Повышение эффективности карботермического восстановления красного шлама при обработке микроволнами

Целью работы явилось изучение влияния микроволновой обработки брикетов, состоящих из красного шлама с содержанием более 48% Fe, на процессы восстановления железа при различных условиях термообработки. Объектом исследований явились образцы красного шлама, образующегося при получении глинозема из бокситов на Уральском алюминиевом заводе. Исследование химического состава образцов шлама проводили с помощью рентгенофлюоресцентного анализа. Состав исходного шлама и полученных агломератов после обработки в микроволновой и муфельной печах изучали рентгеноструктурным методом. Фазовые переходы и структурные изменения в ходе нагрева образцов исследовали при помощи сканирующей электронной микроскопии. Экспериментальные брикеты, состоящие из красного шлама и древесного угля, подвергались обработке при 850°C и 1000°C в микроволновой печи (с частотой 2,45 ГГц и мощностью 900 В). Для сравнения брикеты аналогичного состава термообрабатывались в муфельной печи при тех же условиях. Установлено, что при микроволновом нагреве до 1000°C в течение 10 мин гематит полностью восстанавливается до металлического железа при добавлении вюстита. Анализ микроструктуры образцов после микроволновой обработки показал, что частицы металлического железа в образующихся окатышах-агломератах имеют больший размер, чем в образцах после традиционного термонагрева в муфельной печи. Металлизированные фазы восстановленного железа в конце термообработки в микроволновой печи создают устойчивый прочный каркас агломератов. Научно обоснованные параметры процесса могут стать основой создания технологии переработки красного шлама, являющегоя техногенным сырьем. Полученные высокопрочные окатыши из красного шлама с содержанием восстановленного железа (до 85%) могут стать альтернативным шихтовым материалом для черной металлургии. Внедрение предлагаемой технологии переработки красного шлама в окатыши-агломераты, востребованой в различных отраслях промышленности, позволит снизить экологическую нагрузку на производственные территории глиноземного производства.

1. Халифа А.А., Утков В.А., Бричкин В.Н. Влияние красного шлама на предотвращение полиморфизма двухкальциевого силиката и саморазрушение агломерата // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 1. С. 231-240. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1-231-240

2. Бричкин В.Н., Дубовиков О.А., Николаева Н.В., Беседин А.А. Обезвоживание красного шлама и основные направления его переработки // Обогащение руд. 2014. № 1. С. 44-48.

3. Беседин А.А., Утков В.А., Бричкин В.Н., Сизяков В.М. Агломерационное спекание красных шламов // Обогащение руд. 2014. № 2. С. 28-31.

4. Piirainen V.Y., Boeva A.A., Nikitina T.Y. Application of new materials for red mud immobilization // Key Engineering Materials. 2020. № 854. P. 182-188.

5. Трушко В.Л., Дашко Р.Э., Кусков В.Б., Клямко А.С. Технология «холодного» брикетирования богатых руд Яковлевского месторождения // Записки Горного института. 2011. Т. 190. С. 133-137.

6. 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. Iss. 3. P. 145-151. https://doi.org/10.1080/08827508.2017.1288116

7. Dmitriev A. The comprehensive utilisation of red mud utilisation in blast furnace // Metallurgical Solid Waste / ed. Yingyi Zhang. 2018. https://doi.org/10.5772/intechopen.80087

8. Zhou Xianlin, Luo Yanhong, Chen Tiejun, Zhu Deqing. Enhancing the reduction of high-aluminum iron ore by synergistic reducing with high-manganese iron ore // Metals. 2019. Vol. 9. Iss. 15. P. 1-12. https://doi.org/10.3390/met9010015

9. Пягай И.Н., Кожевников В.Л., Пасечник Л.А., Скачков В.М. Переработка отвального шлама глиноземного производства с извлечением скандиевого концентрата // Записки Горного Института. 2016. Т. 218. С. 225-232.

10. Pontikes Y., Angelopoulos G.N. Bauxite residue in cement and cementitious applications: current status and a possible way forward // Resources, Conservation and Recycling. 2013. Vol. 73. P. 53-63. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2013.01.005

11. Paramguru R.K., Rath P.C., Misra V.N. Trends in red mud utilization - a review // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2005. Vol. 26. Iss. 1. P. 1 -29. https://doi.org/10.1080/08827500490477603

12. Rai S., Wasewar K.L., Mukhopadhyay J., Yoo C., Uslu H. Neutralization and utilization of red mud for its better waste management // Archives of Environmental Science. 2012. Vol. 6. P. 13-33.

13. Garg A, Yadav H. Study of red mud as an alternative building material for interlocking block manufacturing in construction industry // International Journal of Materials Science and Engineering Study. 2015. Vol. 3. Iss. 4. P. 295-300. https://doi.org/10.17706/ijmse.2015.3.4.295-300

14. Трушко В.Л., Кусков В.Б., Кускова Я.В. Комплексная переработка богатых железных руд // Обогащение руд. 2014. № 1. P. 39-43.

15. Kuskova Y.V., Kuskov V.B. Development of technology for the production of natural red iron oxide pigments // Inzynieria Mineralna. 2017. № 1. Р. 217-220.

16. Agrawal S., Rayapudi V., Dhawan N. Extraction of iron values from red mud // Materials Today: Proceedings. 2018. Vol. 5. Iss. 9. Part 1. P. 17064-17072. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.04.113

17. Agrawal S., Rayapudi V., Dhawan N. Microwave reduction of red mud for recovery of iron values // Journal of Sustainable Metallurgy. 2018. Vol. 4. Iss. 3. P. 427-43. https://doi.org/10.1007/s40831-018-0183-3

18. Trushko V.L., Utkov V.A., Sivushov A.A. Reducing the environmental impact of blast furnaces by means of red mud from alumina production // Steel in Translation. 2017. Vol. 47. No. 8. P. 576-578. https://doi.org/10.3103/S0967091217080149

19. Shiryaeva E.V., Podgorodetskiy G.S., Malysheva T.Yа., Detkova T.V., Gorbunov V.B. Influence of lowalkali red mud on the composition and structure of sintering batch consisting of heterogeneous iron ore concentrates // Steel in Translation. 2014. Vol. 44. No. 9. P. 625-628. https://doi.org/10.3103/S0967091214090150

20. Трушко В.Л., Утков В.А. Разработка импортозамещающих технологий повышения производительности агломерационных машин и прочности агломератов // Записки Горного Института. 2016. Т. 221. С. 675-680. https://doi.org/10.18454/pmi.2016.5.675

21. Podgorodetskiy G., Gorbunov V., Panov A., Petrov S., Gorbachev S. Complex additives on the basis of red mud for intensification of iron-ore sintering and pelletizing // Light Metals / ed. M. Hyland. 2015. P. 107-111. https://doi.org/10.1002/9781119093435.ch20

22. Kumar R., Srivastava J.P., Premchand. Utilization of iron values of red mud for metallurgical applications // Environmental and Waste Management / eds. A. Ban-dopadhyay, N.G. Goswami, P.R. Rao. Jamshedpur: National Metallurgical Laboratory, 1998. Р. 108-119. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2077.7446

23. Balomenos E., Panias D. Iron recovery and production of high added value products from the metallurgical byproducts of primary aluminium and ferronickel industries // 3rd International Slag Valorisation Symposium (Leuven, 19-20 March 2013). Leuven, 2013. P. 161-172.

24. Branca T.A., Colla V., Algermissen D., Granbom H., Martini U., Morillon A., Pietruck R., Rosendahl S. Reuse and recycling of by-products in the steel sector: Recent achievements paving the way to circular economy and industrial symbiosis in europe // Metals. 2020. Vol. 10. Iss. 3. Р. 345. https://doi.org/10.3390/met10030345

25. Sadangi J.K., Das S.P., Tripathy A., Biswal S. K. Investigation into recovery of iron values from red mud dumps // Separation Science and Technology. 2018. Vol. 53. Iss. 14. P. 2186-2191. https://doi.org/10.1080/01496395.2018.1446984

26. Утков В.А., Леонтьев Л.И. Повышение прочности агломератов и окатышей при помощи бокситового красного шлама // Сталь. 2005. Т. 9. С. 2-4.

27. Singh S., Gupta D., Jain V., Sharma A.K. Microwave processing of materials and applications in manufacturing industries: A Review // Materials and Manufacturing Processes. 2015. Vol. 30. Iss. 1. P. 1-29. https://doi.org/10.1080/10426914.2014.952028

28. Jones D.A., Lelyveld T.P., Mavrofidis S.D., Kingman S. W., Miles, N.J. Microwave heating applications in environmental engineering - A review // Resources, Conservation and Recycling. 2002. Vol. 34. Iss. 2. P. 75-90. https://doi.org/10.1016/S0921-3449(01)00088-X

29. Nishioka K., Taniguchi T., Ueki Y., Ohno K-I., Maeda T. , Shimizu M. Gasification and reduction behavior of plastics and iron ore mixtures by microwave heating // ISIJ International. 2007. Vol. 47. Iss. 4. P. 602-607. https://doi.org/10.2355/isijinternational.47.602

30. Das S., Mukhopadhyay A.K., Datta S., Basu D. Prospects of microwave processing: An overview // Bulletin of Materials Science. 2009. Vol. 32. Iss. 1. P. 1-13. https://doi.org/10.1007/s12034-009-0001-4

31. Guo Sheng-hui, Chen Guo, Peng Jin-hui, Chen Jin, Li Dong-bo, Liu Li-jun. Non-isothermal microwave leaching kinetics and absorption characteristics of primary titanium-rich materials // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2010. Vol. 20. Iss. 4. P. 721-726. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(09)60204-1

32. Omran M., Fabritius T. Improved removal of zinc from blast furnace sludge by particle size separation and microwave heating // Minerals Engineering. 2018. Vol. 127. P. 265-276. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2018.08.002

33. Bykov Yu.V., Rybakov K.I., Semenov V.E. High-temperature microwave processing of materials // Journal of Physics D: Applied Physics. 2001. Vol. 34. P. R55-R75. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/13/201

34. Clark D.E., Folz D.C., West J.K. Processing materials with microwave energy // Materials Science and Engineering A. 2000. Vol. 287. No. 2. P. 153-158. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)00768-1

35. Veres J., Lovas M., Hredzak S., Zubrik A., Dolinska S., Skrmsky J. Application of microwave energy in waste treatment // Inzynieria Mineralna. 2017. Vol. 2017. Iss. 1. P. 39-44.

36. Agrawal D. Latest global developments in microwave materials processing // Materials Research Innovations. 2010. Vol. 14. Iss. 1. P. 3-8. https://doi.org/10.1179/143307510X12599329342926

37. El-Geassy A.A., Halim K.S.A., Bahgat M., Mousa E.A., El-Shereafy E.E., El-Tawil A.A. Carbothermic reduction of Fe2O3/C compacts: Comparative approach to kinetics and mechanism // Ironmaking and Steelmaking. 2013. Vol. 40. Iss. 7. P. 534-544. https://doi.org/10.1179/1743281212Y.0000000076

38. Aune R.E., Seetharaman S. Thermodynamic aspects of metals processing // Fundamentals of metallurgy // ed. S. Seetharaman. England: ED, 2005. Р. 38-81.

39. Haque K.E. Microwave energy for mineral treatment processes - a brief review // International Journal of Mineral Processing. 1999. Vol. 57. P. 1-24.

40. Litvinenko V. The role of hydrocarbons in the global energy agenda: the focus on liquefied natural gas // Resources. 2020. Vol. 9. Iss. 59. Р. 1-22. https://doi.org/10.3390/resources9050059

41. Litvinenko V.S. Digital economy as a factor in the technological development of the mineral sector // Natural Resources Research. 2020. Vol. 29. No. 3. P. 1521 -1541. https://doi.org/10.1007/s11053-019-09568-4