Холодное закрепление окатышей из концентратов глубокого обогащения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 669.162

В.А. Прохорович, А.Н. Заостровский ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДОМЕННЫХ ОКАТЫШЕЙ ИЗ ОФЛЮСОВАННЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

Исключительно глубокое обогащение руд предопределяет подготовку концентратов к доменной плавке способом окомкования. Особое внимание при разработке технологии окомкования должно быть уделено достижению очень высокой степени обессеривания (95,0-97,0 %) окатышей при их обжиге. Выполнение таких жестких требований при обессе-ривании вызывает необходимость предварительного изучения теоретических основ процесса обессеривания, знание которых поможет разработке рациональной технологии обессеривающего обжига.

Ранее в [1, 2] проанализированы вопросы обессеривания окатышей, приготовленных только из смеси концентрата со сравнительно крупнозернистым известняком. Между тем, большой интерес представляет изучение обессеривания окатышей из смесей концентрата с тонкоизмельченным доломитом и известью-пушонкой. Кроме того, при разработке технологии обжига окатышей во вращающихся печах требуется изучение процесса обессеривания окатышей, как на низ-котемпе-ратурном этапе окис-

лительного обжига, так и на высокотемпературном.

Сера в сырых окатышах из концентратов представлена в основном пиритом и пирротином. При анализе поведения серы в процессе обжига, применительно состава шихты, признанной наиболее рациональной для окатывания, следует рассмотреть взаимодействие пирита и пирротина с магнетитом, окисью железа и окисями кальция и магния. При нагреве пирита и пирротина в окислительной атмосфере при температурах ниже воспламенения (для пирита крупностью менее

0,1 мм - 325°С, для пирротина -430°С) происходит их окисление до сульфата [3]. Внутри окатышей при этих температурах вследствие недостатка газообразного кислорода начнется разложение пирита и пирротина. Сульфаты закисного железа, образовавшиеся в периферийных слоях окатышей при наличии достаточного количества кислорода, окисляются до сульфатов окисного железа (при нагреве до температур 450-500°С).

При нагреве окатышей, начиная с температуры 350°С, происходит дегидратация из-

вести-пушонки. Этот процесс заканчивается при температурах 500-550°С и, таким образом, в рассматриваемой системе появляется окись кальция.

Свободная окись кальция уже при температуре 400°С может реагировать в твердой фазе в ядрах окатышей с сернистым железом [4]. Почти одновременно с этим свободная окись кальция будет реагировать с парами элементарной серы [5]. Дальнейший нагрев окатышей приводит к интенсивному окислению сульфидов железа. В интервале температур 735-905°С - доломит, а в интервале температур 900-921°С - известняк будут полностью разлагаться с образованием свободных окислов кальция и магния [6]. При этом часть сернистого газа в присутствии избыточного кислорода будет связана в сульфаты кальция и магния.

На низкотемпературном этапе обжига основной компонент окатышей - магнетит довольно полно окисляется до окиси железа. Окись железа и магнетит в твердой фазе при температурах от 550 до 1000°С вступают во взаимодействие с сернистым железом [7].

Таблица 1

Исходный материал Состав прокалённого остатка, %

SiO2 CaO MgO £ общая, % £ сульфатная, %

до обжига после обжига до обжига после обжига

Концентрат 3,4 4,2 - 0,90 0,16 0,0 0,08

Смесь концентрата с известняком, кр. 1-0 мм 3,2 4,6 0,76 0,38 0,05 0,31

Смесь концентрата с известью, известняком и магнезитом, кр. 0,25-0 мм 3,0 4,2 1,2 0,70 0,64 0,06 0,64

Для выяснения распределения серы, оставшейся в окатышах после нагрева в окислительной атмосфере до 900°С, был поставлен следующий опыт. Концентрат отдельно и в смеси с известняком, магнезитом и известью-пушонкой прокаливался в окислительной атмосфере в течение 30 минут при 900°С. Продукты обжига анализировались на содержание кремнезема, окиси кальция, окиси магния, общей и сульфатной серы. Результаты опыта приведены в табл. 1.

Из таблицы видно, что наличие в окатышах тонкозернистых включений окиси кальция и окиси магния существенно влияет как на степень низкотемпературного обессеривания, так и на характер распределения серы в продукте обжига. Очевидно, что в окатышах из рекомендуемой шихты, сходной по составу с третьей смесью, приведенной в таблице, примерно 90 % от всей серы после низкотемпературного обжига будет представлено сульфатами кальция и магния, а остальные 10% - сульфидами железа и кальция.

Таким образом, при анализе высокотемпературной стадии (1000-1350°С) обессеривания

окатышей необходимо рассмотреть, главным образом, поведение сульфатов кальция и магния.

К моменту начала высокотемпературной стадии обжига окатышей магнетит практически полностью перейдет в окись железа. Последняя будет вступать во взаимодействие, как с сульфидами, так и с сульфатами. При нагревании окатышей до температуры 1150°С происходит полное разложение сульфата магния и начинается слабое разложение сульфата кальция. Эти благоприятные для обессеривания процессы существенно улучшаются в присутствии окислов кремния, алюминия и железа. Однако, несмотря на это, сульфат кальция разлагается очень медленно, и только при повышении температуры обжига до 1300-1350°С разложение его

ускоряется.

Существенным фактором высокотемпературного обессеривания окатышей является параллельное протекание процесса диссоциации окиси железа, сопровождающееся выделением атомарного кислорода. Этот кислород может обеспечить полное удаление серы из сульфида железа, несмотря на возможное оплавление материала.

Такое положение лишний раз указывает, что главное внимание в процессе высокотемпературного обессеривания офлюсованных окатышей необходимо уделять сере, связанной в виде сульфата кальция. В этом отношении заслуживает внимания решение вопроса обессеривания окатышей, предлагаемое институтом Уралмеханобр. Офлюсо-вание окатышей крупнозернистым известняком в значительной мере препятствует образованию сульфата кальция на низкотемпературной стадии окислительного обжига.

В свете вышеприведенного теоретического анализа процесса обессеривания становится ясным значение окиси магния. Этот компонент улучшает обессери-вание окатышей на высокотемпературной стадии, главным образом потому, что образует легко разлагаемый сульфат, а не потому, что повышает температуру размягчения окатышей.

Роль отдельных стадий обессеривания окатышей при окислительном обжиге, как видно из анализа, в значительной мере определяется составом окатышей. Если обжигу подвергаются неофлюсованные окатыши, то главная роль в обессеривании принадлежит низкотемпературной стадии. При обжиге высокоосновных окатышей, особенно офлюсованных тонкозернистой известью, обессеривание происходит в основном на высокотемпературной стадии. Отсюда вытекает вывод, что для обеспечения полного обессеривания окатышей необходимо в

Таблица 2

Состав сухих окатышей Темпера тура печи, оС Содержание серы, % Степень обессеривания, %

До опыта После опыта

Чистый концентрат 300 0,9 0,74 17,8

500 0,9 0,27 70,1

700 0,9 0,16 82,3

900 0,9 0,15 83,4

1100 0,9 0,13 85,6

1200 0,9 0,09 90,0

1250 0,9 0,07 92,2

1300 0,9 0,03 96,7

1350 0,9 0,01 98,8

Концентрат 93,5 300 0,84 0,65 22,6

известняк 500 0,84 0,31 63,2

(кр. 1-0 мм) 6,5 % 700 0,84 0,22 73,8

900 0,84 0,45 46,5

1100 0,84 0,34 59,6

1200 0,84 0,36 57,2

1250 0,84 0,30 64,2

1300 0,84 0,05 94,0

1350 0,84 0,02 97,6

Концентрат 87,5 % 300 0,81 0,62 23,5

Известняк 500 0,81 0,50 38,3

(кр. 0,25-0 мм) 3,0% 700 0,81 0,47 42,0

Известь-пушонка (кр. 0,25-0 мм) 2,0 мм 900 1100 1200 0,81 0,81 0,81 0,42 0,40 0,36 554 ,,, 6 6 2

Магнезит (кр. 0,25-0 мм) 2,5 мм 1250 1300 0,81 0,81 0,20 0,04 75,3 95,2

Возврат 5,0 мм 1350 0,81 0,02 97,5

Состав материала, % Содержание серы, % Степень обессеривания, %

До опыта После опыта

Концентрат без присадок 0,90 0,03 96,7

Концентрат 92,0 %; Известняк 8,0 % 0,83 0,30 63,8

Концентрат 92,0 %; Известняк 8,0 % 0,83 0,04 95,2

соответствии с их составом устанавливать время обжига на низкотемпературной и высокотемпературной стадиях обжига.

При установлении наивыгоднейшего режима обессеривания офлюсованных окатышей в процессе обжига не менее важной целью обжига является упрочнение окатышей и повышение степени окисленности их. Чрезмерный перегрев окатышей, полезный для обессеривания, может привести к сплавлению отдельных окатышей и к расстройству процесса обжига, а также к понижению степени окисленности за счет диссоциа-пии окиси железа. Исходя из этого, экспериментальная проверка обессеривания офлюсованных окатышей из соколов-ско-сарбайских концентратов

производилась для таких условий обжига, которые отвечают режимам работы шахтных печей, вращающихся печей и ленточных обжиговых машин.

Для оценки влияния состава окатышей и температуры обжига их на степень обессеривания проведена серия опытов в трубчатой электрической печи. В рабочее пространство печи при определенной постоянной температуре вводилась партия сухих окатышей в количестве 3-5 штук и выдерживалась при этой температуре 30 минут в потоке горячего воздуха с условной скоростью 0,4 м3/м2сек. (табл.2).

Окислительный обжиг окатышей из чистого концентрата с естественной основностью (по отношению кальция к кремнезему) около 0,35 показал, что степень обессеривания увеличивается пропорционально температуре обжига. Интенсивное разложение и окисление пирита и пирротина начинается в интервале от 300 до 500°С. Отсутствие в окатышах активных окислов кальция и магния приводит к тому, что уже при низких температурах обжига удаляется до 85,0 % серы. При температурах выше 1250°С происходит практически полное обессеривание окатышей.

При окислительном обжиге окатышей с включениями крупнозернистого известняка меняется механизм обессеривания. На низкотемпературной стадии обжига (от 300 до 700°С), когда известняк еще не разложился, влияние его практически не сказывается. При дальнейшем повышении температуры обжига степень обессеривания окатышей с крупнозернистым известняком резко падает из-за связывания сернистых газов образующейся активной окисью кальция в трудноразлагающий-ся сульфат кальция.

Так, если обжиг окатышей при температуре 700°С показал степень обессеривания 73,8 %, то обжиг при 900°С снизил степень обессеривания до 46,5 %. Замедляющее действие известняка на степень обессеривания окатышей проявляется при обжиге вплоть до температуры 1250°С. И только при температурах 1300-1350°С, когда сульфаты кальция начинают разлагаться, степень обессеривания окатышей при окислительном обжиге достигает нормы.

Обжиг окатышей с присадкой тонкоизмельченных извести и магнезита уже на низкотемпературном этапе показывает замедленное обессеривание. При этом замедляющий эффект присадок извести, а затем и магнезита, проявляется вплоть до 1250°С. Дальнейшее повышение температуры обжига приводит к прогрессивному обессериванию окатышей до нормы.

Отметим, что при повышенных температурах обжига обессеривание окатышей с присадками извести и магнезита происходит интенсивнее, чем для окатышей с присадками извест-

Таблица 3

няка. Это подтверждает указывавшееся ранее положительное влияние окиси магния на процесс высокотемпературного обессеривания.

Для уточнения эффекта присадок магнезита были проведены опыты по обжигу порошкообразного концентрата без добавок и с добавками известняка и магнезита. Окислительный обжиг проводился при 1250°С в течение 10 минут. Температура обжига была выбрана с учетом температур диссоциации сульфатов магния (1155°С) и кальция (1450°С).

Как показывают результаты этих опытов (табл.3), присадка магнезита обеспечивает высокую степень обессеривания в отличие от присадки известняка, резко тормозящей обессеривание при температуре опыта.

Анализируя результаты опытов, приведенные в табл.2 и 3, можно заключить, что оптимальный состав шихты для производств малосернистых офлюсованных окатышей должен включать соединения магния и, лучше всего, в форме доломита. Конечная температура обжига окатышей должна составлять около 1300°С.

Выводы

1. Проанализирован процесс обессеривания окатышей, приготовленных из смесей концентрата с тонко измельчёнными доломитом и известью-пушонкой на низкотемпературном и высокотемпературном этапах окислительного обжига.

2. Показано, что введение доломита в шихту для доменных окатышей благоприятствует обессериванию их при обжиге.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хохлов Д.Г., Ручкин И.Е. Получение офлюсованных окатышей из концентратов. Сб. Горнодобывающая промышленность Казахстана, Алма-Ата. 1959. С. 102.

2. Хохлов Д.Г. Выгорание серы при обжиге офлюсованных окатышей. Сталь, 1962. № 7, с. 592. М.: Металлургиздат.

3. Цейдлер А.А. Металлургия меди и никеля. М.: Металлургиздат, № 30, с.130. 1958.

4. Верт Ж.Л., Каменцев М.В. Исследование взаимодействия окислов, входящих в состав боксита, с сульфидами. Абразивы. Вып. 15, № 3, М., ЦБТИ. 1956.

5. Ванчиков В.А., Любан А.П., Манчинский В.Г. Поглощение серы компонентами доменной шихты. Сталь, № 6, с. 508, М.: Металлургиздат. 1954.

6. Банков А.А. Собрание трудов АН СССР, М-Л, том IV, с. 286. 1949.

7. Смирнов В.И., Веселовский А.А. Взаимодействия высших окислов железа с сульфидами тяжелых металлов. Труды Уральского индустриального института. ОНТИ-НКТП, Св-М, сб. 5, с. 39. 1938.

УДК 669.162 В.А. Прохорович, А.Н. Заостровский ХОЛОДНОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ОКАТЫШЕЙ ИЗ КОНЦЕНТРАТОВ ГЛУБОКОГО ОБОГАЩЕНИЯ

Наиболее сложной частью процесса окомко-вания тонкозернистых железорудных концентратов является закрепляющий обжиг. Высокая температура, достигающая 1350°С, приводит к быстрому износу оборудования, а также к сплавлению отдельных окатышей в крупнокусковой агломерат. Поэтому серьезного внимания заслуживает принцип холодного закрепления окатышей, сущность которого заключается в образовании прочного каркаса из продуктов коррозии смеси железорудной мелочи, чугунных опилок и поваренной соли [1-3].

В настоящей работе изучалось холодное закрепление окатышей из соколовско-сарбайских концентратов глубокого обогащения (66,8 % Бе) с присадками чугунных опилок (от 5 до 10 %) и поваренной соли (0,5 %). Начальная влажность сме-

си концентратов (в отношении 3 : 7) обычно составляла 11 %. Крупность концентрата - менее 0,1 мм, чугунных опилок - от 0,15-0 до 1,0-0 мм, поваренной соли 0,5-0 мм.

Свежеприготовленную влажную шихтовую смесь сначала выдерживали в открытых ящиках до достижения максимальной темп ературы в центре слоя. Продолжительность выдержки составляла примерно 1 час. За это время в шихте совершался первый этап коррозии, сопровождающийся сравнительно интенсивным выделением тепла. При окомковании шихты без предварительной выдержки прочность окатышей была низкой.

После выдержки шихту окатывали на тарельчатом грануляторе диаметром 1 м при высоте борта 180 мм, угле наклона тарелки 50° и окружной скорости 0,9 м/сек. Для ускорения процесса в гра-

Рис. 1. Влияние количества чугунных опилок на закрепление окатышей (крупность опилок - менее 0,5 мм): 1 - 10,0 %; 2 - 8,0 %; 3 - 5,0%

Рис. 2. Влияние крупности чугунных опилок на закрепление окатышей:

1 - 0,15-0 мм; 2 - 0,25-0 мм; 3 - 0,5-0 мм; 4 -1,0-0 мм

нулятор добавляли около 1,0 % воды.

Сырые окатыши диаметром от 30 до 40 мм выдерживали (для закрепления) в течение нескольких суток на стеллажах в помещении лаборатории при средней температуре воздуха 18° и относительной влажности 60 %. Каждые сутки от партии окатышей отбирали пробу для определения их прочности и влажности. Прочность оценивали по средней величине раздавливающей нагрузки на один окатыш (каждый раз для испытания брали по 10 окатышей диаметром около 35 мм).

Как видно из рис. 1, достаточно высокая прочность окатышей (раздавливающая нагрузка на один окатыш - более 80 кг) достигалась только в том случае, когда содержание чугунных опилок в смеси составляло 10 %. Увеличение количества опилок сверх 10 % экономически вряд ли целесообразно. Исходя из этого, для последующих опытов присадка чугунных опилок в количестве 10 % была принята оптимальной.

Снижение верхнего предела крупности чугунных опилок резко увеличивает прочность окатышей из тонкозернистых железорудных концентратов (рис. 2) и сокращает срок закрепления их. Так, при измельчении чугунных опилок до 0,15 - 0 мм прочность окатышей уже на вторые сутки становится вполне достаточной, а после семи суток она повышается до 210 кг на один окатыш и на одиннадцатые сутки достигает максимума (265 кг). Увеличение крупности опилок до 1 - 0 мм настолько резко снижает эффект закрепления окатышей, что практически становится неприемлемым даже при очень длительной выдержке.

Оптимальная величина верхнего предела крупности чугунных опилок определяется крупностью зерен рудного концентрата. Достаточно высокая прочность окатышей получается при одинаковом гранулометрическом составе опилок и рудного концентрата.

Весьма существенное влияние на эффективность закрепления окатышей оказывает первоначальная влажность шихты.

Оптимальное содержание влаги определяется полнотой процесса коррозии опилок и, следовательно, зависит от количества и крупности чугунных опилок.

Для соколовско-сарбайских концентратов

глубокого обогащения влажность не должна превышать 11-12 % (см. таблицу).

Естественно, что за время выдержки окатышей их влажность снижается. Так, если у сырых окатышей начальная влажность составляет 8,5 - 9 %, то уже после суточной выдержки она снижает-

Влияние влажности шихты на прочность окатышей из смеси соколовско-сарбайских концентратов глубокого обогащения и чугунных опилок (10%) крупностью 0,25-0 мм, кг _______________на один окатыш________________

Начальная влажность шихты, % Время выдержки, сутки

1 2 3 4 5 6 7

8 15 29 71 80 86

11 21 35 84 100 110

15 3 4 9 10 10

ся до 4,5 - 5 %, а после полного закрепления (на 67 сутки) достигает практически, постоянного минимума (в среднем 0,5 %).

Анализируя результаты экспериментального исследования, для окомкования соколовско-сарбайских концентратов глубокого обогащения с чугунными опилками можно рекомендовать следующий технологический режим.

Начальная влажность железорудного концентрата, %........10-11

Количество чугунных опилок крупностью

0,25-0 мм, %........... 10

Количество поваренной соли крупностью 0,50 мм, %...... 0,5

Время выдержки шихты перед окатыванием,

час............. 1,0-1,5

Время выдержки окатышей на складе закрепления, суток ... 3-5

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Парфёнов А.М. Агломерация железных руд. М.: Металлургиздат. 1974. 190 с.

2. Мачковский А.И., Селезнёв А.Е. Окускование железорудных концентратов. М.: Металлургиздат. 1961. 160 с.

3. Ростовцев С.Т. Теория металлургических процессов. М.: Металлургиздат. 1966. 190 с.

□ Авторы статей:

Прохорович Владимир Абрамович

- канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии твёрдого топлива и экологии

Заостровский Анатолий Николаевич

- канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Института угля и углехимии СО РАН, доц. каф. химической технологии твёрдого топлива и экологии