Подготовка железных руд к плавке

Для использования в доменной плавке руды должны быть тщательно подготовлены. Производительность печи, расход топлива, качество производимого чугуна целиком зависят от степени и качества подготовки руды.

Человека, который мог отличить «добрую» железную руду от плохой, в старину называли рудознатцем. Он разыскивал гнезда богатых руд и следил, чтобы рудокопы не примешивали к рудам «землю» (пустую породу). Породоотборка и разделение руды по крупности существовали и в древние века. В более позднее время подготовка руд к плавке предусматривала предварительный обжиг руд.

Целью подготовки руды является: доведение содержания железа в концентрате до 64-67 %, получение прочных, газопроницаемых, хорошо восстановимых кусков железосодержащих материалов размерами от 10 до 40 мм, достижение однородного состава, введение необходимых флюсов. Такая подготовка производится на горно-обогатительных комбинатах (ГОКах), работающих в непосредственной близости от железных рудников.

В зависимости от характеристики добываемой руды применяют следующие методы ее подготовки: а) дробление и сортировку по классам крупности; б) обогащение; в) усреднение; г) окускование.

Дробление представляет собой процесс уменьшения размера кусков твердого материала его разрушением под действием внешних сил до определенной крупности. Добываемые в естественных условиях руды очень различаются по крупности. При открытой добыче размер отдельных кусков достигает 1000-1200 мм, а при подземной – 300-800 мм.

Дробление руды может быть основной или подготовительной операцией подготовки ее к плавке. Основной операцией оно является в тех случаях, когда дробленная руда направляется непосредственно в плавку без обогащения или окускования. Как подготовительную операцию дробление применяют для всех обогащаемых руд, разрушая куски руды до такой величины, которая позволяет отделить при обогащении рудный материал от пустой породы.

Различают несколько стадий дробления: при размерах кусков 100-350 мм крупное дробление, 40-60 мм - среднее дробление, 6-25 мм - мелкое дробление, 1 мм и менее - измельчение. Крупное, мелкое и среднее дробление производится в установках, называемых дробилками, а измельчение – в мельницах.

Дробление выполняется следующими методами: раздавливанием, истиранием, раскалыванием, ударом и сочетанием перечисленных способов. Схематически сущность этих методов показана на рис. 12 и 13.

Раздавливание происходит между плоскими качающимися щеками дробилки, или между вращающимися навстречу друг другу валками, или между эксцентрически расположенными коническими поверхностями. В соответствии с этим различают щековые, валковые, конусные дробилки (рис. 13.)

Раскалывание осуществляется острыми зубьями или шипами разнообразной формы, например, в валковых дробилках, в основном, для хрупких материалов.

Удар осуществляется движущимся пестом, вращающимися жестко закрепленными пальцами (дезинтеграторы) или вращающимися молотками, стержнями (молотковые и ударные дробилки) (рис. 14.)

Истирание, всегда сопровождающее раздавливание, ведется между вращающимися жерновами или плоской и цилиндрической поверхностями (бегуны).

Рис.13. Конструктивные приемы раздавливания

a б в

Рис. 14. Конструктивные приемы дробления ударом

Дробление и измельчение руды – самый дорогой и энергоемкий из всех стадий подготовки: его стоимость составляет от 35 до 70% расходов на весь цикл обогащения, а стоимость дробильных устройств достигает 60% стоимости всего оборудования. После каждой стадии дробления материал подвергается сортировке (разделению на фракции по крупности), что необходимо для отсева мелочи. Такая сортировка производится на грохотах.

Грохочение – это разделение или сортировка материалов по классам крупности при помощи решеток или металлических сит. Грохочением обычно разделяют материалы крупностью 1 - 3 мм, а более мелкие – классификацией. Классификация осуществляется с помощью воды или воздуха с использованием разности скоростей падения зерен различной крупности.

Добываемые из недр земли руды чаще всего не удовлетворяют требованиям металлургических производств по содержанию основного металла и вредных примесей, а потому нуждаются в обогащении.

Обогащение – общее название ряда процессов, в результате проведения которых получается концентрат с содержанием полезного компонента выше, чем в исходной руде. Остаточный продукт – хвосты, более бедный, чем исходная руда.

Об эффективности обогащения говорит выход концентрата либо степень извлечения железа. Выход концентрата

g = Р – О/(К – О)*100 %,

где Р, К, О – содержание железа соответственно в исходной руде, концентрате и отходах-хвостах, %. Степень извлечения железа

e=g К/Р.

Метод обогащения выбирается в зависимости от физического состояния железнорудного материала.

Вопрос об оптимальной степени обогащения железных руд целесообразно решать на основе технико-экономической оценки. С увеличением содержания железа в концентратах растут затраты на обогащение руд (кривая CD на рис. 15), при этом затраты в доменном цехе сокращаются (кривая AB). Пересечение кривых АВ и CD в точке К указывает на оптимальную степень обогащения и соответствует минимальной себестоимости чугуна (кривая EF). На практике установлено, что верхним пределом степени обогащения является 67 – 68 % железа в концентрате. Превышение этой величины приводит к снижению прочности сырья, а в итоге к отрицательным последствиям для доменной плавки.

Все применяемые на практике способы обогащения являются по своей сути механической обработкой руд и основаны на использовании различий в физических и физико-механических свойствах составляющих руду минералов. При хорошей размываемости минерала водой применяют промывку, при различной плотности – гравитационное обогащение, при наличии магнитных свойств – магнитное обогащение, на использовании физико-механического различия в поверхностных свойствах основана флотация.

Магнитное обогащение заключается в том, что подготовленную руду, содержащую магнитный минерал, вводят в магнитное поле, создаваемое магнитами. Силовые линии магнитного поля намагничивают минерал, зерна притягиваются магнитом и, преодолевая постоянно действующие силы (тяжести, центробежные, сопротивления водной среды и др.), движутся в одном направлении, в то время как немагнитные зерна под действием этих сил движутся в другом направлении (рис. 16).

Флотацию осуществляют в бетонированных резервуарах, куда подают пульпу – раствор воды с тонкоизмельченной рудой с добавками пенообразователей и флотирующих веществ. Пульпу в резервуаре активно перемешивают пузырьками воздуха. Под влиянием поверхностно-активных элементов частицы оксидов железа прилипают к пузырькам газа. Раствор подбирают такого состава, чтобы он не смачивал частиц железной руды. Пустую породу, оседающую на дне резервуара, периодически убирают. Поднимающиеся частицы руды удерживаются на поверхности ванны пеной и затем вместе с ней снимаются с поверхности. Далее руду извлекают из пены. Флотация окисленных железных руд позволяет получать концентрат с содержанием железа до 60 %.

Железные руды имеют непостоянный химический состав, а это приводит к неоднородности зернового (гранулометрического) состава раздробленных кусков. Особое значение имеет постоянное содержание железа. Рекомендуется так готовить шихту, чтобы отклонение от среднего содержания железа не превышало (0,3 - 0,5) %, иначе ухудшаются показатели работы печи.

Поступившую на склад руду укладывают в штабели послойно. Сформированный штабель выглядит как огромный слоеный пирог с множеством разнообразных по составу «начинок» (рис. 17). При отборе руды из штабеля или из бункера его и разрезают как пирог сверху до низу, что обеспечивает заметное перемешивание материала. На некоторых заводах имеются механизированные склады для усреднения.

Окускование – это процесс превращения мелких железорудных материалов (руд, концентратов, колошниковой пыли) в куски необходимых размеров для улучшения показателей работы металлургических агрегатов. Наиболее распространены два способа окускования: агломерация и окомкование (окатывание). Существует еще и такой способ как брикетирование, но для руд, используемых в доменном процессе из-за сложности обработки брикетов для получения необходимой прочности и низкой производительности брикетных процессов, он не нашел широкого распространения.

Окускование способствует повышению газопроницаемости столба шихтовых материалов в доменной печи, уменьшению расхода топлива, ровному ходу печи, уменьшению выноса газовым потоком мелких фракций шихты из печи, улучшению восстановительной способности газового потока.

Изобретение агломерации стало важной вехой в истории развития доменного производства. Сначала этот процесс использовался не в черной, а в цветной металлургии для окускования сернистых руд. С течением времени агломерация стала необходимым звеном, неотъемлемой частью доменного процесса. Агломерация – это процесс окускования рудной мелочи путем ее спекания.

Английские металлурги так и называют этот процесс «sintering» - спекание. Продукт агломерации и мы зовем «спек» (или пирог) до тех пор, пока из него не отсеяна мелкая фракция – возврат. Однородные спеченные куски, которые направляют в доменную печь, металлурги называют агломератом.

Известно несколько способов агломерации руд: а) просасыванием воздуха; б) во вращающихся печах; в) во взвешенном состоянии; г) с подачей воздуха снизу; д) с подачей воздуха сверху. Наибольшее распространение получил способ спекания рудной мелочи на колосниковой решетке с просасыванием воздуха через слой шихты.

В агломерационной шихте, кроме железосодержащих материалов, присутствуют известняк (для получения офлюсованного агломерата), другие добавки (марганцевая руда, отходы производства).

Основные компоненты шихты для спекания, %:

железосодержащие материалы (руда, концентрат, колошни-

ковая пыль) крупностью 8 – 0 мм 40 – 50,

известняк крупностью 2 – 0 мм 15 – 20,

возврат (мелкий агломерат) крупностью 10 – 0 мм 20 – 30,

твердое топливо крупностью 3 – 0 мм 4 - 6,

влага 6 – 9.

Спекание подготовленной шихты производится на колосниковой решетке рис. 18). На колосниковую решетку чаши или конвейерной ленты загружают так называемую «постель» высотой 30-35 мм, состоящую обычно из возврата крупностью 10-25 мм. Сверху на нее загружают шихту (250 - 350 мм). Под решеткой создают разрежение для засасывания в слой воздуха. В самом начале процесса для нагрева верхнего слоя шихты до 1300^оС и воспламенения топлива используется специальное зажигательное устройство. Зона горения постепенно продвигается сверху вниз со скоростью 10 – 40 мм/мин. При достижении зоной горения «постели» процесс спекания заканчивается, обычно длительность его составляет 10 - 20 мин.

Агломерат должен быть прочным, пористым хорошо восстановимым. Для оценки прочности агломерата проводят специальные испытания в глухом стальном барабане. В барабан загружают 20 кг агломерата и вращают в течение определенного времени. Количество образовавшейся мелочи характеризует прочность агломерата (мелочи в кусках до 25 мм должно быть не более 25 %). Использование агломерата в шихте доменных печей России составляет 98 %. Его значение растет в связи с тем, что на рудниках увеличивается количество пылеватых руд.

Появление процесса окомкования было вызвано расширением использования бедных руд и стремлением к более глубокому их обогащению. В результате получались тонкоизмельченные железорудные концентраты (менее 0,05 мм), для которых было экономически невыгодно использовать агломерацию: снижалась производительность агломерационных машин и ухудшалось качество агломерата. Продукт процесса окомкования – окатыши – используется как в доменной печи, так и для прямого получения железа восстановлением.

Технология производства окатышей включает два этапа: получение сырых (мокрых) окатышей и упрочняющий высокотемпературный обжиг при температуре 1200 – 1350 ^оС. Сырые окатыши получают в грануляторе, который представляет собой вращающийся барабан длиной в 2-3 раза больше его диаметра с наклоном на 2-3,5^о. Благодаря поверхностным силам сцепления материал в нем слипается по принципу образования снежного кома, а при вращении барабана происходит обкатка комков до сферической формы.