. Перспективы развития Ярегского месторождения как источника получения искусственного рутила и волластонита // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. — 2015. — № 9. — С. 12—15.

16. Занавескин К. Л., Масленников А. Н., Занавескина С. М., Дмитриев Г. С. Обогащение лейкоксена Ярегского месторождения методом автоклавного выщелачивания // Обогащение руд. — 2016. — № 6. — С. 14—20. DOI: 10.17580/or.2016.06.03.

17. Rodriguez M. H., Rosales G. D., Pinna E. G., Tunez F. M., Toro N. Extraction of titanium from low-grade ore with different leaching agents in autoclave // Metals. 2020, vol. 10, no. 4. DOI: 10.3390/met10040497.

18. Садыхов Г. Б., Заблоцкая Ю. В., Анисонян К. Г., Олюнина Т. В. О комплексном использовании лейкоксеновых руд Ярегского месторождения с получением синтетических рутила и волластонита и попутным извлечением редких и редкоземельных элементов // Металлы. — 2016. — № 6. — С. 3—10.

19. Анисонян К. Г., Садыхов Г. Б., Олюнина Т. В., Гончаренко Т. В., Леонтьев Л. И. Исследование процесса магнетизирующего обжига лейкоксенового концентрата // Металлы. — 2011. — № 4. — С. 62—66.

20. Анисонян К. Г., Садыхов Г. Б., Олюнина Т. В., Гончаренко Т. В., Леонтьев Л. И. Физико-химические закономерности магнетизирующего обжига лейкоксеновых руд и концентратов / ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов в 5 т. — Екатеринбург: УрО РАН, 2016. — С. 224.

21. Анисонян К. Г. Исследование влияния температуры обжига на изменение магнитных свойств лейкоксена / Материалы III Ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. — М.: Интерконтакт Наука, 2006. — С. 80—83.

22. Копьев Д. Ю., Анисонян К. Г., Гончаров К. В., Олюнина Т. В., Садыхов Г. Б. Изучение фазовых превращений при восстановительном обжиге лейкоксенового концентрата с углеродом // Металлы. — 2017. — № 3. — С. 3—7.

23. Копьев Д. Ю., Анисонян К. Г., Олюнина Т. В., Садыхов Г. Б. Влияние условий восстановительного обжига лейкоксенового концентрата на его вскрываемость при серно-кислотном разложении // Цветные металлы. — 2018. — № 11. — С. 56—61. DOI: 10.17580/ tsm.2018.11.08.

24. Смороков А. А., Кантаев А. С., Брянкин Д. В., Миклашевич А. А. Разработка способа низкотемпературного обескремнивания лейкоксенового концентрата Ярегского месторождения раствором гидродифторида аммония // Известия вузов. Химия и химическая технология. — 2022. — Т. 65. — № 2. — С. 127—133. DOI: 10.6060/ivkkt.20226502.6551.

25. Истомина Е. И., Истомин П. В., Надуткин А. В., Грасс В. Э. Обескремнивание лейкоксенового концентрата при вакуумной силикотермической обработке // Новые огнеупоры. — 2020. — № 3. — C. 5—9. DOI: 10.17073/1683-4518-2020-3-5-9.

26. Bhandari D., Chhibber R., Sharma L., Arora N., Mehta R. Combining CaO—SiO2—TiO2 and CaO—SiO2—Al2O3 ternary phase systems for design of bimetallic welds // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2021, vol. 235, no. 8, pp. 1271—1283. DOI: 10.1177/0954405421995919.

27. Taylor R. W. Liquidus temperatures in the system FeO—Fe2O3—TiO2 // Journal of the American Ceramic Society. 1963, vol. 46, no. 6, pp. 276—279.

28. Кузин Е. Н., Мокрушин И. Г., Кручинина Н. Е. Принципы пирометаллургической переработки кварц-лейкоксенового концентрата с формированием фазы псевдобрукита. Ч. 2. Фазовые превращения // Обогащение руд. — 2022. — № 5. — С. 23—28. DOI: 10.17580/ or.2022.05.04.

29. Бурдина А. С., Гагарина К. И., Габов А. Л., Миронова А. А. Влияние термической обработки на фазовый состав диоксида кремния // Прикладная фотоника. — 2018. — Т. 5. — № 1-2. — С. 22—31.