CC BY
524
УДК 622.341:622.778-913.3
А.С. Опалев,1 А.В. Щербаков 2
1 ФГБУН Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук
Акционерное общество «Оленегорский горно-обогатительный комбинат» (АО «Олкон»)
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ НА АО «ОЛКОН»
Аннотация
Рассмотрены пути повышения энерго- и ресурсоэффективности технологических схем обогащения железистых кварцитов. Предложено теоретическое обоснование механизма высокоселективной магнитно-гравитационной сепарации для разделения минеральных частиц с близкими физическими свойствами. Разработана технология получения готового магнетитового концентрата в каждой стадии обогащения с использованием комбинации тонкого грохочения и магнитно-гравитационной сепарации, приведены технологические результаты по стадиальному выводу товарной продукции с содержанием Рвобщ 65,7% - 70,0% при переработке железистых кварцитов на ДОФ АО «Олкон».
Ключевые слова:
железистые кварциты, технологическая схема, железорудный концентрат, энерго-и ресурсоэффективность, тонкое грохочение, магнитно-гравитационная сепарация, магнитно-стабилизированный ожиженный слой, магнитный диполь, структурообразование, МГ-сепаратор, стадиальный вывод готового концентрата, автоматизация.
A.S. Opalev, A.V. Scherbakov
DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF ENERGY SAVING TECHNOLOGY OF BENEFICIATION OF FERRUGINOUS QUARTZITES IN THE JSC "OLKON"
Abstract
The ways to improve energy and resource efficiency technological flowsheets of beneficiation of ferruginous quartzites have been considered. A theoretical justification of the mechanism of highly selective magnetic-gravity separation for division of mineral particles with close physical properties has been proposed. The technology of production bulk magnetite concentrate at each stage of concentration with using a combination of fine screening and magnetic-gravity separation has been developed, the technological results on stadial output of commercial products with the content Fetotal up 65.7% to 70.0% in the processing of ferruginous quartzites on DOF JSC "OLCON" has been presented.
Keywords:
ferruginous quartzites, technological flowsheet, iron ore, energy and resource efficiency, fine screening, magnetic-gravity separation, magnetically stabilized fluidized bed, magnetic dipole, structure formation, MG-separator, stadial output of concentrate, automatization.
Эффективная работа железорудных предприятий в условиях мировой конкуренции требует не только постоянного снижения затрат на производство конечной продукции, но и диктует необходимость расширения ассортимента выпускаемой продукции - от рядовых концентратов с содержанием Реобщ. не менее 68,5% для доменного производства до концентратов для процессов внедоменного получения стали с содержанием Беобщ. более 70,0%. При этом постоянное повышение качества продукции необходимо осуществлять на фоне
176
общей тенденции снижения качества добываемых руд при существенном повышении себестоимости их добычи.
Основным направлением решения проблемы повышения качества производимых железорудных концентратов при одновременном снижение себестоимости переработки руды является внедрение новых принципов построения технологических схем обогащения с использованием мирового опыта эксплуатации современного высокоэффективного технологического оборудования.
Существующие технологические схемы магнитного обогащения железистых кварцитов большинства ГОКов построены по принципу стадиального выделения хвостов и получения готового концентрата в последней стадии обогащения, при этом общее количество стадий может достигать значений 4-5 [1-2]. Главным недостатком таких технологических схем является нерациональное использование энергии измельчающего оборудования, поскольку при данной организации массопотоков магнетитсодержащий промпродукт последовательно проходит через все стадии измельчения, что приводит к переизмельчению магнетита при низкой степени раскрытия его сростков с породообразующими минералами и, следовательно, высоким потерям тонких фракций магнетита с отвальными хвостами.
Одним из путей повышения энерго- и ресурсоэффективности технологических схем обогащения при переработке железистых кварцитов является внедрение стадиального выделения готового концентрата по мере раскрытия магнетита в каждой стадии измельчения. Практическая реализация данного принципа построения технологических схем позволит существенно снизить затраты в циклах измельчения, а также повысить выход концентрата и извлечение железа за счет снижения потерь тонких частиц магнетита в результате уменьшения степени его переизмельчения [3-5].
Мировой опыт показал, что наиболее интересным и перспективным направлением работ по решению указанной выше задачи является применение операции тонкого вибрационного грохочения в циклах измельчения вместо традиционно применяемой операции классификации в гидроциклонах [6-7]. Очевидно, что разделение материала по крупности на сите более эффективно, чем разделение в гидроциклонах, поскольку при гидроциклонировании распределение частиц по продуктам классификации происходит по крупности и плотности и носит вероятностный характер. Операция же тонкого грохочения позволяет концентрировать в подрешетном продукте преимущественно раскрытый материал, а надрешетный продукт представлен нераскрытой рудной смесью, при измельчении которой в отдельном цикле резко повышается коэффициент измельчаемости, что предопределяет уменьшение циркуляционной нагрузки в цикле измельчения-классификации. При этом задача энергоресурсосбережения решается либо путем сокращения числа мельниц при неизменной производительности секции, либо увеличением объема переработки руды на секции при неизменном фронте измельчения без снижения выхода и качества концентрата [8-9]. Такой подход модернизации технологии производства железорудных концентратов уже широко применяется в мировой практике переработки железистых кварцитов, в том числе на ряде предприятий СНГ, таких как АО «Карельский окатыш», АО «Ковдорский ГОК», АО «Соколовско-Сарбайское ГПО» и ряде других. В настоящее время на ДОФ
177
АО «Олкон» находятся в эксплуатации 20 единиц грохотов «Stack Sizer™» 5-дечной модели 2S648-1STK американской фирмы «Derrick Corporation» производительностью более 250 т/час твердого (рис. 1), при этом достигнуто существенное снижение энергопотребления измельчительного передела, выразившееся в уменьшении количества эксплуатируемых мельниц шаровой загрузки с двух до одной во второй стадии измельчения.
Однако получение товарного железорудного концентрата в каждой стадии обогащения применением только тонкого грохочения и последующей стандартной магнитной сепарации подрешетного продукта весьма затруднительно, поскольку магнитная сепарация, осуществляемая в фабричных условиях на серийных сепараторах, позволяет выделить в хвосты только немагнитные зерна пустой породы, а вся рудная смесь (зерна магнетита, богатые и бедные сростки) переходит в магнитный продукт.
Многолетними исследованиями Горного института КНЦ РАН показано, что операция магнитно-гравитационной сепарации (МГ-сепарации) при разделении магнетитсодержащих продуктов позволяет выделить фракции сростков в отдельный продукт (слив сепаратора), обеспечивая возможность получения готового концентрата из любой стадии технологического процесса в отличие от серийно выпускаемых магнитных сепараторов [10-11].
Рис. 1. Общий вид грохотов «Stack Sizer™» корпорации «Derrick Corporation» на ДОФ АО «Олкон»
Соответствующим подбором управляющих параметров может быть достигнута значительная селективность процесса, обеспечивающая разделение минеральных зерен с близкими физическими свойствами. Микрофотографии сливов МГ-сепарации, полученных при доводке товарного концентрата ДОФ ОАО «Олкон», представлены на рис. 2.
178
Значения напряженности магнитного поля и скорости восходящего водного потока, необходимые для гидротранспорта сростков через агрегированную ожиженную ферросуспензию в верхнюю часть потока с последующим удалением их в слив могут быть определены из следующего теоретического представления процесса МГ-сепарации, базирующегося на теории магнитостабилизированных ожиженных слоев (Magnetically Stabilized Fluidized Bed-MSFB), основы которой заложены и развиты в работах [12-16].
а) б)
Рис. 2. Микрофотографии сливов МГ-сепарации с содержанием Feo64.:
а) - 16%; б) - 24%
Агрегирование ферромагнитных частиц, находящихся в ожиженном слое, на который воздействуют однородным магнитным полем с напряженностью Н происходит за счет силы диполь-дипольного взаимодействия Fmi
(силы потококосцепления), величина которой, согласно рис. 3, может быть определена из выражения (1):
Рис. 3. Силы дипольного магнитного межчастичного взаимодействия во внешнем магнитном поле
179
(1)
- =_ц pp J
4ж r
где ц - магнитная проницаемость, p, p2 - магнитные моменты частиц, r - расстояние между ними.
Продольная и поперечная составляющие этих сил, соответственно:
I |2 2
3ц0 m / 2 3ц m
F =-------:— (1 — 3cos #) , Fe =---LJ-sin^cos^.
(2)
4жг
2жг
В MFSB, аналогично кипящему слою, ферромагнитные агрегаты подвижны и обладают упругими свойствами, растягиваясь в направлении действия вектора скорости жидкости. Физические свойства (крупность, плотность и магнитная восприимчивость) частиц, участвующих в структурообразовании ферромагнитных агрегатов, определяют технологические свойства магнитного продукта, концентрирующегося в нижней части сепарационной зоны МГ-сепаратора, а частицы, не участвующие в процессах агрегирования, выносятся восходящим водным потоком из межагрегатного пространства в верхнюю часть сепаратора. Структурирование частиц слоя приводит к снижению коэффициента гидродинамического сопротивления для ферромагнитных частиц в D раз, где
D
C CD 0 B0
C CD0 B0=0
(3)
Теоретическая оценка коэффициента D дает значение, где D = 1 — 0,56B062, (4)
B
\F I
| IM ,max |
{Pp ~Pf) gyp’
(5)
F
6ц m2 4ж^ 4
(6)
- максимальная сила магнитного взаимодействия.
В условиях непрерывной подачи исходной суспензии и непрерывного вывода слива с неструктурирующими частицами наблюдается процесс постоянного роста ферромагнитных агрегатов на верхней границе MSFB и их постоянного осаждения под действием гравитационной силы и вывода в концентрат сепаратора в виде суспензии с высокой плотностью.
В Горном институте Кольского научного центра РАН разработан ряд конструкций магнитно-гравитационных аппаратов различного назначения и производительности, способных селективно обогащать тонко измельченные сильно магнитные руды, обобщенная конструкция которых представлена на рис. 4.
Аппарат состоит из цилиндро-конического корпуса из немагнитного материала (нерж. сталь, пластик), соленоидной катушки и снабжен системой автоматической разгрузки концентрата (САРК). Благодаря наличию этой системы в сепараторе поддерживается неизменный по высоте уровень
180
ферромагнитного слоя, что необходимо для оптимизации массопотоков внутри корпуса аппарата. Отличительной особенностью рассматриваемой конструкции является отсутствие вращающихся частей (восходяще-центробежная гидродинамика потоков промывной воды обеспечивается специальным устройством с тангенциальным подводом воды, расположенным в нижней части корпуса аппарата), простота обслуживания и отсутствие необходимости в профилактических ремонтных работах, так как износ в процессе работы аппарата практически не имеет места. С 80-х годов прошлого века по настоящее время процесс МГ - сепарации используется на ОАО «Олкон», в тот же период различные конструкции сепараторов испытывались на ряде ГОКов СССР (в т. ч. на Лебединском, Ингулецком, Костомукшском ГОКах), а также межведомственной комиссией Минчермета были рекомендованы для серийного производства.
Рис. 4. Общий вид магнитно-гравитационного сепаратора, оснащенного САКР: 1 - цилиндроконический корпус; 2 - соленоидная катушка; 3 - питающая труба;
4 - разгрузочный патрубок; 5 - сливной желоб; 6 - датчик уровня ферромагнитного слоя; 7 - магнитный затвор, 8 - блок управления системы автоматической разгрузки концентрата
Однако в силу существовавших тогда экономических условий (перестроечные процессы и переход на рыночную экономику) широкого применения МГ - сепараторы не получили (кроме ОАО «Олкон», где на сегодняшний день находятся в эксплуатации более 20 единиц) (рис. 5).
181
Рис. 5. Общий вид стадии магнитно-гравитационных сепараторов (ЭМС-150) на ДОФ АО «Олкон»
В 1992-1993 гг., после приобретения лицензии норвежской стороной, промышленный образец МГ - сепаратора (MGS-1750) в количестве 17 единиц был успешно внедрен на АО «Судварангер» в цикле классификации слива II стадии измельчения с целью исключения из процесса IV стадии измельчения и сепарации. Общий вид магнитно-гравитационного сепаратора MGS-1750 представлен на рис. 6.
Рис. 6. Общий вид стадии магнитно-гравитационной сепарации (MGS-1750) на АО «Судварангер» (Норвегия)
Прогнозированием технологических показателей разделения магнитногравитационной сепарации различных продуктов обогащения железистых кварцитов с низкой контрастностью физических свойств в магнитно-стабилизированной сжиженной суспензии, основанной на закономерностях магнитного
182
взаимодействия минеральных частиц в условиях центробежно-восходящей гидродинамики и учитывающей вещественный состав разделяемых продуктов, показано, что высокая эффективность разделения частиц магнетита и его сростков с породообразующими минералами достигается при сепарации подрешетных продуктов тонкого грохочения. В процессе технологических исследований по стадиальному выделению готового концентрата на примере АО «Олкон» установлено, что напряженность магнитного поля в рабочем объеме магнитно-гравитационного сепаратора является определяющим параметром разделения, который позволяет изменять качество получаемых готовых концентратов в широком диапазоне.
На рис. 7 представлены зависимости выхода концентрата: а) содержание Fe064 в концентрате; б) зависимость от напряженности магнитного поля, показывающую рост выхода концентрата при увеличении значения поля и одновременном снижении содержания железа в нем.
Рис. 7. Зависимость выхода концентрата: а) и содержания Feo6ui в нем; б) от напряженности магнитного поля для:
- первой стадии обогащения; - второй стадии обогащения
Проведенные технологические исследования показали принципиальную возможность применения комбинации тонкого грохочения и МГ -сепарации для получения магнетитовых концентратов с кондиционным содержанием Fe^. и выше (до 70%) в каждой стадии обогащения. Использование указанных выше технологических решений применительно к перерабатываемым на АО «Олкон» железистым кварцитам позволяет уже сейчас уменьшить энерго-ресурсозатраты при производстве концентрата, а в будущем решить вопросы стабилизации качества товарной продукции при внедрении соответствующих систем автоматизации технологических процессов.
Литература
1. Остапенко, П.Е. Обогащение железных руд / П.Е. Остапенко. -М.: Недра, 1985.-270 с.
2. Кармазин, В.В. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых / В.В. Кармазин, В.И. Кармазин. - М.: Изд-во МГГУ, 2005. -T.I. -672 с.
3. Пелевин, А.Е. Стадиальное выделение железного концентрата / А.Е. Пелевин // Обогащение руд. - 2007. - № 3. - С.10-15.
183
4. Авдохин, В.М. Основные направления развития процессов глубокого обогащения железных руд / В.М. Авдохин, С.Л. Губин // Прогрессивные технологии комплексной переработки минерального сырья: сборник трудов. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2008. -С.164-179.
5. Патковская, Н.А., Тасина, Т.И. Модернизация технологии обогащения железосодержащих руд Северо-Запада России / Н.А. Патковская, Т.И. Тасина // Обогащение руд. - 2011. - №1. -С.6-10.
6. Стаханов, В.В. Перспективы применения тонкого грохочения в технологии обогащения железорудного сырья: отчет о НИР / В.В. Стаханов, Г.В. Зайцев // НИИ «Уралмеханобр», г. Екатеринбург, 2000. -167с.
7. Сухорученков, А.И. Тонкое грохочение - высокоэффективный метод повышения технологических показателей обогащения тонковкрапленных магнети-товых руд / А.И. Сухорученков, В.И. Стаханов, Г.В. Зайцев // Горный журнал. - 2001. - №4. -С.48-50.
8. Баранов, В.Ф. Пути снижения расхода электроэнергии на железорудных обогатительных фабриках / В.Ф. Баранов, В.А. Сентемова, А.О. Ядрышников // Обогащение руд. - 2000. - №2. -С.14-19.
9. Дремин, А.А. Стратегия энергосбережения при добыче и переработке железных руд / А.А. Дремин // Горный журнал. -2006. -№ 12. -С.45-47.
10. Усачев, П.А. Магнитно-гравитационное обогащение руд / П.А. Усачев, А.С. Опалев. - Апатиты: КНЦ РАН. - 1993. - 92 с.
11. Усачев, П.А Получение высококачественных железных концентратов на обогатительной фабрике ОАО «Лебединский ГОК» / П.А. Усачев // Горный журнал. - 2000. - №3. -С.41-44.
12. Кирко, И.М., Филиппов, М.В. Особенности взвешенного слоя ферромагнитных частиц в магнитном поле / И.М. Кирко, М.В. Филиппов // Журнал технической физики. - 1960. - Т.30, № 9. - С.1081-1084.
13. Филиппов, М.В. Взвешенный слой ферромагнитных частиц и действие на него магнитного поля /М.В. Филиппов // Прикладная магнитогидродинамика. - Рига, 1961. - Т.12. - С. 215-236.
14. Rosensweig, R. Е. Fluidization: Hydrodynamic stabilization with a magnetic field / R. Е. Rosensweig // Science. - 1979. - Vol. 204. - P.57-60.
15.Siegell, J. Magnetized-fluidized beds / J.H. Siegell // Powder Technology. - 1991, №64. - Р.1.
16.Conan, J. Fee. Stability of The Liquid-Fluidized Magnetically Stabilized Fluidized Bed / J. Fee Conan // AIChE Journal. - 1996. -Vol.42. - No.5. - Р.4-46.
Сведения об авторах
Опалев Александр Сергеевич - к.т.н, старший научный сотрудник,
e-mail: opalevAS@rambler.ru
Alexander S. Opalev - Ph.D. (Tech. Sci.), senior researcher
Щербаков Алексей Владимирович - директор дробильно-обогатительной фабрики
акционерного общества «Олкон»,
e-mail: av.scherbakov@olcon.ru
Aleksey V. Cherbakov - director of dressing of JSC «Olcon»
184
