CC BY
207
© Р.А. Алтынбаев, Н.Д. Мельникова, С.Р. Гзогян, 2002
УДК 622.78
Р.А. Алтынбаев, Н.Д. Мельникова, С.Р. Гзогян
СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
О
бъемы производства железорудных окатышей и их качество диктует конъюнктура рынка. Для их производства используют концентраты различной глубины обогащения, содержащие 62-68% Fе и 5-12% SЮ2, характеризующиеся различными химическими и физико-механическими свойствами (табл. 1).
Массовая доля железа в окатышах изменяется в пределах от 59,6 до 67,3 % в зависимости от требований потребителя и возможностей производителя; основность - от неофлюсованных до 0,8 и более высокоосновных (1,0—1,2). Возрастают потребительские требования к прочностным свойствам окатышей при транспортировке и восстановлении.
Изменяющиеся потребности доменной металлургии не всегда согласуются с консервативной технологией производства окатышей, в результате на складах могут скапливаться значительные объемы готовой продукции. В процессе вынужденного хранения в условиях естественной среды в готовых окатышах протекают медленные,
но неизбежные физико-химические преобразования, вызванные окислительным действием влаги, воздуха и перепадом температур. Возрастание кинетики окислительных процессов возможно под действием агрессивных факторов, например, близости химических производств, выпадения кислотных осадков, длительного хранения в морских портах или перевозки окатышей морским транспортом, где провоцирующими окисление агентами являются влага, избыток солей, ветер.
Опубликованных работ по выяснению изменения свойств обожженных окатышей в процессе длительного хранения мало. Представляют интерес исследования по хранению и перевозке пассивированных металли-зованных окатышей ОЭМК [2].
Михайловский ГОК производит окатыши по традиционной технологии окислительного обжига в конвейерных печах ОК-520, в качестве топлива используется природный газ. Сырьем для получения окатышей служит магнетитовый концентрат, получаемый методом мокрой магнитной сепарации из неокисленных же-
и гранулометрический состав, а также характеристика окатышей, оставленных на хранение, приведены в табл. 2 и 3.
В качестве связующей добавки в течение многих лет используется кел-ловейская глина, добываемая в карьере МГОКа. Переход на нее осуществлялся постепенно и был обусловлен отсутствием российских месторождений бентонитовых глин и значительным возрастанием цен на этот вид сырья. Использование келловейской глины Михайловского месторождения вместо бентонита не привело к снижению прочностных и металлургических свойств окатышей и подтвердило целесообразность ее применения в окомковании [3]. Массовая доля глины в шихте для окомкования составляет 0,7 %, дозируется она в тонкоиз-мельченном сухом состоянии в концентрат, влажность которого не превышает 10,17 %. На стадии обжига тонкодисперсные глинистые частицы участвуют в твердофазном и жидкофазном спекании материала окатышей, способствуя созданию прочной структуры. При производстве офлюсованных окатышей на МГОКе в шихту добавляется тонкоизмельчен-ный известняк, массовая доля его в шихте составляет 4,5 %, крупность зерен известняка - 92,5 % класса минус
74 микрона. Основное назначе-
лезистых кварцитов. Его химический Таблица 1
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОКАТЫШЕЙ [1].
В процентах
Материал Массовая доля компонентов Выход класса 8 уд.,
Fеобщ. FеО Fе2Оз СаО МgО 8ІО2 ^2О +К2О минус 44 мкм м2/кг
Концентрат СевГОК-1,2 64,67 26,37 63,09 0,35 0,40 8,81 0,26 87,9 191,0
СевГОК-3 65,42 25,79 64,80 0,22 0,35 8,10 0,20 75,6 153,5
ЦГОК 65,88 25,20 66,11 0,19 0,25 7,52 0,07 68,6 202,3
ПГОК 61,76 28,30 56,79 0,26 0,87 12,07 0,23 81,4 178,0
ЛебГОК 68,16 27,85 66,43 0,20 0,30 4,73 0,08 71,1 156,0
ОЭМК 70,00 29,40 67,33 0,15 0,16 2,70 - 90,8 223,4
МихГОК 63,76 34,39 63,99 0,24 0,21 10,09 0,25 85,2 184,6
КостГОК 66,23 27,73 63,80 0,14 0,14 7,44 - 87,5 189,0
Известняк 0,34 0,22 0,24 50,53 0,8-2,2 0,5-2,0 0,04 87,0 480,0
Бентонит 4,28 0,51 5,55 2,2-5,4 1,9-3,8 58-63 2,71 82,6 550,0
Таблица 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОКАТЫШЕЙ
Компоненты Параметры
Массовая доля в шихте, % Массовая доля компонента, % Масс. доля классов крупности, мкм Влаж- ность, % Уд. поверхн. м2/кг
Fеобщ. FеО 8ІО2 СаО -44 -74
Концентрат 94,7 65,8 25,73 7,20 91,22 10,17 197
Известняк 4,5 53,73 92,50 0,25
Глина 0,7 48,55 94,76 3,50
Сода кальциниро- 0,1 0,41
ванная
Таблица 3
СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ ОБОЖЖЕННЫХ ОКАТЫШЕЙ И ИХ ИЗМЕНЕНИЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ХРАНЕНИЯ
Срок хранения, Прочность Массовая доля компонента, % Основ-
месяцы R, кг/ок Б+5, % Б-0'5, % Fеобщ. FеО СаО МgО 8ІО2 ность
Исходные окатыши 343 94,2 5,2 62,77 0,62 2,49 0,25 7,3 0,375
1 331 93,8 5,9 62,59 0,87 2,81 0,21 7,53 0,401
2 325 92,8 5,7 62,34 1,70 2,76 0,29 7,37 0,414
3 338 92,0 7,0 62,28 1,15 2,84 0,29 7,44 0,421
4 320 94,8 4,1 62,30 0,71 2,86 0,26 7,46 0,420
5 315 93,6 5,6 62,42 1,01 2,90 0,25 7,53 0,418
6 300 94,0 5,2 62,45 1,07 2,92 0,24 7,26 0,435
7 326 93,9 5,6 62,50 1,22 2,85 0,23 7,47 0,399
8 322 92,7 5,6 62,40 1,21 2,95 0,21 7,38 0,428
9 318 91,5 7,4 62,06 1,97 2,94 0,22 7,25 0,436
10 333 92,4 6,4 62,21 1,85 2,33 0,23 7,36 0,348
11 325 92,4 7,0 62,00 1,97 3,43 0,24 7,20 0,509
12 289 93,8 5,2 61,93 1,77 3,18 0,23 7,59 0,449
13 332 93,7 4,8 62,10 0,80 2,85 0,24 7,50 0,412
14 306 93,2 6,8 62,07 1,26 3,24 0,24 7,25 0,481
15 330 93,0 6,6 61,90 0,74 2,93 0,22 7,64 0,412
16 320 94,5 4,8 62,15 1,76 2,81 0,23 7,62 0,399
17 310 93,3 5,8 61,85 1,10 2,90 0,22 7,55 0,410
18 320 92,5 5,5 61,95 0,82 2,84 0,23 7,65 0,400
Примечание: R - прочность на сжатие по ГОСТ 24765-81; Б+5 бане по ГОСТ 15137-77 и Б-0,5 - прочность на удар и истирание во вращающемся бара-
ние флюсующей добавки - обеспечить наиболее полное ошлакование пустой породы, содержащейся в доменной шихте. Количество известняка в шихте определяется требованиями получения необходимой основности и зависит как от качества самого известняка, так и от массовой доли СаО, МgО, SЮ2, А12Оз в концентрате и связующей добавке. Использование известняка в окомковании имеет свои достоинства и недостатки, анализ которых изложен в ряде работ. Отметим только, что при использовании известняка в производстве окатышей требуется дополнительный расход те-
пла на его декарбонатизацию, но зато обжиг окатышей с этой добавкой способствует снижению температуры образования ферритов и алюмосилико-ферритов кальция, упрочняющих
структуру окатышей [4]. Кроме того, добавление известняка в шихту позволяет снизить переувлажнение концентрата и ведет к улучшению процессов окомкования и сушки.
Подбор шихты оптимального состава является начальным звеном в процессе получения качественных окатышей. Увеличение в шихте доли тонкодисперсного материала за счет введения глинистой и карбонатной
добавок повышает значение удельной поверхности материала, создает дополнительное количество точек соприкосновения зерен, увеличивая силы их взаимного притяжения. Оптимальное сочетание зерен различных размеров в шихте позволят формировать достаточно прочные сырые окатыши. При высокой массовой доли фракций (менее 0,001 мм) структура материала становится более плотной; положительная роль зерен (более
0,02—0,05 мм) заключается в том, что они создают скелет, который препятствует действию деформационных сил. Равномерное распределение мел-
ких частиц между крупными, возникающее при перемешивании шихты и формировании гранул, способствует укреплению структуры окатышей. Избыток мелкой фракции приводит к увеличению расстояния между крупными частицами, создает повышенную влажность гранул, что сказывается на прочности как сырых, так и обожженных окатышей.
Таким образом, на процесс получения окатышей как в сыром, так и в обожженном состоянии, влияет множество факторов: химический, минералогический, гранулометрический состав шихты, температура, скорость сушки и обжига, время изотермической выдержки высоты обжигаемого слоя, полнота завершенности процессов окисления, состав возникающей при обжиге связки и т.д. Исходные условия получения окатышей отражаются на их поведении при длительном хранении.
В задачу исследования входило изучение процессов окисления и разрушения, происходящих при хранении окатышей в естественных условиях, так как в результате постоянно действующих физико-химических процессов происходит постепенное нарушение целостности окатышей, приводящее к росту количества мелочи (менее 5 мм) при перегрузках и транспортировке.
Была выполнена серия опытов по изучению изменений свойств окатышей, хранящихся в виде конуса на открытой площадке, под воздействием окружающей среды. Результаты изменения свойств контролировались ежемесячно в течение полутора лет. Анализировались усредненные пробы, сформированные в результате отбор окатышей из различных точек наружной части конуса. Единичные пробы были отобраны и из внутренних слоев конуса. В пробу одновременно попадали серо-стальные, хорошо обожженные окатыши зонального строения с магнетитовым ядром, однородные серые окатыши, полностью сложенные гематитом, а также окатыши с оттенками вишнево-красного цвета. Последние, являясь недообожженны-ми, по данным технологических испытаний, оказывались зачастую менее прочными. Минералогические наблюдения свидетельствовали об отсутствии в них жидкой силикатной связки, упрочняющий обжиг характе-
ризовался только твердофазным спеканием. Вишневая окраска обусловлена присутствием тонкодисперсного гематита в наружном слое, не захваченном рекристаллизацией с укрупнением зерен.
Отмечалось изменение химического состава, прочностных характеристик, массовой доли мелочи, минералогических особенностей: изменение пористости, разрушение связки, появление признаков вторичного окисления и т.д.
Основная масса обожженных окатышей, оставленных на хранение, характеризуется зональным строением с разными размерами зон:
• наружная зона представлена гематитом в основном мелкозернистой структуры, где зерна создают каркас в результате твердофазного спекания, мощность зоны 1-2 мм;
• средняя зона мощностью 3-4 мм сложена среднезернистым гематитом конформной структуры, для этой зоны в офлюсованных окатышах часто характерно жидкофазное спекание;
• внутренняя зона сложена магнетитом с разной интенсивностью окисления зерен, радиус этой зоны 1-2 мм. Учитывая преобладающую количественную роль окатышей с зональным строением в общей массе пробы, физико-химические характеристики определялись в основном этим видом окатышей, хотя по отдельным разновидностям отмечались свои особенности.
Анализируемые физико-
химические параметры даны на основании усредненных значений, полученных по партии окатышей, вошедших в пробу. По всем прочностным свойствам (прочность на сжатие и удар, истираемость) наблюдается постепенное снижение в зависимости от времени хранения (табл. 3). Прочность на истирание снижается за полтора года в среднем на 0,22 % (рис. 1, а). В первые три месяца наблюдается заметное «шелушение» поверхностного слоя окатышей, он становится рыхлым, осыпается. В дальнейшем процесс разрушения поверхностного слоя приостанавливается благодаря структурным особенностям более глубоких слоев окатыша. Наблюдение этих окатышей под микроскопом подтвердило, что в поверхностном слое увеличивается пористость и разобщенность мелких зерен гематита.
Ближе к ядру зерна становятся более крупными и удерживаются за счет большей площади контактов твердофазного спекания или появления силикатной связки.
Прочность на удар во время хранения остается довольно высокой, составляя в среднем 93,3 %. Колебания значений обусловлены неоднородностью обжига в слое на конвейере обжиговой печи. Среднее снижение прочности на удар составляет 0,34 % в год (рис. 1, б). Прочность на сжатие (рис. 1,в ) за весь период хранения уменьшилась с 343 до 320 кг/ок, что составляет 6,7 % от исходного значения, в среднем снижение прочности на сжатие составляет 4,3 % в год.
Изменение прочности зависит не только от воздействия климатических факторов, но и от исходного состояния окатышей, оставленных на хранение. Так, окатыши, имеющие прочность на сжатие 170-250 кг/ок, на поверхности и на сколах после раздавливания имели включения непрореагировавшей извести (после обжига зерна известняка превратились в обожженную известь, но из-за недостаточного температурного воздействия и времени эта известь осталась неусвоенной). На таких недообож-женных окатышах с прочностью на сжатие менее 170 кг/ок в первую очередь стали заметны следы разрушения: увеличилась пористость за счет выноса непрореагировавшей извести, появилась разобщенность зерен гематита (особенно в наружной зоне). Окатыши с прочностью на сжатие более 300 кг/ок изначально были темно-серого цвета, с металлическим блеском и равномерной пористостью по всему сечению окатыша, поры имели округлую форму и средние размеры. Следы непрореагировавшей извести отсутствовали. Однако после пяти месяцев хранения в этих окатышах на поверхности и в близповерхностном слое стали появляться белые точечные выделения, бурно реагирующие с соляной кислотой. В ряде случаев поверхность окатышей и зерна извести покрывались бурым налетом гидроокислов железа. Часть окатышей, имеющих прочность на сжатие более 300 кг/ок, даже в течение года не претерпела видимых изменений: не было отмечено разупрочне-
Рис. 1. Изменение прочностных свойств обожженных окатышей в зависимости от длительности хранения
Рис. 2. Зависимость массовой доли железа общего в обожженных окатышах от длительности хранения
ния связки, увеличения пористости, появления гидроокислов и т.д.
Микроскопическое изучение подтвердило, что исходные окатыши, характеризующиеся плотной структурой с рекристаллизо-ванным гематитом, равномерной пористостью и жидкофазным спеканием в промежуточной зоне, оказались наиболее устойчивыми при хранении, в них с течением времени не наблюдалось заметного развития вторичных процессов. При хранении больших объемов окатышей характер изменения материала в наружных и внутренних слоях конуса различается, нижние слои оказались более защищенными.
Особый интерес представляет изменение массовой доли железа в течение всего периода хранения окатышей, в результате воздействия климатических факторов (кислорода воздуха, осадков, температуры и т.д.) происходит разубоживание
железа. В начальный период хранения потери железа общего в обожженных окатышах значительны и составляют 0,17 % в месяц (рис. 2, прямая 1). С течением времени процесс окисления снижается, характер зависимости падения массовой доли железа становится более плавным, и среднегодовое значение потерь железа общего в окатышах составляет 0,04 % в месяц (рис. 2, прямая 2).
Таким образом, результаты комплексных исследований: физико-
механических, химических, минералогических подтвердили ухудшение прочностных свойств и разубо-живание железа в результате длительного хранения окатышей.
Выводы
1. Наиболее подвержены климатическому воздействию недо-обожженные железорудные окатыши с прочностью на сжатие менее 170 кг/ок. Процесс разрушения окатышей начинается с поверхности и вдоль трещин.
2. Снижение прочности на истирание в первые три месяца хранения составляет 1,8 %, а в среднем за год - 0,22 %.
3. Прочность на удар и сжатие изменяется незначительно, особенно устойчивы к этому воздействию окатыши с жидкофазным спеканием. Снижение прочности на удар составляет 0,34 % в год, на сжатие - 4,3 %.
4. При длительном хранении на напольном складе происходит разу-боживание железа общего в обожженных окатышах. В течение первых трех месяцев эти потери наиболее существенны и составляют 0,17 % в месяц. Затем интенсивность разубоживания снижается, и в среднем за год потери железа общего составляют 0,04 % в месяц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Журавлев Ф.М., Малышева Т.Я. Окатыши из концентратов железистых кварцитов. - М.: Металлургия, 1991. - 127 с.
2. Зинягин Г.А., Конесников Б.П., Лазуткин С.Е. и др. Техно- 3. А.С. 1497247 СССР, МКИ С 22 В 1/243. Шихта для произ-
логия производства и морских перевозок пассивированных окатышей водства окатышей /А.И. Потапов и др. - № 4016010/23 -02; Заявл.
ОЭМК. - Сталь, № 7, 2000. 03.12.85; Опубл. 30.07.87 г., Бюл. № 28.
4. Ферритообразование в железорудном сырье /М.С. Модель, В.Я. Лядова, Н.В. Чугунова. - М.: Наука, 1990. -152 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------------------------
Алтынбаев Рафик Ахметжанович — кандидат химических наук, начальник лаборатории окомкования ЦТЛ Михайловского ГОКа, г. Железногорск Курской области.
Гзогян Семен Райрович — инженер ЦТЛ Михайловского ГОКа.
Мельникова Надежда Дмитриевна — кандидат геолого-минералогических наук, инженер ЦТЛ Михайловского ГОКа.
