CC BY
84
УДК 662: 502.03:541.11 В.Е. Трушников
ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗА ТЕЛЕЙ КОМКУЕМОСТИ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ФОСФА ТНО-МАГНИЕВЫХ ОТХОДОВ ДОБАВЛЕНИЕМ ЖИДКОГО СТЕКЛА
Рассматривается получение окатышей из плохо комкуемых мелкодисперсных техногенных фосфатно-магниевых отходов. В качестве связующего используется раствор жидкого натриевого стекла, которое также при получении термических фосфатов способствует переходу магния и фосфора в усваиваемую растениями форму. Представлены прочностные показатели сырых окатышей, оптимальная влажность, расход связующего. Полученные окатыши удовлетворяют предъявляемым требованиям для их дальнейшей переработке.
Ключевые слова: окатыши, связующие материалы, прочность, мелкодисперсные техногенные отходы, термические фосфаты.
~П производстве фосфорных удоб--Ш.9 рений ограниченность запасов месторождений фосфатного сырья ставит задачи увеличения объема выпуска новых типов фосфорных удобрений путем вовлечения в переработку отходов фосфатного сырья и фосфатного сырья с пониженным содержанием Р205 с наличием примесей, которые в различной степени затрудняют переработку такого сырья кислотными методами или электротермическим способом для получения желтого фосфора. Общеизвестно, что магний является четвертым удобрительным компонентом после азота, фосфора и калия. Поэтому вовлечение этих сырьевых ресурсов довольно перспективно. Одним из перспективных направлений переработки такого фосфатного сырья является способ получения термических фосфатов, сущность которого заключается в разрушении неусвояемой растениями кристаллической структуры минералов апатита при плавлении в процессе термического нагрева. В результате быстрого охлаждения расплава и образования мелких гранул по-
даваемой водой под давлением сохраняется аморфная стеклообразная структура, растворимая в 2 %- ном растворе лимонной кислоты и усвояемая растениями при внесении в почву [1]. Одним из видов термических фосфатов являются плавленые магниевые фосфаты, содержащие два удобрительных компонента: фосфор и магний. Минеральное сырье Ковдорского месторождения, крупнейшего источника фосфатного сырья, является наилучшим для производства плавленых магниевых фосфатов, так как в нем в значительных количествах присутствуют как фосфор-, так и магнийсодержащие минералы [2]. Вовлечение в производство имеющегося в минеральном сырье неиспользуемого магния позволит создать малоотходную технологию разработки месторождения.
Фосфориты, содержащие около 2325 % Р205 крупностью менее 10 мм, являются отходами и около 40 лет складировались в отвалы твердых отходов около фосфорного завода в Самарской области. По данным завода их колическтво составляет 640 тысяч тонн. Отвальные
хвосты Ковдорского ГОКа первого поля хвостохранилища, куда они складировались до 1980 года составляют 38 млн. тонн содержат примерно от 12,5% в более ранных отложениях, до 9,5% Р205 в более поздних отложениях и около 1721% MgO. Проведенные в данной работе исследования показали, что при смешении отходов мелочи фосфоритов с содержанием Р205 от 23,38 до 24,19 % с хвостами магнитной сепарации наиболее целесообразной является шихта с содержанием Р205 18-19% и MgO 8,59,5%.
В работе [3] показано, что для улучшения процесса окомкования и повышения прочности сырых окатышей до требуемых характеристик при окомко-вании фосфатно-магниевого сырья необходимо применять связующие добавки, поскольку применение воды в качестве связующего не позволяет достичь требуемых значений прочности сырых окатышей.
Показатели комкуемости и оптимальной влажности не учитывают, что в реальных процессах окомкования наряду с капиллярными силами существенную роль в образовании гранул играют внешние механические воздействия.
На прочность окатышей существенное влияние оказывает их влажность. При недостаточной влажности некоторые контакты между частицами остаются сухими, вследствие чего существенно уменьшается прочность окатышей. С увеличением влажности сверх оптимального значения жидкость в некоторых объемах окатыша заполняет все поры, что приводит к исчезновению капиллярных менисков и падению сил сцепления [4].
Применение воды, как связующего, теоретически обосновывается поляризацией ее молекул и образованием диполя, который приближается к поляризован-
ной поверхности зерна шихты [4]. Затем для повышения прочности окатышей осуществляется их сушка и обжиг. Специфика переработки отходов мелочи фосфоритов и хвостов обогащения для получения плавленых магниевых фосфатов в условиях горно-обогатительного комбината такова, что отсутствуют установки высокотемпературного обжига. С другой стороны добавление связующего должно повышать степень перехода основных удобрительных компонентов в усвояемую растениями форму.
Такие материалы помимо невысокой стоимости и доступности, должны:
- содержать минимум балластных веществ, чтобы не снижать содержания питательных компонентов Р205 и MgO в готовом продукте;
- содержать в своем составе вещества, повышающие степень перехода основных питательных компонентов в усвояемую растениями форму;
- снижать температуру плавления шихты, а также вязкость расплава, а при получении плавленых магниевых фосфатов в электротермической печи, желательно и повышать электрическую проводимость расплава;
- взаимодействовать на стадии смешения с содержащимися в шихте карбонатами, вызывая газовыделение С02 до плавления в печи, снижая объем выделяемых газов из печи;
- не содержать компонентов, вызывающих выделение в газовую фазу экологически вредных веществ.
При производстве железорудных окатышей и брикетов применяют жидкое стекло [5,8]- натриевый №20 п SiO2 или калиевый К20 п SiO2 силикаты. Практически используется, главным образом, более дешевое натриевое жидкое стекло. Сущность твердения жидкого стекла заключается в испарении жидкой фазы, повышении концентрации сво-
бодного кремнезема и его коагуляции. Использование жидкого стекла, в качестве связующего, для получения оком-кованного сырья при производстве плавленых магниевых фосфатов из отходов мелочи фосфоритов и хвостов обогащения заслуживает внимания по той причине, что в результате образования натриево-кальциевых силикатов при взаимодействии связующего с шихтой снижается ее температура плавления, в дальнейшем натриево-кальциевые силикаты взаимодействуют с апатитом и трикальцийфосфатом с получением натриево-кальциевых ортофосфатов №-СаР04 и Ка3Саб(Р04)5 [6].
В присутствии последних верхний предел стабильности неусвояемой растениями формы в- Са3(Р04)2 снижается с температуры 1453 К до 1323 К [1]. Вследствие этого уменьшаются потери усвояемости Р205 на стадии закалки расплава.
Растворимое жидкое стекло содержит большое количество коллоидного кремнезема и имеет высокие адгезионные свойства. Отличительной его способностью является затвердевание на воздухе. Сущность этого процесса заключается в испарении жидкой фазы воды, в повышении концентрации свободного коллоидного кремнезема, его коагуляция и уплотнение. Твердению растворимого жидкого стекла способствует также диоксид углерода воздуха. Все это приводит к быстрому затвердеванию сырой смеси и потери ею пластичности уже в первые часы после окомкования. Процесс твердения жидкого стекла сопровождается следующими реакциями (1-7) [5]:
1. Гидролиз дисиликата натрия в водном растворе:
Na2SІ2O5 + Н2О ^^^¡205 +
+Ш0Н, (1)
NaHSІ205 + Н2О ^205 + Na0H
с последующей гидратацией и полимеризацией H4SiO4 ,
H2SІ2O5 + 2Н2О = Ц^О* (3)
H6SІ2O7 + Н2О = 2H4SiO4;
п • H4SІO4 ^ (H4SІO4)n (4)
с последующей коагуляцией коллоидного раствора ортокремниевой кислоты.
2. Разложение дисиликата и гидрооксида натрия углекислотой воздуха: Na2SІ2O5 + СО2 + 4Н2О = №2СОз +
+ 2H4SiO4, (5)
2NaOH + СО2 = Na2COз + Н2О. (6)
3. Высыхание раствора жидкого стекла с выделением стеклообразных (аморфных) гидросиликатов натрия, включающих одноименные гидрокарбонаты.
4. Упрочнение окомкованного сырья происходит также в результате гидратации и упрочнения геля SiO2 :
H4SiO4 = SiO2 • п • Н2О + (п- 2) • Н2О.
(7)
Оптимальный угол наклона тарельчатого гранулятора зависит от угла естественного откоса материала. Очевидно, что угол наклона гранулятора не может быть меньше угла естественного откоса материала, так как при этом происходит интенсивное налипание шихты на днище и затрудняется поддержание необходимой толщины гарнисажа. Если же угол наклона гранулятора значительно больше угла естественного откоса материала, то гарнисаж на днище удерживается плохо. Поэтому оптимальный угол наклона гранулятора а должен быть равным или больше угла естественного откоса материала ф не более 4 градусов
[7] .
Угол естественного откоса исследуемых материалов, имеющих влажность 1,7- 2,0 % составляет 41- 44 градуса. Перед подачей на тарельчатый гранулятор шихта увлажнялась до влажности 5-6 % с целью предупреждения пыления и
Таблица 1
Химический состав исследуемого сырья, % (без учета содержания бадделеита и прочих)
Сырье P2O5 MgO CaO SiO2 CO2 A2O3 Fe2O3 Na2O K2O S F
№ 1 11,85 17,30 27,83 19,94 8,56 2,80 4,85 0,34 1,03 0,07 0,23
№ 2 3,68 28,18 18,24 23,76 10,08 3,71 5,06 0,58 1.94 0,08 0,18
№ 3 14,95 13,65 30,17 20,60 7,54 2,60 4,16 0,44 0,93 0,06 0,77
№ 4 8,93 22,34 23,43 22,82 8,66 3,31 4,34 0,61 1,60 0,07 0,73
Таблица 2
Результаты окомкования с жидким стеклом (окатыши диаметром 15-18 мм)
Шихта ( P >2 O MgO, (%) Содержание класса -0,074 мм (%) Оптимальная влажность,(%) Прочность сырых окатышей н/ок.
№ 1 11,85 17,30 76,4 9,3 19,0
№ 2 3,68 28,18 77,1 9,2 18,8
№ 3 14,95 13,65 74,9 9,0 15,9
№ 4 8,93 22,34 75,1 9,0 17,6
улучшения санитарных условий ведения процесса, а также для снижения количества вводимых связующих жидких добавок.
Для того, чтобы обеспечить нормальное протекание процесса грануло-образования, необходимо определенное количество жидкой фазы. Как недостаток, так и избыток влаги приводит к уменьшению прочности сырых окатышей. С точки зрения технологичности процесса недостаток влаги ухудшает формуемость смеси, а избыток влаги вызывает слипаемость окатышей или прилипание шихты к стенкам гранулятора. Гранулирование шихт проводили на тарельчатых грануляторах диаметром 2000 мм, которые находятся на территории лабораторного корпуса научно-исследо-вательского института «Волга-промэкология» и в опытном цехе фосфорного завода (г. Тольятти).
Тарельчатые грануляторы обладают значительным эффектом классификации, хотя для технологии плавленых магниевых фосфатов не имеет существенного значения однородность гранулометрического состава окомкованной шихты, необходимо контролировать
этот параметр, учитывая влияние размера гранул на их прочность. Поскольку в реальных условиях прочность определяется разрушающим усилием силы на окатыш ( P н/ок. ), этот параметр наиболее важен для практики.
Определение прочности сырых окатышей в данной работе производили на разрывной машине Р- 0,5, по ГОСТ 24765- 81. Наряду с определением статической прочности необходимо исследование и динамической прочности, определяемой характером транспортировки и количеством перегрузок. По действующим нормам [4] сырые окатыши не должны разрушаться после 15-ти падений с высоты 300 мм на гладкую металлическую плиту.
При проведенном анализе прочности получаемого окомкованого сырья в результате проведенных исследований было выбрано жидкое стекло, плотностью р = 1,35 г/см3, химического состава (масс. %): Na2O- 11,92, K2O - 3,60, SiO2 -24,65, CaO- 0,11, AI2O3 - 0,13, Fe2O3 -0,06, Н20-остальное. Расход связующего- жидкое стекло (4,9 % в пересчете на
SiO2).
В табл. 1 представлено сырье, которое окомковывали, содержание фракции менее 0,074 мм составляло более 75% и результаты окомкования с жидким стеклом (табл.2). № 1 - хвосты магнитной сепарации, № 2 - отвальные хвосты гравитации, № 3 - смесь мелкодисперсных фракций фосфоритов и хвостов магнитной сепарации, № 4 - смесь мелкодисперсных фракций фосфоритов и отвальных хвостов гравитации.
Шихта для получения плавленых магниевых фосфатов с содержанием 19-20% Р205 составляется добавлением мелочи фосфоритов крупностью 5-10 мм.
1. Ando J. Thermal phosphate. Man. Fert. Process. New York, Basel. 1987. p.93- 124.
2. Пирогов В.И., Галина В.М., Чепляев А.И. и др. Комплексное использование апатитовых руд Ковдорского месторождения для бескислотной переработки в кормовые и удобрительные фосфаты // Исследования в области производства кормовых, пищевых и технических фосфатов. Сборник научных трудов.- НИУИФ, 1981.-Вып. 233.-с. 8- 17.
3. Трутников В.Е. . Исследование комкуе-мости мелкодисперсного сырья из отходов мелочи фосфоритов и хвостов обогащения, содержащих фосфор и магний, для электротермического получения удобрений // Г орный информационно-аналитический бюллетень, № 12, 2009.- с.83- 90.
Общепринято [7], что только прочность сырых окатышей, диаметром не менее 9,5 мм, больше 9,0 н/ок. считается достаточной для технологии получения окомкованного сырья, которые не должны разрушаться при транспортировке для проведения технологического процесса сушки и упрочнения, для достижения прочности свыше 500 н/ок. Такая прочность считается достаточной для проведения доменных плавок [8]. Полученные значения прочности сырых окатышей соответствуют предъявляемым требованиям.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Вегман Е.Ф. Окускование руд и концентратов.- М.: Металлургия, 1984.- 256 с.
5. Лотош Б.Е., Окунев А.И. Безобжиго-вое окускование руд и концентратов.- М.: Наука, 1980.- 216 с.
6. Процюк А.П., Пирогов В.И., Галина В.Н., Тентлер Л.Г., Ажикина Ю.В. Субсо-лидусное строение частной системы Na2O-CaO- Ca3(PO4)2 - Na3PO4- Na2SiO3- CaSiO3 // Неорганические материалы: Изв. АН СССР.- т. 17.- № 9.- 1981 .-с. 1721- 1722.
7. Маерчак Ш. Производство окатышей.-М.:Металлургия, 1982.- 232 с.
8. Kojima Kiyosi J. Iron and Steel Inst. Jap.-1987, 73,№ 4.- p. 103-107 (яп). Ш
— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------
Трутников В.Е. - кандидат технических наук, доцент, Ульяновский государственный технический университет, [email protected]
