IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

На Челябинском электрометаллургическом комбинате (ЧЭМК) существуют два основных производства - феррохрома и силикомарганца. Шлаки производства феррохрома довольно детально изучены и описаны нами ранее [2-5]. Шлаки же производства силикомарганца изучены менее полно [1]. Восполняя этот пробел, в настоящей статье представляем результаты изучения стекловатых шлаков производства силикомарганца.

Главными оксидами шлаков производства силикомарганца являются SiO₂, CaO, Al₂O₃, MgO. В табл. 1 представлен полный силикатный анализ шлака производства силикомарганца в сравнении с таковым для шлаков производства феррохрома.

Таблица 1

Данные силикатного анализа шлаков Челябинского электрометаллургического комбината

Примечание: Анализы выполнены в лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии Института минералогии УрО РАН. Аналитик Ю.Ф.Мельнова. Дополнительные сведения: в сумму входят: содержание оксида хрома, общая сера, нерастворимый осадок (Н/О). ППП со знаком «+» в сумму не входит.

В зависимости от скорости остывания расплава шлаки производства силикомарганца разделяются на: 1) стекловатые (высокая скорость остывания) и 2) кристаллические (медленная скорость остывания).

1) Стекловатые шлаки макроскопически зеленого цвета, стекло частично раскристаллизовано, в нем наблюдаются минеральные сферолиты. По данным рентгенофазового анализа сферолиты диагностированы как бустамит (Mn, Ca)₃Si₃O₉.

В шлифе в основной массе стекла также наблюдаются многочисленные сферолиты размерами от 0.01 мм до 0.05 мм с радиально лучистым строением, которые сложены игольчатыми кристаллами бустамита, окрашенного в бурые цвета (рис. 1а). Также встречаются округлые обособления размером  1-5 мм, которые характеризуются концентрически-зональным строением (рис. 1б): 1) центральная часть - представлена розетковидными, метельчатыми срастаниями бустамита, с размером отдельных зерен от 0.01 мм до 0.1 мм, расположенных относительно друг друга беспорядочно и образующих своеобразную войлочную структуру. В центральной части зерна бесцветны, иногда бледно окрашены в зеленоватые тона; 2) краевая часть - сложена волокнистыми срастаниями того же бустамита, окрашенного в бурые цвета. Помимо того, часто наблюдаются зерна рудного минерала.

2) Кристаллические шлаки имеют цвета от фисташково-зеленого до темно-зеленого. Встречаются шлаки, которые сложены неплотным агрегатом крупных кристаллов, а некоторые шлаки сложены зернистой массой и имеет среднезернистую структуру. На просвет кристаллы бесцветные, прозрачные. Под бинокулярным микроскопом четко видно, что эти кристаллы имеют облик дитетрагональных призм. На основании расшифровки рентгенограммы установлено, что этот минерал относится к группе мелилита и является акерманитом Ca₂MgSi₂O₇. Микроскопически эти шлаки почти полностью раскристаллизованы; содержание стекла в них меньше 5 %. Остальные 95 % приходятся на: акерманит - 70 % и монтичеллит  CaMgSiO₄ - 25 %. То, что шлак почти полностью раскристаллизован, говорит о медленном остывании и постепенной кристаллизации из высокотемпературного расплава. Акерманит в шлифе представлен крупными, размером до  1-1.5 мм, идиоморфными полигональнымии зернами (кристаллами) (рис. 2а), нередко скелетными, белого цвета. Наряду с кристаллическими образованиями акерманита в шлифе в виде отдельных линзовидных слойков и участков неправильной формы наблюдаются микролиты звездчатой формы и охристые выделения, которые представлены монтичеллитом, который имеет густо-синий цвет (возможно, содержит примесь железа)  (рис. 2б).

Основная масса шлаков производства силикомарганца представляет собой глухие (глушёные) стекла различных оттенков оливково-зеленого цвета) (обусловленного, видимо, существенной примесью серы) (рис. 3а, б) с многочисленными включениями мелких капель и крупных лепешковидных слитков металла (рис. 4).

Из-за обильных включений металлических и сульфидных фаз, именно эти стекловатые шлаки представляют наибольший практический интерес как потенциальное техногенное сырьё для вторичного извлечения полезных компонентов. Поэтому эти шлаковые стекла изучены нами максимально детально на предмет не только химического, но и минерального состава включений в них, поскольку для технологии извлечения и переработки важно знать не только содержание полезного компонента, но его минеральная форма.

Из визуально однородного светлого оливково-зеленого шлакового стекла изготовлен аншлиф, изучение которого проведено на растровом электронном микроскопе JSM-6400 (Jeol) с энергодисперсионным микроанализатором Link (Oxford) (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) при увеличениях от 1000 до 7500 крат. Под электронным микроскопом силикатно-марганцевое шлаковое стекло выглядит также однородным материалом с довольно редкими включениями двух типов - металлических и сульфидных. Состав стекла на разных участках почти один и тот же (табл. 2). В нем не обнаружено железо, но отмечается повышенное содержание марганца и серы. С двумя последними элементами связаны две самостоятельные фазы в стекле.

Таблица 2

Химический состав шлакового стекла производства силикомарганца по данным микрозондового анализа

Примечание: Здесь и далее - анализы выполнены в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар). Аналитик В.Н.Филиппов. Растровый электронный микроскопе JSM-6400 (Jeol) с энергодисперсионным микроанализатором Link (Oxford).

На рис. 5 представлено одно из относительно крупных металлических включений округлой (сфероидной) формы. На срезе включения в режиме Compo видно, что оно состоит из светлых и темных участков; по краям включения имеется кайма другого состава. Согласно результатам определений светлые и темные участки включения являются металлическими, в основном, Mn-фазой (табл. 3). Соотношение Fe-Mn в таких включениях близко к 1:3. Относительно темные и светлые участки включений связаны с вариацией соотношения Fe и Mn: в светлых участках доля Fe немного выше (на 2 %).

Таблица 3 Состав железо-марганцевых фаз в шлаковом стекле

Каемки включений (ЧЭМК-1, ЧЭМК-3) (рис. 5, 6) выполнены сульфидами марганца (табл. 4). По стеклу рассеяны также мелкие чисто сульфидные включения (ЧЭMK-2). По своему составу они соответствуют MnS и, по-видимому, являются алабандином, кубическим сульфидом марганца.

Таблица 4 Состав сульфидных фаз (MnS) в стекле

Проведенные исследования позволяют вполне обоснованно рекомендовать стекловатые шлаки производства силикомарганца для вторичного передела с целью извлечения легкообогатимых самородных и сульфидных фаз марганца и железа.

Авторы благодарны заместителю начальника технического отдела ЧЭМК Д.И.Ракитину, начальнику смены цеха переработки горячего шлака В.Н.Федорову за информационное обеспечение, за предоставленную возможность посетить шлаковые отвалы и отобрать минералогические образцы, а также нашим коллегам А.В.Рочеву, Н.В.Паршиной и М.А.Барабуле за участие в экспедиционных работах.

Исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 12-05-00446-а по теме «Минералогия и геохимия металлургических шлаков Уральских заводов».

Список литературы

1. Лютоев В.П., Филиппов В.Н., Потапов С.С. Химический состав шлаковых стекол производства силикомарганца на Челябинском электрометаллургическом комбинате и минеральные включения в них // Пятые Всероссийские научные чтения памяти ильменского минералога В.О.Полякова. Миасс: ИМин УрО РАН, 2004. С. 90-93.

2. Потапов Д.С., Потапов С.С. Минералогия шлаков производства феррохрома Челябинского электрометаллургического комбината // Успехи современного естествознания. 2010. № 8. С. 23-25.

3. Потапов Д.С., Мороз Т.Н., Потапов С.С. Обнаружение Yb³⁺ в шлаковых стеклах металлургических заводов Урала методом комбинационного рассеяния света // Успехи современного естествознания. 2011. № 7. С. 48-51.

4. Потапов Д.С., Потапов С.С. Минералогия шлаков ферросплавного производства // Минералогия техногенеза-2011. Миасс: ИМин УрО РАН, 2011. С. 51-61.

5. Потапов С.С., Рочев А.В. Форстерит и шпинель в шлаках производства феррохрома // Материалы Уральской минералогической школы - 2001. «Геохимия, минералогия и минерагения техногенеза». Екатеринбург: Изд. УГГГА, 2002. С. 18-20.