CC BY
4УДК 669.162.001.24
Сафаров А.Х. студент кафедры металлургия Ташкенский государственный техничечкий университет
(Узбекистан, г. Ташкент) Юлдашева Н. С. студентка кафедры металлургия Ташкенский государственный техничечкий университет
(Узбекистан, г. Ташкент) Маткаримов С.Т., доктор технических наук старший преподователь кафедры металлургия Ташкенский государственный техничечкий университет
(Узбекистан, г. Ташкент) ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ ИЗ
БЕДНОГО СЫРЬЯ Аннотация: в статье рассмотрена возможность получения металлизированных концентратов из железосодержащих руд с низким содержанием железа, с целью подготовки их к металлургической переработке. Показано, что на эффективность процесса получения металлизированных концентратов существенное влияние оказывают следующие факторы: состав руды, физические и химические свойства руды, возможность получения окатышей, тип и расход восстановителя и др. Ключевые слова: руда, концентрат, окатыш, восстановитель.
Safarov A.Kh. Student of metallurgy department
(Uzbekistan) Yuldasheva N.S.
Student of the department of metallurgy
(Uzbekistan) Matkarimov S. T.
Doctor of Technical Sciences, Senior lecturer of the metallurgy department
(Uzbekistan)
TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE PROCESS OF OBTAINING METALLIZED IRON CONCENTRATES FROM POOR
RAW MATERIALS Annotation: in article the possibility of receiving the metallized concentrates from ferriferous ores with the low content of iron, for the purpose of preparation them to metallurgical processing is considered. It is shown that the following factors have significant effect on effectiveness of process of receiving the metallized concentrates: composition of ore, physical and chemical properties of ore, possibility of receiving pellets, type and consumption of reducer, etc. Keywords: ore, concentrate, pellet, reducing agent.
Железорудные месторождения Узбекистана относятся к категории бедных и комплексных железо-титановых, железо - титано - ванадиевых руд, для которых характерно чрезвычайно тонкое прорастание рудных и нерудных минералов. В них значительная часть железа входит в состав комплексных и железо-силикатных минералов. При их обогащении не достигается удовлетворительного разделения рудных и нерудных минералов даже при очень тонком измельчении руд. В результате этого получаются бедные железом концентраты с повышенным содержанием ЗЮ2 и других оксидов пустой породы. Кроме того, при наличии химической связи между оксидами железа и пустой породы значительная часть связанного металла теряется с хвостами, извлечение ценного компонента в концентрат при этом остаётся низким.
Так например, руды месторождения Тебинбулак являются вкрапленными, густовкрапленными и массивными. Основной рудный минерал - титаномагнетит, состоящий из магнетита с тонкими пластинчатыми вростками ильменита. Присутствует также гематит.
Месторождение Темиркан характеризуется наличием гематитовых, смешанных гематит-магнетитовых и магнетит-гематитовых руд.
Месторождение Сьюрената характеризуется гидротермально -осадочным гематит-лимонитовым типами руд. Имеется также скарново-магнетитовый тип руды [1].
Применение к таким рудам обжиг - магнитного обогащения в большинстве случаев не даёт положительных результатов. Так, при обжиг -магнитном обогащении бурожелезняковых руд, представленных в значительной степени тонковкрапленными породами сложного состава, содержание железа в концентрате обычно не превышает 53-55%, а концентрация его в хвостах составляет не менее 22-24%. Это объясняется главным образом присутствием в этих рудах значительных количеств железо -силикатных минералов, нонтралита, хлорита и шамозита, приобретающих в процессе обжига магнитные свойства и переходящих при сепарации в магнитный концентрат [2,3].
Для осуществления высокотемпературного восстановительного обжига руд до металлического состояния предложены и испытаны в лабораторном и полупромышленных масштабах различные методы. В них предусмотренно использование в качестве восстановителя энергетических углей или коксовой мелочи, среди них:
1. Обжиг руды во вращающихся печах в пересыпающем рудно - угольно - флюсовом слое, известный как процесс ЯК [4,5].
2. Высокотемпературный (1150 - 1350 0С) обжиг рудно-угольных окатышей в окислительной или нейтральной атмосфере на конвейерной обжиговой машине, в кольцевой вращающейся печи или периодически действующей реторте [6]. После тонкого измельчения окатышей и последующей магнитной сепарации может быть получен концентрат с
высоким содержанием металлического железа (75-85%) и степенью металлизации ^мет / Feобщ ■ 100) порядка 80-95%.
На кафедре «Металлургия» Ташкентского государственного технического университета разрабатывается технология, при которой прямое обогащение руды одним из классических методов сочетается с высокотемпературным (1150 - 1350 00) восстановительным обжигом труднообогатимых промышленных продуктов до металлического железа. Частички железа отделяются от пустой породы и выделяются из состава сложных химических соединений с трудновосстановимыми оксидами титана, марганца, ванадия и хрома. В дальнейшем частички коагулируют, приобретая окружную форму, что позволяет легче извлечь их при последующем измельчении обожженного продукта и его магнитной сепарации в слабом поле.
В республике известны три месторождения подобных руд. Учитывая, что две из них сравнительно небольшие (Сьюрената и Темиркан), на наш взгляд целесообразно проводить исследования на пробах, составленных из смеси всех образцов. Вряд ли целесообразно на каждое месторождение разрабатывать отдельные технологии и строить свои промышленные предприятия.
Проба, составленная из смеси руд имела следующий минералогический состав, % (вес): 34,85 гематит, 26,00 магнетит, 0,33 сульфидов, 38,82 пустой породы. В большинстве случаев остатки магнетита сохранились только в центральной части особенно крупных рудных частиц. Иногда в гематите наблюдаются зёрна магнетита диаметром 0,02 - 0,30 мм, однако значительно чаще встречаются очень тонкие прорастания гематита по магнетиту. Пустая порода состоит из небольшого количества кварца, халцедона и главным образом из яшмы - весьма тонкой смеси халцедона с гематитом.
Кроме того, внутри рудных частиц, располагающихся в массе кварца, халцедона или яшмы, обнаружены многочисленные включения пустой породы. Размеры этих включений часто чрезвычайно малы (от 0,01 до 0,02 мм), что не позволяет полностью отделить пустую породу от рудного минерала даже при очень тонком измельчении и предопределяет низкое качество концентрата.
Пробные опыты по магнитной сепарации дроблённой руды показали целесообразность применения комбинированной магнитно -гравитационной схемы обогащения, при котором возможно получение богатого магнитного концентрата крупностью 10 - 0 мм и более тонкого (1 - 0 мм) гематитового концентрата. Этот концентрат может быть успешно выделен при гравитационном обогащении доизмельчённых хвостов и промышленного продукта магнитной сепарации. Полученные по этой схемы промышленные продукты с 30-34% Fe, обогащение которых классическими способами было неэффективным, доизмельчали и направляли на пирометаллургическое обогащение. Поскольку высокотемпературный обжиг рудно-угольных окатышей является трудоёмкой и дорогостоящей операцией, схема
предварительного обогащения руды разработана таким образом, чтобы на эту операцию поступало возможно меньшее количество материала (выход промышленных продуктов с 34,77 % Бе составлял 18,11%).
Технология получения сырых рудно-угольных окатышей из тонкоизмельчённых материалов, содержащих не менее 70-90% фракции -0,074 мм, практически остаётся такой же, как и для рудных гранул, и может быть реализовано на применяемых в настоящее время грануляторах, что согласуется с результатами работы [7]. Ввиду высокой капиллярной влагоёмкости тонкоизмельчённого топлива по сравнению с концентратом, влажность шихты для получения рудно-угольных гранул необходимо поддерживать на 2-4% выше, чем при производстве рудных окатышей. Сырые рудно-угольные окатыши с 20% топлива (порошок ангренского угля) диаметром 10 мм выдерживали до разрушения нагрузки 0,8 кг, а после сушки 1,0-1,2 кг/окатыш.
Нами были проведены исследования по определению влияния температуры обжига на некоторые технологические показатели процесса обогащения железорудных окатышей. Результаты исследований приведены на рис. 1 - 3. Эксперименты проводили при следующих условиях: время обжига - 15 минут, диаметр окатыша - 10 мм, состав шихты 80% бедная руда и 20% топлива.
На рис.1 представлены изменения содержания железа в концентрате в зависимости от температуры обжига.
100 п
го а
го м о с о X а>
X
ГО
X а о Ч О
о
80
60
40
20
1200
1250 1300
Температура обжига, 0С
1350
0
Рис.1 Влияние температуры обжига на содержание железа в
концентрате
Из рис.1 видно, что с увеличением температуры обжига содержание железа в концентрате растёт. Это явление можно объяснить следующим образом. Для протекания химических или структурных изменений в твёрдой фазе должно происходить перемещение атомов. Возможны различные
механизмы этого явления. Одним из них может быть переход атомов из нормальных узлов решётки в расположенную рядом вакансию. Вакансии существуют в каждом кристалле при всех температурах, отличных от абсолютного нуля. Скорость, с которой протекает диффузия атомов в этом случае, зависит от лёгкости перемещения атомов из нормального узла в вакантный и от концентрации вакансий. Передвижение атомов в каком-либо направлении эквивалентно блужданию вакансий в противоположном направлении. Поэтому в подобном случае можно говорить о диффузии вакансий.
Одним из вариантов этого процесса является так называемый «эстафетный» механизм, при котором атом, находящийся в междоузлии, переходит в нормальный узел, выталкивая ранее находившийся там атом в новое междоузлие.
Действительный механизм процесса в данной системе определяется относительной величиной энергии, требующейся для протекания этого процесса. Диффузионные процессы, как правило, во многом определяют скорость химических реакций и спекания.
Величина необходимой для этого энергии называется энергией активации процесса, а температурная зависимость может быть представлена выражением:
В = Д с^ -Е / КГ) где E - кажущаяся энергия активации диффузии.
Величина коэффициента диффузии и его изменение с ростом температуры увеличивается и тем, самым ускоряются реакции восстановления оксидов железа.
Процесс восстановления железа из оксидов, согласно принципу Байкова о последовательности превращений, протекает ступенчато путём перехода от высших оксидов к низшим по схеме Fe2Oз ^ FeзO4 ^ FeO ^ Fe (выше 570 0С) или
Fe2Oз ^ FeзO4 ^ Fe (ниже 570 0С).
При этом в соответствии с диаграммой Fe - O в системе возникают не только низшие оксиды и металл, но и твёрдые растворы.
Восстановление оксидов железа твёрдым углеродом возможно по следующим реакциям:
3Fe2Oз + C = 2FeзO4 + Ш -129,07 МДЖ
FeзO4 + C = 3FeO + CO -187,28 МДж
FeO + C = Fe + Ш -152,67 МДж
Для последней реакции: lg ^ = - 7730/T +7,84
Суммарный отрицательный тепловой эффект 4240 кДж/кг железа.
При отрицательном тепловом эффекте химической реакции, согласно принципу Ле-Шателье, увеличение температуры сдвигает равновесие реакции восстановления железа слева направо, т.е. в сторону образования металла. Важным показателем обогатительного процесса является извлечение ценного компонента в концентрат. На рис. 2 представлены результаты исследований по определению этого показателя в зависимости от температуры обжига.
1200 1250 1300 1350 1400
Температура обжига, 0С
Рис.2. Влияние температуры обжига на извлечение железа в концентрат: Время обжига - 15 мин в токе воздуха; окатыши ё = 10 мм; состав 80% руда,
20% коксик.
Из данных на рис. 2 видно, что с повышением температуры степень извлечения железа в концентрат возрастает. Это является следствием того, что при высоких температурах восстановительные процессы протекают более интенсивно. Однако, степень извлечения остаётся довольно низкой и это приводит к тому, что при термической обработке измельчённых железорудных материалов наблюдается явление спекания. Оно особенно активизируется, если обработке подвергается пористое спрессованное тело. Таким образом, спекание проявляется при термообработке как отдельных дисперсных частиц (например, при восстановлении или обжиге концентратов в кипящем слое), так и гранул (сырые окатыши, брикеты) [8].
Исходное пористое тело является системой, удалённой от состояния термодинамического равновесия одновременно по многим параметрам. Это обусловлено большой свободной поверхностью отдельных частиц, наличием микроискажений типа смещения атомов из регулярных положений в решётке, неравновесных дефектов типа дислокаций, избыточных вакансий и др. При многокомпонентности состава дисперсной среды неравновесность системы обусловлена также полем градиента концентраций. При спекании, являющимся необратимым процессом, происходит как уменьшение
поверхностной энергии частиц, так и «залечивание» отдельных дефектов, выравнивание концентрации.
Твёрдофазное спекание влияет на процесс восстановления при переработке рудно-угольных окатышей. При восстановлении их в шахтной печи этот процесс имеет большое значение в связи с тем, что верхний предел температур восстановления ограничен температурой спекания окатышей в гроздья с нарушением режимов процесса.
Обработка железорудных материалов в ходе термического восстановления имеет, по сравнению с чистым явлением, некоторые особенности, из которых прежде всего следует выделить:
а) наличие большого числа компонентов (оксиды железа, кремния, алюминия, кальция, магния и пр.);
б) заметное количество образующихся в ходе процесса газов;
в) протекание окислительно-восстановительных процессов;
г) протекание твёрдофазных реакций (между магнетитом и кремнезёмом, известью и гематитом и прочие);
д) возможность образования некоторого количества жидкой фазы переменного состава и свойств.
Эти особенности не дают возможности использовать без изменений закономерности спекания, найденные главным образом для металлических порошков. Например, железорудный материал является системой, удалённой от термодинамического потенциала по многим параметрам. Поскольку восстановительная обработка сопровождается химическими реакциями, уменьшение свободной энергии системы в результате протекания реакций может характеризоваться более мощными потоками вещества, чем остальные процессы. Иначе говоря, приближение системы к равновесию по одному параметру, может оказаться энергетически оправданным в том случае, когда оно сопровождается временным удалением от равновесия по другим параметрам. Практически это может выразиться в ином процессе изменения пористости гранул, размера зёрен и т.п.
В общем случае окатыш можно рассматривать как пористый поликристалл с разветвлённой сетью межчастичных границ. Чем больше площадь межзёренных границ, тем плотнее и прочнее окатыш. Исходя из этого, объективным критерием поведения железорудных частиц при нагреве является суммарная площадь межчастичных контактов или обратная величина - суммарная площадь контактов частицы - поры, которая выражена суммарной или удельной поверхностью пор.
Нами были проведены исследования по определению прочностных свойств в холодном состоянии окатышей от удельной поверхности пор. Удельную поверхность пор определяли широко распространённым пикнометрическим методом [9]. Результаты исследований представлены на рис. 3.
Ц 3--—^----
х
с 2 —^ ^
1 -I------,
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Удельная поверхность пор, м2/г
Рис. 3 Зависимость холодной прочности от удельной поверхности пор в
окатышах
Из данных на рис. 3 видно, что с увеличением удельной поверхности пор существенно падает прочность окатышей. Особенно это важно учитывать при загрузке материала в шахтную печь, т.к. при этом окатыши могут разрушаться, что снижает газопроницаемость шихты, увеличивается пылеунос и снижается восстановимость оксидов вследствие изменения аэродинамических условий в печи.
Также отрицательно сказывается спекание шихты, т.к. существенно затруднятся восстановимость вследствие снижения реакционной поверхности и образования трудновосстановимых соединений.
Из проведённых исследований можно сделать вывод о том, что успешная работа шахтных печей при работе на металлизированном сырье возможно только при определённых оптимальных параметрах по обогащению сырья и его металлизации. При этом материал должен обладать достаточной твёрдостью и восстановимостью.
Использованные источники:
1. Рудные месторождения Узбекистана. Коллектив авторов. - Ташкент: ГИДРОИНГЕО, 2001. - 611 с.
2. Малышева Т.Я., Долицкаz О.А. Петрография и минералогия железорудного сырья. -М.: МИСиС, 2012. 424 с.
3. Corby G. Anderson, Robert C. Dunne. Mineral processing and extractive metallurgy: 100 yers of innovation. Feb. 18.2014. - 386 p.
4. Губин Г.В. Изв. АН РФ. ОТН. Металлургия и топливо. 2015. № 2. С. 23 -28
5. Похвиснев А.Н. Внедоменное получение железа за рубежом. - М.: МИСиС, 2001. - 231 с.
6. Yusupxodjayev A.A., Xudoyarov S.R., Umarova I.K. Qora va rangli nodir metallarni qayta ishlash. -T.: Iqtisod-moliya, 2010. - 128 b.
7. Юсупходжаев А.А., Худояров С.Р., Муминов С.А. Технология подготовки титаномагнетитовых руд к металлургическому переделу. Сб. науч. Статей
Международной научно-практической конференции «Инновация -2014». Ташкент. ТашГТУ, 2014. С. 178-180.
8. Юсфин Ю.С. Даньшин В.В., Пашков Н.Ф. Теория металлизации железорудного сырья. -М.: Металлургия, 2000. - 256 с.
9. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. -М.: Металлургия, 1998. - 344 с.
