CC BY
103
44 © Р.А. Алтынбаев, С.Р. Гзогян^
Н.Д. Мельникова, 2001
УДК 622.788 Х
Р.А. Алтынбаев, С.Р. Гзогян, Н.Д. Мельникова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КЕЛЛОВЕЙСКИХ ГЛИН ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ
В настоящее время окатыши являются одним из основных компонентов железорудной части доменной шихты. По ряду показателей металлургических свойств окатыши уступают агломерату, а по некоторым - превосходят. Создание окатышей с различной массовой долей железа и необходимой основностью, введение в них различных добавок позволяет регулировать доменный процесс, повышать интенсивность плавки и производительность печи, регулировать расход кокса. Применение окатышей в доменной шихте может быть выгодно в том случае, если доля фракции 0-5 мм не превышает 2-3% и если во время восстановления они не растрескиваются и не ухудшают газопроницаемость в слое.
Окатыши становятся основным видом железорудного сырья при удаленности металлургических заводов от рудоподготовительных фабрик. Высокая транспортабельность окатышей, их устойчивость на перегрузочных пунктах, усредни-тельных складах является основным достоинством этого вида сырья.
Преимущество окатышей заключается в лучшей их сохранности при транспортировке за счет создания прочных связок. Роль связующего заключается в создании прочной структуры на этапе формирования сырого окатыша, участия этого компонента в создании связки в процессе обжига и сохранения прочности этой связки при восстановлении в доменной печи.
Шихта для производства окатышей представляет собой железорудный концентрат с добавками флюсующих и связующих компонентов, к каждому из этих составляющих предъявляются определенные требования.
При получении высококачественных окатышей важную роль играет крупность железорудного концентрата и величина удельной поверхности всех компонентов шихты. Прочность сырых окатышей тем выше, чем больше контактов между
отдельными частицами, число которых увеличивается с уменьшением размеров зерен. Степень офлюсования влияет на свойства как сырых, так и обожженных окатышей и выбор режима обжига.
Добавка флюса, измельченного сухим способом, позволяет регулировать влажность шихты. От крупности флюса зависит прочность сырых окатышей: при совместном измельчении флюса и рудной части шихты достигается не только нужная тонина помола, но и повышается прочность окатышей. Основное назначение флюсующей добавки, используемой в окомковании -создание низкоплавких эвтектик, понижение температуры расплава, приводящего к появлению упрочняющей связки при обжиге окатышей. Добавка различного количества флюса в шихту для окомкования позволяет регулировать доменный процесс, обеспечивать наилучшее ошлакование пустой породы. Часто флюсующие добавки играют одновременно и роль связующего компонента в окомковании, которые имеют многоцелевое назначение. За счет тонкодисперсного состояния материала они способствуют лучшей комкуемости шихты. Благодаря набухаемости связующие добавки впитывают значительное количество влаги, увеличивая поверхность сцепления контактируемых зерен шихты.
Под действием сил поверхностного натяжения во влажной комкуемой шихте при вращении окомкователя происходит образование сгустков и формирование окатышей с постепенным уплотнением структуры, уменьшением пористости.
Назначение связующей добавки на данном этапе - создание прочной структуры сырого окатыша, позволяющей сохранить устойчивость его в зоне сушки и последующем обжиге. В зоне обжига связующая добавка приобретает роль упрочняющего компонента, т.к. она участвует в структурообразовании: в формировании пористости, образовании реакций твердофазного спекания и появлении расплава.
В качестве основного связующего и упрочняющего компонента в окатышах изначально использовались бентонитовые глины с высоким (70 % и более) содержанием монтмориллонита, преимущества которых неоспоримы. Бентонит относится к глинистым породам - вулканогенно-
осадочного морского генезиса; основной составляющей бентонитовых глин является монтмориллонит А1203 • 4SiO2 • пН2О. Он образует чрезвычайно мелкие листочки, чешуйки, волокнообразующие выделения, придающие глине повышенную сорбционную емкость в связи с высокой удельной поверхностью. Основные свойства бентонитовых глин: тонкодисперсное природное состояние, гидрофильность, набухаемость, ионообменная емкость, способность постепенно выделять воду при нагреве и т.д. - все это позволяет получать наиболее качественные окатыши с использованием этого вида связующего. Использование бентонита в шихте требует его незначительного расхода по сравнению с другими добавками этого назначения (0,5-1,2 % от массы шихты), это позволяет значительно не разубоживать железо в продукте. Бентонитовые глины содержат в своем составе 46 - 78% SiО2, 10-12 % А12О3, 6-7 % МgО, до 8 % СаО. Для каждого типа шихты в зависимости от минералогического, гранулометрического состава концентрата и флюсующего компонента выбирается оптимальное количество связующей добавки, позволяющей достичь необходимую прочность окатышей без ухудшения качества.
Все более возрастающий дефицит бентонитовых глин, применяемых в производстве железорудных окатышей, постепенное снижение их качества, значительная удаленность месторождений от горнообогатительных комбинатов, производящих окатыши, межгосударственные барьеры (все разрабатываемые месторождения бентонитов оказались в ближнем зарубежье), дороговизна этого вида сырья и многие другие проблемы с особой остротой ставят вопрос о поиске заменителей бентонитовых глин. Применение бентонитовых глин с низкой связующей способностью требует их повышенной дозировки в шихту (до 18-20 кг/т), что заметно обедняет продукцию по содержанию железа из-за высокого содержания в таких глинах кремнезема [1].
В качестве заменителей бентонита в производстве окатышей используются органические и неорганические связующие. Из органических следует отметить отходы целлюлозно-бумажных предприятий, сульфитно-спиртовую барду, торфяные и коксовые добавки, продукты органического синтеза - все они направлены на использование безотходных технологий.
В качестве неорганических связующих добавок, позволяющих исключить или уменьшить до-
лю бентонита в технологии, рассматриваются алюминийсодержащие бедные железные руды, нонтронитовые глины, отходы производства глинозема (красный шлам), известь- и цементсодержащие компоненты.
С 1990 года на Михайловском ГОКе в производстве железорудных окатышей используются келловейские глины вскрышной толщи [2], что весьма эффективно с позиции комплексного использования природных ресурсов. Келловейские глины имеют сложный полиминеральный состав, относятся к слабонабухающим бентонитоподобным глинам. Использование этого связующего в производстве позволило установить, что прочностные характеристики окатышей улучшаются, если используется предварительно активированная глина. В свою очередь, качество активированной глины зависит от ее состава, природной набухаемости и технологии подготовки.
Геологическими исследованиями установлена природная неоднородность келловейской глины в различных участках карьера по химическому (табл. 1), минеральному составу и физикохимическим свойствам.
При мощности пласта глины в забое 35 метров свойства глины изменяются через каждые 1,5-5 м, что свидетельствует о крайне изменчивых условиях осадкообразования в юрском бассейне седиментации, что подтверждается высоким коэффициентом вариации железа закисного, свидетельствующего об изменении окислительновосстановительного потенциала.
Неоднородность по качеству обусловлена неравномерной массовой долей в объеме глины основного набухающего глинистого минерала -монтмориллонита.
Технологическая пригодность глин оценивалась по их реологическим свойствам и по прочностным характеристикам окатышей, изготовленных с использованием добавки глин в качестве связующего.
С разработкой в 1999-2000 г. наиболее благоприятных горизонтов на западном участке карьера и усреднением добытой глины в напольном складе явно наметилась стабилизация состава глины и ее технологических показателей, что установлено по снижению коэффициентов вариации.
Введение такого технологического приема, как активация, позволяет улучшить технологические свойства глины.
Подготовка проб к химическому анализу, определение в них глинистой составляющей, массовой доли монтмориллонита, содержания обменных катионов, набухаемости, коллоидности, вязкости, водопоглощения и других физикохимических параметров выполнялось в лабораториях МГОКа (табл. 2).
Набухаемость характеризует способность глин поглощать влагу и значительно увеличиваться в объеме, для неактивированных келловейских глин этот показатель изменяется от 1,8 до 3,2, составляя в среднем 2,46 единиц. После активации содой набухаемость увеличивается до 4,2-7,0 единиц, составляя в среднем 5,58.
Улучшение таких свойств, как коллоидность, вязкость, водопоглощение также наблюдается в исследуемых глинах после процесса активации (табл. 2). Изменение этих свойств обусловлено присутствием в глинах монтмориллонитовой составляющей, на долю которой приходится от 35 до 58 %, в среднем - 38.1 %. Массовая доля глинистых частиц в исследуемых келловейских отложениях изменяется от 83 до 91 %, составляя в среднем 86,23 %.
Изменение физико-химических свойств глин, отобранных в различных участках карьера, отражено коэффициентами вариации, с введением кальцинированной соды существенных изменений в разбросе значений не наблюдается.
При искусственном превращении щелочноземельных бентонитов в щелочные, т.е. при изменении состава обменного комплекса, происходит постепенная замена ионов кальция и магния на ионы натрия, что вызывает изменение свойств глины. В глинах келловея МГОКа преобладающим ионообменным катионом является кальций
Таблица 3
(в среднем 16,06 мг-экв. на 100 г), после активирования доля кальциевых ионов снижается до 4,08; зато доля ионов натрия увеличивается с 1,97 до 34,85 мг-экв/100 г глины. Кроме кальция в обменном комплексе частично может замещаться и магний, что отражается в снижении его доли в составе обменных катионов после активации. По сравнению с суммой обменных катионов чистых щелочных бентонитов, приближающейся к 100 мг-экв. на 100 г пробы [3], в исследуемых глинах без активации это значение составляет 24,41; после введения натриевой соли это значение повышается до 43,56 мг-экв/на 100 г глины. Увеличение доли ионов натрия в составе обменного комплекса с 1,97 до 34,85 мг-экв на 100 г пробы приводит к улучшению структурно-механических свойств шихты за счет увеличения дисперсности, гидрофильности и других показателей.
Наибольшей связующей способностью обладают глины с высокими значениями обменного комплекса, где преобладают ионы натрия [3]. Как следует из табл. 1, массовая доля натрия в составе глин является наиболее изменчивой (коэфф. вариации 66,98 %), что подтверждает ее природную неоднородность.
Геологические изыскания позволили выделить в карьере участки с наиболее качественной глиной; технологические исследования привели к необходимости селективной добычи и усреднения сырья, что отразилось в улучшении качества глин и технологических показателей производства, а также снижении дисперсии основных свойств как самого связующего, так и окатышей.
С введением усреднения резко увеличилась набухаемость активированной глины. Для увеличения реологических свойств келловейской глины активирование проводится кальцинированной содой и заключается в совместном измельчении компонентов и некотором времени «вылежива-
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ГЛИНЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОСЛЕ ВВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА УСРЕДНЕНИЯ (1999-2000 ГГ.)
Параметры Годы
1996 1997 1998 1999 2000
Набухаемость природной глины, ед 2,4 1,9 2,1 1,9 2,7
Набухаемость актив. глины, ед. 3,73 3,0 4,1 6,5 7,1
Прочность сырых окатышей; R, кг/ок 1,27 1,33 1,34 1,39 1,42
п, раз 3,66 4,64 4,33 4,14 4,30
Удельный расход глины, кг/т 10,9 14,6 12,4 11,4 9,7
Производительность обжиговых машин, 420 404 448 452 481
т/ч
Таблица 4
СРАВНЕНИЕ КАЧЕСТВА СЫРЫХ ОКАТЫШЕЙ, ПОДГОТОВЛЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ШИХТЕ НЕАКТИВИРОВАННОЙ И АКТИВИРОВАННОЙ ГЛИНЫ
Показатели Неактивированная глина Активированная глина
Концентрат Влажность, % 9,53 9,51
Fеобщ., % 66,19 66,19
SiО2, % 7,43 7,43
Уд. поверхность см2/г 17,75 17,75
Соотношение компо- Концентрат 9,35 9,35
нентов в шихте, % Известняк 5,9 5,9
Глина 0,75 0,75
влажность 9,10 9,29
Качество сырых ока- Прочность: R, кг/ок 1,32 1,35
тышей п, раз 3,8 4,1
Температура шока, град. 536 690
Мас.доля кл.-5мм, % 0,3 0,2
ния» после помола. При таком способе подготовки происходит активный обмен ионов Са++ на Na+. Этот процесс позволяет повысить реологические возможности глин (табл. 2): возрастают набухаемость, водопоглощение, коллоидность, увеличивается доля ионов натрия в составе поглощенного комплекса. При введении процесса активирования глины уменьшается разброс свойств в зависимости от места их добычи и значительно возрастает набухаемость (табл. 3).
Активация позволяет улучшить все технологические характеристики глин, при использовании этой технологии увеличивается не только удельная поверхность материала, но и происходят структурные изменения в минералах [3], что приводит к увеличению набухаемости глин; на свежеобразованной поверхности появляются химически активные центры, способствующие ускорению реакций в твердых веществах, в частности, к изменению в обменном комплексе глин. Активация веществ посредством сухого совместного измельчения способствует высокой скорости химических реакций и тем самым - созданию прогрессивных технологий. Как следует из литературных [3] и экспериментальных данных наибольшая реакционная способность, приводящая к изменению в обменном комплексе и влияющая на набухаемость, будет сразу после активирования.
Литературные источники [4] и лабораторные испытания подтверждают преимущества использования активированных глин в оком-ковании. Результаты сравнения технологических свойств окатышей, полученных с применением обычной глины и глины, активированной содой, приведены в табл. 4.
Качество концентрата и других компонентов шихты, а также дозировка их не изменялись, зато значения прочностных характеристик окатышей, полученных с использованием активированной глины, значительно выше. Расход глины в обоих случаях составлял 0,75 % от массы шихты, расход известняка - 5,9 % обеспечивал получение основности окатышей равной 0,50.
Прочность сырых окатышей на раздавливание при использовании неактивированной глины составляла 1,05-1,46 кг/ок (в среднем 1,32 кг/ок), на сбрасывание - 2,7-5,9 раз (в среднем 3,8 раз), температура «шока» окатышей изменялась от 508 до 564 и составила в среднем 536 градусов. Активирование глин содой улучшило прочностные свойства окатышей: прочность на раздавливание возрастает до 1,35 кг/ок, на сбрасывание - до 4,1 раза, температура шока становится в среднем равной 690 °С, достигая в отдельных случаях 730 градусов. Уменьшается массовая доля класса минус 5 мм.
При активировании глины содой было установлено, что оптимальные значения последней, приводящие к улучшению технологических показателей, изменяются и зависят от состава глин и качества соды; оптимальная массовая доля соды изменяется в пределах 2,5-5 %. Испытания глин из различных регионов и соды от различных поставщиков подтвердили, что необходимо подбирать индивидуальную дозировку соды в зависимости от ее качества конкретно для каждого типа глин. Так, для глин Михайловского месторождения наи-
лучшие результаты по набухаемости были получены при использовании пикалевской соды при внесении ее в шихты в количестве 3-5 %. Зыряновская глина (г. Курган), близкая по реологическим свойствам к келловейским (Михайловское месторождение) хорошо активируется при использовании 3-4 % ачинской соды. Использование пикалевской и ачинской соды в производстве окатышей показало, что набухаемость келловейской глины зависит от качества и дозировки этой добавки: для
пикалевской оптимальная доля составляет 3-5 %, набухаемость при этом возрастает от 6,6 до 9,2 раз, для ачинской оптимальное значение дозировки находится в этом же интервале, хотя может быть и более узким (от 2 до 3 %). Снижение доли соды ниже 2 % приводят к резкому падению набухаемости при использовании любой соды (рис. 1). Использование слежавшейся в результате длительного хранения кальцинированной соды приводит к резкому снижению набу-хаемости глины (рис. 1). Хранение соды в несоответствующих требованиям условиях привело к превращению ее в гидрокарбонат в результате взаимодействия с влагой и углекислотой воздуха, в результате чего произошло снижение массовой доли карбоната натрия на 10 % и ухудшение ак-
Приведенные исследования и снижение производственных показателей при использовании слежавшейся соды показали необходимость применения для активирования только свежеизготовленной соды (массовая доля №2СО3 более 95 %) при соблюдении оптимального дозирования ее в зависимости от ее качества и особенностей глины.
Важным моментом в технологии активирования глины содой является дополнительное тонкое измельчение двух компонентов с целью увеличения реакционной способности смеси.
Вылеживание активированной глины, рекомендуемое в качестве технологического приема, приводит к периодическому изменению ее свойств, т.к. взаимодействие катионов поглощенного комплекса - реакция обратимая, и изменение набухаемости при различном времени выдержки связано именно с наличием ионов натрия в составе глины в момент ее опробования (рис. 2). Глина сохраняет высокие значения набухаемости даже при более низкой дозировке соды в течение 1 -5 суток, затем происходит снижение. Наиболее высокой набухаемостью обладает свежеприготовленная глина.
Использование келловейской глины в производстве железорудных окатышей на МГОКе вызывает необходимость постоянного совершенствования технологии и выяснения особенностей глины, используемой для оком-кования.
Установлено, что:
• природная келловейская глина обладает неоднородными химическими, реологическими, технологическими свойствами;
тивирующих свойств соды..
А .Л * ♦
4 4 ► ♦
9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 < 2 -1 - 1
/ •
31 23456789 10 1 Массовая доля соды, %
Рисунок 1 - Зависимость набухаемости активированной келловейской глины от качества соды: а,б - пикалевская сода (различных партий) в - ачинская, свежеизготовленная
г - сода, слежавшаяся в результате длительного хранения.
б
0
2 3
4
5
6
7
8 9
в
г
• для стабилизации технологических параметров процесса производства окатышей и постоянства их химического состава необходимо производить селективную добычу глин с улучшенными свойствами и выполнять процесс ее усреднения.
• значительные колебания набухаемости (от 4 до 9 единиц) активированной глины, выявленные на усредненной глине, обусловлены в первую очередь качеством и дозировкой кальцинированной соды;
• наиболее высокой набухаемостью обладает свежеизмельченная активированная келловейская глина, в течение 1-5 суток сохраняются высокие значения этого показателя.
Таким образом, использование келловейской глины в качестве связующей добавки в производстве железорудных окатышей на Михайловском ГОКе подтвердило целесообразность использования данного вида сырья и за счет этого снижение себестоимости получаемой продукции. Работы последних лет позволили выявить существенную неоднородность состава глины и провести мероприятия по ее усреднению.
Учитывая природную неоднородность келло-вейской глины, трудности ее усреднения, а также
Количество дней
Рисунок 2 - Изменение набухаемости активированной свежеизмельченной келловейской глины от времени вылеживания (массовая доля пикалевской соды в шихте 3%).
зависимость активирования глины от качества и дозировки соды, времени выдержки предложено в текущем производстве учитывать эти факторы и определять оптимальное соотношение массовой доли соды для каждой из вновь поступивших партий соды и глины.
Использование келловейской глины с улучшенными свойствами (при селективной добыче), усреднение по качеству, выбор наиболее подходящей по качеству соды, ее оптимальное дозирование и активирование глины посредством совместного измельчения глины с содой, позволили в течение 2000 года улучшить технологоэкономические показатели производства окатышей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф., Антоненко Л.К. и др. Интенсификация производства и улучшение качества окатышей. - М.: Металлургия, 1994.
2. А.С. 1497247 СССР, МКИ с 22В 1/243. Шихта для производ-
ства окатышей /Потапов А.И., Курочкин А.Н., Першуков А.А. и др. № 4016010/23-02. Заявл. 03.12.85; опубл. 30.07.89: бюлл. № 28.
3. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов Е.Н. Активация ми-
нералов при измельчении. - М.: Недра, 1988.
4. Мерабишвили М.С. Бентонитовые глины. - М.: Госгеолтех-издат, 1962.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
У-------------------------------------------------------------------------------7
Алтынбаев Рафик Ахметжанович - кандидат химических наук, начальник лаборатории окомкования ЦТЛ Михайловского ГОКа, г. Железногорск Курской области.
Гзогян Семен Райрович - инженер ЦТЛ Михайловского ГОКа, г. Железногорск Курской области.
Мельникова Надежда Дмитриевна - кандидат геолого-минералогических наук, инженер ЦТЛ Михайловского ГОКа, г. Железногорск Курской области.
z
